【文章內(nèi)容簡介】 40℃，Kumar等證明Enterobacter cloacae在36℃時具有最大的產(chǎn)氫速率。國內(nèi)外現(xiàn)有的發(fā)酵生物產(chǎn)氫研究的主要成果及發(fā)展方向主要包括：分離和篩選高效菌種；細胞的固定化與非固定化技術(shù)；產(chǎn)氫基質(zhì)的可行性研究；混合菌種產(chǎn)氫技術(shù)；產(chǎn)氫過程的生態(tài)因子影響等。但是有機廢物生物產(chǎn)氫技術(shù)尚在起步發(fā)展階段，生物產(chǎn)氫的研究均停留在實驗室小型規(guī)模，氫氣的比產(chǎn)率、發(fā)酵的連續(xù)性、穩(wěn)定性較低。濕熱處理技術(shù)[2]是一種應用最早、效果最可靠、使用最廣泛的滅菌方法，濕熱處理可以破壞微生物的蛋白質(zhì)、核酸、細胞壁和細胞膜，從而殺滅各種微生物。濕熱處理技術(shù)也是一種較為普遍使用的有機廢物處理技術(shù)。這種技術(shù)的特點是將待處理的物料和水共置于密閉反應器中，在一定的溫度和壓力下使難降解有機物或固體有機物分解為小分子有機物或氧化降解為COH2O等無機物的化學過程。近年來，國內(nèi)研究開發(fā)了一種用于城市生活垃圾制肥的濕熱處理技術(shù)。其方法是將生活垃圾及垃圾分選后的篩下物（主要為垃圾中的廚余等有機質(zhì)）裝入密閉的濕熱反應器內(nèi)，在180～200℃溫度下使其水解2h，使垃圾徹底滅菌，去除異味，濕解后物料經(jīng)過干燥、篩分，可以作為制造肥料的原料。北京博朗、紫光泰和通等多家公司先后利用這種技術(shù)建成了幾個城市有機垃圾處理廠。雖然這種技術(shù)在工程上已有若干成功應用的實例，但學術(shù)界對這種技術(shù)仍然存在爭議。日本學者Shirai提出了通過廚房垃圾發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，進而合成聚乳酸制取可降解性塑料，為廚房垃圾的資源化和降低乳酸生產(chǎn)成本開辟了一條新的途徑。其思路是家庭所產(chǎn)生的垃圾首先經(jīng)安裝在廚房水池下面的粉碎機粉碎，再傳送到住宅下面的排水系統(tǒng)，在那里進行垃圾的固液分離。分離出的液相物質(zhì)與污水一道被排放到污水處理廠進行處理。固體物質(zhì)在貯存過程中，其中存在的乳酸菌會自然發(fā)酵（初次發(fā)酵），腐敗菌被抑制，有利于防止垃圾的腐敗。當固體物質(zhì)累積到一定數(shù)量后，運送到乳酸生產(chǎn)廠進行乳酸發(fā)酵（二次發(fā)酵），發(fā)酵后通過乳酸分離、純化、聚合，可以得到生物降解性塑料（聚乳酸），發(fā)酵殘渣可作為飼料和肥料，從而達到餐廚垃圾“零排放”的目的[2]。綜合以上眾多的餐廚處理技術(shù)，建立嚴格實行的生活垃圾分類制度，研究開發(fā)適合我國國情的餐廚垃圾處理技術(shù)與設(shè)備，并對其中的餐廚垃圾進行無害化、資源化處理，不僅可以減少城市垃圾的清理、儲運量的30％以上，降低填埋、焚燒等后續(xù)處理的負擔和成本，大大節(jié)省處理成本，同時還可以消除或減輕因餐廚垃圾產(chǎn)生的黑臭液、惡臭氣等對城市環(huán)境的影響、減少疫病的發(fā)生，具有重大的經(jīng)濟、社會意義，以及良好的經(jīng)濟效益，是非常迫切的。我國目前對餐廚垃圾喂養(yǎng)動物，特別是家禽、家畜的危害認識還是不足。絕大部分城鎮(zhèn)仍然把餐廚垃圾作為動物飼料。