厨余垃圾厌氧发酵工艺的研究

1、厨余垃圾厌氧发酵工艺的研究 随着城市化的发展和人民生活水平的提高,城市垃圾的产生量在不断上升,这些持续增加的生活垃圾已成为困扰城市发展、污染市容环境的主要问题。我国餐饮业发达,人们的饮食习惯和就餐方式使得餐厨垃圾的排放量要比西方发达国家大很多,占城市生活垃圾的比例约为37 %62 %,且发生量有越来越大的趋势。餐厨垃圾,属于较特殊、难处置的一类城市垃圾,具有水分和油脂含量高的特点,如果直接混入生活垃圾,会使城市生活垃圾的含水率升高和热量值下降而得不到妥善的处理和合理利用;具有有机质含量高,易腐败发臭,滋生病菌和富含氮、磷、钾、钙以及各种微量元素,再利用价值高等特点。因而如果不妥善处理会造成病原

2、菌的传播,对环境有严重影响,同时造成有机物的浪费1-3。本文在对国内外餐厨垃圾的各种处理方法和技术措施进行综合分析的基础上,提出了一种实现餐厨垃圾“三化”目标的工艺措施。 1、发酵原料 1.1厨余垃圾物料组分特性 华中农业大学创新基金资助项目(项目编号:62204-06078) 作者简介:宗望远(1969-),男,副教授,主要从事农业废弃物利用方面的研究工作。e-mail: 厨余垃圾取自华中农业大学学生食堂。分别取学生14食堂的早、中、晚厨余垃圾各1千克。食物组分大致为:米饭、面食约占60%,蔬菜约占30%,肉类约占10%。取样后,先手工分拣出骨头、鱼刺及废弃餐具等杂物,再用食品搅拌机搅拌、混

3、合,以增大样品表面积,提高其流动性。对样品进行如下指标的分析与测试。 总固体含量(ts)的测定。ts的测定采用烘干法。将蒸发皿洗净,放入烘烤箱,经过105110烘干致恒重。取适量样品,称重,计为w1(g)放入蒸发皿中,在干燥箱内,经过105110烘干致恒重,称重计为w2(g)。则 ts=w2/w1*100%。 挥发性固体含量(vs)的测定。vs的测定采用灼烧法。将ts测定后的样品和蒸发皿一起置于马弗炉中(重w2),经过600的高温灼烧1h,冷却后取出,称重计为w3(g)。 vs(ts%)=(w2-w3)/w2*100%。 含水率(p)。p=1-ts 灰分。灰分=1- vs 总碳c。通过测定其挥

4、发性固体量乘以47%得碳的总量。即c=vs*47% 总氮n 。试样浓硫酸加热消解,消解后的试样使呈碱性,蒸馏出氨,硼酸溶液吸收,硫酸标准溶液滴定。 总磷p。测定方法为钼锑抗比色法,仪器为分光光度计,测试标准为中华人民共和国城镇建设行业标准gj/t3018.9-93。 金属离子。取样品经30min,400rpm高速离心后用原子吸附法测定。 在2009年3月15号开始的一个月时间内,每周三、周日各取样测定两次,连续四周测量的平均结果如表1。 表1 厨余垃圾理化性质 项目 含水率 ts vs 灰分 c p n k na ca ph 平均值 76.3 23.7 82.4 17.6 38.73 0.25

5、 1.96 1.44 1.17 1.06 6.83 1.2发酵原料的制备 厨余垃圾中含有较高的盐分,而且厨余垃圾的厌氧消化过程中,甲烷菌对盐类较为敏感,尤其是当钠盐的浓度突然增加时,厌氧消化的正常运行会受到较大冲击。资料表明,当厌氧消化中钠盐的浓度小于5g.l-1时,厌氧消化进程不会受到抑制,但是当钠盐的浓度大于5g.l-1时,甲烷菌的活性受到明显抑制。因而,须采取措施降低na+离子浓度。无机矿物质膨润土对na+离子有较强的吸附性能,吸附量可达13.75%。同时,膨润土还可以释放大量的ca2+、mg2+离子,这两种离子可以改变厌氧微生物细胞的通透性,使微生物可以选择性地吸收自身所需要的营养成分

