生活垃圾微生物强化两相干式厌氧发酵技术的研究及应用

王毅琪　韩文彪　陈灏　赵玉柱　乔慧　闫强

摘要 综述了生活垃圾厌氧发酵研究现状，包括湿式厌氧发酵和干式厌氧发酵、单相厌氧发酵和两相厌氧发酵、中温厌氧发酵和高温厌氧发酵，阐述了微生物强化技术在污水处理、生活垃圾堆肥、环境修复等领域的应用，介绍了稀土元素对微生物的强化作用机理，在此基础上，提出了微生物强化两相干式厌氧发酵工艺流程，该工艺包括微生物强化菌剂、两相干式中温厌氧发酵、发酵剩余物利用三大系统。

关键词 生活垃圾；稀土；微生物强化；厌氧发酵

中图分类号 S181 文献标识码 A 文章编号 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

生活垃圾及其他有机废弃物是制约资源和环境保护的瓶颈。目前有机固体废弃物的处理技术主要有焚烧、卫生填埋、堆肥和厌氧发酵等，但是这些技术存在一些弊端，如焚烧易导致二噁英类物质产生，使处理成本增加；填埋易产生大量渗滤液，还会产生H2S等恶臭气体和甲烷；堆肥处理占地面积大、堆肥时间长、卫生条件差等。生活垃圾及其他有机废弃物如果得不到快速有效的处理必将会对公共环境卫生安全和经济发展造成极大威胁[1]。因此，需要最大限度地实现有机废弃物的“减量化、资源化和无害化”。厌氧发酵技术能耗小、需水量少、运行稳定，关键是产物无二次污染，是目前国内外较为青睐的生活垃圾及其他有机废弃物的综合处理技术[2]。笔者拟将微生物强化技术与两相干式厌氧发酵技术相结合，利用稀土尾矿粉对厌氧发酵菌种进行微生物强化，在减少稀土尾粉矿污染环境的前提下，培养、制备了高浓度、高活性的微生物菌剂，以此建立了一种高效生活垃圾及其他有机废弃物处理技术——“微生物强化两相干式厌氧发酵”工艺，以期为实现生活垃圾及其他有机废弃物处理的“减量化、资源化、无害化”目标提供参考与借鉴。

1 生活垃圾厌氧发酵研究现状

按照厌氧发酵的操作条件和运行方式，可将厌氧发酵处理技术分为多种类型，按固体含量，可分为湿式厌氧发酵（TS<15%）和干式厌氧发酵（TS为20%～40%），干式发酵与湿式发酵相比，具有自身耗能低，沼气质量高、设备效率高、处理成本低、可直接处理城镇有机固体废弃物等优点[3-5]（表1）；按发酵阶段数，可分为单相厌氧发酵和两相厌氧发酵，两相厌氧发酵与单相相比，实现了生物相的分离，使产酸阶段和产甲烷阶段在2个系统中进行，分成2个独立的处理单元，优化了产酸产甲烷过程，从而可以更加简单、容易地调控2个单元的运行参数，使不同发酵阶段都能保持各自最佳的生产条件，很大程度上缩短了处理周期和工艺运行的稳定性[6]（表2）；按照温度高低，可分为常温、中温和高温厌氧发酵，常温厌氧发酵能耗较低，但是发酵周期长，产气效率低，高温厌氧发酵虽然可以缩短发酵周期、提高产气效率，但是能耗高、系统稳定性差，对发酵控制要求高，而中温厌氧发酵技术与常温、高温相比，产气较稳定，发酵条件易控制、操作相对简单，因此目前仍以中温厌氧发酵为主[7]（表3）。因此，两相干式中温厌氧发酵技术应是处理生活垃圾及其他有机废弃物较为理想的方式，然而，我国正处于两相干式厌氧发酵的起步阶段[8]，在条件控制、处理设备等方面仍有较大的提升空间。

2 微生物强化技术研究现状

厌氧发酵是在无氧条件下利用厌氧微生物生化作用降解有机物的过程，因此菌群活性对于厌氧发酵过程至关重要。微生物强化技术是指通过向传统的生物处理系统投入具有特定功能的微生物，提高有效微生物的浓度和活性，增强其对某些有机物的降解能力，提高降解速率[10]。微生物强化技术在世界各国的环境保护领域中已得到广泛应用，在生活污水及一般工业废水处理、生活垃圾堆肥、清洁可再生能源开发、环境污染修复等方面都显示出巨大的优越性[11-12]。

2.1 在污水处理中的应用

微生物强化技术可高效去除废水中的COD和BOD5，具有改善系统污泥性能、加速启动、提高系统抗负荷冲击能力和稳定性的作用。目前已经被广泛应用于治理高浓度有机废水、有毒、有害难降解污染物的治理，强化废水中油脂的液化和降解，江河湖泊等水体修复和地下水生物修复等方面[13-14]，效果显著。

2.2 在堆肥中的应用

堆肥技术主要是利用自然界广泛分布的土著微生物（细菌、放线菌、真菌等）的相互协同作用，促进垃圾中可生物降解的有机物向稳定的腐殖质生化转化[15-16]。有研究显示，微生物强化可提高木质素降解率，达43.9%，提高堆肥腐殖化程度达54.1%，使有机物降解更为彻底[17]。其最终产物可作为绿色有机肥料或用作土壤改良剂，使有机物质实现循环再利用。

