（环境工程专业论文）餐饮有机固形废弃物厌氧消化处理技术研究.pdf

东南大学硕士学位论文 s t u d yo nt e c h n o l o g yo ft r 朗t i n gm u n i c i p a ld i e t e t i c o r g a n i cs o i i dw a s t e sw i t ha n a e r o b i cd i g e s t i 蚰 b yj i nj i a n x i a n g s u p e n r i s e db yp r o f 、7 矿a n gs h i h e p i 协f y a n gc h u s h e n g s o u t h e a s tu n v e 礴i t y a b s t r a c t t h ct r a d “i o 脚m e t h o do ft r e a 咖e n to fm u l l i c i p a jd i e t e t i co 唱a 1 1 i cs o l i dw a s t e si s f o r b i d d e nb r i n g st m u b l e st ot l l et r e a t m e n to fm u n i c i p a ls o i i d m u n i c i p a ld i e t e t i c o 瑁a n i cs o l i dw a s t e sc a np 0 1 l u t et 1 1 es u h o u n d i i 培s s oi t i si m p e r a t i v et on a ti t a n a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s si sn o t o n l ys t a b l ea i l de a s yt oc o m r o l ，b u ta l s oc u t sd o w n 血e r 船t es l u d g e m e a n w h i l ei tp r o d u c e sb i o g 硒w m c hc a nb er e c y c l e d s oa n a e r o b i c d i g e s t i o np r o c e s sh 嬲s u p e r i o r i t i e sj nz o o l o g ya n de c o n o m yt h ec a t e r i n go 曜a n i c w a s t e si sp mi n t om l d i t i o n a la n a e r o b i cd i g e s t c ra n c rp r e t r e a 恤e n tt om o n i t o rt h e r e m o v a lo fc o da n dt s ，t h eb i o g a sa n dd i g e s t e ds o l i da r es t u d i e d t h ee f f c c t so f h r ta n dv o l 啪e 啊cc o d l o a d i n gr a t ea r e 柚a l y z e d t h ep h 、a l k a l i n 时p a r 锄e t e r 、 a g i t a t i o na n di n p u tt se t ca r es t u d i e dd u 血gm ea n a e r o b i cd i g e s t i o n t h e e x p e r i m e n t a lr e s l l l t ss h o w ：( 1 ) w h e n t h er e a c t o r st e m p e r a t u r ei sa r o u n d3 5 。c a n dv o l u m e 缸cc o d l o a d i n gr a t el e s s 也a n4 0 9 ，( l d ) ，m er e m o v a lp e r c e n to f c o d a n dt s sw i l lb eh i 曲m o r ct h a n8 0 9 2 c o di sr e 】：1 1 0 v e d ，a i l dt si sr e m o v c dn o1 e s s n l a i l7 7 3 8 a tt h es 锄et i m e ，t 1 1 eo r g a i l i cc o m p o u n dr c d u c e sa n dt h ev o l u m e d e c r e a s e s ；t h eb i o g a sh a so v e r5 8 2 3 m e 也a n ew h i c hc a nb ec o n d e n s e dt ou s e ；t h e o u t n o wa n dm ed i g e s t e ds o l i dc a l lb eu s e dt of c n