廚余垃圾生物處理機厭氧發酵技術

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

隨著我國飲食業的快速發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生量大約1.2億萬噸/年,大量的廚余垃圾帶來了一系列嚴重的環境污染,同時也造成了大量生物質能源的浪費[1]。廚余垃圾中蘊含了大量的生物質能,是一種寶貴的可再生資源,若能實現能源化利用,不僅可解決由其所帶來的環境污染和食品安全問題,同時能夠為我國綠色環境做出貢獻。由于廚余垃圾成分復雜,水分、油脂、鹽分含量高,易腐敗變質,給城市的環境保護帶來巨大的壓力,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成分,容易造成疾病感染、土地浪費、空氣及水體污染等問題[2]。而厭氧發酵處理過程中不需要提供氧,動力消耗低,占地空間小,能夠實現資源再利用,成為了廚余垃圾處理的主要技術。

1.1 厭氧發酵技術 厭氧發酵技術是指在無氧環境中,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物,最終轉化成甲烷、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的一種生物處理方法,該方法有效實現了廚余垃圾中固體廢棄物的無害化和資源化,厭氧發酵過程共分為四個階段,即水解階段、酸化階段、產氧產乙酸階段和產甲烷階段。

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

酸化階段是產酸發酵細菌利用水解階段產生水溶性小分子有機物,將其轉化為以揮發性脂肪酸和醇為主的末端產物(甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、乳酸、乙醇等),同時合成新的細胞物質。

產氫產乙酸階段是厭氧產酸產乙酸菌進一步利用上階段生產的丙酸、丁酸等產生乙酸、水和二氧化碳,同時乙酸菌將二氧化碳和水合成乙酸。

產甲燒階段:產甲烷菌將乙酸、甲酸、碳酸、氧氣、甲胺及甲醇等轉化為甲烷、二氧化碳和細胞物質等[3]。

1.2 厭氧發酵影響因素 影響厭氧發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境參數來加快反應速率和提高產能效率,影響厭氧發酵的因素主要包括溫度、p H、C/N、含水量等。

1.2.1 溫度對厭氧發酵的影響 溫度對廚余垃圾厭氧發酵產酸有明顯的影響,主要是因為溫度能夠影響酶活性,進而對微生物的生長和基質的代謝產生影響。有研究表明,產CH4菌活性適宜的溫度區間是中溫20-37℃、高溫50-60℃。在40-50℃時,產CH4菌活性受到抑制,而最大的沼氣產量分別出現在中溫35℃和高溫55℃[4]。還有研究表明產酸階段和產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 對厭氧發酵的影響p H是影響廚余垃圾厭氧發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而影響厭氧發酵的運行。大部分微生物在p H5-9的范圍內都能夠生長。在厭氧體系中,根據細菌功能的不同可將其分為產甲院菌和產酸菌,產酸菌對p H 的變化不太敏感,當p H 變化時受到的影響較小,而產甲院菌對p H 變化就很敏感,所能適應的p H 變化的范圍相對較小。在單相厭氧發酵體系中,為同時滿足產酸菌和產甲院菌的活性需求,一般p H在6.8-7.2之間最適宜厭氧發酵的運行[6]。當體系p H 過低時,產甲烷菌的生長代謝就會受到抑制,進而影響整個厭氧發酵體系的進行,并最終導致反應失敗。

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

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

1.3 廚余垃圾生物處理機 廚余垃圾生物處理機,運用微生物厭氧發酵技術、干化回收技術,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量,減少其前期填埋處理工作,減少空氣環境污染,實現城市垃圾減量無害化,改善城市生態條件。同時通過微生物發酵技術將廚余垃圾變成生物有機肥料,可以用作花卉樹木種植的有機肥料,形成良性的生態循環系統,為低碳節能作出貢獻。

1.4 研究目的 為了能夠使廚余垃圾生物處理機更好地發揮其性能,其工作的核心技術是微生物厭氧發酵技術,篩選出合適的厭氧發酵菌種,創造出適宜的菌種發酵環境才能將廚余垃圾最大化的轉化成有機肥料。

