餐廚垃圾干發(fā)酵滾動(dòng)式質(zhì)熱交換反應(yīng)器設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

王宇軒，羅 鋒，謝海迎，朱節(jié)民，劉 楊，杜紅霞，五十嵐泰夫

（西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院生物能源與環(huán)境修復(fù)研究中心，重慶 400000）

0 引 言

近些年來(lái)，餐廚垃圾產(chǎn)量急劇上升。截至到2014年，中國(guó)餐廚垃圾產(chǎn)出量已經(jīng)達(dá)到了平均每年近9 000萬(wàn)t的水平[1]。餐廚垃圾具有高含水量、高有機(jī)物含量、高油脂等特點(diǎn)，如果不妥善處理，必然會(huì)造成環(huán)境污染，甚至對(duì)人類(lèi)的健康和生活質(zhì)量構(gòu)成威脅[2]。大多數(shù)餐廚垃圾被用作肥料及動(dòng)物飼料，但由于質(zhì)量差，市場(chǎng)對(duì)這些產(chǎn)品的需求非常低，而且在加工過(guò)程中產(chǎn)生了大量的二級(jí)廢水、滲濾液，污染環(huán)境[3]。餐廚垃圾眾多處理途徑中，厭氧發(fā)酵成本低、殘余廢渣產(chǎn)量低且產(chǎn)生可再生能源，被認(rèn)為是處理餐廚垃圾最有效的方式[4]。

餐廚垃圾厭氧發(fā)酵根據(jù)進(jìn)料TS的不同，可分為濕式發(fā)酵和干式發(fā)酵2大類(lèi)。干式厭氧發(fā)酵技術(shù)通常進(jìn)料TS超過(guò)15%（一般為15%～40%）[5]。目前，厭氧發(fā)酵以濕式發(fā)酵為主[6]。雖然濕式厭氧發(fā)酵技術(shù)發(fā)展成熟，應(yīng)用廣泛，但仍存在諸多弊端：預(yù)處理困難、處理能力低，極易受到鹽分、氨氮的抑制[7]；濕式厭氧發(fā)酵原料的制備需要大量新鮮水調(diào)配制漿，能耗較高，同時(shí)產(chǎn)生大量沼液。沼液如不收集處理，將導(dǎo)致二次污染。干式厭氧發(fā)酵相比濕式厭氧發(fā)酵具有運(yùn)行費(fèi)用低、沼液產(chǎn)量小或無(wú)沼液產(chǎn)生、沼渣可進(jìn)行堆肥，實(shí)現(xiàn)全組分利用等明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)于環(huán)境保護(hù)和新能源發(fā)展具有重要意義[8-10]。但干式厭氧發(fā)酵依然存在一些需要克服的問(wèn)題：由于發(fā)酵環(huán)境為固體，傳質(zhì)傳熱效果差，局部過(guò)熱，微生物生長(zhǎng)代謝不均衡，容易造成揮發(fā)性脂肪酸的累積和氨氮濃度的升高[11]。為解決質(zhì)熱傳遞效率，固體發(fā)酵多借助攪拌的方式，利用外力將物料不斷混合。但加入外力會(huì)破壞體系內(nèi)微生物所形成的穩(wěn)定菌團(tuán)，微生物生長(zhǎng)代謝效率下降，導(dǎo)致發(fā)酵效率降低甚至失敗。

為克服干式發(fā)酵的問(wèn)題，同時(shí)保持體系內(nèi)微生物高效率生長(zhǎng)代謝，本文設(shè)計(jì)一款滾動(dòng)式質(zhì)熱交換反應(yīng)器，利用罐體滾動(dòng)代替攪拌，罐體表面進(jìn)行加熱，底物自行混合均勻的同時(shí)，與罐體接觸的底物將熱量帶入體系，使體系內(nèi)受熱均勻?？朔烁墒桨l(fā)酵中傳質(zhì)傳熱效率低、微生物局部環(huán)境差異從而導(dǎo)致的發(fā)酵效率低甚至啟動(dòng)失敗等問(wèn)題，且不會(huì)因?yàn)閿嚢璧耐饬ζ茐奈⑸锞鷪F(tuán)。為驗(yàn)證其發(fā)酵性能，該研究利用餐廚垃圾在中溫（37 ℃）條件下進(jìn)行批次發(fā)酵試驗(yàn)，同時(shí)與攪拌式發(fā)酵反應(yīng)器進(jìn)行對(duì)比，監(jiān)測(cè)分析發(fā)酵期間產(chǎn)氣效率及系統(tǒng)各參數(shù)變化情況，并基于16s rRNA基因測(cè)序結(jié)果，分析體系內(nèi)微生物結(jié)構(gòu)變化，研究結(jié)果對(duì)于未來(lái)進(jìn)行干式厭氧發(fā)酵具有突破性的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 滾動(dòng)式質(zhì)熱交換反應(yīng)器設(shè)計(jì)

