【摘 要】本文提出通过在餐厨垃圾与城市污水厂污泥共发酵过程中增加脱氮除硫关键技术，以提高资源化利用的目的。研究了不同混合比情况下的佳脱氮除硫时间，即确定一级发酵时间；利用吹 脱法脱氮、絮凝沉淀方式脱硫，通过单因素分析及正交试验，研究发酵过程中静态及 动态情况下的脱氮除硫佳工艺；为了验证关键技术在共发酵过程中的效果，进行了餐厨垃圾与城市污水厂污泥一次发酵实验。
污水厂污泥是污水处理过程中产生的二次垃圾，随着我国污水处理量的不断增大，污泥产生量随之不断增加。以含水率 97%计算，2010 年我国污水厂大约产生 7.5 ×107t 污泥。污水厂污泥的处理费用占污水厂总运行费用的 25%～40%，有些污水 厂甚至更高，达到 60%，因此，污泥经济有效的处理也成为污水厂正常运行的关键因 素。污泥中含有大量的 k、n、p 及有机质。所以，探寻合适的污泥处理处置方法和污泥的利用技术具有重要的意义。 在我国的城市垃圾中，餐厨垃圾占有较大比例，是仅次于建筑垃圾的第二大垃圾产生源。餐厨垃圾是主要产生于农贸市场、学校、企事业单位以及餐饮服务行业。 在北京、上海、广州等大城市，餐厨垃圾产量均超过 1000 t/d[4]。苏州市区范围内餐 厨垃圾日产量也超过了 700 吨。餐厨垃圾主要包括面粉和米类食物残余、肉骨、动物 油、鱼刺、蔬菜、植物油等。具有油脂、盐分含量高，含水率、有机物含量高，易腐 发臭等特点。餐厨垃圾的产生量及自身特性增大了其处理的难度。
厌氧发酵是在厌氧环境下，利用微生物的新陈代谢功能降解有机物，在发酵过程 中回收甲烷和氢气的资源化处理方法。污泥中含有丰富的微生物资源，餐厨垃圾中有机物含量高，充分利用污泥中的微生物和餐厨垃圾中的有机物进行共发酵产沼气及无害化成为目前国内外研究的一个方向。
在发酵过程中氨氮是影响因素之一，有研究表明当发酵过程中氨氮含量达到 700mg/l 以上时能够抑制产甲烷菌活性；硫化氢的存 在不仅降低发酵气的应用，同时也会抑制产甲烷菌活性。因此研究餐厨垃圾与城市污水厂污泥共发酵过程中增加脱氮除硫技术对提高厌氧共发酵效率有一定的意义。
餐厨垃圾研究现状
传统的餐厨垃圾处理方法主要有 3 种：①餐厨垃圾直接作为牲畜的饲料，导致一 些病原微生物进入牲畜体内，当人们摄入了这些带有病菌的牲畜时就容易感染疾病。 ②餐厨垃圾与其他生活垃圾混合卫生填埋，由于有机物含量高，容易产生恶臭、大量 渗沥液和沼气，造成二次污染。③餐厨垃圾不经处理直接排入下水管道，易堵塞排水 管道，降低其排水能力。传统的处理方法不能满足环保要求，目前国内外餐厨垃圾的 处理方式主要以资源化为导向[5]。餐厨垃圾资源化研究主要有以下几种方法。
生物柴油
随着世界能源紧缺问题的日益严重，生物柴油成为解决能源问题的一种新的能源出现。生物柴油主要利用动植物油脂，通过酯交换反应产生，也被称之为再生燃油。 餐厨垃圾提炼的地沟油用做食用油危害人类健康，但可将其通过酸-碱两部法、分离 反应法等工艺制成生物柴油。
