生活垃圾微生物強(qiáng)化兩相干式厭氧發(fā)酵技術(shù)的研究及應(yīng)用

王毅琪　韓文彪　陳灝　趙玉柱　喬慧　閆強(qiáng)

摘要 綜述了生活垃圾厭氧發(fā)酵研究現(xiàn)狀，包括濕式厭氧發(fā)酵和干式厭氧發(fā)酵、單相厭氧發(fā)酵和兩相厭氧發(fā)酵、中溫厭氧發(fā)酵和高溫厭氧發(fā)酵，闡述了微生物強(qiáng)化技術(shù)在污水處理、生活垃圾堆肥、環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域的應(yīng)用，介紹了稀土元素對(duì)微生物的強(qiáng)化作用機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，提出了微生物強(qiáng)化兩相干式厭氧發(fā)酵工藝流程，該工藝包括微生物強(qiáng)化菌劑、兩相干式中溫厭氧發(fā)酵、發(fā)酵剩余物利用三大系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 生活垃圾；稀土；微生物強(qiáng)化；厭氧發(fā)酵

中圖分類號(hào) S181 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2016）05-100-03

Abstract The research status of domestic garbage anaerobic digestion was reviewed， including wet and dry anaerobic fermentation， singlephase and twophase anaerobic fermentation， mediumtemperature and hightemperature anaerobic fermentation. The application of microorganism enhanced technology in sewage treatment， domestic garbage compost， environmental remediation was elaborated. The enhanced mechanism of rare earth on microorganism was introduced. On the basis of this， process of microorganism enhanced twophase dry anaerobic fermentation was proposed， including enhanced microbial inoculants， twophase dry mesophilic anaerobic fermentation， fermentation residue utilization.

Key words Domestic garbage； Rare earth； Microorganism enhanced； Anaerobic fermentation

生活垃圾及其他有機(jī)廢棄物是制約資源和環(huán)境保護(hù)的瓶頸。目前有機(jī)固體廢棄物的處理技術(shù)主要有焚燒、衛(wèi)生填埋、堆肥和厭氧發(fā)酵等，但是這些技術(shù)存在一些弊端，如焚燒易導(dǎo)致二噁英類物質(zhì)產(chǎn)生，使處理成本增加；填埋易產(chǎn)生大量滲濾液，還會(huì)產(chǎn)生H2S等惡臭氣體和甲烷；堆肥處理占地面積大、堆肥時(shí)間長(zhǎng)、衛(wèi)生條件差等。生活垃圾及其他有機(jī)廢棄物如果得不到快速有效的處理必將會(huì)對(duì)公共環(huán)境衛(wèi)生安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成極大威脅[1]。因此，需要最大限度地實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的“減量化、資源化和無(wú)害化”。厭氧發(fā)酵技術(shù)能耗小、需水量少、運(yùn)行穩(wěn)定，關(guān)鍵是產(chǎn)物無(wú)二次污染，是目前國(guó)內(nèi)外較為青睞的生活垃圾及其他有機(jī)廢棄物的綜合處理技術(shù)[2]。筆者擬將微生物強(qiáng)化技術(shù)與兩相干式厭氧發(fā)酵技術(shù)相結(jié)合，利用稀土尾礦粉對(duì)厭氧發(fā)酵菌種進(jìn)行微生物強(qiáng)化，在減少稀土尾粉礦污染環(huán)境的前提下，培養(yǎng)、制備了高濃度、高活性的微生物菌劑，以此建立了一種高效生活垃圾及其他有機(jī)廢棄物處理技術(shù)——“微生物強(qiáng)化兩相干式厭氧發(fā)酵”工藝，以期為實(shí)現(xiàn)生活垃圾及其他有機(jī)廢棄物處理的“減量化、資源化、無(wú)害化”目標(biāo)提供參考與借鑒。