1.1 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的滾動(dòng)式反應(yīng)器（反應(yīng)器A）如圖1a所示，整套反應(yīng)器分為預(yù)處理罐和發(fā)酵罐 2部分。預(yù)處理罐體積10 L；發(fā)酵罐體積20 L，有效體積（可加料體積）10 L。發(fā)酵罐通過(guò)纏繞在罐體外圈的電阻絲進(jìn)行加熱，利用保溫層隔熱保溫。發(fā)酵罐排氣口與罐體連接處采用軸密封結(jié)構(gòu)保證反應(yīng)器的厭氧環(huán)境。

對(duì)比試驗(yàn)所用的攪拌式反應(yīng)器（反應(yīng)器B）如圖1 b所示。反應(yīng)器由10 L的圓柱形罐體和底部水浴加熱裝置組成。

圖1 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of reactor

1.2 工作原理

滾動(dòng)式反應(yīng)器（反應(yīng)器 A）工作時(shí)，將底物加入到預(yù)處理罐中，利用氮?dú)馀疟M殘余空氣，而后與發(fā)酵罐對(duì)接，對(duì)接處包裹連接管以隔絕空氣，將底物排入發(fā)酵罐進(jìn)行厭氧發(fā)酵；待一批底物發(fā)酵完全，排出發(fā)酵殘?jiān)?，通過(guò)預(yù)處理罐將新一批除氧后底物加入到發(fā)酵罐中進(jìn)行下一批次試驗(yàn)。預(yù)處理罐的存在避免了直接向發(fā)酵罐中投加底物帶入過(guò)多氧氣以及氮?dú)馄茐脑蟹€(wěn)定發(fā)酵環(huán)境。反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)罐體的滾動(dòng)保證底物持續(xù)混合均勻，避免出現(xiàn)質(zhì)熱傳遞效率低、微生物生長(zhǎng)繁殖不均勻?qū)е碌木植窟^(guò)熱等問(wèn)題。同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生橫向切力，破壞緊密結(jié)合的微生物菌團(tuán)。

1.3 技術(shù)參數(shù)

滾動(dòng)式反應(yīng)器（反應(yīng)器 A）的主要技術(shù)參數(shù)如表 1所示。

表1 反應(yīng)器A主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of reactor A

2 滾動(dòng)式質(zhì)熱交換反應(yīng)器性能試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)原料及接種污泥性質(zhì)

試驗(yàn)所用餐廚垃圾取自西南大學(xué)南區(qū)學(xué)生食堂，主要成分為米飯、面條、肉類(lèi)、蔬菜和骨頭等，人工去除其中的骨頭、塑料、紙類(lèi)等不易生物降解的物質(zhì)及表面浮油。餐廚垃圾通過(guò)小型固液分離機(jī)脫水后，用食物攪拌機(jī)攪拌為粒徑小于10 mm的勻漿，儲(chǔ)存于4 ℃冰箱待用。

污泥取自于重慶市北碚污水處理廠的脫水污泥，經(jīng)過(guò)中溫馴化 1個(gè)月后作為接種污泥待用。餐廚垃圾與接種污泥的基本性質(zhì)見(jiàn)表2。

