厨余垃圾文献调研报告

　一、特性

　表 不同来源食品废弃物（Food waste 简写 FW）的特性

　 如上图统计（来自《Characterization of typical household food wastes from disposers: Fractionation of constituents and implications for resource recovery at wastewater treatment》 2015 年），黄色为 TS%较高的食品/厨房废弃物（food/kitchen waste）的特性，可以看出 C/N 较低（低于 20，厌氧发酵适宜的 C/N 为 20-25），因此发酵过程可能存在氨氮的抑制。尤其在高固形物发酵过程中会出现大量氨释放，例如市政有机固废中（OFMSW），其特性 C/N 较低，容易造成氨积累，一些干发酵工艺需要回流沼渣作为接种物，这会使沼渣中残留的氨氮在长期复混过程中使罐内氨氮浓度升高（参考《Ammonia influence in anaerobic digestion of OFMSW》2009 年）。

　厨房废弃物的氮主要以有机氮（例如蛋白质）和无机氮（例如氨

　氮）两种形式存在在固相和液相中。中国的厨房废弃物蛋白质含量通常较高，范围在 11-28%（基于干重）之间，造成氨氮和硫化物等抑制物。这样为了避免发酵失败往往降低有机装载率，因此限制了效率（参考《Enhanced nitrogen distribution and biomethanation of kitchen waste by thermal pre-treatment》2016 年）。

　 如上表所示，厨房废弃物主要成分为糖类物质占干重的 60%，惰性成分占 13%，还有少量的脂肪和蛋白质（参考《Engineering properties for high kitchen waste content municipal solid waste》2015 年）。

　二、干湿工艺对比 《废物生物处理》郑平 冯孝善主编

　1、垃圾固态厌氧发酵：固态厌氧消化中，总固体浓度的影响实质是水分的作用，首先，总固体含量高，物料含水率就低，而且水分大多以吸持状态存在，微生物难以利用。其次，垃圾夹带的一些无机盐可在水中离解，并在每一离子周围聚集一群水分，即离子水化。在物料含水率较低的情况下，这种水化离子中的水分占总水分的比例很高，微生物很难得到生长所需的自由水分。不仅如此，含水率低时，少量溶质即可产生高浓度溶液，一方面造成高渗透压，抑制微生物生长和代谢，另一方面造成毒性物质超过临界浓度，毒害微生物生长和代谢。

　通过，经过分选后城市垃圾的固体含量为 20%左右，适宜进行固态厌氧消化。例如比利时用于垃圾固态厌氧消化的 Dranco 工艺，垃圾先行分选，回收有关资源，分选后的物料进行湿度破碎（粒径12-22mm），并控制适宜的 TS 含量，再取中温或高温厌氧消化。厌氧消化后的物料经脱水干化，用作农肥或饲料添加剂。

　2、垃圾液态厌氧消化：瑞典研究了将城市垃圾与城市污水污泥混合进行液态厌氧消化的 BIOMET 工艺。该工艺的特点是：分离出去无机中颗粒，进料 TS 浓度为 8%，间歇投料（每周 2-3 次），缓慢搅拌，处理装置为圆柱形卧式常规消化器，发酵温度 38℃，物料停留时间为 20-30 天，消化物料经过脱水，用作土壤改良剂。

　在 HRT 为 27d，VS 负荷为 1.6kg/m3/d 的条件下，TS 分解率达 37%，

　VS 分解率达 48%，甲烷产率为 0.29m3/kg-VS。厌氧消化后，垃圾总氮含量降低，氨氮和总磷成倍增加。重金属浓度低于瑞典国家标准。

　OFMSW 干发酵预处理步骤较湿法简单（只需移除大块物质），但往往设备较为昂贵，因此投资费用较高。干发酵一般不设置机械搅拌装置，大多为塞流式反应器，采取低速喂料意味着引入的废物不能及时与罐内物料充分混合，阻碍接种进而导致局部过载，因此通常需要发酵后的物料与鲜料返混，比如 Dranco 工艺新料：沼渣可以为 1:6。干发酵较湿法更粗犷和灵活，可以处理不同的废物（石头、玻璃、木头、塑料、金属等）。针对连续高固形物系统，原料相对低的含水量使得加热更困难，通常进料前通过蒸汽提升原料温度。但是干发酵原料的泵送是个挑战。

　针对市政固体废弃物（MSW）湿法发酵优点为：1、可以分离出有机物中重颗粒；2、均一的混合促进发酵和产气；3、搅拌设备和泵送设备比高浓度泵能耗低；4、加热均匀；5、可降低砂石的磨损（参考《Wet anaerobic digestion of MSW protects energy resources》2005 年）；6、可用清水稀释抑制物。缺点：1、有机装载率低；2、有可能形成浮渣层，干扰微生物降解，阻塞管道和泵；3、预处理过程复杂，需要通过预处理移除惰性固体并均质废弃物；4、若市政固废中存在有毒化合物，后者将很容易扩散从而抑制微生物，即对抑制物冲击敏感；5、预处理移除惰性部分时会造成 VS 的损失；6、需要消耗大量的水和热量；7、可能存在“短流”现象（《Current Anaerobic Digestion Technologies Used for Treatment of Municipal Organic