事實上，未加任何處理的餐廚垃圾是不能喂養(yǎng)動物的。今后，餐廚垃圾的處理技術(shù)與應用應該在以下幾個方面給以重視[2]。（1）餐廚垃圾收集設(shè)備 餐廚垃圾含水率很高，又極易腐爛。因此，與一般生化垃圾一樣，餐廚垃圾也應該日產(chǎn)日清。目前使用的普通運輸車不適合餐廚垃圾運輸。主要問題是密閉性差，裝卸難度大。除了運輸車外，餐廚垃圾容器需求量也很大。普通的容器很難清理。應該設(shè)計專用容器，使之容易清洗，不生銹，耐用。（2）餐廚垃圾處理設(shè)備 由于餐廚垃圾收集與處理問題才剛剛提出來不久，目前市場上還缺乏成熟的餐廚垃圾處理設(shè)備。要針對餐廚垃圾高含水率的特點，開發(fā)高含水率條件下餐廚垃圾的厭氧處理設(shè)備和好氧處理設(shè)備。（3）餐廚垃圾脫水設(shè)備 一般采用離心機脫水。不過，普通離心機清洗難度大，易生銹。有些離心機采用塑料容器，克服生銹問題，但易老化，清洗也困難。（4）餐廚垃圾處理配套設(shè)備 主要是托水處理設(shè)備、厭氧處理的沼氣凈化設(shè)備、有機肥的使用條件和范圍。（5）餐廚垃圾處理公司的扶持 餐廚垃圾處理易采用集中處理與分散相結(jié)合的原則。大單位自行處理，小單位則集中處理。應該研究區(qū)域化處理的條件。（6）餐廚垃圾處理市場 全國每天約產(chǎn)生餐廚垃圾20萬噸。按照10t/d餐廚垃圾需要一臺餐廚垃圾處理機計算，就需要20000臺。根據(jù)調(diào)查，每臺售價10萬元時，大多數(shù)賓館、食堂是可以接受的。因此，這個餐廚垃圾處理市場為20億人民幣。餐廚垃圾具有含水率高、易腐爛、營養(yǎng)豐富的特點，具有較高的利用價值，但必須對其進行適當?shù)奶幚恚拍艿玫缴鐣б?、?jīng)濟效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一。城市餐廚垃圾主要來自餐飲業(yè)和大型公共食堂的食物殘余、城市居民家庭的廚余垃圾和蔬菜水果等食品加工業(yè)和市場產(chǎn)生的食物垃圾，是城市有機生活垃圾的主要成分。餐廚垃圾產(chǎn)量大、易腐臭，還可能含有各種細菌和病原菌，除了必須及時清理外，還需要及時處理。由于餐廚垃圾含水率高（70%～90%）并且有機質(zhì)含量高，更適合采用各種生物法處理。在分析餐廚垃圾特點的基礎(chǔ)上，相比上文所述的目前餐廚垃圾處理的衛(wèi)生填埋法、焚燒法、好氧堆肥法、生物轉(zhuǎn)化法和厭氧消化法五大類，選擇厭氧消化處理技術(shù)進行餐廚垃圾的處置更具有其優(yōu)越性。歸納起來[7]，利用厭氧消化的方法處理餐廚垃圾具有以下優(yōu)點：①可以減少動力消耗。節(jié)約能源、減少成本；②反應器效能高、容積小、占地面積小、可降低基建成本；③剩余污泥量少、生成的污泥比較穩(wěn)定；④餐廚垃圾的厭氧發(fā)酵不僅降低處理能耗，還可以回收沼氣和肥料，實現(xiàn)了充分資源化。在能源短缺日益嚴重的今天，發(fā)展這種技術(shù)尤其重要[8]。在厭氧發(fā)酵過程中，有機質(zhì)被分解，部分有機碳物質(zhì)轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，被分解的有機碳化物的能量大部分儲存在甲烷中,小部分氧化為CO2釋放出能量滿足微生物生命活動的需要。厭氧發(fā)酵過程可以分為3個階段。