2.2 試驗(yàn)方法

本文設(shè)計(jì)的滾動(dòng)式反應(yīng)器（反應(yīng)器A）中，將1.5 kg馴化污泥和 1.5 kg餐廚垃圾加入預(yù)處理罐中，同時(shí)用高純氮?dú)獯得摷恿系念A(yù)處理罐和空置的發(fā)酵罐 5 min以排盡罐內(nèi)空氣，然后將預(yù)處理罐和發(fā)酵罐閥門(mén)對(duì)接，底料排入發(fā)酵罐內(nèi)（底物 TS≈17.79%），調(diào)整發(fā)酵罐角度為10°，發(fā)酵罐轉(zhuǎn)速2 r/min；攪拌式反應(yīng)器（反應(yīng)器B）中，加入1.5 kg馴化污泥和1.5 kg餐廚垃圾，用高純氮?dú)獯得? min。2個(gè)反應(yīng)器溫度控制在37 ℃，在此溫度下進(jìn)行中溫發(fā)酵批次試驗(yàn)，試驗(yàn)中產(chǎn)生的氣體通過(guò)集氣袋收集。每24 h從采樣口采取罐內(nèi)物料1次，監(jiān)測(cè)產(chǎn)氣速率及氣體組成、pH值、揮發(fā)性脂肪酸、揮發(fā)性固體去除率等參數(shù)變化，并采樣提取DNA，通過(guò)16s rRNA基因測(cè)序研究體系中微生物結(jié)構(gòu)變化。試驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行30 d。

表2 餐廚垃圾與接種污泥基本性質(zhì)Table 2 Kitchen waste and sludge basic properties

2.3 分析方法

TS、VS采用質(zhì)量法測(cè)定[12]；pH值采用精密pH計(jì)測(cè)定；蛋白質(zhì)含量采用測(cè)定凱氏氮再乘以6.25計(jì)算得到[13]；脂肪含量采用索氏提取法測(cè)定；VFAs的質(zhì)量濃度采用氣相色譜法（安捷倫7890B）測(cè)定，色譜條件如下：FID檢測(cè)器；DB-FFAP（30 m×0.25 mm×0.25 μm），采用一階程序升溫，初溫80 ℃，保持5 min，后以10 ℃/min的速率升至220 ℃，保持1 min，載氣為氮?dú)??？偹岬馁|(zhì)量濃度為各單酸的質(zhì)量濃度之和。CH4體積分?jǐn)?shù)采用氣相色譜法（島津GC-2014）測(cè)定，測(cè)定條件：TCD檢測(cè)器，13X填充柱，柱溫50 ℃，檢測(cè)器溫度200 ℃；流量40 mL/min；載氣為氦氣。微生物基因提取使用DNA試劑盒（Power Soil DNA Isolation Kit，USA），測(cè)序分析由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 沼氣產(chǎn)量及甲烷含量

2種反應(yīng)器發(fā)酵期間每日沼氣產(chǎn)量如圖2所示。由圖2可知，反應(yīng)器 A中沼氣產(chǎn)量總體呈先上升后下降的趨勢(shì)，沼氣產(chǎn)量第 1天達(dá)到整個(gè)發(fā)酵期間的最高值，之后隨著底物中有機(jī)物的減少產(chǎn)氣量逐漸下降，這種趨勢(shì)符合產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)發(fā)育階段：遲緩期、指數(shù)期、穩(wěn)定期和衰亡期[14]。發(fā)酵期間出現(xiàn)2個(gè)較為明顯的產(chǎn)氣高峰（第1天、第21天），產(chǎn)氣量分別為26.0和8.9 L。相似地，王巧玲[15]進(jìn)行不同接種量對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的影響的研究中也出現(xiàn) 2個(gè)產(chǎn)甲烷高峰。發(fā)酵初期，體系內(nèi)微生物將底物中易于分解小分子顆?？焖偎饫?，對(duì)應(yīng)產(chǎn)氣量急劇上升，隨著底物濃度的降低，產(chǎn)氣量逐漸下降；直至第16天，底物中難溶物質(zhì)如蛋白質(zhì)、脂肪等被水解，可利用底物濃度升高，產(chǎn)氣量又攀升至另一高峰，而后產(chǎn)氣量再次逐漸下降。30 d后產(chǎn)氣基本停止。餐廚垃圾中主要有機(jī)成分為碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)，其中碳水化合物的平均降解速率常數(shù)高于脂肪和蛋白質(zhì)[16]，在圖2中可以明顯的看出對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氣峰值。反應(yīng)器B中沼氣產(chǎn)量在第 1天急速上升達(dá)到最高值，而后迅速下降并停止產(chǎn)氣。在第10天向體系中添加NaHCO3調(diào)節(jié)pH值后，產(chǎn)氣量稍有提升，隨后再次迅速下降至不產(chǎn)氣狀態(tài)，說(shuō)明其發(fā)酵啟動(dòng)失敗。其失敗原因可能為：由于底物呈固體狀態(tài)，橫向攪拌無(wú)法將底物高效率混合均勻，水解產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸等物質(zhì)在局部積累，形成微環(huán)境，pH值大幅度下降，酸性條件下產(chǎn)甲烷菌受到抑制甚至死亡，因此發(fā)酵無(wú)法啟動(dòng)。

