超高温菌好氧发酵处理厨余垃圾工艺及机制研究

作     者：侯文涛 

作者单位：沈阳建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄殿男

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081703[工学-生物化工] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0836[工学-生物工程] 082203[工学-发酵工程] 0822[工学-轻工技术与工程] 

主      题：厨余垃圾 超嗜热菌好氧发酵 工艺优化 除油、除盐效果 

摘      要：2017年3月,国家发展改革委员会、住房城乡建设部联合发布了《生活垃圾分类制度实施方案》(以下简称《方案》)起,生活垃圾的处理就成为社会的关注的重点,而作为占据生活垃圾30%～50%的厨余垃圾自然而然也成为了处理的重点。截止到2018年中国易腐垃圾产生量达到1.08亿t,其现有的处理能力早已经达到饱和,且“垃圾围城已成为大多数城市面临的主要环境问题之一。由于厨余垃圾具有高油、高盐的特性,使得传统的高温堆肥处理方法效率低下。但随着近几年在好氧发酵技术基础上发展出来的超高温菌好氧发酵技术被越来越多的人关注到。相比高温发酵厨余垃圾,超高温好氧发酵以其超高的温度、较短的周期、腐熟效果良好等特点逐渐受到大家的重视,与其相关的论文也在逐年递增。本研究主要针对厨余垃圾的处理,采用超高温菌好氧发酵技术,分别进行了针对性的工艺优化研究、不同基质与基质不同比例对厨余垃圾发酵能力研究,发酵过程微生物群落主体结构的变化以及对高油、高盐降解能力方面的研究。主要研究结论如下:针对工艺优化的实验研究表明:以发酵过程中所达到的A(外界温度)、B(通风量)、C(初始含水率)、D(翻堆频率)为正交实验的指标,分别对发酵温度、通风量、翻堆频率、初始含水率四个工艺参数进行了优化分析。之后采用综合平衡法、评估法,综合分析各组优化工艺对发酵的影响程度,以得到最优工艺条件。当外界温度为25℃、含水率为50%、通风量为5m/(m·h)时、翻堆频率为4d/次时,堆肥的综合处理效果最好。研究相同基质在不同比例下的效果研究:基质即为微生物提供营养元素的物质,添加基质可以降低堆体中油脂、盐分的含量、降低堆体粘度、加速小分子物质流动、为微生物提供适宜的生长环境,以此来提高超高温菌好氧发酵厨余垃圾效果。本实验选用牛粪作为基质,通过调节牛粪与厨余垃圾的比例来探究好氧发酵厨余垃圾最合理的搭配比例。牛粪和厨余的混合比例分别为3:1、1:1、0:1,逐步提高厨余垃圾的占比进行了三次堆肥实验;重点研究了超高温对厨余垃圾的处理影响以及基质调节策略的效果。同时设立未经基质调节的厨余垃圾单独堆肥形成对照。结果表明:在超高温实验当中,三组堆肥实验不依靠外源热源加热,平均温度能够达到80℃以上,最高温度分别达到了84℃、84℃、81℃,厨余垃圾所具有的高盐、低p H问题得到一定的改善;同时对堆肥产物的腐熟度进行了检测,种子发芽率分别为92%、98%、90%,GI≥80%,碳氮比分别为8.95、8.95、8.37,C/N≤10,符合腐熟要求。当牛粪与厨余垃圾比例为1:1时,堆肥发酵温度、C/N,种子发芽率等指标效果最好,均达到厨余垃圾的资源化效果最好。说明基质与厨余垃圾比例为1:1时,超高温好氧发酵厨余垃圾效果最佳。研究不同基质对超高温菌好氧发酵厨余垃圾的效果研究:在经过上述实验确定了最佳比例后,本实验结合各种废弃物的特点,研究不同基质超高温菌好氧发酵厨余垃圾的效果。采用厨余+辅料、厨余+鸡粪+辅料、厨余+牛粪+辅料比例分别为1:3、1:1:3、1:1:3进行堆肥,辅料是来源于上一次的堆肥产物,并设厨余+辅料为R1组、厨余+鸡粪+辅料为R2组、厨余+牛粪+辅料为R3组.结果在超高温实验当中,R2组花费15天,氮、磷等营养元素最高,资源化能力强,且C/N为6.92、种子发芽率为96%,满足腐熟度要求;R3组花费9.8天,反应周期最短,且C/N为8.55、种子发芽率为94%,满足腐熟度要求;R1组花费12.6天,C/N为9.59、种子发芽率为89%,相比较于R2、R3组,厨余处理效果最差。研究超高温菌好氧发酵厨余垃圾过程中超高温优势菌的变化及油、盐降解方面的优势:本实验采用厨余+堆肥腐熟成品+禽畜粪便比例为1:2:1进行堆肥,并设对照组S。在其实验中我们可以发现在超高温菌好氧发酵过程中,芽孢杆菌是绝对的优势菌种,且嗜盐菌芽孢八叠球菌(Sporosarcina)、除油菌复合芽孢杆菌(Compostibacillus)占比分别达到了29.06%、3.93%,且在超高温阶段检测到了固硫、固氮菌红螺菌(Rhodospirillaceae)占比为3.72%,油脂、盐分含量则是分别从原来在堆体当中的1.94%、3.62%降到了0.15%、0.88%,种子发芽率也能够达到90%以上。由此我们得出一个结论,在堆肥过程中,超高温菌所产生的高温不但加快油脂、盐分的消耗,也在一定程度上促进了相关菌种的生长,提高了对厨余垃圾的处理能力,并推测芽孢杆菌科(Bacillales、Compostibacillus、Bacillaceae＿2)、高温放线菌科(Planifilum)可能是作为推动好氧发酵厨余垃圾能够达到80℃以上的主要菌群。