李謨軍 梅 鑫 張 玲 尹 雯 趙玉萍

北京金福騰科技有限公司 北京 海淀100142

1 引言

隨著我國飲食業(yè)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高,廚余垃圾的排放量急劇增長,目前我國廚余垃圾產(chǎn)生量大約1.2億萬噸/年,大量的廚余垃圾帶來了一系列嚴(yán)重的環(huán)境污染,同時也造成了大量生物質(zhì)能源的浪費(fèi)[1]。廚余垃圾中蘊(yùn)含了大量的生物質(zhì)能,是一種寶貴的可再生資源,若能實(shí)現(xiàn)能源化利用,不僅可解決由其所帶來的環(huán)境污染和食品安全問題,同時能夠?yàn)槲覈G色環(huán)境做出貢獻(xiàn)。由于廚余垃圾成分復(fù)雜,水分、油脂、鹽分含量高,易腐敗變質(zhì),給城市的環(huán)境保護(hù)帶來巨大的壓力,因此,廚余垃圾的處理越來越受到各地政府的高度重視。目前主要有傳統(tǒng)飼料化、填埋和好氧堆肥為主的廚余垃圾處理方法,但是這些處理方式不能充分回收廚余垃圾中富含的營養(yǎng)成分,容易造成疾病感染、土地浪費(fèi)、空氣及水體污染等問題[2]。而厭氧發(fā)酵處理過程中不需要提供氧,動力消耗低,占地空間小,能夠?qū)崿F(xiàn)資源再利用,成為了廚余垃圾處理的主要技術(shù)。

1.1 厭氧發(fā)酵技術(shù) 厭氧發(fā)酵技術(shù)是指在無氧環(huán)境中,通過專性厭氧菌群和兼性厭氧菌群分解廚余垃圾中的各種有機(jī)物,最終轉(zhuǎn)化成甲烷、二氧化碳、水、硫化氫以及氨等可利用的能源,同時合成菌群自身所需物質(zhì)的一種生物處理方法,該方法有效實(shí)現(xiàn)了廚余垃圾中固體廢棄物的無害化和資源化,厭氧發(fā)酵過程共分為四個階段,即水解階段、酸化階段、產(chǎn)氧產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。

水解階段可使廚余垃圾中固體有機(jī)物質(zhì)降解為溶解性物質(zhì),大分子有機(jī)物質(zhì)降解為小分子物質(zhì)。水解階段主要是纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)及脂類等不溶性高分子有機(jī)物的水解。由于它們的相對分子量較大,不能透過細(xì)胞膜直接被細(xì)菌所利用,因此需在水解酶的作用下將其轉(zhuǎn)化為可以透過細(xì)胞膜的水溶性小分子有機(jī)物。

酸化階段是產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌利用水解階段產(chǎn)生水溶性小分子有機(jī)物,將其轉(zhuǎn)化為以揮發(fā)性脂肪酸和醇為主的末端產(chǎn)物(甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、乳酸、乙醇等),同時合成新的細(xì)胞物質(zhì)。

產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段是厭氧產(chǎn)酸產(chǎn)乙酸菌進(jìn)一步利用上階段生產(chǎn)的丙酸、丁酸等產(chǎn)生乙酸、水和二氧化碳,同時乙酸菌將二氧化碳和水合成乙酸。

產(chǎn)甲燒階段:產(chǎn)甲烷菌將乙酸、甲酸、碳酸、氧氣、甲胺及甲醇等轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和細(xì)胞物質(zhì)等[3]。

1.2 厭氧發(fā)酵影響因素 影響厭氧發(fā)酵過程的因素有很多,一直以來,許多的研究者通過改變其環(huán)境參數(shù)來加快反應(yīng)速率和提高產(chǎn)能效率,影響厭氧發(fā)酵的因素主要包括溫度、p H、C/N、含水量等。

1.2.1 溫度對厭氧發(fā)酵的影響 溫度對廚余垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸有明顯的影響,主要是因?yàn)闇囟饶軌蛴绊懨富钚?進(jìn)而對微生物的生長和基質(zhì)的代謝產(chǎn)生影響。有研究表明,產(chǎn)CH4菌活性適宜的溫度區(qū)間是中溫20-37℃、高溫50-60℃。在40-50℃時,產(chǎn)CH4菌活性受到抑制,而最大的沼氣產(chǎn)量分別出現(xiàn)在中溫35℃和高溫55℃[4]。還有研究表明產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段最適宜的溫度范圍分別是25-35℃和32-42℃[5]。