由圖 3可知，沼氣中甲烷含量呈現(xiàn)先上升而后上下波動(dòng)的趨勢(shì)。發(fā)酵階段，伴隨著產(chǎn)氣量的攀升，甲烷體積分?jǐn)?shù)逐漸上升，在第8天達(dá)到最高峰74.89%；而后，甲烷體積分?jǐn)?shù)在40%～70%間上下波動(dòng)；在第23天攀升至另一高峰74.14%，隨后逐漸下降至第30天的55.85%。在發(fā)酵初期，發(fā)酵菌和產(chǎn)酸菌，特別是產(chǎn)乙酸菌活動(dòng)旺盛，這時(shí)產(chǎn)氣中 CO2比較高，滲濾液中揮發(fā)性脂肪酸濃度較高[17]。前3 d，體系中CO2含量高于CH4，而后產(chǎn)甲烷菌活動(dòng)加劇，CH4含量迅速升高，CO2含量隨之下降并穩(wěn)定在較低水平。伴隨著產(chǎn)氣量下降，甲烷濃度迅速降低，CO2含量逐漸升高至接近于甲烷濃度；而后由于發(fā)酵體系中前期積累的揮發(fā)性脂肪酸被分解消耗，甲烷含量升高、CO2含量下降，直至第30天試驗(yàn)進(jìn)程結(jié)束。試驗(yàn)過(guò)程中CH4和CO2存在反復(fù)波動(dòng)現(xiàn)象，可能原因?yàn)椋焊墒絽捬醢l(fā)酵體系復(fù)雜，水解及產(chǎn)酸過(guò)程不穩(wěn)定，可被產(chǎn)甲烷菌利用的底物量不斷波動(dòng)，導(dǎo)致甲烷及 CO2含量不斷變化浮動(dòng)。反應(yīng)器A中累計(jì)沼氣產(chǎn)量241.47 L，累計(jì)甲烷產(chǎn)量126.36 L，基于餐廚垃圾質(zhì)量，單位TS產(chǎn)沼氣量523.51 mL/g。

圖2 反應(yīng)器A和B每日沼氣產(chǎn)量Fig.2 Daily biogas production in reactor A and B

圖3 反應(yīng)器A中CH4和CO2含量Fig.3 Percentage of CH4 and CO2 in reactor A

3.2 pH值及揮發(fā)性脂肪酸變化

pH值和揮發(fā)性脂肪酸（volatile fatty acid, VFA）是厭氧發(fā)酵關(guān)鍵影響因素之一。VFA 是厭氧發(fā)酵過(guò)程中有機(jī)物水解的產(chǎn)物，同時(shí)也是產(chǎn)甲烷菌的利用底物，VFA濃度是評(píng)價(jià)水解酸化和產(chǎn)甲烷平衡中的重要指標(biāo)[18-19]。圖4 a顯示了反應(yīng)器A、B在發(fā)酵期間pH值變化趨勢(shì)。由圖4 a可知，反應(yīng)器A中pH值呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，穩(wěn)定在7.2左右。前3 d內(nèi)，產(chǎn)酸菌和發(fā)酵菌活動(dòng)劇烈，有機(jī)酸迅速積累，可觀察到pH值明顯下降；3～11 d內(nèi)，pH值逐漸恢復(fù)，上升至7.2，隨后pH值在小范圍內(nèi)波動(dòng)，最后在第 30天上升至 7.5。由于厭氧發(fā)酵過(guò)程復(fù)雜，pH值的變化由揮發(fā)性脂肪酸和氨氮的相對(duì)積累量控制，此體系中有機(jī)酸的積累未對(duì)pH值及體系造成劇烈影響，說(shuō)明發(fā)酵體系較為穩(wěn)定。pH值6.9～7.3均為產(chǎn)生甲烷的適宜范圍[20]，發(fā)酵過(guò)程中pH值基本處于這個(gè)范圍。

