（1）好氧堆肥的原理及工藝系統(tǒng)

好氧堆肥是在有氧條件下，利用好氧微生物的新陳代謝活動將堆體中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為易于被動植物利用的飼料或肥料。好氧堆肥堆體溫度較高，一般在50℃~60℃，也稱為高溫好氧堆肥。堆肥過程一般分為2個階段，一階段是高速堆肥階段，第二階段是熟化階段，通常在堆肥過程中需要投加添加劑，以提高堆肥底物的可生物降解性和增加堆體通風(fēng)性能。好氧堆肥技術(shù)降解有機(jī)質(zhì)速度快、堆料分解徹底，同時能有效殺滅病原微生物，是處理有機(jī)質(zhì)固體廢物的一種有效手段。

好氧堆肥的工藝系統(tǒng)主要有朵垛式、強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛式和反應(yīng)器系統(tǒng)三類。反應(yīng)器式系統(tǒng)是一種環(huán)境可控的堆肥方式，通常對物體封閉的容器控制通風(fēng)和水分條件，是物料進(jìn)行生物降解和轉(zhuǎn)化。其不同于前兩種系統(tǒng)的特點在于相對于外部環(huán)境的獨立性，因此在實驗中反應(yīng)器系統(tǒng)得到了廣泛的研究與應(yīng)用，常用的反應(yīng)器堆肥系統(tǒng)有固定床式、包裹式、攪動倉式。

（2）好氧堆肥的影響因素及研究進(jìn)展

好氧堆肥技術(shù)廣泛應(yīng)用于城市生活垃圾、污泥和家禽糞便等高有機(jī)質(zhì)固體廢物的處理。廚余垃圾的有機(jī)物含量高，營養(yǎng)元素豐富，C/N適中，非常適用于作堆肥原料，因此在我國的一些大中城市也逐漸將好氧堆肥法作為廚余垃圾資源化處理的一種方式，例如北京南宮廚余垃圾好氧堆肥處理廠。目前廚余垃圾好氧堆肥的研究主要集中在堆肥微生物的選擇和控制、堆肥反應(yīng)器的改進(jìn)、工藝條件控制優(yōu)化以及堆肥添加劑的應(yīng)用等方面。

微生物種類和活性是影響堆肥熟化時間和堆肥質(zhì)量重要的因素。好氧微生物吸收利用有機(jī)物的能力取決于他們產(chǎn)生的可以分解底物酶的活性，堆肥底物越復(fù)雜，所需要的酶系統(tǒng)就越多且越綜合。好氧堆肥中有機(jī)物底物的降解主要是以細(xì)菌、放線菌和真菌等為主的微生物共同作用的結(jié)果，在堆肥過程的不同階段存在不同的優(yōu)勢菌群，在低溫期（<55℃）和高溫期（>55℃）微生物群落結(jié)構(gòu)差別較大。通常影響微生物活性的生態(tài)因子，如水分、底物C/N、氧含量、溫度和PH等均影響好氧堆肥過程，因此在好氧堆肥過程中需合理控制這些生態(tài)因子，以使微生物對有機(jī)底質(zhì)的分解處于好的水平。

專家學(xué)者對影響廚余垃圾好氧堆肥過程的工藝條件進(jìn)行了大量的研究和優(yōu)化。邵蕾等利用自制食物殘渣好氧堆肥實驗研究表明，該類垃圾堆肥可在4天內(nèi)完成，堆肥過程分為兩個階段，一階段發(fā)生在8-12小時，溫度為48~52℃，第二階段發(fā)生在55-65小時，溫度為55-62℃，堆肥過程中二氧化碳的形成和氧氣的利用率與溫度成線性關(guān)系。韓濤等在討論單一因素對廚余垃圾堆肥進(jìn)程影響的基礎(chǔ)上，對廚余垃圾好氧堆肥的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，通過實驗得出的較好堆肥條件為環(huán)境溫度40℃、含水量50%、粒徑30mm、通風(fēng)量4L/min。其中環(huán)境溫度對堆肥過程影響明顯。席北斗等研究了不同膨松劑對廚余垃圾堆肥過程中理化特性的影響，結(jié)果表明添加馬糞和鋸末可明顯改善堆料空隙率，吸收多余水分，同時可加速氧和有機(jī)物的傳輸速率，改善好氧堆肥的微環(huán)境。楊廷梅等研究了廚余分別于木屑和下腳料混合后好氧堆肥過程中微生物和氮素的變化情況，結(jié)果表明：與廚余堆肥相比，潛腳堆肥具有初始水溶性高、堆肥PH低、高溫持續(xù)時間久、二氧化碳釋放率高、氮素?fù)p失低和肥料含氮量高等特點。

