摘 要

随着城市规模的不断扩大，我国每年产会产生大量的餐余垃圾和剩余污泥。作为最具代表性的有机固体废弃物，餐余垃圾和剩余污泥危害性和资源可利用性并存。厌氧发酵技术不仅可以解决有机废弃物对环境的危害问题，同时还可以获得经济效益较高的产物，已成为当前研究的重点。将这两种废弃物作为互补的基质来发酵，可以获得一个比较平衡的C/N比，从而有利于提高（volatile fatty acid，挥发性脂肪酸）产量。

本文将餐余垃圾和剩余污泥进行序批式混合厌氧发酵，通过控制两者不同的投加比例，来研究产酸条件的优化。同时也研究了初始pH对于发酵产酸的影响。最后采用气相色谱法来测定各实验组VFA的产量和组成，通过比较得到在特定条件下，餐余垃圾和剩余污泥混合厌氧发酵的最佳条件。

结果表明，餐余垃圾和剩余污泥投加比为4：0和1：3的实验组的VFA产量在第8天达到了490.30和428.72 mg COD/L。另外，在初始pH=11比没有调节pH的发酵体系的VFA产量更高，分别为369.67和347.12 mg COD/L，增加了8.21%。

关键词：餐余垃圾；剩余污泥；厌氧发酵；挥发性脂肪酸

Abstract

With the continuous expansion of urban scale, China produces a large amount of food waste and surplus sludge every year. As the most representative organic solid waste, the harmfulness and resource availability of meal waste and residual sludge coexist. Anaerobic fermentation technology can not only solve the harm of organic waste to the environment, but also can obtain high economic benefits of products, has become the focus of current research. Fermentation of these two wastes as complementary substrates yields a more balanced carbohydrate/protein ratio, which improves yield.

In this paper, the sequential batch mixed anaerobic fermentation was carried out to optimize the conditions of acid production by controlling the different proportion of feed waste and sludge. The effect of initial pH on acid production by fermentation was also studied. Finally, meteorological chromatography was used to determine the yield and composition of VFA (volatile fatty acids) in each experimental group.

The results showed that the VFA production of the experimental group with 4:0 and 1:3 dosages of residual garbage and sludge reached 490.30 and 428.72mgCOD/L on the 8th day. In addition, VFA yield in the fermentation system with initial pH=11 was higher than that in the fermentation system without pH regulation, which was 369.67 and 347.12mgCOD/L, respectively, an increase of 8.21%.

Key Words：food waste; excess sludge; anaerobic fermentation; volatile fatty acid

目 录

第1章 绪论1

1.1 餐余垃圾1

1.1.1 餐余垃圾特征1

1.1.2 餐余垃圾现状及危害 1

1.1.3 餐余垃圾处理技术1

1.2 剩余污泥2

1.2.2 剩余污泥特征2

1.2.2 剩余污泥现状及危害3

1.2.3 剩余污泥处理技术3

1.3 餐余垃圾和剩余污泥联合发酵产酸4

1.3.1 发酵原理4

1.3.2 联合发酵产酸5

1.3.3 影响产酸条件的因素5

1.3.4 研究进展7

1.4 研究目标与内容7

1.4.1 研究目标7

1.4.2 研究内容7

第2章 材料与方法9

2.1 实验材料9

2.1.1 餐余垃圾9

2.1.2 剩余污泥9

2.1.3 实验试剂9

2.1.4 实验仪器10

2.2 实验方法11

2.2.1 预处理方法11

2.2.2 实验方案11

2.3 测定方法12

2.3.1 TS的测定12

2.3.2 氨氮浓度的测定12

2.3.3 正磷酸盐浓度的测定12

2.3.4 可溶性蛋白浓度的测定14

2.3.5 SCOD浓度的测定15

2.3.6 VFA的测定16

第3章 结果与讨论19

3.1 发酵产酸情况19

3.1.1 VFA浓度20

3.1.2 VFA组成22

3.1.3 VFA产率26

3.2 投加比例对VFA的影响26

3.2.1 投加比例对VFA产量和产率的影响26

3.2.2 投加比例对VFA组成的影响27

3.3 初始pH对VFA的影响27

3.2.1 初始pH对VFA产量和产率的影响27

3.2.2 初始pH对VFA组成的影响28

第4章 结论29

参考文献30

致谢32

第1章 绪论

• 1. 餐余垃圾

1.1.1 餐余垃圾特征

餐厨垃圾一般是指人们在日常生活或者工厂在食品加工等过程中产生的固体废弃物^[1]。餐厨垃圾包括餐余垃圾和废弃食用油脂。其中，餐余垃圾是指食品加工废料及食物残余；废弃食用油脂则是不可再食用的动植物油脂等各类油、水和固体混合物^[2]。由于时间和空间的不同，餐余垃圾的成分往往存在着巨大的差异。比如，出于地域上的饮食习惯，北方的餐余垃圾中面食的含量会比较高，而南方则是米饭占了很大一部分。而我国自古以来就是一个饮食结构呈多元化的国家，伴随着近些年来的发展，餐余垃圾的组成是十分复杂的。但总的来说，餐余垃圾具有这样两个主要特点：含水率高；有机质含量高。