i l i z e rm es o i la sa w a y t or e c y c l et 1 1 e w 韶t e s ( 2 ) s u g g e s t i o n s ：t h em i x t w es h o l l l d b ea g i 诅t e dc o m i n u o u s l ya 1 1 da l k i s o v e r5 0 0 0 m g ，l ；v f as h o u l db el e s st 1 1 a n5 0 0 m g la n di 印u tt si sa b o m8 8 t 1 1 i sp m c e s si se a s yt oc o n t m la i l de n e r g yc o n s u m p t i o ni ss m a l l ，s oi ti sa f e a s i b l ew a yt om e 仃e 咖e mo f m 砌c i p a ld i e t e t i co r g a l l i cw a s t e s k e yw o r d s ：a n a e r o b i cd i g e s t i o n ；m u l l i c i p a ld i e t e t i co r g a i l i c 、v a s t e s ；s o l i dw 嬲t e s b i o g a sp r o d u c t i o n ；v 0 1 啪e 们cc o dl o a d i n gr a t e ；h y d r a u l i c 慨e n t j o n t i m e i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 论文使用授权声明 砸6 。 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一妊锱 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 餐饮阎形有机废弃物即为餐饮有机垃圾，又称餐厨垃圾、泔脚、泔脚垃圾等，是指餐饮 行业以及政府机关、企事业单位、学校等公共食堂的食物废料和食物残余。它与城市居民家 庭的厨余垃圾，蔬菜、水果等食品加工业和批发零售市场产生的食物垃圾共同构成了城市生 活垃圾的有机部分“。 目前我国城市餐厨垃圾的处理问题仍然是一项技术难题。随着人们对有机垃圾处理的要 求不断提高，有机垃圾的厌氧消化处理包括餐饮有机垃圾厌氧消化处理的研究也在逐渐的 深入。 1 1 1 我国的餐饮有机固形废弃物产生与污染状况 餐饮有机垃圾是指人们在生活消费过程中形成的一种生活废物。主要包括：米和面粉类 食品残余、蔬菜、植物油、动物油、肉骨、鱼刺等等。其中以有机组分为主含有人量的淀 粉和纤维素，无机盐中n a c l 的含量较高，同时含有一定量钙、镁、钾、铁等微量元素“1 。 餐饮有机垃圾表现出以淀粉、蛋白质、脂肪为主，高含盐量( 湿基：0 8 盼一1 5 ) 、游离态 脂肪( 干基：2 0 - 3 0 ) 比重大的特点“1 。从餐饮有机垃圾产生的主要发生源看，居民区、饭店、 各种企事业单位的食堂是餐饮有机垃圾的集中排放场所。 ( 1 ) 餐饮有机垃圾的特性”1 餐饮有机垃圾的组成、性质和产生量受多种因素的影响。如社会经济条件、地区差异、 居民生活习惯、饮食结构、季节的变化和不同的发生源等等不同的因素对餐饮有机垃圾的组 成、性质和产生量产生不同的影响。总体上，餐饮有机垃圾具有以下特性： 感官性状上，油腻腻、湿淋淋的餐饮有机垃圾对人和周围环境造成不良影响，影响人 的视觉、味觉等舒适感和生活卫生条件。 含水率较高，约8 0 一9 0 。较高的含水率对餐饮有机垃圾的收集、运输和处理都带来 难度。餐饮有机垃圾渗沥水可通过地表径流和渗透作用，污染地表水和地下水。 易腐性。餐饮有机垃圾中有机物含量高，在温度较高的条件下能很快腐烂发臭，引 发新的污染。 餐饮有机垃圾中存在病毒、致病菌和病原微生物。餐饮有机垃圾的来源复杂，如不加 以适当的处理而直接利用，会造成病原茵的传播、感染等。 富含有机物、氮、磷、钾、钙以及各种微量元素。 餐饮有机垃圾与城市垃圾相比，其组成较简单，有毒有害物质( 如重金属等) 含量少， 有利丁餐饮有机垃圾的处理和再利用。 东南大学硕士学位论文 餐饮有机垃圾的以上特性说明，一方面具有较大的利用价值，同时必须对其进行适当的 处理，才能得到社会效益、经济效益和环境效益的统一。 ( 2 ) 餐饮有机垃圾的产生量及污染危害 随着社会经济的发展，人民生活水平的提高，锓饮有机垃圾的产生量越来越大。以上海 市为例2 0 0 1 年上海市日均泔脚产生量为1 0 0 0 一1 2 0 0 t ( 平均1 1 0 0 t d ，4 0 万t a ) ，其中宾馆 占1 3 2 9 、饭店5 5 2 4 、单位1 9 7 2 、学校1 1 7 5 ：泔脚产量2 0 0 k g d 以上共5 2 6 家； 1 0 0 2 0 0 k g d 共2 1 6 6 家；1 0 0 k d 以下共4 3 5 0 0 家。