第一階段為水解階段，厭氧菌根據(jù)所分解的對象可以分為纖維素分解菌、脂肪分解菌和蛋白質(zhì)分解菌，它們分別把多糖水解成單糖、蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化成肽和氨基酸、脂肪轉(zhuǎn)化成甘油和脂肪酸。第二階段為酸化階段, 由產(chǎn)醋酸細菌例如膠醋酸菌和某些梭狀芽孢桿菌等把較高級的脂肪酸分解成醋酸和氫；第一階段分解脂肪時產(chǎn)生的長鏈脂肪酸如硬脂酸, 消化蛋白質(zhì)時產(chǎn)生的芳族酸如苯基醋酸和吲哚酸, 也被第二階段細菌分解為產(chǎn)生醋酸和氫。第三階段為甲烷化階段，甲烷菌再把醋酸轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，或者利用H2把CO2還原成甲烷，或者利用其他細菌產(chǎn)生的甲酸形成甲烷。在這一過程中不同的物質(zhì)有經(jīng)過不同的代謝過程, 因而有不同的代謝速度。例如乙酸（醋酸）、甲酸可直接轉(zhuǎn)化為甲烷，代謝只要甲烷菌參與即可，轉(zhuǎn)化較快；但較復雜的有機物如葡萄糖的代謝則需要兩類微生物參與，速度要慢得多。由于產(chǎn)酸階段形成的酸性物質(zhì)有可能抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，把兩階段分開在不同的消化罐里進行，可以加速發(fā)酵，但也增加了系統(tǒng)的復雜性，對甲烷的產(chǎn)量也有一定影響。因此國內(nèi)目前的研究大多還是把兩個階段放在一個消化罐中進行，簡化系統(tǒng)[8,151152]。（1）工藝流程餐廚垃圾的厭氧發(fā)酵包括脫水、破碎等前處理過程、厭氧發(fā)酵、滲液處理、氣體凈化及貯存等環(huán)節(jié)。首先是通過離心機等機械進行物料的水分調(diào)節(jié)。破碎則利用破碎機對物料中的粗大物體（如骨頭）進行破碎，有利于后續(xù)發(fā)酵單元的順利進行。厭氧發(fā)酵階段通過投加兼性和厭氧微生物菌種，強化物料中有機組分的分解，使生成較穩(wěn)定的發(fā)酵產(chǎn)品和以甲烷為主的發(fā)酵氣體。利用水處理裝置對物料脫水形成的有機廢水進行處理，防止?jié)B濾液形成二次污染。另外，甲烷是一種有較高經(jīng)濟利用價值的氣體，通過凈化裝置處除發(fā)酵中H2S等雜志氣體，能提高發(fā)酵氣的利用價值，如發(fā)電等的利用[2]。 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵處理工藝流程（2）工藝特點采用厭氧發(fā)酵工藝處理餐廚垃圾具有許多獨特的優(yōu)點：厭氧系統(tǒng)可以處理含固率為10%～25%的有機廢棄物，餐廚垃圾的含固率一般在15%～20%左右，因此發(fā)酵前既不需加水也不需要脫水，簡化了前處理，也節(jié)約了能耗。通常，有機物碳氮比在20～30間最適合厭氧發(fā)酵，而餐廚垃圾的碳氮比在10～25之間，非常適合厭氧發(fā)酵；當然，如果碳氮比過低也可以添加豬糞和污泥等碳氮比較高的有機廢棄物進行調(diào)節(jié)。在厭氧發(fā)酵過程中會有大量沼氣產(chǎn)生，除供發(fā)酵廠本身的使用外，多余能源還可外供；而采用好氧發(fā)酵需要大量的額外能耗。厭氧發(fā)酵采用全密封系統(tǒng)，占地少、發(fā)酵過程的全面監(jiān)控實施容易；對環(huán)境造成的負面作用小，發(fā)酵周期短，能夠及時處理不斷產(chǎn)生的餐廚垃圾；特別適合環(huán)境要求高的城市。