1.2.2 p H 對厭氧發(fā)酵的影響p H是影響廚余垃圾厭氧發(fā)酵過程的另一個重要因素,主要是通過影響厭氧微生物的活性進(jìn)而影響厭氧發(fā)酵的運(yùn)行。大部分微生物在p H5-9的范圍內(nèi)都能夠生長。在厭氧體系中,根據(jù)細(xì)菌功能的不同可將其分為產(chǎn)甲院菌和產(chǎn)酸菌,產(chǎn)酸菌對p H 的變化不太敏感,當(dāng)p H 變化時受到的影響較小,而產(chǎn)甲院菌對p H 變化就很敏感,所能適應(yīng)的p H 變化的范圍相對較小。在單相厭氧發(fā)酵體系中,為同時滿足產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲院菌的活性需求,一般p H在6.8-7.2之間最適宜厭氧發(fā)酵的運(yùn)行[6]。當(dāng)體系p H 過低時,產(chǎn)甲烷菌的生長代謝就會受到抑制,進(jìn)而影響整個厭氧發(fā)酵體系的進(jìn)行,并最終導(dǎo)致反應(yīng)失敗。

1.2.3 C/N對厭氧發(fā)酵的影響 厭氧發(fā)酵中菌種的生長繁殖需要一定量的C和N才能夠進(jìn)行,要保證適宜的C/N才能夠維持其正常的生命活動。在厭氧發(fā)酵過程中,C/N是不斷變化的,其中一部分有機(jī)碳素由微生物分解成CH4和CO2并排出反應(yīng)器,另一部分與氮素合成新的細(xì)胞物質(zhì)用作微生物的生長基質(zhì)。一般情況下,厭氧發(fā)酵中比較適宜的C/N 為20-30,適宜的C/N利于微生物的生長,能夠促進(jìn)有機(jī)物的分解和消化,并產(chǎn)生充足的產(chǎn)甲烷底物,但不會形成累積[7]。若C/N 過高,發(fā)酵系統(tǒng)中就會缺乏氮素,其緩沖能力就會下降,就會引起揮發(fā)性有機(jī)酸的累積,從而使系統(tǒng)p H下降,同時由于氮源不足導(dǎo)致烷菌的生長代謝受到嚴(yán)重的影響而降低產(chǎn)氣量。若C/N過低,系統(tǒng)中氮素含量增加,使氨氮濃度升高,從而導(dǎo)致發(fā)酵液p H升高,就會抑制發(fā)酵反應(yīng)的順利進(jìn)行[8]。

1.2.4 含水量對厭氧發(fā)酵的影響 厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中,底物的含水量對整個體系運(yùn)行的穩(wěn)定性及厭氧發(fā)酵反應(yīng)速率都有很大影響。在水分充足的環(huán)境中,體系物料容易混合均勻,微生物與底物接觸面積大,傳質(zhì)傳熱效率高,各部分微生物生長均勻一致,體系運(yùn)行更加穩(wěn)定。但高水含量的情況則會導(dǎo)致厭氧發(fā)酵效率下降,處理效果降低,同時產(chǎn)生大量沼液,造成二次處理困難。當(dāng)水分含量下降,底物呈固體狀態(tài),傳質(zhì)傳熱效率降低,同時會在體系內(nèi)出現(xiàn)反應(yīng)不同步,導(dǎo)致微生物生長不均一,系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定[9]。但提高固體濃度會大幅度提升厭氧發(fā)酵效率。所以,控制厭氧發(fā)酵體系中物料的含水量對厭氧發(fā)酵體系具有重要意義。

1.3 廚余垃圾生物處理機(jī) 廚余垃圾生物處理機(jī),運(yùn)用微生物厭氧發(fā)酵技術(shù)、干化回收技術(shù),通過廚余垃圾堆肥減量化、城市廢棄物資源化利用模式的探索,從源頭減少廚余垃圾數(shù)量,減少其前期填埋處理工作,減少空氣環(huán)境污染,實(shí)現(xiàn)城市垃圾減量無害化,改善城市生態(tài)條件。同時通過微生物發(fā)酵技術(shù)將廚余垃圾變成生物有機(jī)肥料,可以用作花卉樹木種植的有機(jī)肥料,形成良性的生態(tài)循環(huán)系統(tǒng),為低碳節(jié)能作出貢獻(xiàn)。

