生活垃圾微生物強化兩相干式厭氧發酵技術的研究及應用

王毅琪　韓文彪　陳灝　趙玉柱　喬慧　閆強

摘要 綜述了生活垃圾厭氧發酵研究現狀，包括濕式厭氧發酵和干式厭氧發酵、單相厭氧發酵和兩相厭氧發酵、中溫厭氧發酵和高溫厭氧發酵，闡述了微生物強化技術在污水處理、生活垃圾堆肥、環境修復等領域的應用，介紹了稀土元素對微生物的強化作用機理，在此基礎上，提出了微生物強化兩相干式厭氧發酵工藝流程，該工藝包括微生物強化菌劑、兩相干式中溫厭氧發酵、發酵剩余物利用三大系統。

關鍵詞 生活垃圾；稀土；微生物強化；厭氧發酵

中圖分類號 S181 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2016）05-100-03

Abstract The research status of domestic garbage anaerobic digestion was reviewed， including wet and dry anaerobic fermentation， singlephase and twophase anaerobic fermentation， mediumtemperature and hightemperature anaerobic fermentation. The application of microorganism enhanced technology in sewage treatment， domestic garbage compost， environmental remediation was elaborated. The enhanced mechanism of rare earth on microorganism was introduced. On the basis of this， process of microorganism enhanced twophase dry anaerobic fermentation was proposed， including enhanced microbial inoculants， twophase dry mesophilic anaerobic fermentation， fermentation residue utilization.

Key words Domestic garbage； Rare earth； Microorganism enhanced； Anaerobic fermentation

生活垃圾及其他有機廢棄物是制約資源和環境保護的瓶頸。目前有機固體廢棄物的處理技術主要有焚燒、衛生填埋、堆肥和厭氧發酵等，但是這些技術存在一些弊端，如焚燒易導致二噁英類物質產生，使處理成本增加；填埋易產生大量滲濾液，還會產生H2S等惡臭氣體和甲烷；堆肥處理占地面積大、堆肥時間長、衛生條件差等。生活垃圾及其他有機廢棄物如果得不到快速有效的處理必將會對公共環境衛生安全和經濟發展造成極大威脅[1]。因此，需要最大限度地實現有機廢棄物的“減量化、資源化和無害化”。厭氧發酵技術能耗小、需水量少、運行穩定，關鍵是產物無二次污染，是目前國內外較為青睞的生活垃圾及其他有機廢棄物的綜合處理技術[2]。筆者擬將微生物強化技術與兩相干式厭氧發酵技術相結合，利用稀土尾礦粉對厭氧發酵菌種進行微生物強化，在減少稀土尾粉礦污染環境的前提下，培養、制備了高濃度、高活性的微生物菌劑，以此建立了一種高效生活垃圾及其他有機廢棄物處理技術——“微生物強化兩相干式厭氧發酵”工藝，以期為實現生活垃圾及其他有機廢棄物處理的“減量化、資源化、無害化”目標提供參考與借鑒。

1 生活垃圾厭氧發酵研究現狀

按照厭氧發酵的操作條件和運行方式，可將厭氧發酵處理技術分為多種類型，按固體含量，可分為濕式厭氧發酵（TS<15%）和干式厭氧發酵（TS為20%～40%），干式發酵與濕式發酵相比，具有自身耗能低，沼氣質量高、設備效率高、處理成本低、可直接處理城鎮有機固體廢棄物等優點[3-5]（表1）；按發酵階段數，可分為單相厭氧發酵和兩相厭氧發酵，兩相厭氧發酵與單相相比，實現了生物相的分離，使產酸階段和產甲烷階段在2個系統中進行，分成2個獨立的處理單元，優化了產酸產甲烷過程，從而可以更加簡單、容易地調控2個單元的運行參數，使不同發酵階段都能保持各自最佳的生產條件，很大程度上縮短了處理周期和工藝運行的穩定性[6]（表2）；按照溫度高低，可分為常溫、中溫和高溫厭氧發酵，常溫厭氧發酵能耗較低，但是發酵周期長，產氣效率低，高溫厭氧發酵雖然可以縮短發酵周期、提高產氣效率，但是能耗高、系統穩定性差，對發酵控制要求高，而中溫厭氧發酵技術與常溫、高溫相比，產氣較穩定，發酵條件易控制、操作相對簡單，因此目前仍以中溫厭氧發酵為主[7]（表3）。因此，兩相干式中溫厭氧發酵技術應是處理生活垃圾及其他有機廢棄物較為理想的方式，然而，我國正處于兩相干式厭氧發酵的起步階段[8]，在條件控制、處理設備等方面仍有較大的提升空間。