生物柴油属于环保性燃油，生物柴油的应用不仅使 so2和硫化物的产生量减少约 30％，也会减少 60％的温室气体产生。我国目前生物柴油的研究也取得了很大的突破，申请生产专利已达到 30 多项，并将专利技术应用到工程实践中，苏州市洁净有 限公司和清华大学合作研究处理餐厨垃圾的技术，其成果餐厨垃圾提取生物柴油后再发酵技术于 2008 年被苏州餐厨垃圾处理厂利用。生物柴油不仅可替代石化柴油，而且可以降低对大气环境的污染，是一种优质的可再生能源，可直接应用到现在的柴油机。 将地沟油通过化学反应转化为生物柴油，随着世界资源的短缺，生物柴油将成为未来发展的一个方向。
饲料化
由于餐厨垃圾中含有大量的有机营养成分，将其用于饲料化具有相当的优势。国出于卫生考虑，禁止将餐厨垃圾直接用于动物饲料，必须经过处理，除去病毒污染后制成饲料进行利用。可将饲料化方法分为物理法和生物法。生物法是利用微生物菌体处理餐厨垃圾，利用微生物的生长繁殖和新陈代谢， 积累有用的菌体、酶和中间体，经烘干后制成蛋白饲料。。
餐厨垃圾脱水方法主要有常规高温脱水、发酵脱水、油炸脱水。高温脱水主要是采用加热蒸发技术降低含水率，热能的产生和利用影响脱水效率；发酵脱水 及利用厌氧微生物进行有机物分解提高脱水效果。目前西宁市餐厨垃圾处理厂就采用 高温脱水方法进行脱水饲料化。餐厨垃圾物理法制得脱水饲料的营养物质含量见表。物理法相对生物法工艺简单，成本低，但存在较大的食物隐患。
餐厨垃圾好氧堆肥技术是一种将传统好氧堆肥技术与外加生物菌种强化作用结 合起来的堆肥技术，堆肥产品含有较高的 n、p 等的营养元素，可作为复合肥料使用， 这类营养元素正是土壤需要的。
餐厨垃圾中c/n较低，单独发酵效果差，有研究表明c/n在20～30之间堆肥效果 较好，合理调节c/n将提高餐厨垃圾发酵效率和有机肥的肥效。席北斗等在厨余垃圾 发酵过程中通过添加蓬松剂（锯末、树叶和干马粪等）改变c/n，蓬松剂还可以为堆 肥微生物提供载体，堆料所能达到的高温及好氧速率均明显优于未添加蓬松剂的对照 组。 堆肥过程中除了要考虑c/n因素外，堆肥氧含量、含水率、堆肥系统的温度也是 影响堆肥的因素。好养堆肥一般采用条跺式堆肥，研究认为，堆肥的水分应小于 65%。为保证微生物的生长繁殖，任何堆肥系统水分含量均应大于40%，高含水率则 会造成通风不畅，使发酵系统处于厌氧状态；一般堆肥中的含氧量应保持在5%~15% 之间，高于15%易使堆肥体冷却，大量的病原菌存活，小于5%易导致厌氧发酵。
餐厨垃圾具有盐分、油脂含量高的特点，特别是我国的西南地区。高油脂、高盐 分含量的餐厨垃圾在堆肥时会抑制微生物的活性，降低堆肥效率，且堆肥易造成土壤 酸化，损害作物根部，长期使用这类堆肥易导致土壤盐碱化。在堆肥的使用过程中 可通过水洗脱盐降低盐分含量，也可添加一定量的无机肥抑制返盐。如果能够与餐 垃圾生物柴油方法相结合，提取油脂后进行水洗脱盐再进行好氧堆肥将能取得良好的堆肥。
随着世界能源紧缺问题的日益严重，生物柴油成为解决能源问题的一种新的能源出现。生物柴油主要利用动植物油脂，通过酯交换反应产生，也被称之为再生燃油。 餐厨垃圾提炼的地沟油用做食用油危害人类健康，但可将其通过酸-碱两部法、分离 反应法等工艺制成生物柴油。
1.2.4 蚯蚓堆肥