上海市日均泔脚产生量2 0 0 5 年约2 6 万t 。随着文明餐饮的推广，餐饮业易腐垃圾产量会有所减少，2 0 l o 年达2 6 万t “。 长期以来，餐饮有机垃圾在我国绝大部分地区都直接作为饲料养猪，由于这些垃圾中往 往含有不洁成分和致病菌，可能使猪患病。为了保障身体健康、防止疾病传播，2 0 0 0 年5 月， 上海市农业委员会、商业委员会、公安局、环境保护局和卫生局等6 个部门联合下发了沪农 委( 2 0 0 0 ) 第6 9 号关于对郊区中小型生猪饲养场、点进行专项治理的通知，禁止餐厨垃圾 饲喂生猪“”。 青岛市政府出台青岛市无规定动物疫病区管理办法，封杀市民反映强烈的“垃圾猪”。 该办法已于2 0 0 3 年1 月1 日起施行。该“垃圾猪”是指宾馆、酒店等餐饮单位的废弃食物 和其它一些生活垃圾、过期变质的食物、料喂养的猪。因食用的物品含有大量的病原微生物， 霉菌毒素等有害物质，“垃圾猪”易忠疫病，并可通过体内有害物质的蓄积对人体健康带来 极人危害。青岛市出台的青岛市无规定动物疫病区管理办法，将从源头上封杀“垃圾猪”。 该办法规定，饲养动物不得使用宾馆酒店废弃的食物( 泔水) 、生活垃圾、过期变质的食品和 饲料及国家禁止使用的动物源性饲料“1 。 另一方面，考虑到食物链短循环可能带来的疾病感染风险和防止非法炼制与销售食用油 品现象，沈阳地方政府开始规定，餐饮业产生的易腐性有机垃圾如果未经适当处理不得直接 作为动物饲料使用。另外北京、济南、杭州、乌鲁木齐等地都已开始进行餐饮业有机垃圾加 强了管理以避免其潜在的危害“_ 7 1 。由于餐饮有机垃圾消纳渠道被堵塞，而餐饮有机垃圾单 独收运处理系统还未建立，大量餐饮有机垃圾混入居民生活垃圾中，使生活垃圾的成分和特 性发生变化，给生活垃圾收集、运输、处理带来很多问题：其次有些地方的餐饮有机垃圾乱 倒在阴沟、路边，由于极易腐烂变质，严重影响了环境卫生，对环境造成很大的污染。 1 1 2 解决餐饮有机固形废弃物污染问题的途径 1 1 2 1 有机固体垃圾的处理与处置 国内外，传统的及近几年来发展起来的有机垃圾处理处置技术主要有：焚烧、填埋、人 中型集中化好氧堆肥、厌氧消化等“1 。厌氧消化法和堆肥法都属于生物处理法，不同之处在 于前者在厌氧条件下进行，后者在好氧条件下进行。好氧堆肥，则是在通空气的条件下，好氧 微生物起作用，最终将垃圾制成肥料”1 。 有机垃圾几种处理t 艺经济和环境特性比较方面见表1 1 ： 2 第一章绪论 表ll 易腐性有机垃圾处理工艺经济和环境特性比较“1 优点 几乎所有固体垃圾均能焚烧处理，技术成熟稳定体积减量率约 9 0 ，质量减量率约7 0 1 焚烧 缺点 高成本、高含水率会导致焚烧炉内的不完全燃烧，促进二恶英的 生成 2 大、中优点 技术成熟，基建和运行成本低，最终产物为堆肥，可作为有机 型集中式 肥料或覆土材料，实现资源的回收 对进料纯度要求高、附加成本高、存在技术问题、环境影响一容 好氧堆肥 缺点 易产生恶臭、残余物 自动化程度高，需要人力少密闭型工程，容易控制恶臭的散发， 优点 最终产物为甲烷及液体肥料。能够以甲烷为原料生产电力，实现 3 厌氧 资源和能源的回收 消化 对进料纯度要求很高、技术相对复杂、难控制、最终产物若无 缺点 法就地施肥，必须干化处理 优点技术简易、设备投资小，资源回收率高 4 加工饲 对进料纯度要求高残余物、存在食物链风险、若畜牧业不景气 料化 缺点 会引起处理不均衡、因营养不均衡而需要补助添加剂 易腐性垃圾集中后可直接处理，减少存放的时间，从而减少因腐 败发臭和招致蚊蝇的可能，优化卫生环境；减少运输费用以及运 优点 输过程中二次污染的可能；实现源头处理和就地利崩消化型机 5 定点式 器减量率高( 8 0 一9 0 9 6 ) 设备费用和运行费用高，用户经济负担较重。由于泔脚含盐量 好氧消化 高，并在消化型设备的处理残余物中浓缩，作为肥料大量使用后 缺点会引起土质恶化，直接影响农作物的生长，以及引起十壤盐碱 化，因此不适于制成肥料由于泔脚含油量高，油的不断累积会阻 碍生物处理过程的稳定进行 这是有机垃圾几种处理工艺经济和环境特性比较，餐饮有机垃圾处理的方法根据其自身 的特性，也有多种处理方法。 1 1 2 2 餐饮有机垃圾处理的方法 国外餐饮有机垃圾处理的方法主要有一些物理处理技术和生物处理方法。 欧美发达国家大多是在厨房安装一台破碎机，将饮食垃圾粉碎，用水冲到市政下水管网 中，与城市生活污水起处理这种方法的优点是价格便宜，操作简单。但是，它一方面要浪 费干净的水进行冲洗，增加了城市污水处理厂的负荷：另一方面将这些营养物白白冲掉，也是 东南大学硕十学位论文 一种巨人的资源浪费。西方国家人们的饮食习惯与东方人有很大区别，产生的垃圾较少，所以 大多采用这种简单的物理破碎处理方式”1 。 日本银精工公司2 0 0 0 年5 月成功地开发出使用磁控管的食物垃圾处理装置。这种装置 最大的特点是能将食物垃圾的水分蒸发掉，经干燥后磨碎。由于是微波炉方式，可在处理过 程中杀灭垃圾中的细菌并可防止产生有害气体“”。 韩国化学研究所应用催化剂研究部，研制成功一种利用食物垃圾造煤的新技术。