2 微生物強化技術研究現狀

厭氧發酵是在無氧條件下利用厭氧微生物生化作用降解有機物的過程，因此菌群活性對于厭氧發酵過程至關重要。微生物強化技術是指通過向傳統的生物處理系統投入具有特定功能的微生物，提高有效微生物的濃度和活性，增強其對某些有機物的降解能力，提高降解速率[10]。微生物強化技術在世界各國的環境保護領域中已得到廣泛應用，在生活污水及一般工業廢水處理、生活垃圾堆肥、清潔可再生能源開發、環境污染修復等方面都顯示出巨大的優越性[11-12]。

2.1 在污水處理中的應用

微生物強化技術可高效去除廢水中的COD和BOD5，具有改善系統污泥性能、加速啟動、提高系統抗負荷沖擊能力和穩定性的作用。目前已經被廣泛應用于治理高濃度有機廢水、有毒、有害難降解污染物的治理，強化廢水中油脂的液化和降解，江河湖泊等水體修復和地下水生物修復等方面[13-14]，效果顯著。

2.2 在堆肥中的應用

堆肥技術主要是利用自然界廣泛分布的土著微生物（細菌、放線菌、真菌等）的相互協同作用，促進垃圾中可生物降解的有機物向穩定的腐殖質生化轉化[15-16]。有研究顯示，微生物強化可提高木質素降解率，達43.9%，提高堆肥腐殖化程度達54.1%，使有機物降解更為徹底[17]。其最終產物可作為綠色有機肥料或用作土壤改良劑，使有機物質實現循環再利用。

2.3 在其他領域中的應用

近年來，隨著微生物強化技術的不斷發展與改進，其應用范圍由傳統的工業污水處理領域逐步向多領域擴展。有研究顯示，微生物強化技術可提高石油采收率，且發展日趨成熟[18]；在污染土壤修復方面可促進修復植株的生長，增加生物量，提高修復土壤效率[19]；在制酒過程中通過微生物強化作用可提高優勢菌群的種類和數量，提高釀酒品質[20]，同時在人體排泄物、餐廚垃圾等領域也應用較廣，逐步成為生活有機污染物處理的重要方式。

由此可知，微生物強化技術能夠將有機物快速分解為穩定無害的小分子物質，可以有效促進有機物的降解，且見效快、能耗低、成本低、反應條件溫和、操作簡單、無二次污染，因此可以在生活垃圾及其他有機廢棄物中利用該技術進行厭氧發酵，是一種潛在的有機垃圾高效處理技術。

3 稀土元素對微生物強化作用機理研究現狀

稀土元素由元素周期表中第六周期的鑭系元素鑭（La）、鈰（Ce）等 17個元素組成。研究顯示，若處理不當，稀土元素會對環境造成嚴重污染[21]，但豐富的稀土資源蘊藏著巨大的經濟價值，在工業、農業及環境治理方面都具有獨特而顯著的功效。