1 生活垃圾厭氧發(fā)酵研究現(xiàn)狀

按照厭氧發(fā)酵的操作條件和運(yùn)行方式，可將厭氧發(fā)酵處理技術(shù)分為多種類型，按固體含量，可分為濕式厭氧發(fā)酵（TS<15%）和干式厭氧發(fā)酵（TS為20%～40%），干式發(fā)酵與濕式發(fā)酵相比，具有自身耗能低，沼氣質(zhì)量高、設(shè)備效率高、處理成本低、可直接處理城鎮(zhèn)有機(jī)固體廢棄物等優(yōu)點(diǎn)[3-5]（表1）；按發(fā)酵階段數(shù)，可分為單相厭氧發(fā)酵和兩相厭氧發(fā)酵，兩相厭氧發(fā)酵與單相相比，實(shí)現(xiàn)了生物相的分離，使產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段在2個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行，分成2個(gè)獨(dú)立的處理單元，優(yōu)化了產(chǎn)酸產(chǎn)甲烷過程，從而可以更加簡(jiǎn)單、容易地調(diào)控2個(gè)單元的運(yùn)行參數(shù)，使不同發(fā)酵階段都能保持各自最佳的生產(chǎn)條件，很大程度上縮短了處理周期和工藝運(yùn)行的穩(wěn)定性[6]（表2）；按照溫度高低，可分為常溫、中溫和高溫厭氧發(fā)酵，常溫厭氧發(fā)酵能耗較低，但是發(fā)酵周期長(zhǎng)，產(chǎn)氣效率低，高溫厭氧發(fā)酵雖然可以縮短發(fā)酵周期、提高產(chǎn)氣效率，但是能耗高、系統(tǒng)穩(wěn)定性差，對(duì)發(fā)酵控制要求高，而中溫厭氧發(fā)酵技術(shù)與常溫、高溫相比，產(chǎn)氣較穩(wěn)定，發(fā)酵條件易控制、操作相對(duì)簡(jiǎn)單，因此目前仍以中溫厭氧發(fā)酵為主[7]（表3）。因此，兩相干式中溫厭氧發(fā)酵技術(shù)應(yīng)是處理生活垃圾及其他有機(jī)廢棄物較為理想的方式，然而，我國(guó)正處于兩相干式厭氧發(fā)酵的起步階段[8]，在條件控制、處理設(shè)備等方面仍有較大的提升空間。

2 微生物強(qiáng)化技術(shù)研究現(xiàn)狀

厭氧發(fā)酵是在無(wú)氧條件下利用厭氧微生物生化作用降解有機(jī)物的過程，因此菌群活性對(duì)于厭氧發(fā)酵過程至關(guān)重要。微生物強(qiáng)化技術(shù)是指通過向傳統(tǒng)的生物處理系統(tǒng)投入具有特定功能的微生物，提高有效微生物的濃度和活性，增強(qiáng)其對(duì)某些有機(jī)物的降解能力，提高降解速率[10]。微生物強(qiáng)化技術(shù)在世界各國(guó)的環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用，在生活污水及一般工業(yè)廢水處理、生活垃圾堆肥、清潔可再生能源開發(fā)、環(huán)境污染修復(fù)等方面都顯示出巨大的優(yōu)越性[11-12]。

2.1 在污水處理中的應(yīng)用

微生物強(qiáng)化技術(shù)可高效去除廢水中的COD和BOD5，具有改善系統(tǒng)污泥性能、加速啟動(dòng)、提高系統(tǒng)抗負(fù)荷沖擊能力和穩(wěn)定性的作用。目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于治理高濃度有機(jī)廢水、有毒、有害難降解污染物的治理，強(qiáng)化廢水中油脂的液化和降解，江河湖泊等水體修復(fù)和地下水生物修復(fù)等方面[13-14]，效果顯著。

2.2 在堆肥中的應(yīng)用

堆肥技術(shù)主要是利用自然界廣泛分布的土著微生物（細(xì)菌、放線菌、真菌等）的相互協(xié)同作用，促進(jìn)垃圾中可生物降解的有機(jī)物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)生化轉(zhuǎn)化[15-16]。有研究顯示，微生物強(qiáng)化可提高木質(zhì)素降解率，達(dá)43.9%，提高堆肥腐殖化程度達(dá)54.1%，使有機(jī)物降解更為徹底[17]。其最終產(chǎn)物可作為綠色有機(jī)肥料或用作土壤改良劑，使有機(jī)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用。