蚯蚓堆肥是一项生物处理技术，主要是利用蚯蚓能够将垃圾的有机质分解转化功能。蚯蚓在新陈代谢及生长繁殖的过程中，大量有机物质被其吞食，利用肠道内的 生物化学作用和砂囊的研磨将有机物质分解转化。有研究发现666 m2土地每年可处 理100t有机垃圾，可收获2-4 t蚯蚓体，并产生37 t蚯蚓粪。蚯蚓体可提取蛋白饲料添 加剂和蚯蚓激酶，蚯蚓粪被用作生物有机肥。餐厨垃圾有机物含量高，能够为蚯蚓提 供良好的生长环境，适合蚯蚓堆肥。 bruce r eastman通过对比实验研究了蚯蚓堆肥对有机垃圾中致病菌的影响，每 堆接种4种致病菌（沙门氏菌、肠道病毒、粪大肠杆菌、蛔虫卵）。添加比例按（蚯 蚓：有机垃圾）为1:1.5，试验为七天，分七次添加蚯蚓，与未添加蚯蚓的一堆作为对 照。72小时后，蚯蚓堆肥与对照堆肥对致病菌的去除率分别为：粪大肠杆菌为99.99％ 和71.60％；沙门氏菌为99.99％和93.18％；肠道病毒为98.92％和53.85％；蛔虫卵灭 活率分别为47.54％和0。由此可以可发现蚯蚓对餐厨垃圾的病虫卵去除效果良好。 n．q．arancon等[17]利用经蚯蚓处理后的餐厨垃圾进行大田试验，添加一定量化肥， 选择对照小区添加等量化肥。试验发现，与未施加蚯蚓堆肥的小区相比，开花量提高 40％，草莓叶表面积增大37％，草莓茎数量增加36％，生物总量提高37％，草莓产量 提高35％。 蚯蚓堆肥应用方法简单，处理效果也得到证实，蚯蚓本身也是一种可利用生物资源。但由于蚯蚓堆肥周期长，所需面积大，在推广上也存在一定局限性。
1.2.5 厌氧发酵
厌氧发酵是在特定的厌氧环境下，利用微生物将垃圾有机质分解，回收氢气和甲烷。在餐厨垃圾厌氧发酵的研究中主要有以下几种： ① 生物制氢 目前我国研究较多的是生物制氢，生物制氢是利用微生物发酵产氢。氢气具有清 洁无污染、能量密度高等特点，被认为是21世纪具有应用价值的可再生能源之一。发 酵细菌产氢气比光合细菌产氢更简单可行。在发酵过程中接种产氢微生物，添加一定 的添加剂抑制产甲烷菌的生长。lay.jiunn-jyi等从活性污泥中获取微生物，对不同 化学组成的餐厨垃圾：糖类(米和马铃薯)、酯类(肥肉和鸡皮)、蛋白质(鸡蛋和瘦肉) 进行厌氧发酵产氢研究，得出糖类组分的产氢能力强，大概是其他两类的20倍。张振宏等对剩余污泥、矿化污泥、颗粒污泥、矿化垃圾4种接种物产氢的影响进行了研究，单独接种一种污泥情况下，氢气浓度和产生量均大的是剩余污泥，分别为 47.1％、100 ml/g。 ② 厌氧甲烷化 餐厨垃圾厌氧甲烷化可分为两个阶段，产酸阶段和产甲烷阶段。产酸阶段是将大 分子有机物分解为小分子有机酸（主要以乙酸为主）；产甲烷阶段一种是产甲烷菌利 用产酸阶段分解产生的小分子有机酸产甲烷，另一种是产甲烷菌将产酸阶段产生的 h2和co2转化为ch4；终将复杂大分子有机物转化为甲烷和二氧化碳。ch4又称沼 气，也是一种清洁能源，燃烧不带来二次污染，并且在工业和发电行业应用较多。 单独进行餐厨垃圾厌氧甲烷化，发酵系统中缺少足够的活性微生物，导致厌氧消 化速率低，无机化率不理想。