厭氧發(fā)酵可以在處理餐廚垃圾時，同時處理其它的可腐有機物，如糞便、污泥等，并根據(jù)各種需求添加相應的添加料，制造特種肥料，提高產(chǎn)品的附加值[8]。（3）厭氧處理工藝的主要優(yōu)缺點見[2] 厭氧處理工藝的優(yōu)缺點優(yōu)點缺點工藝穩(wěn)定減少補充氮、磷的費用貯存能量并具有生態(tài)和經(jīng)濟上的優(yōu)點可以降解好氧過程中不可生物降解物質(zhì)水處理中減少剩余污泥處理費用反應器內(nèi)生物量啟動時間長對堿度要求高，有時需補充一定量堿度低溫下動力學速率低，處理低濃度有機質(zhì)不能實現(xiàn)能量平衡無尾氣污染甲烷菌對環(huán)境條件敏感對餐廚垃圾進行厭氧發(fā)酵處理時，由于餐廚垃圾的含水率、有機物含量較高，在反應過程中對一些因素必須嚴格控制，如含水率、PH值、堿度等。過高的含水率會影響反應的升溫過程，從而直接影響反應周期，同時高的含水率也降低了反應器的容積負荷，降低了反應器的效率。因此，對餐廚垃圾的水分調(diào)節(jié)，提高含固率也是必要的。在餐廚垃圾厭氧發(fā)酵中，有機物的酸化過程產(chǎn)生大量有機酸的積累，PH值下降，保持足夠的堿度才能保證產(chǎn)甲烷過程的正常進行。另外，餐廚垃圾氮、硫量亦較高，一定濃度的游離NHH2S對甲烷菌有抑制作用，可視具體情況，通過控制適當?shù)腜H值和投加調(diào)理劑對其進行控制。從有機廢物固體階段發(fā)酵工藝可見，在發(fā)酵理論和發(fā)酵控制上，固體發(fā)酵和液體發(fā)酵是相同的。厭氧發(fā)酵的特性和效能取決于三個方面的因素：作用者（厭氧微生物）、作用對象（有機物）以及作用條件（環(huán)境條件、接觸傳質(zhì)等）。有機廢物厭氧處置工藝，即是從工程化的角度，去創(chuàng)造最佳的適合厭氧微生物生存的環(huán)境條件和作用條件，以取得最大的有機物降解效果。其基本的運行控制和優(yōu)化條件有：相分離、溫度、含水率、基質(zhì)條件以及預處理促進等。作為國內(nèi)餐廚垃圾問題最為嚴重的城市之一，重慶市在政府領(lǐng)導和相關(guān)技術(shù)專家的推動下，重慶環(huán)衛(wèi)集團于2009年在國內(nèi)最先開始建設(shè)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵熱電聯(lián)產(chǎn)項目。該項目采用先進的“厭氧消化、熱電聯(lián)產(chǎn)”工藝， 日處理餐廚垃圾能達到500噸。同時配套建設(shè)包括專用運輸車和專用收集桶的收運系統(tǒng)。其項目采用的工藝流程如下：圖1 餐廚垃圾處置工藝流程圖從以上餐廚垃圾處置工藝流程圖可看出，沼氣處理是位于厭氧發(fā)酵和發(fā)電機組之間的一個環(huán)節(jié)。對整個餐廚項目來說，這只是一個占投資總額不到5％ 的小環(huán)節(jié)，但卻是必不可少的一環(huán)。餐廚垃圾厭氧沼氣主要成分是甲烷與二氧化碳，但同時也存在H2S、H2O等對燃氣發(fā)動機組平穩(wěn)運行有影響的物質(zhì)。