廚余垃圾文獻調(diào)研報告

　一、特性

　表 不同來源食品廢棄物（Food waste 簡寫 FW）的特性

　 如上圖統(tǒng)計（來自《Characterization of typical household food wastes from disposers: Fractionation of constituents and implications for resource recovery at wastewater treatment》 2015 年），黃色為 TS%較高的食品/廚房廢棄物（food/kitchen waste）的特性，可以看出 C/N 較低（低于 20，厭氧發(fā)酵適宜的 C/N 為 20-25），因此發(fā)酵過程可能存在氨氮的抑制。尤其在高固形物發(fā)酵過程中會出現(xiàn)大量氨釋放，例如市政有機固廢中（OFMSW），其特性 C/N 較低，容易造成氨積累，一些干發(fā)酵工藝需要回流沼渣作為接種物，這會使沼渣中殘留的氨氮在長期復混過程中使罐內(nèi)氨氮濃度升高（參考《Ammonia influence in anaerobic digestion of OFMSW》2009 年）。

　廚房廢棄物的氮主要以有機氮（例如蛋白質(zhì)）和無機氮（例如氨

　氮）兩種形式存在在固相和液相中。中國的廚房廢棄物蛋白質(zhì)含量通常較高，范圍在 11-28%（基于干重）之間，造成氨氮和硫化物等抑制物。這樣為了避免發(fā)酵失敗往往降低有機裝載率，因此限制了效率（參考《Enhanced nitrogen distribution and biomethanation of kitchen waste by thermal pre-treatment》2016 年）。

　 如上表所示，廚房廢棄物主要成分為糖類物質(zhì)占干重的 60%，惰性成分占 13%，還有少量的脂肪和蛋白質(zhì)（參考《Engineering properties for high kitchen waste content municipal solid waste》2015 年）。

　二、干濕工藝對比 《廢物生物處理》鄭平 馮孝善主編

　1、垃圾固態(tài)厭氧發(fā)酵：固態(tài)厭氧消化中，總固體濃度的影響實質(zhì)是水分的作用，首先，總固體含量高，物料含水率就低，而且水分大多以吸持狀態(tài)存在，微生物難以利用。其次，垃圾夾帶的一些無機鹽可在水中離解，并在每一離子周圍聚集一群水分，即離子水化。在物料含水率較低的情況下，這種水化離子中的水分占總水分的比例很高，微生物很難得到生長所需的自由水分。不僅如此，含水率低時，少量溶質(zhì)即可產(chǎn)生高濃度溶液，一方面造成高滲透壓，抑制微生物生長和代謝，另一方面造成毒性物質(zhì)超過臨界濃度，毒害微生物生長和代謝。

　通過，經(jīng)過分選后城市垃圾的固體含量為 20%左右，適宜進行固態(tài)厭氧消化。例如比利時用于垃圾固態(tài)厭氧消化的 Dranco 工藝，垃圾先行分選，回收有關(guān)資源，分選后的物料進行濕度破碎（粒徑12-22mm），并控制適宜的 TS 含量，再取中溫或高溫厭氧消化。厭氧消化后的物料經(jīng)脫水干化，用作農(nóng)肥或飼料添加劑。

　2、垃圾液態(tài)厭氧消化：瑞典研究了將城市垃圾與城市污水污泥混合進行液態(tài)厭氧消化的 BIOMET 工藝。該工藝的特點是：分離出去無機中顆粒，進料 TS 濃度為 8%，間歇投料（每周 2-3 次），緩慢攪拌，處理裝置為圓柱形臥式常規(guī)消化器，發(fā)酵溫度 38℃，物料停留時間為 20-30 天，消化物料經(jīng)過脫水，用作土壤改良劑。