2.3 在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著微生物強(qiáng)化技術(shù)的不斷發(fā)展與改進(jìn)，其應(yīng)用范圍由傳統(tǒng)的工業(yè)污水處理領(lǐng)域逐步向多領(lǐng)域擴(kuò)展。有研究顯示，微生物強(qiáng)化技術(shù)可提高石油采收率，且發(fā)展日趨成熟[18]；在污染土壤修復(fù)方面可促進(jìn)修復(fù)植株的生長(zhǎng)，增加生物量，提高修復(fù)土壤效率[19]；在制酒過程中通過微生物強(qiáng)化作用可提高優(yōu)勢(shì)菌群的種類和數(shù)量，提高釀酒品質(zhì)[20]，同時(shí)在人體排泄物、餐廚垃圾等領(lǐng)域也應(yīng)用較廣，逐步成為生活有機(jī)污染物處理的重要方式。

由此可知，微生物強(qiáng)化技術(shù)能夠?qū)⒂袡C(jī)物快速分解為穩(wěn)定無(wú)害的小分子物質(zhì)，可以有效促進(jìn)有機(jī)物的降解，且見效快、能耗低、成本低、反應(yīng)條件溫和、操作簡(jiǎn)單、無(wú)二次污染，因此可以在生活垃圾及其他有機(jī)廢棄物中利用該技術(shù)進(jìn)行厭氧發(fā)酵，是一種潛在的有機(jī)垃圾高效處理技術(shù)。

3 稀土元素對(duì)微生物強(qiáng)化作用機(jī)理研究現(xiàn)狀

稀土元素由元素周期表中第六周期的鑭系元素鑭（La）、鈰（Ce）等 17個(gè)元素組成。研究顯示，若處理不當(dāng)，稀土元素會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[21]，但豐富的稀土資源蘊(yùn)藏著巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及環(huán)境治理方面都具有獨(dú)特而顯著的功效。

稀土元素化學(xué)性質(zhì)活潑，僅次于堿金屬和堿土金屬，不但可與某些物質(zhì)迅速結(jié)合，而且結(jié)合后不易分離[22]。研究發(fā)現(xiàn)，稀土對(duì)細(xì)菌、真菌等微生物有一定生長(zhǎng)刺激作用，如布魯氏菌、谷氨酸桿菌、酵母菌等。Liu等[23]研究發(fā)現(xiàn)，La3+能明顯改變與細(xì)胞滲透性相關(guān)的外膜結(jié)構(gòu)，影響膜的通透性、能量代謝及信息傳遞。Li等[24]研究了稀土對(duì)大腸桿菌的影響，結(jié)果表明，La3+在高濃度時(shí)可刺激大腸桿菌代謝，但對(duì)于基因表達(dá)影響不明顯；在低濃度時(shí)可顯著抑制大腸桿菌對(duì)外部DNA的吸收，降低轉(zhuǎn)化率。Kumark等[25]研究發(fā)現(xiàn)，稀土鉍（Tb）可與大腸桿菌緊密結(jié)合，促進(jìn)能量轉(zhuǎn)換，加速細(xì)菌生長(zhǎng)。宋香等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在一定濃度范圍內(nèi)稀土元素對(duì)生長(zhǎng)前期谷氨酸棒桿菌酶的活力和生長(zhǎng)均有促進(jìn)作用。

因此，適量稀土的添加有提高微生物濃度和活性的作用，可用于培養(yǎng)厭氧發(fā)酵的高濃度、高活性微生物菌劑。如內(nèi)蒙古自治區(qū)有著豐富的包括稀土尾礦粉在內(nèi)的稀土資源，利用稀土獨(dú)特而顯著的促進(jìn)微生物生長(zhǎng)的特性，可采用微生物強(qiáng)化技術(shù)培養(yǎng)和制備高濃度、高活性菌劑。