（二）廚余垃圾厭氧發(fā)酵技術(shù)

（1）厭氧發(fā)酵對有機(jī)質(zhì)的降解原理

厭氧發(fā)酵是一個多步驟、多種微生物參與的過程。厭氧發(fā)酵被普遍認(rèn)為是一個三個階段的復(fù)雜反應(yīng)過程，即水解階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和甲烷階段。在整個厭氧發(fā)酵過程中，通過三大菌群（發(fā)酵性細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和甲烷菌）的相互協(xié)同作用，使復(fù)雜的有機(jī)物降解為CH2、H2和CO2等氣體。

厭氧發(fā)酵過程中有機(jī)質(zhì)的降解機(jī)理主要包括丁酸型、內(nèi)酸型和乙酸型3中類型�？扇苄蕴妓�化合物的發(fā)酵類型以丁酸型為主，發(fā)酵的主要末端產(chǎn)物為丁酸、乙酸、H2、CO2和少量的丙酸；含氮有機(jī)化合物主要以丙酸型發(fā)酵為主，其特點是氣體的產(chǎn)生量很少：乙酸型發(fā)酵的末端發(fā)酵產(chǎn)物以乙酸、乙醇為主，發(fā)酵液中含有大量的H+，對產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷都有優(yōu)勢。

（2）厭氧發(fā)酵的影響因素及研究進(jìn)展

目前廚余垃圾的厭氧發(fā)酵技術(shù)研究主要集中在水解酸化工藝及反應(yīng)器的設(shè)計、產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷菌種的選擇與分離、發(fā)酵過程工藝條件的優(yōu)化以及兩相法產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷等方面。

對于廚余垃圾這種大分子有機(jī)物來說，蛋白質(zhì)、糖類和脂肪等大分子的降解十分重要，水解酸化程度的高低將直接影響生物氣的產(chǎn)率，水解酸化程度的好壞除了與操作條件有關(guān)外，還與反應(yīng)器的設(shè)計構(gòu)造有關(guān)。史紅鉆等對酸化反應(yīng)器做了改進(jìn)，實現(xiàn)了酸化液與未消化固定物料的分離，可將水解酸化過程中產(chǎn)生的酸化液及時地提取出來，而未消化的固體物料則繼續(xù)留在酸化反應(yīng)器進(jìn)行酸化，達(dá)到了對未消化物料的徹底酸化。李一平等研究了兩相法中PH對廚余垃圾酸化過程的影響，結(jié)果表明在PH=7時，86%的總有機(jī)碳（TOD）處于溶解性狀態(tài)，大多數(shù)蛋白質(zhì)可被降解形成氨氮，氨氮增加了體系對酸的緩沖能力，因此提高了廚余垃圾的水解和酸化速率，同時酸化產(chǎn)物中乳酸的濃度相對更低，這個后續(xù)的產(chǎn)甲烷階段創(chuàng)造了良好的條件。

