厭氧消化處理餐廚垃圾工藝

餐廚垃圾，俗稱泔腳，主要產生于餐館、食堂、酒店等集中餐飲場所。其主要特點是有機物含量豐富、水分含量高、易腐爛，其性狀和氣味會對環境衛生造成惡劣影響，且容易滋長病原微生物、霉菌毒素等有害物質。其主要成分見表1所示。
表1餐廚垃圾主要成分％1國內外餐廚垃圾處理現狀
1.1美國餐廚垃圾處理現狀
美國每年餐廚垃圾產生量約2600萬t，占生活垃圾總量的11.4％。多以堆肥方式處理家庭產生的餐廚垃圾及庭院垃圾，同時有部分餐廚垃圾采用就地破碎直排的方式排入下水道。
1.2歐盟餐廚垃圾處理現狀
歐盟國家已實施的垃圾填埋法令禁止將餐廚垃圾進行填埋處置。從2003年起歐洲在餐廚垃圾處理中主要采用厭氧發酵處理。
1.3日本餐廚垃圾處理現狀
日本每年來源于食品銷售渠道和酒店的餐廚垃圾約600萬t，占生活垃圾總量的12％。主要的處理方式為利用食品廢棄物生產動物飼料或采用厭氧發酵處理，其中厭氧發酵處理的較多。
1.4韓國餐廚垃圾處理現狀
韓國1995年成立了餐廚廢棄物管理委員會，餐廚垃圾回收率由1995年的2％提高到2001年的21％。餐廚垃圾的處理方式主要以厭氧發酵和飼料化為主。
由于韓國近來對飼料源頭和生產過程的安全監督做出更嚴格的規定，在一定程度上影響了餐廚垃圾飼料化處理設施的運行和發展。
1.5我國餐廚垃圾處理現狀
目前我國已建成的餐廚垃圾處理的工程實例較少，但正處于快速發展階段，繼北京、上海等大城市建成數個餐廚垃圾處理廠之后，寧波、蘇州、蘭州等二線城市也正在采用微生物處理、動態好氧堆肥和預處理+厭氧發酵+熱電聯產方式處理餐廚垃圾。
2餐廚垃圾處理方式比較
餐廚垃圾處理方式較為多樣，目前常用的有填埋、焚燒、厭氧消化、堆肥、熱解、微生物資源化等。各種處理方式比較見表2所示。
表2餐廚垃圾處理方式比較

相對其它處理方式，厭氧消化方式具有突出的優勢，主要體現在以下幾個方面：
（1）厭氧消化后產生的沼氣是清潔能源；
（2）固體物質被消化以后可以得到高質量的有機肥料或土壤改良劑；
（3）在有機物質轉變成甲烷的過程中實現了垃圾的減量化；
（4）厭氧消化產生的沼氣可以發電，減少了溫室氣體的排放量；
（5）厭氧微生物能促進餐廚垃圾中油類的分解，耐鹽毒性較強，且減少能耗；
（6）餐廚垃圾含水率高，采用厭氧消化處理幾乎不用調節其含水率，減少了新水消耗量。
從能量需求、排放產物和運行過程對周圍環境衛生影響的角度看，厭氧消化技術能夠實現環境、社會和經濟效益的協調統一，對環境和經濟的可持續發展都具有重要的意義。目前國內已建成或在建的餐廚垃圾處理工程中，厭氧消化工藝所占的比例高達60％以上，因此，就餐廚垃圾厭氧消化的工藝原理、單元構成和理論產氣量進行論述。
3餐廚垃圾厭氧消化工藝
餐廚垃圾厭氧消化是指餐廚垃圾在沒有溶解氧和硝酸鹽氮的條件下，微生物將有機物轉化為甲烷、二氧化碳、無機營養物質和腐殖質的過程。厭氧消化具有工藝穩定、運行簡單及污泥處置費用低等特點。
3.1厭氧消化原理
厭氧消化大致可分為水解、產酸和脫氫、產甲烷3個階段，厭氧消化過程見圖1所示。

圖1厭氧消化的連續反應過程
（1）水解階段
大分子物質或不溶性物質在兼性細菌產生的水解酶作用下分解成低分子可溶性有機物。該階段細菌釋放到廢水中的胞外酶催化有機物增溶及發生縮小體積的反應。不溶性有機物主要為脂肪、蛋白質和多糖類，這些物質在胞外酶的催化作用下分解為長鏈脂肪酸、氨基酸和可溶性糖類。通常情況下，蛋白質和多糖類的水解速率大于脂肪，所以脂肪的水解成為厭氧消化穩態程度控制的關鍵因素，水解反應成為整個厭氧消化速率限制性階段。（2）產酸和脫氫階段
第一階段產生的溶性小分子有機物為產酸細菌提供了碳源和能源，產酸細菌產生短鏈的揮發酸，如乙酸。產氫細菌利用揮發酸生成氫，生成的氫氣部分從廢水中逸出，這將導致有機物內能下降，廢水的COD值下降。該階段反應速率快，當厭氧反應器中污泥的平均停留時間小于產甲烷細菌生長的時間，說明大部分溶性小分子有機物已經轉化為揮發酸。該階段不是整個厭氧消化過程的速率限制性階段。
（3）產甲烷階段
產甲烷階段是有機物的真正穩定階段。產甲烷的反應由嚴格的專性厭氧菌完成，這類細菌將產酸階段產生的短鏈揮發酸（主要是乙酸）氧化成甲烷和二氧化碳。產甲烷的反應速率一般較慢，該階段成為厭氧消化的限制性階段。
產甲烷菌是嚴格的厭氧菌，它們對于環境因素（如pH值、堿度、重金屬離子、洗滌劑、氨、硫化物和溫度）的變化很敏感，并且生長周期長，所以在實際操作過程中，要使用污泥回流的方式，達到保持產甲烷菌數量的目的。
3.2厭氧消化反應類別
厭氧反應器包括密閉反應器、攪拌系統、加熱系統及三相分離系統。
根據不同的分類標準可將厭氧消化反應器分為多種類型。按垃圾總固含率可分為濕式和干式；按階段數可分為單相和多相；按照進料方式可分為序批式和連續式；按照消化反應溫度可分為常溫、中溫和高溫消化。
（1）濕式和干式
總固含率為10％～15％垃圾為濕式消化系統，總固含率為20％～40％的為干式消化系統。兩種消化系統的優缺點比較見表3所示。因餐廚垃圾含水率較高（88.48％），適宜采用濕式消化工藝。
表3濕式、干式消化系統優缺點比較