该技术 是用2 0 0 的高温和1 5 0 0 k p a ，将食物垃圾处理3 小时，蒸发食物垃圾中3 0 的水分，使固态成 分炭化，而制成以不饱和烃为主要成分的煤。在此过程中，还使用催化剂，缩短处理的时间。 采用这种技术，1 k g 食物垃圾可造出约1 2 0 9 煤。热量是1 6 8 k j g 。这种煤在燃烧后，只剩下 2 的灰，几乎不会产生二次污染”“。 日本餐饮有机垃圾处理的办法是将餐饮有机垃圾作为燃料源用于燃料电厂的发电。即将 收集来的食物垃圾进行发酵然后从中提取高纯度的氢用于燃料电池进行发电。同时实现了 减容化、资源化和无害化“”。 由加拿大科学家开发的高温好氧无污染生物处理法( e a t a d ) 对包括泔脚垃圾在内的有机 垃圾具有较好的处理效果。该工艺的生化部分，采用高度嗜热微生物进行发酵，由于发酵温 度高，有利于加快发酵过程。e a t a o 技术工艺包括：分拣、粉碎、溶浆、分离、一次发酵、 二次发酵、干燥一沉淀和压制蒸发等环节”1 。 日本还采用真空油炸的技术处理处理泔脚垃圾和食用废油。主要是在真空的特定条件下 进行油炸泔脚，大大减少了被炸物的氧化，从而保证了泔脚的营养成分。另一方面，也是进 行了一次真空消毒处理，从而提供了第二次使用的可能性。真空油炸的主要生产过程如下： 真空油炸粉碎造粒冷却包装过程。真空油炸的油可以利用食品加工厂、饭 店等使用过的废食品油。因为在真空条件下对油实行了纯化处理。根据油温和病菌要求一次 处理时间约为4 0 m i n ，每次处理量约为5 t 。油炸后的产品可作为一种理想的绿色饲料，同时 这种饲料的价格低廉，具有良好的市场前景“1 。 日本微生物学家利用微生物分解泔脚中的蛋白质、脂肪、碳水化合物等有机质，通过发 酵，达到高温清除病茵，使之变为压缩的饲料。用于养殖与发展蚯蚓产业。日本微生物学家 比嘉照夫“1 发明的e m 原露，经稀释喷撒于泔脚表层，用塑料布盏严，使之发酵腐热、杀死 病菌、清除恶臭，将泔脚变为无毒无臭的蚯蚓饲料，具有投资少，简单易行等特点，为蚯蚓 产业奠定不断发展的基础。蚯蚓经加工后可制成粉用于其它养殖业，蚯蚓的粪便可作为蔬菜、 瓜果等农作物的优质肥料。 近年来我国国内一些城市开始尝试对餐饮垃圾进行处理。目前，“生物法餐饮垃圾综 合利用技术”已列为哈尔滨市科学技术计划项目，该项目是将餐饮废弃物采用高温微生物菌 种。经一系列发酵工艺流程，使之转化成工业所需的动植物混合油脂及养殖业所需的蛋白饲 料、农业所需的有机肥料。国内应用于餐厨垃圾集中处理的成熟技术主要包括两大类：制作 肥料( 包括生物菌种好氧堆肥和生物菌种厌氧堆肥制培植土) 、制作饲料( 主要指高温消毒作 4 第一章绪论 饲料) 。生物菌种好氧堆肥技术是一种将传统好氧堆肥技术与外加生物菌种强化作用结合起 来的堆肥技术。具有技术先进可靠，自动化程度较高，处理周期短，选址容易，对餐厨垃圾 存放时间要求较低，产品可做成复合肥等优点；缺点是能耗较大。菌种管理的安全性要求较 高，操作过程较复杂，对管理和操作工人要求高，设备投资较大，污水需处理“”。 而生物菌种厌氧生化处理制培植土技术是将培养出的菌种加入餐厨垃圾中密封贮藏，菌 种进行繁殖并杀除泔脚中的病原体微生物，贮藏定时间后即可作为培植土。其优点是操作 安全，技术风险小，投资较少，选址较易，生产能耗小，管理容易，对泔脚存放时间要求较 低，生产周期短；缺点是存在菌种管理的安全性问题，产品单一，污水需处理“”。 高温消毒制作饲料技术采用高温消毒原理，杀除餐厨垃圾中的病毒，经粉碎后加工成饲 料，可供禽畜食用。此方法可使餐厨垃圾中的营养成分得到充分回收利用，具有操作安全、 占地面积小、管理容易、产品销路好、可实现市场化运营等优点，而且饲料生产周期短不 存在菌种管理安全问题：缺点是对餐厨垃圾存放时间要求严格，避免餐厨垃圾腐烂变质，生 产过程耗能较上述处理技术大。垃圾处理得到的产品如饲料、营养液、油脂等附加值高，资 源化价值大“2 。”1 。 餐厨垃圾资源化的另外一个途径是在居民住宅小区和单位食堂等量小而分散的地方设 立生物垃圾处理机，这是一种添加了高效菌种并控制堆肥条件的动态快速有机垃圾堆肥器。 餐厨垃圾从源头就地处理，消纳后的残渣可作为花肥或小区绿化土”。 1 1 2 4 镁饮有机垃圾处理的未来方向”1 我国目前对餐饮有机垃圾喂养动物，特别是家畜、家禽的危害认识还很不足。绝大部分 地区仍然把餐饮有机垃圾作为动物饲料。事实上，未加任何处理的餐饮有机垃圾是不能喂养 动物的。今后，餐饮有机垃圾的处理技术与应用应该在以下几个方面给以重视： ( 1 ) 餐饮有机垃圾收集设备 餐饮有机垃圾含水率很高，又极易腐烂。目前使用的普通运输车辆密闭性差，装卸难度 大不适台于泔脚运输。除了运输车外，垃圾容器需求量也很大。普通的容器很难使餐饮有 机垃圾迅速中清理出来。应该设计专用容器，使之容易清洗，不容易生锈。 ( 2 ) 餐饮有机垃圾处理设备 出于餐饮有机垃圾收集和处理的问题才刚刚提出来不久，目前市场上还缺乏成熟的餐饮 有机垃圾处理设备。要针对餐饮有机垃圾高含水率的特点，开发高含水率条件下的餐饮有机 垃圾的厌氧处理设备和好氧处理设各。 ( 3 ) 餐饮有机垃圾脱水设备 一般采用离心机脱水。普通离心机清洗难度大，易生锈。