　在 HRT 為 27d，VS 負荷為 1.6kg/m3/d 的條件下，TS 分解率達 37%，

　VS 分解率達 48%，甲烷產(chǎn)率為 0.29m3/kg-VS。厭氧消化后，垃圾總氮含量降低，氨氮和總磷成倍增加。重金屬濃度低于瑞典國家標準。

　OFMSW 干發(fā)酵預(yù)處理步驟較濕法簡單（只需移除大塊物質(zhì)），但往往設(shè)備較為昂貴，因此投資費用較高。干發(fā)酵一般不設(shè)置機械攪拌裝置，大多為塞流式反應(yīng)器，采取低速喂料意味著引入的廢物不能及時與罐內(nèi)物料充分混合，阻礙接種進而導致局部過載，因此通常需要發(fā)酵后的物料與鮮料返混，比如 Dranco 工藝新料：沼渣可以為 1:6。干發(fā)酵較濕法更粗獷和靈活，可以處理不同的廢物（石頭、玻璃、木頭、塑料、金屬等）。針對連續(xù)高固形物系統(tǒng)，原料相對低的含水量使得加熱更困難，通常進料前通過蒸汽提升原料溫度。但是干發(fā)酵原料的泵送是個挑戰(zhàn)。

　針對市政固體廢棄物（MSW）濕法發(fā)酵優(yōu)點為：1、可以分離出有機物中重顆粒；2、均一的混合促進發(fā)酵和產(chǎn)氣；3、攪拌設(shè)備和泵送設(shè)備比高濃度泵能耗低；4、加熱均勻；5、可降低砂石的磨損（參考《Wet anaerobic digestion of MSW protects energy resources》2005 年）；6、可用清水稀釋抑制物。缺點：1、有機裝載率低；2、有可能形成浮渣層，干擾微生物降解，阻塞管道和泵；3、預(yù)處理過程復雜，需要通過預(yù)處理移除惰性固體并均質(zhì)廢棄物；4、若市政固廢中存在有毒化合物，后者將很容易擴散從而抑制微生物，即對抑制物沖擊敏感；5、預(yù)處理移除惰性部分時會造成 VS 的損失；6、需要消耗大量的水和熱量；7、可能存在“短流”現(xiàn)象（《Current Anaerobic Digestion Technologies Used for Treatment of Municipal Organic

　Solid Waste》2008 年）。

　 表 處理 OFMSW 工程產(chǎn)沼氣量

　工藝

　廠區(qū)位置

　平 均 沼 氣 產(chǎn) 量 m3/kg-原料

　Valorga

　France

　0.144

　Netherlands

　0.093

　Germany

　0.127

　Italy

　0.180

　Italy

　0.06

　France

　0.145

　Netherlands

　0.092

　Germany

　0.126

　Dranco

　Germany

　0.147

　Belgium

　0.103

　Austria

　0.135

　BTA(濕法)

　Germany

　0.092

　Kompogas

　Switzerland

　0.09

　ISKA

　Germany

　0.04

　平均

　 0.112

　研究 OFMSW 為底物的濃度單因素試驗，中溫批式試驗，停留時間為 42 天（參考《Exploration of One-Factor Rsm to Optimize the Concentration of Organic Fraction of Municipal Solid Waste (OFMSW) for Biogas Production》2017 年），產(chǎn)氣結(jié)論如下：

　圖 不同底物濃度下沼氣容積產(chǎn)氣量

　圖 不同底物濃度下沼氣單位 VS 產(chǎn)沼氣量

　由圖可以看出，TS 為 30%時的容積產(chǎn)氣量高，TS 為 5%和 30%時沼氣產(chǎn)量分別為 8.51ml/g-Vs 和 7.86ml/g-Vs。

　 三、溫度對比 針對 OFMSW 為原料的厭氧發(fā)酵，高溫發(fā)酵盡管可以提高產(chǎn)氣速率、殺滅病原菌，但同時高溫會加重氨氮抑制，因此工程管理人員建議溫度稍低于最適溫度以此來減少氨抑制。而高溫厭氧消化可以比中溫消化有更短的固體停留時間和更小的反應(yīng)器容積， 且高溫條件對于有機廢物的降解和病原菌的殺滅更有效。將厭氧消化后穩(wěn)定化的廢物用