（2）單相和多相
在單相厭氧消化工藝中，產酸相和產甲烷相在同一個處理單元中進行。兩相厭氧消化本質特征是實現了生物相的分離，即產酸相和產甲烷相分成兩個獨立的處理單元，通過調控兩個單元的運行參數，形成產酸發酵微生物和產甲烷發酵微生物各自的最佳生態條件，從而形成完整的發酵過程，大幅提高了廢物的處理能力和工藝運行的穩定性。
單相厭氧消化和兩相厭氧消化的比較詳見表4所示。
表4單相和兩相厭氧消化的比較

（3）序批式和連續式
序批式：將垃圾分批次投入到反應器中，接種后密閉直到垃圾降解完全再投入另一批新鮮垃圾中。連續式：將新鮮垃圾和降解完全的垃圾分別連續地投入和排出反應器。其中序批式反應系統在市場應用中所占份額小，主要是由于產氣效率比較低，而且序批式系統通常比連續系統占地面積大。
（4）常溫消化、中溫消化和高溫消化
中溫厭氧消化和高溫厭氧消化的比較詳見表5所示。
表5中溫和高溫厭氧消化的比較4餐廚垃圾厭氧消化理論產氣量
厭氧消化反應產生的生物氣主要由甲烷和二氧化碳組成，含有少量的H2S和NH3以及微量的H2、N2、CO和O2。
據調查，每噸餐廚垃圾填埋后約將產生250m3的填埋氣，填埋氣的主要成分為甲烷和二氧化碳，其中甲烷大約占了60％（體積分數）左右。填埋氣的低位熱值為14900kJ/m3，而天然氣的低位熱值為37300kJ/m3，每噸餐廚垃圾填埋產生的填埋氣燃燒可達的低位熱值相當于99.9立方的天然氣燃燒可達的低位熱值。
餐廚垃圾生物氣產量可以采用餐廚垃圾中有機物分解的化學計量方程式模型來確定。
化學計量方程式為：CaHbOcNd+（a-b/4-c/2+3d/4）H2O=（a/2+b/8-c/4-3d/8）CH4+（a/2-b/8+c/4+3d/8）CO2+dNH3
以北京市典型餐廚垃圾為例，使用化學計量方程式計算厭氧消化理論產氣量。餐廚垃圾設計參數見表6所示。
表6餐廚垃圾設計參數（1）參數取值
蛋白質由C、H、O、N組成，一般蛋白質可能還會含有P、S、Fe、Zn、Cu、B、Mn、I、Mo等，這些元素在蛋白質中的組成百分比約為：C50％、H7％、O23％、N16％、S0~3％，其他為微量。
纖維素的分子式（C6H10O5）n纖維素纖維即植物纖維，用以區別合成纖維、動物纖維或礦物纖維。它是植物失去生長機能的細胞，其組成的主要成分是葡萄糖大分子鏈構成的纖維素。 
脂肪是甘油和三分子脂肪酸合成的甘油三酯。
假定脂肪的分子式為C9H14O6。
（2）1t餐廚垃圾中各成分物質的量（mol）見表7所示。
表7 1t餐廚垃圾中各成分物質的量mol由表7可知，1t餐廚垃圾相當于1mol，將各參數代入化學計量方程式可得1t餐廚垃圾可產甲烷115.386m3，產生的生物氣為259.727m3。
4結論
（1）厭氧消化工藝作為在國內餐廚垃圾處理工藝中所占比例最高的工藝，具有資源化及無害化程度高、環境污染程度低的特點。
（2）厭氧消化過程大致可分為水解、產酸和脫氫、產甲烷3個階段。
（3）根據不同的標準可將厭氧消化反應器分為多種類型。按垃圾總固含率可分為濕式和干式；按階段數可分為單相和多相；按照進料方式可分為序批式和連續式；按照消化反應溫度可分為常溫、中溫和高溫消化。
（4）以北京市典型餐廚垃圾為例，以化學計量方程式為模型計算1t餐廚垃圾可產甲烷115.386m3，產生的生物氣為259.727m3。