一些离心机采用塑料容器，克 服生锈问题，但易老化，清洗也困难。 ( 4 ) 餐饮有机垃圾处理配套设备 主要是脱水处理设备、厌氧处理的沼气净化设备。 ( 5 ) 垃圾处理公司的扶持 5 东南大学硕士学位论文 餐饮有机垃圾处理易采用集中处理与分散处理相结合的原则。大单位可自行处理，小单 位则集中处理。 1 2 厌氧消化餐饮有机垃圾的研究现状、水平及问题 1 2 1 厌氧消化处理的原理与特点 1 厌氧消化原理 厌氧消化( a n a e r o b i cd i g e s t i o n ) 又称甲烷发酵( m e t h a n ef e m e n t a t i o n ) 或沼气发酵。 厌氧消化过程就是有机物质在特定的厌氧条件f ，微生物将有机质进行分解，其中一部分碳 素物质转化为甲烷和二氧化碳。在这个转化作用中，被分解的有机碳化物中的能量大部分储 存在甲烷中，仅一小部分有机碳化物氧化成二氧化碳，释放的能量作为微生物生命活动的需 要1 。 厌氧生物处理工艺稳定、运行简单、减少剩余污泥处置费用，具有生态和经济上的优点。 在废水处理中，厌氧消化具有悠久的历史。而在有机垃圾处理中，厌氧消化的发展是从2 0 世 纪7 0 年代能源危机开始的，特别是近3 0 年发展速度很快。厌氧消化作为垃圾处理方法的一 种，已经成为有机垃圾处理的发展方向之一。 在废物的厌氧处理过程中，废物中的有机物经大量微生物的共同作用，被最终转化为甲 烷、二氧化碳、水、硫化氢和氨。在此过程中，不同的微生物的代谢过程相互影响，相互制 约，形成复杂的生态系统。复杂物料的厌氧降解过程可以被分为四个阶段“： ( 1 ) 水解阶段 水解可以定义为复杂的非溶解性的聚合物被转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。 水解过程通常较缓慢，因此被认为是含高分子有机物或悬浮物废液厌氧降解的限速阶段。 ( 2 ) 发酵酸化阶段 发酵可以被定义为有机化合物，既作为电子受体，也是电子供体的生物降解过程，在此 过程中，溶解性有机物被转化为以挥发性脂肪酸为主的末端产物。因此这一过程也称之为酸 化。 酸化过程是由大量的、多种多样的发酵细菌完成的。其中重要的类群有梭状芽孢杆菌和 拟杆菌。梭状芽孢杆菌是厌氧的、产芽孢的细菌，因此它们能在恶劣的环境条件下存活。拟 杆菌大量存在于有机物丰富的地方，它们分解糖、氨基酸和有机酸。上述细菌的绝大多数是 严格厌氧菌，但通常有约1 的兼性厌氧菌存在于厌氧环境中，这些兼性厌氧菌能够起到保 护像甲烷菌这样的严格厌氧菌免受氧的损害与抑制。酸化的末端产物的组成取决于厌氧降解 的条件、底物种类和参与酸化的微生物种群。 ( 3 ) 产乙酸阶段 发酵酸化阶段的产物，在产乙酸阶段被产乙酸菌转化为乙酸、氢气和二氧化碳。 ( 4 ) 产甲烷阶段 在厌氧反应器中，所产甲烷的大约7 0 由乙酸歧化菌产生。在反应中，乙酸中的羧基从 6 第一章绪论 乙酸分子中分离，甲基晟终转化为甲烷，羧基转化为二氧化碳。在中性溶液中，二氧化碳以 碳酸氢盐的形式存在。从乙酸形成甲烷的过程产生3 1 0 k j m 0 1 的能，这个能对于形成a t p ( 三磷酸腺苷) 这一生物体内能量的主要载体是不够的，形成a t p 需要3 1 8 j o l 的能摄。 因此在很长一段时间里。人们认为仅仅由乙酸产生甲烷是不可能的。但目前人们已分离出纯 的产甲烷菌并证明乙酸转化为甲烷能够为微生物提供充足的能源。能的贮存大概由于它能 在细胞膜两侧形成电势，其后这被贮存的能可被用于形成a t p 。 已知利用乙酸的甲烷菌是索氏甲烷丝菌和巴氏甲烷八叠球菌，两者生长速率有较大区 别。另一类产甲烷的微生物是能由氢气和二氧化碳形成甲烷的细菌( 可称作嗜氢甲烷菌) 。 在反应器正常条件f ，它们形成占总量3 0 的甲烷。大约一半嗜氢甲烷菌也能利用甲酸。 2 ，厌氧消化技术的优势 同时厌氧消化技术在生态环境保护方面具有突山优势。餐饮垃圾，一般都具有可生化降 解性。这些垃圾中蕴含着大量的生物质能，有效利用这类生物质能源，对实现环境和经济的可 持续发展具有重要意义。厌氧消化在餐饮垃圾处理中的优势主要是：利用厌氧消化技术处理 有机废物不但省能而且产能。 关于填埋法和焚烧法不足之处的报道很多。b a l d a s a n o “”等总结了几种处理的气体释 放情况，应用生物处理释放的废气最少。生物处理能够最大限度的循环和再利用垃圾的成分。 总结认为由于生态方面的原因，厌氧消化将会比好氧堆肥更大的优势。 在厌氧处理中，所有的气体都被收集了。k u b l e r ( 1 9 9 9 ) “”等报道每吨城市固体有机垃 圾用“分选+ 厌氧消化+ 填埋”的方式处理比“分选+ 堆肥+ 填埋”产生的二氧化碳的量要少 o 2 t 。 厌氧消化技术在经济上是可行的。 一般说来，厌氧消化工程的先期投资较大但投入运行后，由于能量平衡较好，所以经济 效益较其他处理方法好。在厌氧生物处理中，每吨有机垃圾产生1 0 0 1 5 0 m3 沼气。在这方面。 比较了处理家庭有机垃圾能力在1 0 0 0 0 t a 以上的垃圾厂的不同处理方法。发现厌氧消化比 堆肥、焚烧或消化+ 堆肥更有优势，主要是提高了能量平衡。