VFA濃度和組成是厭氧系統(tǒng)代謝狀態(tài)的指標(biāo)[21]。圖4 b顯示了反應(yīng)器A中VFAs（C2～C5）的變化情況。由圖4 b可知，揮發(fā)性脂肪酸總體呈先迅速上升后急劇下降的趨勢(shì)?？偹嵩诘?天達(dá)到最高值近10 g/L。整體上這種先上升后下降的規(guī)律，是因?yàn)榘l(fā)酵前期，產(chǎn)酸相中富含大量的易被水解酸化的可溶解性細(xì)小顆粒，導(dǎo)致產(chǎn)生的有機(jī)酸濃度迅速上升；而后發(fā)酵底物逐漸被消耗，剩下難溶解的顆粒物，并且由于產(chǎn)甲烷菌利用有機(jī)酸進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)甲烷，從而使體系中有機(jī)酸濃度下降，這一趨勢(shì)與楊雪梅的研究結(jié)果相似[22]。揮發(fā)性脂肪酸的主要成分乙酸、丙酸、丁酸、戊酸濃度最大值分別為3.22 g/L（第5天）、5.81 g/L（第5天）、1.02 g/L（第1天）和0.45 g/L（第5天）。

圖4 反應(yīng)器A中pH值及VFA變化Fig.4 pH value and VFA variation in reactor A

其中，乙酸從第11天起，幾乎無(wú)積累；酸積累以丙酸為主；丁酸和戊酸在全過(guò)程的積累量均較少。丙酸的累積量較大的可能原因是：丙酸的降解比乙酸的降解慢得多，乙酸可直接分解為 CH4和 CO2，而丙酸在產(chǎn)甲烷之前需先被降解為乙酸[23]。丙酸的大量積累不利于后續(xù)產(chǎn)甲烷[24]，但體系中并未發(fā)現(xiàn)明顯的產(chǎn)甲烷抑制和pH值下降，可能原因?yàn)椋?）發(fā)酵罐以滾動(dòng)的方式運(yùn)行，某一區(qū)域積累的有機(jī)酸通過(guò)底物的混合被迅速稀釋；2）體系緩沖能力較強(qiáng)，產(chǎn)甲烷菌代謝旺盛，能夠?qū)Ⅲw系中易利用的酸（如乙酸）等迅速消耗，而后在乙酸不足的情況下，開(kāi)始大量分解丙酸等不易代謝的有機(jī)酸。

3.3 揮發(fā)性固體的去除分析

揮發(fā)性固體（VS）的去除率是評(píng)價(jià)厭氧消化效率的有效參數(shù)之一[23]。表3顯示了反應(yīng)器A發(fā)酵前后VS去除情況。由表可知，體系經(jīng)過(guò)30 d的發(fā)酵后，VS去除率高達(dá)68.74%，說(shuō)明反應(yīng)器A在試驗(yàn)設(shè)置條件下，能夠高效的對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行處理。