1.1.2 餐余垃圾现状及危害

我国是餐余垃圾生产的大国，这一方面是由于庞大的人口基数，另一方面也是因为随着经济发展带来的人们对于食品质量需求的提升。餐厨垃圾是城镇固体废弃物的重要组成部分，约占 30~50%。据报道，全球每年约13亿吨餐厨垃圾在食品生产和消费过程中产生^[1]。在美国，目前每年约产生3800万吨食物垃圾，在欧洲，每年产生约9800万吨餐厨垃圾，并且预计在2020年每年将会产生约13900万吨餐厨垃圾，在我国，餐厨垃圾年均产量高达9000万吨^[2]。

大量的餐余垃圾一旦没有得到有效的处置，很容易导致严重的环境卫生问题。由于餐余垃圾富含有机质的特点，它很容易发生腐烂并散发出恶臭气味，进而影响周边空气环境质量。同时，在餐余垃圾的环境中还容易滋生各种病原菌，危害人的身体健康。近几年来，还屡屡出现不法商贩为获取利润，利用餐余垃圾提炼地沟油，餐余垃圾回到餐桌上，“病从口入”的现象就是如此而来。

1.1.3 餐余垃圾处理技术

餐余垃圾具有含水率高的特性，这一特性加大了对其资源化处理的难度。一方面，收集每家每户的餐余垃圾是一个琐碎而漫长的工作，基于高含水率难以压实餐余垃圾，使得运输过程效率低下。另一方面，不仅餐余垃圾中的废液容易在转运过程从密封瓶中泄漏，在收集地点如果没有得到一定的注意，其中的废液也会通过缝隙渗透到附近的土壤，最终导致二次污染。但是，由于有机质高的特性，餐余垃圾又被认为是最具潜力的“城市矿藏”^[3]，据国家统计局计算^[4]，如果将我国一年的餐厨垃圾全部利用则相当于节约3000万亩玉米的产出量和600万t生物柴油^[4]。因此，餐余垃圾的处理技术关键在于利用其有机质高的特点，提炼出有机质和油脂等有用的成分，使餐余垃圾变废为宝，并且在处理的过程中减少餐余垃圾对于环境可能造成的影响。

常见的餐余垃圾处理技术有焚烧法，堆肥法和厌氧发酵法。

1. 焚烧法

焚烧法主要是通过焚烧炉将收集的餐余垃圾连同其它生活垃圾进行高温焚烧^[5]，通过氧化分解达到较为彻底的处理效果，处理量大，减容性好。尽管餐余垃圾有着有机质和油脂等易燃组分的存在，但含水率高这一特性还是使得焚烧处理的效果不好，产生的热值偏低。此外，使用焚烧法处理固体废物会不可避免地产生二氧化硫、氮氧化物、二噁英等有毒有害气体，以及粉尘等有害物质，易造成二次环境污染。

1. 堆肥法

堆肥法是通过人工控制和设备辅助，创造出一个好氧或者厌氧的环境，利用微生物的新陈代谢活动对餐余垃圾进行吸收氧化和分解，最终转化成具有较强稳定性的有机复合肥和土壤改良剂^[4]。堆肥法技术成熟，最终产物也具有比较好的经济效益，但需要长周期地占据较大的面积，土地成本制约了它在我国大城市的应用，而且在处理过程中同样也可能产生有害气体，并加剧土壤盐碱化。

1. 厌氧发酵法

厌氧发酵是在厌氧环境下，利用餐余垃圾中的厌氧微生物自身的分解作用，分解可生物降解的有机物质，最终产生能源产品——甲烷和二氧化碳混合气体（沼气）^[6]。沼气作为一种可再生能源，在当今社会受到地重视越来越高，因此厌氧发酵法带来的经济效益十分可观。而且，为了发酵处理顺利进行所构筑的厌氧环境往往采取一种密闭的系统，不会对周围环境造成太大的负面影响。不过，厌氧发酵对于底物的限制要求较高，餐余垃圾成分复杂，其中的油脂和其它杂质都会影响发酵处理程度，容易造成厌氧系统产气不稳或者是难以产气的问题^[7]。

• 1. 剩余污泥

1.2.1 剩余污泥特征

剩余污泥指为了维持活性污泥系统的稳定运行，从二次沉淀池（或沉淀区）排出系统外的活性污泥。在生化处理过程中，废水中的有机物质不断地被活性污泥中的微生物消耗着：通过氧化过程，一些有机物质转化为微生物生命活动所需的能量；微生物利用另一些有机物质合成新的细胞质，从而使其繁衍生殖。微生物在新陈代谢的同时，又有一部分老的微生物死亡，最终形成了剩余污泥，这是污水处理的必然产物。剩余污泥的成分十分复杂，一般含有大量的有机物、无机盐、重金属和各类微生物等^[8]。不同的污水来源和处理工艺所产生的污泥各组分比例会有所变化，比如我国的污泥重金属含量就相对较高，这是由于工业废水中镉、铬以及生活废水中铜和锌的存在^[9]。