k u b l e r ( 1 9 9 9 ) ”8 1 报道厌氧处 理产生的总能量比厌氧厂建立和运转所需要的能量要大。实际上，一个处理1 5 0 0 0t a 市政 有机垃圾的厂，大约需要7 5 万k w h a 的能量，而对厌氧消化来说，净产能量为2 4 0 万k w h a 【”1 。 由于有机固体垃圾中的有机质含量是主要成分，这是生物处理的基础。堆肥过程中需要 通入大量的氧气，这需要消耗大量的能源；而厌氧消化不仅不需要消耗大量的能源，而且还产 生新的能源沼气。大约每t 有机固体垃圾能产生1 0 0 一1 5 0 m3 沼气，经过处理后它们可作 为一种清洁的能源加以利用”。因此，厌氧消化在餐饮垃圾处理中具有比较明显的优势。 综合表1 1 及国内外的一些处理方法，可以看出厌氧消化与其他技术相比具有如下特 点：1 厌氧消化后产生的沼气是清洁能源；2 固体物质被消化以后可以得到高质量的有机肥 料和土壤改良剂；3 在有机物质转变成甲烷的过程中实现了垃圾的减量化；4 与好氧过程相 比，厌氧消化过程不需要氧气，降低动力消耗，因而使用成本降低；5 厌氧消化减少了温室效 7 东南大学硕士学位论文 应气体的排放量。 由此可见，厌氧消化作为有机垃圾处理方法的一种，已经成为有机垃圾处理的发展方 向。因此，从各方面来看在我国采用厌氧消化工艺处理餐饮阎体有机垃圾，是一项很有前景 的垃圾处理技术。 1 2 2 工艺类型及应用现状 1 2 2 1 国内的餐饮有机垃圾厌氧消化处理研究状况 国内厌氧消化应用最广泛的是农村沼气发酵。中国农村的沼气发酵就是典型的利用厌氧 消化法处理废物获得能源的代表。中国发展厌氧消化始于2 0 世纪3 0 年代，经过几度反复， 直至7 0 年代后期才开始较稳步地发展。至今已有单池容积6 1 0 m 3 的农村家用池5 7 0 万只， 容积在1 0 0 m 3 以上的大中型沼气工程装置5 4 0 多处，城镇生活污水厌氧消化净化池3 6 万只， 在获取能源、净化环境方面起到了很好作用，使我国有“世界沼气之乡”之美称。“。 近年来国内有一些生活垃圾或城市有机垃圾厌氧消化处理的研究与报道。这些生活垃圾 或城市有机垃圾基本上都以餐饮垃圾为主体，餐饮垃圾的比例都在7 0 以上。 现将以餐饮有机垃圾为主的生活垃圾或城市有机垃圾厌氧消化处理的研究状况介绍如 下： 尔南大学的何惠君和梅翔“”，曾利用厌氧附着膨胀床( a a f 盼) 工艺，对生活垃圾进行 厌氧发酵处理，来制取沼气的实验。试验表明：生活垃圾分类收集、捣碎和稀酸水解等预处 理工序后制成浆液，作为从f e b 反应器的进料可以获得很高的运行效率，并回收沼气。容积 c 0 d 负荷宜控制在2 0 k g d ( m 3 d ) ，一吨垃圾可产沼气4 1 4 9m 3 ，沼气中甲烷含量达5 9 以 上。 清华大学的张光明与王伟“”也曾对城市垃圾进行实验室规模的厌氧消化制取沼气的实 验结果表明，生活垃圾经分类收集、破碎、搅拌粉碎后，进行厌氧处理，可以获得较高的处理 效率，并能回收沼气。最佳进料固体浓度是1 6 ；水力停留时间应大于1 0 天，以1 5 天为宦。 一吨有机垃圾可产气1 1 0 m 3 ，其中甲烷含量高于5 3 。并在此基础上，进行了物料平衡和c 0 d 利用率计算。 冷成保、肖波、杨家宽“”等人提出了城市生活垃圾的高固体含量厌氧消化处理方法并 对此进行了研究。结果表明，城市生活垃圾的高固体含量厌氧消化处理是生活垃圾最好的处 理方式之，垃圾不仅可以得到即时即地的大量处理，最大限度地减少垃圾的污染，同时，还 可以产生很好的经济效益和巨大的环境效益，这种垃圾处理方式值得应用和推广。厌氧消化 处理工艺如图1 1 所示： 8 第一章绪论 图1 1 厌氧消化处理工艺“” 郭亚丽、何惠君和赵由才”等人对分类收集的城市生活有机垃圾采用专门设计的兼氧 沤解预液化常温厌氧消化的工艺技术进行处理，见图1 2 。试验结果显示，兼氧沤解对生 活有机垃圾的预液化具有较好的效果，液化率达8 0 以上，可以满足反应器对生活有机垃圾 预处理的要求。这是在实验室小试研究的基础上开展的中试研究。所开发的“兼氧沤解预液 化一常温厌氧消化”丁艺系统中，有机垃圾在备料池中经消化池出水回流沤解后，由重力作用 进入位于地下的消化池，消化池在传统发酵池的基础上，设置了回流搅拌系统、填料和隔墙。 试验表明，该系统运行性能稳定、有机垃圾转化率高、设备构造简单、造价低、运行节能、 管理方便，是较为成功的低能耗、高效率、可操作性强的有机垃圾厌氧处理技术。 | 贮气柜卜 用户 生洒有机垃圾p 黾军- 9 东南大学硕士学位论文 上海交通大学的徐剑波、张波和蔡伟民“7 1 应用两阶段a s b r 技术对厨房垃圾进行实验 室规模的处理研究。结果表明：总c o d 的去除率为7 7 6 ，而总t s 的去除率为7 2 z 1 ，系 统的产甲烷率以t s 和容积负荷计分别为2 1 2m l g 和o 6 7 l ( l d ) 。同时，研究发现适宜 的p h 值水解相为4 5 ，甲烷相为7 8 ；适宜的h r t 水解相为5 d ，甲烷相为1 3 3d ；适宜的固 体浓度水解相t s 为8 ，甲烷相t s 为7 ；适宜的负荷( 以t s 计) 水解相为1 6g ( l d ) ，甲 烷相为5 2 3g ( l d ) 。 