　于土地處理的時候，高溫處理更是必要的。高溫消化運行費用較高。但是高溫條件下會產(chǎn)生比中溫條件更高的 NH4+ 濃度，毒性抑制就更為顯著。如何在高溫條件下建立一個穩(wěn)定的菌群、 如何解決高溫消化中的氨氮抑制問題是高溫消化得到普遍應(yīng)用的兩個關(guān)鍵問題（參考《廚余垃圾厭氧消化制取甲烷的影響因素研究》）。

　由于中溫（37 ℃）厭氧消化的運行費用較低，因此在實際中應(yīng)用的較多。中溫的厭氧微生物有較高的耐受環(huán)境波動的能力。

　 表 多種工藝費用對比

　 投資費用

　運行費用

　高溫

　●●●

　●●●

　中溫

　●

　●

　濕法

　●

　●●●

　干法

　●●●

　●

　連續(xù)

　●●●

　●

　批式

　●●●

　●

　單相

　●

　●

　多相

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　廚房廢棄物 TS、VS 分別為 20.0% (w/w)和 19.5% (w/w)，總碳水化合物、粗脂肪、脂肪占干重的 42.6%、22.1% 、17.1%，干物質(zhì)總碳、總氮為 49.8%、 3.6%，經(jīng)過研磨預(yù)處理，體系總干物質(zhì)為 20%（w/v），55℃發(fā)酵，500ml 反應(yīng)器，有機裝載量（廚房廢棄物與污

　泥的 TS 比）為 1:70。甲烷產(chǎn)量為 328.3 ml/g TS，沼氣產(chǎn)量為 499.5 ml/g TS（參考《In situ volatile fatty acids influence biogas generation from kitchen wastes by anaerobic digestion》2014年）。

　四、預(yù)處理 高溫預(yù)處理可以提高廚房廢棄物的溶解性和可發(fā)酵性，此外也提高了油從其中分離出來（《Enhanced nitrogen distribution and biomethanation of kitchen waste by thermal pre-treatment》2016年）。結(jié)論：高溫預(yù)處理使得廚房廢棄物固相的有機氮降低約3-47.9%，預(yù)處理后相比未處理沼氣產(chǎn)量提高，建議 90℃預(yù)處理 30min 或 120℃處理 15min。

　熱法預(yù)處理可以促進廚房廢棄物（以不可溶物質(zhì)為主）水解成可溶物質(zhì)（參考《Use of respirometer in evaluation of process and toxicity of thermophilicanaerobic digestion for treating

　kitchen waste》高溫厭氧發(fā)酵廚房廢棄物 2007 年）。

　高溫預(yù)處理下，有機底物可能發(fā)生一系列復雜的化學反應(yīng)（例如美拉德反應(yīng)），生成難以生化降解的副產(chǎn)物，反而降低其產(chǎn)沼氣量（參考《水熱處理泔腳脫油與產(chǎn)物消化性能變化》）。

　高壓蒸汽處理食品廢棄物降低了氨化作用，影響了氮含量，降低了可溶性碳水化合物和半纖維素含量，增加了木質(zhì)素含量，但是物料經(jīng)過處理后的產(chǎn)甲烷潛力降低（參考《characteristics and agronomic usability of digestates from laboratory digesters treating food waste and autoclaved food waste》）。

　 固態(tài)剩余廚余 solidresidual kitchen waste (SRKW)，在 41℃下發(fā)酵 45 天。接種物與底物 VS 比為 1:1.4 時甲烷產(chǎn)量為 479 mL/gTS（參考《Evaluation the anaerobic digestion performance of solid residual kitchenwaste by NaHCO3 buffering》2015 年江南大學》）。

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