稀土元素化學性質活潑，僅次于堿金屬和堿土金屬，不但可與某些物質迅速結合，而且結合后不易分離[22]。研究發現，稀土對細菌、真菌等微生物有一定生長刺激作用，如布魯氏菌、谷氨酸桿菌、酵母菌等。Liu等[23]研究發現，La3+能明顯改變與細胞滲透性相關的外膜結構，影響膜的通透性、能量代謝及信息傳遞。Li等[24]研究了稀土對大腸桿菌的影響，結果表明，La3+在高濃度時可刺激大腸桿菌代謝，但對于基因表達影響不明顯；在低濃度時可顯著抑制大腸桿菌對外部DNA的吸收，降低轉化率。Kumark等[25]研究發現，稀土鉍（Tb）可與大腸桿菌緊密結合，促進能量轉換，加速細菌生長。宋香等[26]研究發現，在一定濃度范圍內稀土元素對生長前期谷氨酸棒桿菌酶的活力和生長均有促進作用。

因此，適量稀土的添加有提高微生物濃度和活性的作用，可用于培養厭氧發酵的高濃度、高活性微生物菌劑。如內蒙古自治區有著豐富的包括稀土尾礦粉在內的稀土資源，利用稀土獨特而顯著的促進微生物生長的特性，可采用微生物強化技術培養和制備高濃度、高活性菌劑。

綜上考慮，利用稀土尾礦粉對厭氧發酵微生物進行強化，用于兩相干式厭氧發酵，可縮短發酵周期，提高產氣效率，為生活垃圾及其他有機廢棄物處理處置開辟新的發展方向。

4 微生物強化兩相干式中溫厭氧發酵

利用稀土尾礦粉對厭氧發酵菌種進行微生物強化，然后用于生活有機垃圾兩相干式厭氧發酵過程，該過程分為微生物強化菌劑、兩相干式厭氧發酵、發酵剩余物利用三大系統，主要工藝流程如圖1所示。

4.1 微生物強化菌劑系統

微生物強化菌劑系統包括2個部分，一部分為產酸菌群和產甲烷菌群分離純化及稀土元素促進微生物強化，制備高活性、高濃度微生物菌劑；另一部分為滲濾液回流作為復合菌調節物料酸度、增加微生物的種類和多樣性，以達到加快反應速率、提高降解率的效果。

4.2 兩相干式中溫厭氧發酵系統

預處理后的發酵原料（生活垃圾、糞便、秸稈等）加入兩相干式厭氧發酵罐中的同時，罐體上方的噴淋裝置釋放產酸菌，將原料和微生物充分混合，經一定停留時間，采用機械葉輪推進式裝置由產酸區進入產甲烷區，經滲濾液回流噴淋調節物料酸度，中后期噴淋加入產甲烷菌劑。發酵溫度（35±1）℃，通過保溫系統滿足發酵所需溫度，發酵初期pH在6.5以上，發酵周期25 d，發酵產生的沼渣進入堆肥系統，沼氣進入凈化提純系統。

4.3 發酵剩余物利用系統

生活垃圾及其他有機廢棄物經厭氧發酵之后，可將發酵沼渣直接進行好氧堆肥。首先在物料中加入調理劑，調節堆體的理化特性（C/N=25～30），然后加入接種菌群，對堆體進行好氧堆肥，制備高品質的生物肥料。沼氣通過凈化提純系統制取壓縮天然氣（CNG）。

5 結語

通過應用微生物強化技術，利用稀土尾礦粉對厭氧發酵微生物進行強化，不僅減少了稀土尾礦處理不當對環境造成的污染，還能制備高濃度、高活性的微生物菌劑，用于生活垃圾及其他有機廢棄物處理，結合兩相干式厭氧發酵技術，能建立一套產氣效率高、能耗低、投資少、資源化利用程度和無害化水平較高的發酵工藝——“微生物強化兩相干式中溫厭氧發酵”工藝，對推動我國生活垃圾及其他有機廢棄物的高值利用和無害化處置技術進步是非常必要的，具較廣闊的市場發展前景。

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