从城市有机垃圾、生活垃圾的处理到餐饮有机垃圾的厌氧消化实验研究，厌氧消化丁艺 又有了重大的发展。以餐饮有机垃圾为处理对象的试验研究亦会逐步深入和发展。 1 2 2 2 国外的餐饮有机垃圾厌氧消化处理研究状况 目前美国、德国等国家正在积极地进行各种有机垃圾包括餐饮有机垃圾的厌氧消化技术 研究，主要包括以下工艺“”： 序批式厌氧堆肥工艺( 美国) ； 干式厌氧消化+ 好氧堆肥( 美国) ； i ! 干式厌氧消化+ 好氧堆肥( 意大利) ； 渗沥液床两相厌氧消化( 英国) ； 两相厌氧消化( 德国) ： 干式厌氧消化+ 好氧堆肥( 美国) ； 厌氧固体消化器( a p s d i g e s t e r ) ( 美国) 。 瑞士的k o m o g a s 废物厌氧消化处理厂以厨余废物和庭院垃圾为处理对象，每年处理量为 1 2 0 0 0 t ，日产气量3 2 0 0 m3 ，可以发电2 3 4 0 0 0 0k w h a 或相当于6 5 7 m 3 a 的汽油1 k g 垃圾所产 生的沼气可让小轿车行走1 k m ，而且厌氧发酵后的有机肥料还可以无偿送给农民。 以有机固体垃圾厌氧消化处理湿式连续单级发酵系统为例。德国b a v a r i a 处理厂使用了 b t a 工艺。b t a 工艺是由造纸技术发展而来，能处理城市生活有机垃圾、商业有机垃圾( 如食 品业等) 和农业垃圾，是一种成熟工艺，包括单级和多级处理。在德国和澳大利亚大约有1 0 个处理量在2 0 0 0 t a 以上的采用b t a 技术的单级发酵垃圾处理厂正在运行。如德国b a v a r i a 处理厂，处理能力1 5 0 0 0 t a ，1 二艺流程如图1 3 所示。 国外有机垃圾厌氧消化处理工艺，按照厌氧反应器的操作条件如进料的含固率、运行温 度等可分为以下儿类： 按照含固率可分为湿式、干式。湿式：垃圾含固率1 0 一1 5 。干式：垃圾含固率2 0 一4 0 。 按照阶段数可分为单级、多级目前，工业上一般用单级系统，因为设计简单、一般不会发 生技术故障。并且对于大部分有机垃圾而言，只要设计合理、操作适当，单级系统具有与多级 系统相同的效能。 按照进料方式分为序批式、连续式。序批式：消化罐进料、接种后密闭直至完全降解。 之后，消化罐清空，并进行下一批进料。连续式：消化罐连续进料，完全分解的物质连续从消化 罐底部排出。 1 0 第一章绪论 不同类型的厌氧反应器在市场中占的份额也不同：中湿消化、高湿消化都是可行的技术， 实际运行的处理厂，中温消化占6 2 ：湿式、干式系统各占一半：而单级消化、两级消化的比 重相差大，其中两级消化占1 0 6 “”。 皇一 睦壁堕堡垫f r 面面菇面雨订 审 堆肥 图1 3b t a 工艺“” 1 2 3 目前正在研究的主要问题 ( 1 ) 预处理研究 有机废物的厌氧消化过程一般停留时间比较跃，如果在厌氧消化前对有机废物进行预处 理则可提高厌氧消化的有机负荷率，减少水力停留时间。”。 赵庆良和王宝贞“”在处理污泥与马铃薯高浓度有机混合废物的过程中采用了高温一中 温两相厌氧消化工艺，取得很好的效果，实际上高温水解就是对有机废物进行预分解。 d s c h i e d e r “0 1 等也研究了高温水解预处理对于厌氧消化的影响。通过高温高压的预处理， 可以有效提高废物的可生化性，提高产气量。s h a s e g a w a “研究了有机污泥在高温好氧预 处理后再经过厌氧消化，厌氧消化过程的产气量与未经过预处理相比可以提高1 5 倍。可见预 处理研究在整个厌氧消化过程中也是相当重要的。 ( 2 ) 厌氧消化过程的影响因素与控制条件 为了使垃圾的厌氧消化过程能够稳定高效地进行，许多研究者对于有机废物厌氧消化过 程中的影响因素进行了研究。有机废物的厌氧发酵过程受到许多因素的影响。垃圾的组分和 颗粒尺寸、p h 值、挥发酸、氨氮和含水率都是影响厌氧消化过程是否稳定进行的重要因裂2 ”。 在厌氧消化的过程中，有机废物经过一系列相关微生物( 包括水解酸化菌和产甲烷菌) 的 代谢转变为甲烷和二氧化碳。对于不同的基质，甲烷发酵的限速步骤是不同的，例如，对于溶 解性的糖类，产甲烷是整个反应的限速步骤，而对于纤维素含量高的有机物而言，水解酸化就 是其限速步骤。c s a i n t 和j 0 1 y “1 通过许多大型垃圾处理厂的实际运行数据证明了有机废 物的成分强烈地影响着厌氧消化过程的性能，不同的废物性质和收集方式，即使在同样的发 东南大学硕士学位论文 酵条件下，产气量和产气率都有很大差别。 湖南大学的乔玮、曾光明、袁兴中”1 1 等人，针对城市垃圾厌氧消化处理过程中反应复杂、 影响因素多的特点，利用自行设计的厌氧发酵罐，采用正交试验的方法，以产气量为观察值， 分析含固率( t s ) 、消化温度c n 比为对厌氧消化过程的影响，并分析了在不同含固率( t s ) 下 消化过程中p h 值和挥发性脂肪酸( v f a ) 的变化过程。结果表明，温度对厌氧消化过程影响晟 大，含固率( t s ) 次之，c n 比影响最小，在相同条件下，商进料浓度( t s ) 产气量大，但同时反应 过程中p h 值较低，挥发性脂肪酸( v f a ) 浓度过高，容易抑制消化过程。 