表3 反應(yīng)器A中揮發(fā)性固體去除率Table 3 VS removal efficiencies in reactor A

3.4 微生物群落分析

為更深入了解厭氧發(fā)酵過(guò)程中菌群結(jié)構(gòu)的變化，試驗(yàn)提取了初始階段（第 1天）、甲烷含量相對(duì)較高階段（第8天、第23天）、甲烷含量相對(duì)較低階段（第14天、第30天）的發(fā)酵底物樣品總DNA并進(jìn)行測(cè)序分析。圖5顯示了A1（第1天）、A2（第8天）、A3（第14天）、A4（第23天）、A5（第30天）細(xì)菌和古菌在門(mén)的水平上相對(duì)豐度比例。檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每個(gè)樣品均檢測(cè)到了21個(gè)門(mén)。其中7個(gè)優(yōu)勢(shì)菌門(mén)，總相對(duì)豐度占比均超過(guò)95%。其中最主要的6個(gè)細(xì)菌門(mén)是厚壁門(mén)菌（Firmicutes）、放線菌門(mén)（Actinobacteria）、擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）、變形菌門(mén)（Proteobacteria）、螺旋菌門(mén)（Spirochaetae）、互養(yǎng)菌門(mén)（Synergistetes）。厚壁門(mén)菌（Firmicutes）在這5個(gè)階段中，豐度均維持在50 %上下波動(dòng)，是體系中絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)。這些主要的細(xì)菌門(mén)都參與有機(jī)物的降解和發(fā)酵。主要的古菌門(mén)是廣古菌門(mén)（Euryarchaeota），它主要參與甲烷生成，占古菌總量的 95%以上。由圖 5可知，隨著發(fā)酵的進(jìn)行及沼氣產(chǎn)量的升高，廣古菌門(mén)所占比例明顯提升。而后其豐度隨著沼氣產(chǎn)量的下降而減少。除此之外，樣本中還含有其他細(xì)菌和古菌門(mén)類(lèi)，比如綠彎菌門(mén)（Chloroflexi）、疣微菌門(mén)（Verrucomicrobia）等，其豐度都不足4%，表明在此厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中存在復(fù)雜的微生物群落。Fernández等[25]評(píng)估了在恒定條件下性能穩(wěn)定的產(chǎn)甲烷反應(yīng)器中的微生物群落穩(wěn)定性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)性能穩(wěn)定的反應(yīng)器中微生物群落并不穩(wěn)定，而是呈動(dòng)態(tài)變化，本研究所得結(jié)果與此相符。

圖5 反應(yīng)器A中微生物在門(mén)水平結(jié)構(gòu)變化Fig.5 Microbial community structure changes at phylum level in reactor A

3.5 古菌群落結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

圖6顯示了反應(yīng)器A中產(chǎn)甲烷菌在屬水平上的結(jié)構(gòu)變化。在發(fā)酵的不同階段，優(yōu)勢(shì)菌屬均有一定程度的差異?？傮w來(lái)看，混合營(yíng)養(yǎng)型的甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）、氫營(yíng)養(yǎng)型的甲烷囊菌屬（Methanoculleus）、氫營(yíng)養(yǎng)型的甲烷細(xì)菌屬（Methanobacterium）為優(yōu)勢(shì)菌屬，在 5組樣品中，其總相對(duì)豐度均超過(guò) 80%。厭氧發(fā)酵初期，甲烷囊菌（Methanoculleus）為優(yōu)勢(shì)菌屬，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，厭氧消化系統(tǒng)中甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）豐度增加，并成為絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)菌屬，可能原因?yàn)椋翰蛷N垃圾干式發(fā)酵體系復(fù)雜，可利用底物成分變化迅速，Methanosarcina是唯一能通過(guò) 3種途徑（乙酸、H2/CO2、甲醇及甲胺類(lèi)物質(zhì)）產(chǎn)甲烷的甲烷菌，能夠利用包括乙酸鹽在內(nèi)不少于9種產(chǎn)甲烷基質(zhì)，快速適應(yīng)外界環(huán)境變化[26]。

圖6 反應(yīng)器A中甲烷菌屬結(jié)構(gòu)變化Fig.6 Methanogens structure changes at genus level in reactor A

據(jù)報(bào)道，乙酸型產(chǎn)甲烷菌所產(chǎn)甲烷占總甲烷產(chǎn)量的70%[27-28]。發(fā)酵前期，體系中揮發(fā)性脂肪酸濃度較高，高濃度的揮發(fā)性脂肪酸（尤其是乙酸）及有機(jī)負(fù)載率為Methanosarcina創(chuàng)造了有利的生長(zhǎng)條件，使其逐漸成長(zhǎng)為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌屬[29]。研究表明，厭氧發(fā)酵體系可完全由Methanosarcina實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定產(chǎn)甲烷過(guò)程[30]。另外，體系中還發(fā)現(xiàn)甲烷短菌屬（Methanobrevibacter）和甲烷菌第七目下的Methanomassiliicoccus等，但其豐度均較低。