与污泥联合发酵将充分利用污泥中丰富的微生物和餐厨 垃圾中大量的有机组分，达到资源大利用的目的。影响厌氧甲烷化的因素主要有 ph 值、含水率、发酵温度、接种率、颗粒粒度等。厌氧发酵阶段 ph 值是一个先降 低后上升的过程。产甲烷菌生长适宜 ph 值为 6.8~7.2，一般要求厌氧发酵系统的原 液 ph 值控制在 6~8。餐厨垃圾中盐分含量较高会抑制厌氧发酵，王星等[20]研究了几 种矿物材料对含盐餐厨垃圾厌氧发酵的影响，发现膨润土对发酵促进作用较大，因为 膨润土对 na+有良好的吸附性，并且膨润土能够释放大量的 ca2+、mg2+改变细胞通透 性，增强微生物吸收能力。 ③ 两阶段发酵产氢产甲烷 用有机废物产氢通常伴随着有机酸的产生，这些有机酸是产甲烷的基础。因此，产甲烷被认为是产氢后的合适的单元。氢气和甲烷的产生量取决于食品废物的组成。 与蛋白质或脂类相比碳水化合物通过生物氢发酵产生氢的量大，因此，高碳水化 合物的食物垃圾有利于产氢。近，产氢产酸和产甲烷相结合的两阶段工艺已受到越 来越多的关注。通过两阶段发酵能够更好地从可再生有机物中回收能量，实现资源 化、无害化、减量化。第一阶段接种热处理(70~100℃, 15~120min)是接种期间杀死产 甲烷菌一般的做法。对于第二阶段乙酸转化为甲烷普遍认为有两个机理，机理一 为乙酸分解型产甲烷，涉及醋酸盐的分裂脱羧，醋酸甲基主要转换为甲烷，而羧基转化为二氧化碳。机理二称为醋酸氧化路径，醋酸通过一个有机体（杆状细菌[aor]） 被氧化为co2和h2，而随后通过第二有机体（氢气-氧化甲烷菌）用氢气以减少二氧化 碳到甲烷。 chun-feng chu等对两阶段发酵微生物群落特性研究表明，在高温条件下进行 产氢阶段可以杀死废物中病菌；在第二阶段采用高温发酵相对于中温发酵，有机物发酵效果更好，产气组分中甲烷含量更高，脂肪酸、vs等有机物去除率高；梭状芽孢 杆菌z6是主要的高温产氢细菌。 dawei liu等]对生活垃圾的两级发酵做了研究，将一级发酵的发酵液回流入二级发酵罐，研究结果发现h2产生量为43ml/g vs ，ch4产生量为500ml/g vs，相对于 一次发酵产甲烷提高了21％；并对产氢阶段的ph进行研究表明佳范围为5~5.5。 sun-kee han等[23]对餐厨垃圾进行两阶段法产氢产甲烷的可行性研究，利用流化床反 应器（产氢气）和uasb反应器（产甲烷）研究发现，挥发性固体进料为11.9 kg/(m3·d) 时，vs去除率达到72.5％。去除的vs有28.2％转化为h2，氢气产生量为3.63 m3/(m3·d)； 去除的vs中69.9％转化为ch4,甲烷产生量为1.75 m3/(m3·d)。 两阶段发酵产生物气相对生物制氢和发酵甲烷化，资源化、无害化、减量化效果 更好。通过与污泥混合共发酵，必将成为餐厨垃圾处理的重要方法。
当厨余垃圾与污泥或者发酵后，如何统一集中厨余垃圾变成了我们如今应该慎重面对的问题，我们专题小组提出如果每家一台厨余垃圾处理器，就能够较好的解决不能把统一集中的问题。又可以间接解决家庭环境隐患。与污泥发酵处理成为合作亲密的伙伴，前景颇为可观。