1.4 研究目的 為了能夠使廚余垃圾生物處理機(jī)更好地發(fā)揮其性能,其工作的核心技術(shù)是微生物厭氧發(fā)酵技術(shù),篩選出合適的厭氧發(fā)酵菌種,創(chuàng)造出適宜的菌種發(fā)酵環(huán)境才能將廚余垃圾最大化的轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥料。

2 研究內(nèi)容

2.1 廚余垃圾生物處理機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 垃圾處理機(jī)由機(jī)蓋、機(jī)箱、內(nèi)部的垃圾處理桶、攪拌、加熱、除臭等部分裝置組成。采用方形立式外觀,沒有棱角,開蓋位于產(chǎn)品上面,開蓋可加廚余垃圾。大小合適,外部美觀,長寬高為48c m*38c m*33c m,工作噪聲小,垃圾發(fā)酵處理過程中無氣味產(chǎn)生。廚余垃圾添加到處理機(jī)內(nèi)部后,設(shè)置合適的溫濕度,利于微生物發(fā)酵,通過內(nèi)部鉸刀進(jìn)行攪動翻轉(zhuǎn),廚余垃圾分解后產(chǎn)出的有害氣體,通過UV 燈管分解為水和臭氧,并經(jīng)過活性炭吸附和蜂窩陶瓷催化劑吸收后轉(zhuǎn)化為無臭無害氣排出箱體。

2.2 廚余垃圾處理機(jī)的工作流程 將廚余垃圾倒入處理機(jī)中,加入發(fā)酵菌劑,通電運(yùn)行,大約10小時后,進(jìn)行分解處理。處理過程由內(nèi)部的控制器自動控制,無需人為干預(yù)。實(shí)現(xiàn)自動加熱,自動攪拌,自動除臭,自動烘干。處理完成后,可得到烘干的有機(jī)肥,等有機(jī)肥積累到大約70%的容積后,就可以清理出部分有機(jī)肥使用,桶內(nèi)需要剩余20%-30%,以供后面繼續(xù)使用。分解菌可以在桶內(nèi)持續(xù)繁殖使用,大約使用壽命可達(dá)1年。加入廚余垃圾,關(guān)蓋后,垃圾處理機(jī)會自動攪拌,將分解的發(fā)酵菌劑和廚余垃圾混合均勻,然后自動升溫;升高溫度是為了發(fā)酵菌液快速繁殖和分解。30分鐘后,在啟動攪拌,同時開始抽氣,啟動除臭裝置。排氣5分鐘后,自動加熱恒溫。循環(huán)經(jīng)過大約24h左右的處理,垃圾已經(jīng)變干和變碎,增加攪拌的時間,讓已經(jīng)風(fēng)干的廚余垃圾繼續(xù)變小至粉碎狀態(tài),處理過程完畢。

2.3 廚余垃圾生物處理機(jī)發(fā)酵菌的篩選 篩選降解廚余垃圾中的油脂類、淀粉類、蛋白質(zhì)類物質(zhì)等大分子顆粒的發(fā)酵菌群。含有六種可提供高質(zhì)淀粉酶,蛋白酶,脂肪酶和纖維素酶的細(xì)菌。篩選出來的包括枯草桿菌,地衣芽孢桿菌,諾卡氏菌,解淀粉芽孢桿菌等厭氧型或兼性厭氧型細(xì)菌,將這些菌種和各種配料混合制成菌劑,活菌總量≥100億。具體成分如表1:

2.4 溫度對廚余垃圾生物處理機(jī)處理效率的影響 厭氧微生物的生命活動、物質(zhì)代謝與溫度有密切的關(guān)系,不同微生物生長對溫度的要求不同,過高或過低的溫度對微生物的生長不利,從而影響發(fā)酵的時間。由圖1可以看出整個過程中平均溫度在70℃時,每臺設(shè)備發(fā)酵完成的時間約60h,平均溫度在30℃時,發(fā)酵的時間為35-40h,平均溫度在40-50℃時發(fā)酵完成的時間最短,能夠發(fā)揮發(fā)酵菌的最大效率,最適合其發(fā)酵微生物的生長。