3.6 滾動(dòng)式反應(yīng)器重復(fù)使用效果

為探究滾動(dòng)式反應(yīng)器在中溫條件下進(jìn)行干式餐廚垃圾厭氧發(fā)酵重復(fù)使用的效果，上一批發(fā)酵結(jié)束后，利用其部分發(fā)酵殘?jiān)鳛榻臃N物，再次加入1.5 kg餐廚垃圾進(jìn)行為期30 d的干式厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，沼氣產(chǎn)量及CH4含量如圖7所示。由圖可明顯觀察到，以餐廚垃圾為底物，沼氣產(chǎn)量始終有2個(gè)產(chǎn)氣高峰。該試驗(yàn)在第2天和第20天達(dá)到2個(gè)峰值，沼氣產(chǎn)量分別為32.9和8.85 L。甲烷體積分?jǐn)?shù)在第22天達(dá)到最大值76.18 %。至第30天試驗(yàn)結(jié)束，共產(chǎn)沼氣217.24 L，甲烷產(chǎn)量105.26 L，基于餐廚垃圾，單位質(zhì)量TS產(chǎn)沼氣470.98 mL/g。表明滾動(dòng)式反應(yīng)器在中溫條件下進(jìn)行干式餐廚垃圾發(fā)酵具有良好的重復(fù)使用效果。

圖7 滾動(dòng)式質(zhì)熱交換反應(yīng)器重復(fù)使用產(chǎn)沼氣情況Fig.7 Biogas production of reuse of rolling type mass and heat transfer reactor

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的滾動(dòng)式質(zhì)熱交換反應(yīng)器（反應(yīng)器 A）與攪拌式反應(yīng)器（反應(yīng)器B）在中溫、高固體含量條件下利用餐廚垃圾進(jìn)行批次厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）反應(yīng)器A中餐廚垃圾發(fā)酵4 d后甲烷體積分?jǐn)?shù)即超過(guò)50%，并逐步升高穩(wěn)定，最高達(dá)74.89 %；而反應(yīng)器B發(fā)酵啟動(dòng)失敗。說(shuō)明與攪拌式反應(yīng)器相比，滾動(dòng)式反應(yīng)器具有發(fā)酵啟動(dòng)快、產(chǎn)甲烷效率高等優(yōu)勢(shì)。

2）發(fā)酵過(guò)程中，反應(yīng)器A中pH值隨著發(fā)酵的進(jìn)行先降低后緩慢升高。體系中累積的揮發(fā)性脂肪酸以丙酸、乙酸為主，發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定后，乙酸幾乎無(wú)積累，丙酸也逐漸被降解至較低濃度。反應(yīng)器B中pH值迅速降低，體系酸化。

3）反應(yīng)器 A中底物經(jīng)過(guò)發(fā)酵后，VS去除率高達(dá)68.74%，絕大部分有機(jī)物在發(fā)酵過(guò)程中均被分解，成功的對(duì)底物進(jìn)行了無(wú)害化處理和能源再生。

4）微生物群落結(jié)構(gòu)在門(mén)水平隨著發(fā)酵進(jìn)行，不同時(shí)期呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，厚壁菌門(mén)（Firmicutes）是絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)。最主要的古菌門(mén)是廣古菌門(mén)（Euryarchaeota）?；旌蠣I(yíng)養(yǎng)型的甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）在發(fā)酵中后期均為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)甲烷菌屬。甲烷菌屬類(lèi)別豐富，共同維持體系產(chǎn)甲烷過(guò)程的穩(wěn)定。

5）利用本文設(shè)計(jì)的滾動(dòng)式反應(yīng)器能夠高效的對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行干式厭氧發(fā)酵，并且體系耐沖擊能力強(qiáng)、處理程度高，重復(fù)使用效果良好，可為后續(xù)進(jìn)行大規(guī)模試驗(yàn)提供參考。