李勋耀
1 试验目的
基于餐厨垃圾现有工艺中，预处理车间不可避免的产物产量大，填埋成本大的原因，进行挤压渣的减量化试验，减少挤压渣的处理成本或综合利用。
2 试验方法
餐厨垃圾主要成分包括米和面粉类食物残余、蔬菜、动植物油、肉骨等，从化学组成上，有淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐。挤压渣主要是油、水、果皮、蔬菜、米面、鱼、肉、骨头、毛发以及废餐具、塑料、纸巾、牙签、玻璃等多种物质的混合物。挤压渣的含水率在65～80%，VS值在60～75%，因此，有机物占总重的20%左右。
本实验选择微生物处理法，生物处理系统去除有机物最重要的机理是细菌代谢。代谢涉及对有机物作为能源或碳源的利用。当有机物被利用作能源时，其被分解为稳定的最终产物，这一过程称为分解代谢。有机物被转变结合为细胞质的过程称为合成代谢。合成代谢是耗能过程，仅仅当同时发生分解代谢供给细胞物质合成所需的能量时才可能进行。分解代谢和合成代谢是互相依赖、同时发生的两个过程。微生物主要的生物代谢为：1）、氧化代谢；2）、发酵代谢；3）、合成代谢。
2.1 发酵代谢（厌氧产气法）
2.1.1 实验原理
有机物发酵分解代谢发生在缺乏氧化剂的条件下，这种情况发生分解代谢没有电子转移。厌氧消化过程是产生甲烷的过程，甲烷是最具还原态的化合物。从这种意义上讲，厌氧发酵是进行最彻底的发酵过程，伴随着产生甲烷，也形成最具氧化态的化合物-二氧化碳。对有机物CxHyOz，厌氧发酵过程可以写成：
CxHyOz+（4x-y-2z）/4H2O→（4x-y+2z）/8CO2+（4x+y-2z）/8CH4
在厌氧条件下，将污水中的复杂质转化为沼气，需要多种不同微生物种群的作用。Gujer和Zehnder（1983）描述了蛋白质、碳水化合物和脂类厌氧降解步骤的图式（见下图1）。据图，颗粒有机物降解为甲烷的过程包括六个步骤。1）生物多聚物的水解阶段；2）产酸作用阶段；3）β-氧化阶段；4）乙酸化阶段；5）同型产乙酸阶段；6）甲烷化阶段。
图1 复杂大分子的厌氧消化反应顺序
其中比较重要的一个阶段为（1）生物多聚物的水解阶段。大分子有机物分子量大，不能透过细胞膜直接为细菌利用。在水解阶段，它们被细菌胞外酶分解为小分子，这些小分子的水解产物能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用。这一过程由发酵细菌所分泌的胞外酶参与。碳水化合物（纤维素、半纤维素、淀粉、果胶等糖类）、蛋白质、脂肪、核酸等大分子物质，分别被不同的微生物水解成单糖（和双糖）、多肽（然后氨基酸）、多元醇、长链脂肪酸、甘油、嘧啶和嘌呤碱基等，同时还产生H2和CO2。
水解过程通常较缓慢，因此认为是大分子有机物或悬浮物厌氧降解的限速阶段。多种因素可能影响水解除速率和水解程度，如：水解温度、有机质在反应器内的停留时间、有机质的组成、有机质颗粒的大小、PH值、氨的浓度、水解产物（如挥发性脂肪酸）的浓度、胞外酶能否有效接触到底物，对水解速率的影响很大。
其中，虽然甲烷的生长温度很广，但不同温度类型的产甲烷菌存在一个很窄的最适宜的温度范围，并存在一最大值。这也是甲烷对温度十分敏感的原因。在达到最大值之后，产甲烷菌的活性下降规律与上升阶段是不对称的，即存在一个突降，这使得在高温菌群和中温菌群之间的交汇处出现低谷，这是由双锋曲线所造成。如图2。
图2 几种产甲烷菌在不同温度下的产甲烷活性
2.1.2 总固体（TS）的测定
将瓷坩埚洗涤后在105℃烘箱烘1h，取出瓷坩埚于干燥器中冷却，瓷坩埚降温至室温后称重。重复以上操作至瓷坩埚称量恒重，数据记为ag；取m1克试样（约25ml或1～2g污泥），置于坩埚，如果样品为污泥可将其与坩埚一起称重并记作bg。然后将样品的坩埚放入干燥箱，在105℃±2℃下干燥至恒重，干燥后的瓷坩埚与干料总重记作cg。结果计算公式：TS=（c-a）/（b-a）×100%。
2.1.3 实验条件
根据实验原理，初步对温度选为35℃，初始PH值调整为中性。
2.1.4 实验步骤