在厌氧消化过程中p h 是一个最重要的控制参数。p h 强烈地影响酶的活性，每种酶都在 一个特定的和狭窄的p h 范围内产生活性，并有一个最佳p h 。大多数产甲烷菌适合的p h 范围 在6 7 7 4 之间，当p h 低于6 3 或高于7 8 ，产甲烷效率会明显下降。p h 低于6 3 时产甲烷 效率明显下降是由于此时甲烷的形成速率低于有机酸的形成速率，p h 高于7 8 时产甲烷效率 的明显下降是由于n | i 。转变成了有毒的、非离子化的n i 。“1 。 因此，在实际的垃圾处理厂中也是通过p h 的日常监测来判断厌氧消化是否正常进行，因 为p h 能够及时、快速地反映厌氧反应器的性状。例如当反应器由于不充分的搅拌而引起问 题的时候，p h 能够在v f a 增加以前大幅度地变化。 挥发酸( v f a ) 也是厌氧消化过程中的一个重要的监测指标，j ek 订l i l e a 。”报道当v f a 的浓度在1 0 0 一2 0 0 m g 几时厌氧过程就需要严格监控。尤其对于那些可溶性有机物含量高的废 物，v f a 的产生速率比甲烷的产生速率快，v f a 容易积累，对后续的产甲烷过程会产生抑制。 1 3 本文研究的目的和意义 本课题的创新点主要有： 1 处理对象创新：对餐饮固形有机废弃物，不混合到城市垃圾中，进行单独集中处理。 2 处理工艺内容创新：使用厌氧消化工艺处理餐饮固形有机废弃物，研究其运行和控 制参数、工作特性和动力学过程。 3 处理技术创新：研究形成高效的厌氧消化处理技术，制肥、制沼气回收技术等。 本课题的研究目的主要有： 1 对餐饮固形有机废弃物，用厌氧消化进行处理，达到无害化、减容化和资源化。 2 我们知道厌氧消化常用于污泥处理及高浓度有机废物的处理，但使用厌氧消化处理 餐饮固形有机废弃物却缺乏运行和控制参数。为了更好的发挥其应有的效益，有必要通过试 验来积累运行与控制的经验，并研究其工作特性和动力学过程等。 3 针对大型宾馆饭店或餐饮比较集中的食堂、饭店地区的餐厨垃圾，进行厌氧消化处 理，以期研究形成小型的、高效的厌氧消化处理回收技术，并加以推，一。 本课题的研究意义重大。餐饮垃圾是一类含水率和有机物含量非常高的物质，厨房垃圾 和其它城市生活垃圾一起进行填埋处理，在运输、搜集和填埋的过程中不可避免地会产生臭 味、渗滤液、滋生蚊蝇，不但会给周围的环境卫生带来不良影响，而且也为填埋带来了困难。 1 2 第一章绪论 因此，在中国垃圾分类收集的过程中应首先将厨房垃圾从城市生活垃圾中分离出来”“。由于 在厨房垃圾中含有大鼍容易被微生物降解的有机物质，从减量化和资源化的角度分析，厌氧 消化技术是处理厨房垃圾的一个适合的技术。 但是厌氧消化处理餐饮有机垃圾受水分、有机物含量、碳氮比等因素影响较大，技术相 对复杂、难控制：餐饮垃圾中的高油脂含量和高含盐量非常不利于微生物生艮，也制约了生 物工艺的处理效果。另外，最终产出的肥料受肥效等因素所限，仍需进行相应的处理处置。无 论从能源的再利用还是从减量化的角度讲，厌氧消化处理都代表着有机垃圾的处理方向。餐 饮有机垃圾厌氧消化处理技术必将得到进一步的发展和应用。 1 4 本文研究的主要内容 本试验研究的主要内容包括： 1 研究不同h r t _ 卜、c o d 、t s 的去除效果，建立h r t 与c 0 d 去除效果的关系。 2 研究不同容积c o d 负荷下，c 0 d 、t s 的去除效果，建立容积c 0 d 负荷与c o d 去除效果、 容积产沼气率、沼气中甲烷含量等等之间的关系。 3 探讨厌氧消化过程中控制运行条件参数。包括温度、p h 值、碱度、进料t s 、搅拌等 等。 4 研究餐饮有机垃圾的资源化回收技术。 东南大学硕士学位论文 2 1 试验装置及流程 2 1 1 实验装置和条件 第二章试验概况 反应器采t 目j2 5 0 0 m l 试剂瓶，加塞密封。采用中温消化，通过恒温箱控温，温控仪控制 温度在3 5 1 。每目进料，间歇搅拌并抽出浸出液。反应装置见图2 1 。 图2 1 反应装置图 2 1 2 处理流程 试验具体的处理流程见下图： 水 图2 2 处理流程图 流程说明： ( 1 ) 预处理阶段 为了提高垃圾处理的效率，首先拣出无机物质和塑料等不可消化的物质和肉类油胎等 难以水解消化的物质，然后加以粉碎使得垃圾颗粒变小变细，与厌氧污泥充分接触以提高 厌氧消化器的容积利用率。这是在不采用加酸预液化的前提下进行的，因为加酸预水解液 化需要消耗酸和预液化运行的能耗。 ( 2 ) 厌氧消化 由于采用粉碎预处理，进料t s 需要加以控制，在缺乏餐饮有机垃圾处理厌氧消化的工 第二章试验概况 艺经验下，采用传统厌氧消化来进行处理。参考污泥厌氧消化和其它固体物质厌氧消化的 有关设计和控制运行工艺参数运行试验。 ( 3 ) 后处理 在厌氧消化的同时，产生的沼气通过排水集气法收集，然后测定沼气成分：产生的沼 液可以作液体肥料或作好氧后处理；产生的沼渣，经处理后可作农业肥来使用。 ( 4 ) 总体说明 整个处理流程当中，基质的c o d 、t s 在