2.3 在其他领域中的应用

近年来，随着微生物强化技术的不断发展与改进，其应用范围由传统的工业污水处理领域逐步向多领域扩展。有研究显示，微生物强化技术可提高石油采收率，且发展日趋成熟[18]；在污染土壤修复方面可促进修复植株的生长，增加生物量，提高修复土壤效率[19]；在制酒过程中通过微生物强化作用可提高优势菌群的种类和数量，提高酿酒品质[20]，同时在人体排泄物、餐厨垃圾等领域也应用较广，逐步成为生活有机污染物处理的重要方式。

由此可知，微生物强化技术能够将有机物快速分解为稳定无害的小分子物质，可以有效促进有机物的降解，且见效快、能耗低、成本低、反应条件温和、操作简单、无二次污染，因此可以在生活垃圾及其他有机废弃物中利用该技术进行厌氧发酵，是一种潜在的有机垃圾高效处理技术。

3 稀土元素对微生物强化作用机理研究现状

稀土元素由元素周期表中第六周期的镧系元素镧（La）、铈（Ce）等 17个元素组成。研究显示，若处理不当，稀土元素会对环境造成严重污染[21]，但丰富的稀土资源蕴藏着巨大的经济价值，在工业、农业及环境治理方面都具有独特而显著的功效。

稀土元素化学性质活泼，仅次于碱金属和碱土金属，不但可与某些物质迅速结合，而且结合后不易分离[22]。研究发现，稀土对细菌、真菌等微生物有一定生长刺激作用，如布鲁氏菌、谷氨酸杆菌、酵母菌等。Liu等[23]研究发现，La3+能明显改变与细胞渗透性相关的外膜结构，影响膜的通透性、能量代谢及信息传递。Li等[24]研究了稀土对大肠杆菌的影响，结果表明，La3+在高浓度时可刺激大肠杆菌代谢，但对于基因表达影响不明显；在低浓度时可显著抑制大肠杆菌对外部DNA的吸收，降低转化率。Kumark等[25]研究发现，稀土铋（Tb）可与大肠杆菌紧密结合，促进能量转换，加速细菌生长。宋香等[26]研究发现，在一定浓度范围内稀土元素对生长前期谷氨酸棒杆菌酶的活力和生长均有促进作用。

因此，适量稀土的添加有提高微生物浓度和活性的作用，可用于培养厌氧发酵的高浓度、高活性微生物菌剂。如内蒙古自治区有着丰富的包括稀土尾矿粉在内的稀土资源，利用稀土独特而显著的促进微生物生长的特性，可采用微生物强化技术培养和制备高浓度、高活性菌剂。

综上考虑，利用稀土尾矿粉对厌氧发酵微生物进行强化，用于两相干式厌氧发酵，可缩短发酵周期，提高产气效率，为生活垃圾及其他有机废弃物处理处置开辟新的发展方向。

4 微生物强化两相干式中温厌氧发酵

利用稀土尾矿粉对厌氧发酵菌种进行微生物强化，然后用于生活有机垃圾两相干式厌氧发酵过程，该过程分为微生物强化菌剂、两相干式厌氧发酵、发酵剩余物利用三大系统，主要工艺流程如图1所示。

4.1 微生物强化菌剂系统

微生物强化菌剂系统包括2个部分，一部分为产酸菌群和产甲烷菌群分离纯化及稀土元素促进微生物强化，制备高活性、高浓度微生物菌剂；另一部分为渗滤液回流作为复合菌调节物料酸度、增加微生物的种类和多样性，以达到加快反应速率、提高降解率的效果。

4.2 两相干式中温厌氧发酵系统

预处理后的发酵原料（生活垃圾、粪便、秸秆等）加入两相干式厌氧发酵罐中的同时，罐体上方的喷淋装置释放产酸菌，将原料和微生物充分混合，经一定停留时间，采用机械叶轮推进式装置由产酸区进入产甲烷区，经渗滤液回流喷淋调节物料酸度，中后期喷淋加入产甲烷菌剂。发酵温度（35±1）℃，通过保温系统满足发酵所需温度，发酵初期pH在6.5以上，发酵周期25 d，发酵产生的沼渣进入堆肥系统，沼气进入净化提纯系统。

4.3 发酵剩余物利用系统

生活垃圾及其他有机废弃物经厌氧发酵之后，可将发酵沼渣直接进行好氧堆肥。首先在物料中加入调理剂，调节堆体的理化特性（C/N=25～30），然后加入接种菌群，对堆体进行好氧堆肥，制备高品质的生物肥料。沼气通过净化提纯系统制取压缩天然气（CNG）。

5 结语

通过应用微生物强化技术，利用稀土尾矿粉对厌氧发酵微生物进行强化，不仅减少了稀土尾矿处理不当对环境造成的污染，还能制备高浓度、高活性的微生物菌剂，用于生活垃圾及其他有机废弃物处理，结合两相干式厌氧发酵技术，能建立一套产气效率高、能耗低、投资少、资源化利用程度和无害化水平较高的发酵工艺——“微生物强化两相干式中温厌氧发酵”工艺，对推动我国生活垃圾及其他有机废弃物的高值利用和无害化处置技术进步是非常必要的，具较广阔的市场发展前景。

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