綜上考慮，利用稀土尾礦粉對(duì)厭氧發(fā)酵微生物進(jìn)行強(qiáng)化，用于兩相干式厭氧發(fā)酵，可縮短發(fā)酵周期，提高產(chǎn)氣效率，為生活垃圾及其他有機(jī)廢棄物處理處置開辟新的發(fā)展方向。

4 微生物強(qiáng)化兩相干式中溫厭氧發(fā)酵

利用稀土尾礦粉對(duì)厭氧發(fā)酵菌種進(jìn)行微生物強(qiáng)化，然后用于生活有機(jī)垃圾兩相干式厭氧發(fā)酵過程，該過程分為微生物強(qiáng)化菌劑、兩相干式厭氧發(fā)酵、發(fā)酵剩余物利用三大系統(tǒng)，主要工藝流程如圖1所示。

4.1 微生物強(qiáng)化菌劑系統(tǒng)

微生物強(qiáng)化菌劑系統(tǒng)包括2個(gè)部分，一部分為產(chǎn)酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群分離純化及稀土元素促進(jìn)微生物強(qiáng)化，制備高活性、高濃度微生物菌劑；另一部分為滲濾液回流作為復(fù)合菌調(diào)節(jié)物料酸度、增加微生物的種類和多樣性，以達(dá)到加快反應(yīng)速率、提高降解率的效果。

4.2 兩相干式中溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)

預(yù)處理后的發(fā)酵原料（生活垃圾、糞便、秸稈等）加入兩相干式厭氧發(fā)酵罐中的同時(shí)，罐體上方的噴淋裝置釋放產(chǎn)酸菌，將原料和微生物充分混合，經(jīng)一定停留時(shí)間，采用機(jī)械葉輪推進(jìn)式裝置由產(chǎn)酸區(qū)進(jìn)入產(chǎn)甲烷區(qū)，經(jīng)滲濾液回流噴淋調(diào)節(jié)物料酸度，中后期噴淋加入產(chǎn)甲烷菌劑。發(fā)酵溫度（35±1）℃，通過保溫系統(tǒng)滿足發(fā)酵所需溫度，發(fā)酵初期pH在6.5以上，發(fā)酵周期25 d，發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣進(jìn)入堆肥系統(tǒng)，沼氣進(jìn)入凈化提純系統(tǒng)。

4.3 發(fā)酵剩余物利用系統(tǒng)

生活垃圾及其他有機(jī)廢棄物經(jīng)厭氧發(fā)酵之后，可將發(fā)酵沼渣直接進(jìn)行好氧堆肥。首先在物料中加入調(diào)理劑，調(diào)節(jié)堆體的理化特性（C/N=25～30），然后加入接種菌群，對(duì)堆體進(jìn)行好氧堆肥，制備高品質(zhì)的生物肥料。沼氣通過凈化提純系統(tǒng)制取壓縮天然氣（CNG）。

5 結(jié)語(yǔ)

通過應(yīng)用微生物強(qiáng)化技術(shù)，利用稀土尾礦粉對(duì)厭氧發(fā)酵微生物進(jìn)行強(qiáng)化，不僅減少了稀土尾礦處理不當(dāng)對(duì)環(huán)境造成的污染，還能制備高濃度、高活性的微生物菌劑，用于生活垃圾及其他有機(jī)廢棄物處理，結(jié)合兩相干式厭氧發(fā)酵技術(shù)，能建立一套產(chǎn)氣效率高、能耗低、投資少、資源化利用程度和無(wú)害化水平較高的發(fā)酵工藝——“微生物強(qiáng)化兩相干式中溫厭氧發(fā)酵”工藝，對(duì)推動(dòng)我國(guó)生活垃圾及其他有機(jī)廢棄物的高值利用和無(wú)害化處置技術(shù)進(jìn)步是非常必要的，具較廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。

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