1.2.2 剩余污泥现状及危害

跟随着城市化进程的脚步，新的市政污水处理厂的数量在不断增加，老的市政污水处理厂的规模在不断扩大，而同样剩余污泥的产量增长也十分惊人。据统计，截至到2017年6月，我国城镇累计建成污水处理厂达4063座，污水处理能力已达 1.78 亿 m³/d，伴随产生的市政污泥在3000～4000万t/年（含水率以 80%计）。预计到 2020 年，我国市政污泥产量将达到 6000-9000万t/年^[10]。就一座二级污水处理厂而言，产生的污泥量约占总处理污水的0.3—0.5％(体积)^[11]；更直观的数据是，几乎一半的污水处理厂的运行费用都将用于处置和处理剩余污泥。

如果剩余污泥没有经过有效的处理就排放到自然环境中，不仅污泥本身会腐烂发臭，滋生大量的病原菌和寄生虫卵，其中的重金属元素（Cu、Zn、Pb、Hg等）还会进一步污染土壤和地表水、地下水，对周围居民的身体健康存在着严重的威胁。此外，剩余污泥中有N，P和有机物等许多可再利用成分的潜在经济效益也不能被忽略。

1.2.3 剩余污泥处理技术

根据《城镇污水处理厂污泥处理处置技术规范》^[8]，我国污泥处理和处置应符合 “安全环保、循环利用、节能降耗、因地制宜、稳定可靠”的原则，污泥经“三化”处理后作为资源回用，目前已经成为世界的主流。随着人们对于环保意识的增强，污泥处理手段也在不停的发展进步，从最初的土地填埋，到现在的污泥堆肥、污泥焚烧以及一些新型处理方法等，对于污泥处理人们越来越重视其无害化与资源化利用。

（1）污泥填埋

污泥填埋即利用现成的生活垃圾场对剩余污泥进行填埋^[9]。填埋法是最早的处理剩余污泥的方式，因此它技术简单，成本低廉，实施起来也十分方便。但考虑到剩余污泥中往往存在着大量的病原菌以及不可忽略的重金属元素，简单的填埋法并不能满足现在社会上对于环境保护的要求，有可能会毒害地表植物，污染地下水资源。

（2）污泥堆肥

污泥堆肥分为厌氧堆肥和好氧堆肥两类，当前主流的用于处理污泥的堆肥法是在高温条件下的好氧堆肥。污泥堆肥是目前广泛采用的污泥资源化处理方式之一^[8]。有研究表明我国剩余污泥中有机质含量已接近四成，污泥施用可以改变土壤理化性质，降低土壤板结度，同时污泥使用污泥施入土壤可以加土壤中阳离子交换量，并且提高了土壤的保肥性能。

（3）污泥焚烧

污泥焚烧即在有氧条件下，以剩余污泥自身的有机物为燃料，实现污泥体积的减少和病菌杀灭^[12]。污泥焚烧法被认为是相当具有前景的方法，它的优点是处理过程迅速，处理量大和占地面积小等。通过焚烧剩余污泥不仅可以回收大量的能量反哺污水处理厂的供电，还可以将焚烧后的固体残渣制成建筑材料。不过，在焚烧剩余污泥前，必须对其进行脱水干化以确保充分燃烧，而焚烧过程也会不可避免地产生二嗯英等污染物。这些不足使得污泥焚烧法的投资需要不小的成本。

（4）新型处理方法

1. 湿式氧化

湿式氧化法（wet air oxidation，WAO）即在高温高压下利用氧化剂如空气将污泥氧化从而消除污染^[13]。

1. 微生物燃料电池

微生物燃料电池（microbial fuel cells，MFC）是通过微生物催化作用，降解有机物，并产生电能^[14]。微生物燃料电池效率高、无污染、燃料来源广泛、反应条件温和，对严峻的资源与能源形势下的污泥资源化利用有积极意义。

1. 等离子体技术

等离子体技术即电弧等离子体产生的高温减少污泥含水率并降解有机物的过程^[12]。能够改变污泥性质、降低污泥沉降性，对污泥有良好的水解效果。等离子体技术应用前景广阔，但目前受限于它的高能耗和昂贵的操作费用。

• 1. 餐余垃圾和剩余污泥联合发酵产酸

1.3.1 发酵原理

厌氧发酵即厌氧生物处理,是一种利用微生物自身的新陈代谢作用而实现有机固体废弃物处理的方法^[15]。厌氧消化的三阶段理论,即水解发酵阶段、产酸脱氢阶段和产甲烷阶段^[16]。

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