2.5 初始p H 對廚余垃圾處理機(jī)處理效率的影響 適宜的p H值是廚余垃圾生物處理機(jī)厭氧發(fā)酵的重要保證。較低的p H 值會抑制產(chǎn)酸菌的活性,較高的p H 值則不利于微生物的生存,抑制發(fā)酵的正常進(jìn)行。鑒于發(fā)酵過程中適宜的H+濃度能夠促進(jìn)發(fā)酵啟動、縮短發(fā)酵周期、提高發(fā)酵產(chǎn)氣速率等,控制發(fā)酵液p H 值使產(chǎn)甲烷菌處在最佳狀態(tài)能夠明顯提高產(chǎn)氣量和原料利用率。因此,初始p H 值對厭氧發(fā)酵過程的調(diào)控機(jī)制的研究及其適宜范圍的確定是提高厭氧發(fā)酵效率的有效途徑之一[10]。由圖2可以看出初始p H 在6.5-7.5之間,廚余垃圾生物處理機(jī)發(fā)酵完成的時間最短,由此得出p H 在6.5-7.5之間微生物發(fā)酵菌的活性最大,能夠發(fā)揮其最大的工作效率。

表1 發(fā)酵菌劑的各成分占比

圖1 溫度對每個處理發(fā)酵時間的影響

圖2 初始p H 值對每個處理發(fā)酵時間的影響

2.6 C/N對廚余垃圾生物處理機(jī)處理效率的影響 在厭氧消化過程中,C/N是反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行、微生物生長及新陳代謝的先決條件。C/N 過高,含氮量不足,緩沖能力差,p H值較低,反之,含氮量過高,p H值則上升,進(jìn)而影響有機(jī)物的分解。有研究表明對有機(jī)城市垃圾進(jìn)行混合高固體消化,認(rèn)為C/N在25-30之間對甲烷產(chǎn)量沒有產(chǎn)生不良影響[11]。厭氧系統(tǒng)一般可以發(fā)酵含固率10%-25%的有機(jī)物。廚余垃圾的含固率一般在15%-20%左右。因此發(fā)酵前不需要加水也不需要脫水,簡化了前處理,節(jié)約了能耗。廚余垃圾的C/N在15-25之間,而厭氧發(fā)酵菌發(fā)酵最適合的C/N在20-25之間,所以廚余垃圾中微生物發(fā)酵最適合為厭氧發(fā)酵。

2.7 含水量對廚余垃圾生物處理機(jī)處理效率的影響 由圖3可以得出,在含水量為60%時,廚余垃圾生物處理機(jī)的發(fā)酵時間最短,大概25h左右,在含水量為30%和80%時,發(fā)酵時間最長,所以含水量在60%左右時,最適宜發(fā)酵菌的生長,從而提高其發(fā)酵能力,縮短廚余垃圾生物處理機(jī)的發(fā)酵時間。

圖3 含水量對每個處理發(fā)酵時間的影響

3 討論

廚余垃圾生物處理機(jī)是一種從源頭減量的資源化方法,它將易腐敗發(fā)臭的廚余垃圾單獨(dú)收集,減少蚊、蠅對環(huán)境和人體健康的影響;可使垃圾體積大大減少,從而減少垃圾收集的頻次,大大降低收集和運(yùn)輸?shù)某杀?可獲得較為優(yōu)質(zhì)的土壤改良劑和有機(jī)肥料。其工作的核心是厭氧發(fā)酵技術(shù),在特定的厭氧條件下,微生物將有機(jī)垃圾進(jìn)行分解,其中的碳、氫、氧轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳,而氮、磷、鉀等元素則存留于殘留物中,并轉(zhuǎn)化為易被動植物吸收利用的形式[12]。此技術(shù)處理效率高,可以產(chǎn)生高效的有機(jī)肥,同時實(shí)現(xiàn)沼氣的能源再利用化。

4 結(jié)論

4.1 本次研究的廚余垃圾生物處理機(jī)基本實(shí)現(xiàn)自動化,只需一鍵操作,通過廚余垃圾堆肥減量化,從源頭減少垃圾數(shù)量,減少垃圾填埋處理工作,減少環(huán)境污染,實(shí)現(xiàn)城市垃圾減量無害化,改善城市生態(tài)條件。同時通過微生物發(fā)酵技術(shù)將廚余垃圾變成生物有機(jī)肥料,可用于家庭蔬菜、花卉的種植,形成良性的生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)。

4.2 通過試驗(yàn)得出適合發(fā)酵菌適宜的生長環(huán)境,將溫度控制在40-50℃,p H在6.5 -7.5 之間,C/N 為20-25之間,含水量控制在60%左右,將發(fā)酵菌控制在這種環(huán)境中發(fā)酵能力最強(qiáng),廚余垃圾生物處理機(jī)的處理效率最高。