1）取适量当天鲜料，物料先经过高压锅加压处理（120℃，加压20min），按重量分装。
2）配制适量重量比为5%的红糖水（加热烧开）。
3）按照实验的干料比，称量菌种于锥形瓶中，并加入10～20ml5%的红糖水。
4）把加有红糖水的菌种放置在40℃水浴中恒温30min以上。
5）将恒温后的菌种对应加入到填装好的渣料中，并放置在35℃水浴锅中发酵。每天及时补充水浴锅的水，按时测量发酵后的总固体含量。
2.1.5 厌氧实验及数据
挤压渣水解试验-厌氧产气小试水解率曲线图
厌氧小试总共进行8组试验，在相同实验、相同菌种投加量的条件下，定性试验挤压渣的水解率。从8组的水解率看，整体水解效果不佳，最高为第7号的值37.17%，且与5号空样（不加菌）的值相同，说明菌种对挤压渣的水解效果不好。
2.1.6 实验结果
根据水解率的曲线图，整体水解率不高，初步判断为菌种对挤压渣水解不适应，或者是反应时间充足。同时考虑到工程实用上，反应时间比较长，罐体的体积比较大，投资成本高等因素，停止了厌氧产气实验。
2.2 氧化代谢（好氧实验）
2.2.1 实验原理
一般有机物的氧化还原反应可写成：
CxHyOz+（4x+y-2z）/4O2→xCO2+y/2H2O
4e+4H++O2→2H2O
2.2.2 实验条件
根据实验原理，初步对温度选为35℃，初始PH值调整为中性。
2.2.3 实验步骤
1）取适量当天鲜料，物料先经过高压锅加压处理（120℃，加压20min），按重量分装；
2）配制适量重量比为5%的红糖水（加热烧开）；
3）按照实验的干料比，称量菌种于锥形瓶中，并加入10～20ml5%的红糖水；
4）把加有红糖水的菌种放置在40℃水浴中恒温30min以上。
5）将恒温后的菌种对应加入到填装好的渣料中，并放置在35℃水浴锅中发酵。每天及时补充水浴锅的水，按时测量发酵后的总固体含量。
2.2.4 好氧实验及数据
经过反复试验，及选用了3个公司7个品种的菌种、酶进行试验，水解率都在40%以下。基于重复试验的结果都不高，甚至出现负值，可能原因是：从反应原理看，减少重量主要来自于CO2的排放，及部发水分的挥发，主要的水分还是吸附在无机质里，因此能减去的重量有限；另外，由于渣料的颗粒大，取值不均也会产生影响。基于以上原因，采用测量TS及剩余总重计算总固的减少量来计算已经反应的有机物的量。
从以上的数据可以看出，公司提供的菌种试样结果，对VS计算的有机物的去除量比较明显，另外，采用沼液作为菌种的试样的结果也比较稳定在40%～70%。采取沼液作为菌种，可以提高提出液的挥发酸及COD值，具体见表1。
挤压渣水解试验—好氧水解小试水解率曲线图
2.2.5 实验结果
从好氧试验的水解率来比较，总体的水解率也不高，没有明显的结果。但是从VS计算的有机物减量来看，是有一定去除率。结合以上结果，自培菌种和沼液对挤压渣的水解有效。
3 结论
对挤压渣水解菌种的筛选试验做出以下结论：
1）厌氧产气的菌种筛选容易，但对于工程操作比较困难，如进料、排料对设备要求比较高，反应的时间比较长，设备的投资成本大，从减量化的目的出发建议不选用；
2）好氧实验的菌种筛选关系到实验的方法，从单纯的好氧水解方式的试验结果看，水解率不高，但是，反应时间比厌氧的短，基本在7天左右，产生的液体不多，反应容器体积不大，在工程上比较容易实现。由于水解率不高，分析可能由其他因素影响，采用VS计算有机物减量的方法来分析，得到自培的菌种对挤压渣水解有很大的作用，同时，据现有的条件，采用沼液用为菌种也起到的去除效果。试验的其他公司的产品，水解率及去除率不明显。
基于以上的结论，及以减量化为目的，工程投资少易于实现等要求，建议选用沼液作为菌种，进厌氧罐前经过沼液进行提取，余渣经脱水后，进行烘干减量，烘干后的渣量可做肥或填埋。
参考文献
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[2]樊星，张锐，李兵.餐厨垃圾高温水解酸化过程研究[J].宁波大学学报，2015，28（1）129-132.
[3]许晓杰，冯向鹏，张锋，李冀闽.餐厨垃圾资源化处理技术.北京：化学工业出版社，2015.8.