2 研究內容

2.1 廚余垃圾生物處理機結構設計 垃圾處理機由機蓋、機箱、內部的垃圾處理桶、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,垃圾發酵處理過程中無氣味產生。廚余垃圾添加到處理機內部后,設置合適的溫濕度,利于微生物發酵,通過內部鉸刀進行攪動翻轉,廚余垃圾分解后產出的有害氣體,通過UV 燈管分解為水和臭氧,并經過活性炭吸附和蜂窩陶瓷催化劑吸收后轉化為無臭無害氣排出箱體。

2.2 廚余垃圾處理機的工作流程 將廚余垃圾倒入處理機中,加入發酵菌劑,通電運行,大約10小時后,進行分解處理。處理過程由內部的控制器自動控制,無需人為干預。實現自動加熱,自動攪拌,自動除臭,自動烘干。處理完成后,可得到烘干的有機肥,等有機肥積累到大約70%的容積后,就可以清理出部分有機肥使用,桶內需要剩余20%-30%,以供后面繼續使用。分解菌可以在桶內持續繁殖使用,大約使用壽命可達1年。加入廚余垃圾,關蓋后,垃圾處理機會自動攪拌,將分解的發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。循環經過大約24h左右的處理,垃圾已經變干和變碎,增加攪拌的時間,讓已經風干的廚余垃圾繼續變小至粉碎狀態,處理過程完畢。

2.3 廚余垃圾生物處理機發酵菌的篩選 篩選降解廚余垃圾中的油脂類、淀粉類、蛋白質類物質等大分子顆粒的發酵菌群。含有六種可提供高質淀粉酶,蛋白酶,脂肪酶和纖維素酶的細菌。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處理效率的影響 厭氧微生物的生命活動、物質代謝與溫度有密切的關系,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,每臺設備發酵完成的時間約60h,平均溫度在30℃時,發酵的時間為35-40h,平均溫度在40-50℃時發酵完成的時間最短,能夠發揮發酵菌的最大效率,最適合其發酵微生物的生長。

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

表1 發酵菌劑的各成分占比

圖1 溫度對每個處理發酵時間的影響

圖2 初始p H 值對每個處理發酵時間的影響

2.6 C/N對廚余垃圾生物處理機處理效率的影響 在厭氧消化過程中,C/N是反應器穩定運行、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,進而影響有機物的分解。有研究表明對有機城市垃圾進行混合高固體消化,認為C/N在25-30之間對甲烷產量沒有產生不良影響[11]。厭氧系統一般可以發酵含固率10%-25%的有機物。廚余垃圾的含固率一般在15%-20%左右。因此發酵前不需要加水也不需要脫水,簡化了前處理,節約了能耗。廚余垃圾的C/N在15-25之間,而厭氧發酵菌發酵最適合的C/N在20-25之間,所以廚余垃圾中微生物發酵最適合為厭氧發酵。

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

圖3 含水量對每個處理發酵時間的影響

3 討論

廚余垃圾生物處理機是一種從源頭減量的資源化方法,它將易腐敗發臭的廚余垃圾單獨收集,減少蚊、蠅對環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,大大降低收集和運輸的成本;可獲得較為優質的土壤改良劑和有機肥料。其工作的核心是厭氧發酵技術,在特定的厭氧條件下,微生物將有機垃圾進行分解,其中的碳、氫、氧轉化為甲烷和二氧化碳,而氮、磷、鉀等元素則存留于殘留物中,并轉化為易被動植物吸收利用的形式[12]。此技術處理效率高,可以產生高效的有機肥,同時實現沼氣的能源再利用化。

4 結論

4.1 本次研究的廚余垃圾生物處理機基本實現自動化,只需一鍵操作,通過廚余垃圾堆肥減量化,從源頭減少垃圾數量,減少垃圾填埋處理工作,減少環境污染,實現城市垃圾減量無害化,改善城市生態條件。同時通過微生物發酵技術將廚余垃圾變成生物有機肥料,可用于家庭蔬菜、花卉的種植,形成良性的生態循環系統。

4.2 通過試驗得出適合發酵菌適宜的生長環境,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,將發酵菌控制在這種環境中發酵能力最強,廚余垃圾生物處理機的處理效率最高。