廚余垃圾厭氧產(chǎn)氫通常和水解酸化在同一個反應(yīng)器內(nèi)完成。產(chǎn)氫效率受產(chǎn)氫菌種、生態(tài)因子（如PH、氧化還原電位ORP、溫度和底物等）以及水力停留時間等因素的限制。通常利用產(chǎn)氫菌比產(chǎn)甲烷菌能耐受更寬的PH，產(chǎn)氫發(fā)酵細(xì)菌的生長速度比產(chǎn)甲烷細(xì)菌快的特點，通過改變PH和水力停留時間等參數(shù)來實現(xiàn)對產(chǎn)氫細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌動態(tài)分離，提高反應(yīng)器的產(chǎn)氫能力。任南琪等在高效產(chǎn)氫菌的分離、產(chǎn)氫菌的生態(tài)因子優(yōu)化方面做了大量的研究工作。而在廚余垃圾產(chǎn)氫的實驗研究中，產(chǎn)氫菌源則主要來自污泥。張振宏等分別研究了活性污泥、礦化污泥和礦化垃圾作為產(chǎn)氫菌源對廚余垃圾產(chǎn)氫的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)活性污泥的產(chǎn)氫效果好，其氫氣濃度和產(chǎn)氫量分別為47.1%和100mL/g。李東等利用活性污泥作為發(fā)酵產(chǎn)氫菌源，利用不同化學(xué)組成的廚余垃圾在反應(yīng)器中進(jìn)行了發(fā)酵產(chǎn)氫，結(jié)果表明富含糖類垃圾的產(chǎn)氫能力是脂類和蛋白類垃圾的20倍。付鐘等對廚余垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程的研究表明，在發(fā)酵溫度為55℃，PH在6.0-7.0時，發(fā)酵反應(yīng)速率快，PH對發(fā)酵過程影響較小，COD的產(chǎn)氫率為0.48mol/g。楊占春等利用高溫預(yù)處理過的活性污泥作為種泥，對廚余垃圾厭氧發(fā)酵制氫的工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，得到的氣體中氫氣的體積可達(dá)60%，氫氣的產(chǎn)生速率為5.49m3/(m3.d)。

產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷是一個相互競爭的過程，特別是產(chǎn)甲烷對PH的依賴性較強(qiáng)，水解酸化階段形成的酸性物質(zhì)可能抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，因此實驗研究中比較常見的是將產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷2個階段分開在不同的消化反應(yīng)器中進(jìn)行（兩相法）以提高底物的利用和產(chǎn)甲烷速率。兩相法產(chǎn)甲烷的研究主要集中在水解酸化反應(yīng)器的設(shè)計改進(jìn)以及運行工藝參數(shù)的優(yōu)化方面。潘堅等試驗規(guī)模的單相反應(yīng)器和兩相反應(yīng)器處理廚余垃圾，結(jié)果表明采用兩相處理工藝時甲烷量可以提高約20%。然而，盡管在研究報道上兩相法多于單相法，但在工業(yè)應(yīng)用方面，歐洲城市有機(jī)垃圾單相發(fā)酵占了優(yōu)勢，兩相發(fā)酵占10.6%，這可能是由于現(xiàn)有的兩相厭氧發(fā)酵工藝在消化時間和處理效果方面未表現(xiàn)出比單相明顯的優(yōu)勢，而在系統(tǒng)操作和維護(hù)方面卻比單相更加復(fù)雜的緣故。

兩相法也可以將產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷結(jié)合起來，即在第1反應(yīng)酸化產(chǎn)氫，產(chǎn)氫殘渣經(jīng)過調(diào)節(jié)后在第2反應(yīng)器進(jìn)行產(chǎn)甲烷。肖本益等設(shè)計了1中廚余垃圾兩相法厭氧產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷的技術(shù)，即將廚余垃圾經(jīng)預(yù)處理后，進(jìn)入第1發(fā)酵罐進(jìn)行厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵，發(fā)酵后沼渣進(jìn)入第2發(fā)酵罐進(jìn)行厭氧產(chǎn)甲烷，從而使廚余垃圾中的有機(jī)質(zhì)得到充分利用。陳迪明也對廚余垃圾產(chǎn)氫后的殘渣進(jìn)行了產(chǎn)甲烷研究，結(jié)果表明在污泥接種量為60%時，產(chǎn)氫殘渣進(jìn)行靜態(tài)發(fā)酵獲得更高甲烷產(chǎn)率為441mL/g，產(chǎn)氫殘渣動態(tài)發(fā)酵負(fù)荷為60%kg/(L.d)，此時獲得甲烷平均產(chǎn)率370mL/g。