厭氧沼氣具體成分和參數(shù)參考下[9] 餐廚垃圾厭氧沼氣主要成分及特性成分甲烷二氧化碳氮氣氧氣硫化氫固體顆粒雜質(zhì)數(shù)值45～60%40～60%2～5%～%600～5000ppm～1%厭氧沼氣其他參數(shù)壓力溫度含水率高熱值————數(shù)值1～2kPa～飽和～————以上表格所列的沼氣成分中，對后端發(fā)電機組影響比較大的有：（1）水蒸氣的危害：厭氧沼氣含有大量的水份，而水對發(fā)動機的影響主要表現(xiàn)為：發(fā)動機點火困難；降低燃燒室溫度，降低內(nèi)燃機的效率；水蒸氣將增大內(nèi)燃機尾氣排氣量，從而降低了內(nèi)燃機效率；由于水蒸氣等無功氣體的存在，增壓耗功增大，降低內(nèi)燃機的效率；降低燃燒室溫度，導致了二惡英等劇毒物質(zhì)生成的可能性大幅度上升，嚴重污染環(huán)境；水蒸氣與其他酸性物質(zhì)的化合產(chǎn)生中間產(chǎn)物，對機組機本身產(chǎn)生腐蝕，縮短設(shè)備的使用壽命，降低裝置的可靠性。由于發(fā)動機內(nèi)部中冷器的存在，過高的水蒸氣含量可能會導致氣體露點過高，水蒸氣會在發(fā)動機內(nèi)部凝結(jié)、積水，造成設(shè)備故障，降低設(shè)備壽命和可用率。（2）硫化物的危害：硫化氫是無色、有臭雞蛋氣味的毒性氣體。硫化氫及其燃燒生成的產(chǎn)物二氧化硫有毒性，危害人體，同時硫化氫對鋼材可引起氫脆和硫化物應力腐蝕，對潤滑油的性能也會產(chǎn)生一定的影響。硫化氫的燃燒反應式如下：2H2S+O2= 2S+2H2O，2H2S+3O2=2SO2+2H20。在厭氧沼氣中，硫化氫是一種易燃易爆、并具有強烈惡臭的污染物質(zhì)，即使被人體少量吸入，也會產(chǎn)生強烈不適。沼氣中的硫化物與發(fā)動機組的潤滑油系統(tǒng)接觸，導致潤滑油乳化，增加機組磨損，降低設(shè)備使用壽命。設(shè)備潤滑不暢，導致機組震動加大，嚴重威脅人員及設(shè)備的安全；硫化物在氧化作用下，產(chǎn)生二氧化硫，排放后與大氣中的水蒸氣作用，是形成酸雨的主要來源，將嚴重污染大氣；另一方面，亞硫酸(H2SO3 H→SO2 + H2O)在低溫條件下(發(fā)動機排氣管尾部)對設(shè)備具有強烈的腐蝕性，嚴重影響設(shè)備的可靠性和使用壽命。（3）固體雜質(zhì)的危害：厭氧發(fā)酵罐中的固體顆粒物質(zhì)也可能隨著氣流進入燃氣管道，這些顆粒物是發(fā)動機明確限制的雜質(zhì)，它主要影響在于：堵塞管路，流通不暢，加大壓損，增加運行費用；增大機械磨損，降低設(shè)備使用壽命。該餐廚項目中沼氣處理的必要性，在于除了要消除沼氣中以上（1）（2）（3）所描述的對發(fā)電機組有害的因素外，還需要根據(jù)發(fā)電機組的進氣要求提供匹配的氣體參數(shù)，如壓力、溫度等。同時為了最大化的保護環(huán)境，在發(fā)電機組部分停機維護的時候，沼氣處理環(huán)節(jié)還需要將多余的沼氣進行焚燒處理，以減少CO的排放[9]。1979年，美國建立了世界上第一個年處理量為5000t的試驗工廠，其生產(chǎn)工藝：所收集垃圾經(jīng)破碎分選后，去除無機成分和塑料等，調(diào)節(jié)固體含量為25%左右。在55℃下高溫消化，機械攪拌，在反應器中停留一個月。所生產(chǎn)沼氣處理利用，滲濾液處理后排放，殘余固體物質(zhì)加工成肥料或土壤調(diào)節(jié)劑。Valogra工藝是20世紀80年代后期開發(fā)研制的。其工藝流程：垃圾經(jīng)破碎分選后，有機組分與反應器回流液混合，調(diào)成漿狀（含量不詳）。在中溫（35～40℃）或高溫（55～60℃）下連續(xù)消化17～25d出料壓縮后，進一步加工成肥料出售；滲濾液部分回流，調(diào)節(jié)進料濃度，并起一定的接種作用，多余的滲濾液處理后排放；所產(chǎn)生沼氣一部分壓縮后回流，其攪拌作用，另一部分輸出利用。