6、,被称为是厌氧微生物的能量促进剂。实验表明,按质量比总固体含量(ts):膨润土为10:1的比例在厨余垃圾中投放膨润土,可以有效消除na+离子对甲烷菌活性的影响,提高产气率。 2、工艺方案研究 2.1 工艺路线选择 厌氧发酵过程可以分为三个阶段。第一阶段为水解阶段,厌氧菌根据所分解的对象可以分为纤维素分解菌、脂肪分解菌和蛋白质分解菌,它们分别把多糖分解为单糖,蛋白质分解为肽和氨基酸,脂肪分解为甘油和脂肪酸。第二阶段为酸化阶段,由产酸细菌和某些梭状芽孢杆菌等将单糖类、肽、氨基酸、甘油、脂肪酸等物质转化成简单的有机酸、醇以及二氧化碳、氢、氨和硫化氢等,其主要的产物是挥发性脂肪酸,其中以乙酸为主,约占

7、80%。第三阶段为产甲烷阶段,产甲烷菌将有机酸、醇以及二氧化碳和氨等物质分解为甲烷和二氧化碳,或通过氢还原二氧化碳的作用,形成甲烷。 有机废弃物厌氧消化技术,根据发酵阶段控制方法的不同,可分为两段法厌氧消化工艺和整体一段法厌氧消化工艺。根据发酵料液的ts浓度的不同,又可分为干式发酵法(ts为20%-40%)和湿式发酵法(ts60%)的进料才加水稀释。因此,采用干式厌氧消化处理厨余垃圾,即不需加水也不需脱水,简化了工艺,节约了能耗。厨余垃圾的总固体含量一般在20-30%之间,很适合于干式消化工艺。而两段法和整体一段法比较,整体一段法的产气周期短,工艺运行简单,在工业化生产上比对两段法具有明显优势

8、。综合以上分析,确定采用整体一段法干式厌氧发酵工艺进行厨余垃圾的处理。 2.2工艺参数的确定 温度。厌氧发酵是一个微生物的作用过程,温度作为影响微生物生命活动过程的重要因素,主要通过影响酶活性来影响微生物的生长速率和对基质的代谢速率。厌氧消化有三个温度范围,常温20-25,中温30-40,高温50-60,农村沼气工程中,考虑工艺简单和运行成本,常采用常温发酵,运行时间较长,产气量较少。中温和高温使生化速率较高,产气量较大,但运行成本较高。厨余垃圾干式厌氧发酵工艺,一方面需要有较短的发酵周期,另一方面,干式发酵在常温下效果极差,而在中高温条件下运行效果较好。因此,本工艺采用55左右的高温发酵,以

9、提高运行速率和产气量。温度的维持采取太阳能和沼气联合供能的方式。以太阳能热水保温为主,当太阳能不足以维持温度时,由发酵产生的沼气用以补充。 ts含量。干式厌氧发酵工艺所要求的ts60%,而发酵原料的实测ts含量为23.7%,因此,对发酵原料不作ts含量的调节,直接用于发酵。 ph值。厌氧发酵菌可以在ph为5-10范围内发酵,但以ph值为7-8为最适合,产甲烷 菌对ph值很敏感,当ph值低于6.5时不再活跃。在发酵的最初阶段会产生大量有机酸,使物料的ph值下降到5以下,从而抑制消化发酵过程,因而需添加石灰石或koh溶液等加以中和。随着发酵反应的继续,由于氮的消化使氨的浓度不断上升,ph值也随着上

10、升,当稳定产甲烷时,ph值一般维持在7.2-8.2之间。 搅拌速度。搅拌可以使消化物质均一化,提高物质与细菌的接触,加速消化底物的分解。厨余垃圾的总固体含量较高,一部分沼气产生后滞留在消化底物中,只有通过搅拌来释放滞留的沼气,因而搅拌是提高发酵速率和产气量的重要措施之一。厌氧发酵搅拌方式有机械搅拌、发酵液回流搅拌和沼气回流搅拌。由于机械搅拌的搅拌效果好,可操控性强,适合于批量生产,因而本工艺采用机械搅拌,为防止过度搅拌破坏菌群的正常繁殖,搅拌速度控制目标为物料移动速度不大于0.5m/s。 3、工艺装备设计 根据工艺要求,设计了厨余垃圾厌氧发酵的备料装置和发酵装置,分别如图1、图2所示。 4 结论与讨论 工艺首先利用备料