　Solid Waste》2008 年）。

　 表 处理 OFMSW 工程产沼气量

　工艺

　厂区位置

　平 均 沼 气 产 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(湿法)

　Germany

　0.092

　Kompogas

　Switzerland

　0.09

　ISKA

　Germany

　0.04

　平均

　 0.112

　研究 OFMSW 为底物的浓度单因素试验，中温批式试验，停留时间为 42 天（参考《Exploration of One-Factor Rsm to Optimize the Concentration of Organic Fraction of Municipal Solid Waste (OFMSW) for Biogas Production》2017 年），产气结论如下：

　图 不同底物浓度下沼气容积产气量

　图 不同底物浓度下沼气单位 VS 产沼气量

　由图可以看出，TS 为 30%时的容积产气量高，TS 为 5%和 30%时沼气产量分别为 8.51ml/g-Vs 和 7.86ml/g-Vs。

　 三、温度对比 针对 OFMSW 为原料的厌氧发酵，高温发酵尽管可以提高产气速率、杀灭病原菌，但同时高温会加重氨氮抑制，因此工程管理人员建议温度稍低于最适温度以此来减少氨抑制。而高温厌氧消化可以比中温消化有更短的固体停留时间和更小的反应器容积， 且高温条件对于有机废物的降解和病原菌的杀灭更有效。将厌氧消化后稳定化的废物用

　于土地处理的时候，高温处理更是必要的。高温消化运行费用较高。但是高温条件下会产生比中温条件更高的 NH4+ 浓度，毒性抑制就更为显著。如何在高温条件下建立一个稳定的菌群、 如何解决高温消化中的氨氮抑制问题是高温消化得到普遍应用的两个关键问题（参考《厨余垃圾厌氧消化制取甲烷的影响因素研究》）。

　由于中温（37 ℃）厌氧消化的运行费用较低，因此在实际中应用的较多。中温的厌氧微生物有较高的耐受环境波动的能力。

　 表 多种工艺费用对比

　 投资费用

　运行费用

　高温

　●●●

　●●●

　中温

　●

　●

　湿法

　●

　●●●

　干法

　●●●

　●

　连续

　●●●

　●

　批式

　●●●

　●

　单相

　●

　●

　多相

　●●●

　●●●

　厨房废弃物 TS、VS 分别为 20.0% (w/w)和 19.5% (w/w)，总碳水化合物、粗脂肪、脂肪占干重的 42.6%、22.1% 、17.1%，干物质总碳、总氮为 49.8%、 3.6%，经过研磨预处理，体系总干物质为 20%（w/v），55℃发酵，500ml 反应器，有机装载量（厨房废弃物与污

　泥的 TS 比）为 1:70。甲烷产量为 328.3 ml/g TS，沼气产量为 499.5 ml/g TS（参考《In situ volatile fatty acids influence biogas generation from kitchen wastes by anaerobic digestion》2014年）。

　四、预处理 高温预处理可以提高厨房废弃物的溶解性和可发酵性，此外也提高了油从其中分离出来（《Enhanced nitrogen distribution and biomethanation of kitchen waste by thermal pre-treatment》2016年）。结论：高温预处理使得厨房废弃物固相的有机氮降低约3-47.9%，预处理后相比未处理沼气产量提高，建议 90℃预处理 30min 或 120℃处理 15min。

　热法预处理可以促进厨房废弃物（以不可溶物质为主）水解成可溶物质（参考《Use of respirometer in evaluation of process and toxicity of thermophilicanaerobic digestion for treating

　kitchen waste》高温厌氧发酵厨房废弃物 2007 年）。

　高温预处理下，有机底物可能发生一系列复杂的化学反应（例如美拉德反应），生成难以生化降解的副产物，反而降低其产沼气量（参考《水热处理泔脚脱油与产物消化性能变化》）。

　高压蒸汽处理食品废弃物降低了氨化作用，影响了氮含量，降低了可溶性碳水化合物和半纤维素含量，增加了木质素含量，但是物料经过处理后的产甲烷潜力降低（参考《characteristics and agronomic usability of digestates from laboratory digesters treating food waste and autoclaved food waste》）。

　 固态剩余厨余 solidresidual kitchen waste (SRKW)，在 41℃下发酵 45 天。接种物与底物 VS 比为 1:1.4 时甲烷产量为 479 mL/gTS（参考《Evaluation the anaerobic digestion performance of solid residual kitchenwaste by NaHCO3 buffering》2015 年江南大学》）。

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