餐厨垃圾有机质含量丰富、含水量高、油脂含量高,如果不妥善处理,必然会对环境及人类健康构成威胁。厌氧发酵是餐厨垃圾众多处置途径中资源化处置的首要研究方向。湿式厌氧发酵有机转化效率不高,同时会产生大量沼液,致使二次污染。干式厌氧发酵相比之下具有耗水少、能源转化效率高、无沼液产生,沼渣可进行堆肥、实现全组分利用等优势。但干式厌氧发酵没有流动自由水,传质传热效果差,易造成微生物生长代谢不均匀等阻碍。干式发酵中现有搅拌工艺一定程度上可以克服干式厌氧发酵中质热传递问题,但外加剪切力会破坏稳定结合的微生物菌团,造成发酵效率下降。为克服干式发酵的问题,保持体系内微生物高效率生长代谢,本文采用自行设计滚动式质热交换反应器,利用罐体滚动代替搅拌,克服了干式发酵中传质传热效率低、微生物局部环境差异从而导致的发酵效率低甚至启动失败等问题,且不会因为搅拌的外力破坏微生物菌团。为验证其发酵性能,该研究利用餐厨垃圾在中温条件下进行批次发酵试验,同时与搅拌式厌氧发酵反应器、湿式厌氧发酵反应进行对比分析,主要研究结果如下:(1)设计的适用于餐厨垃圾干式厌氧发酵的滚动式发酵反应器,成功解决了干式发酵中存在的问题。整套反应器分为预处理罐和发酵罐两部分,有效体积均为10 L。使用时,将底物加入到预处理罐中,利用氮气排尽残余空气,而后与发酵罐对接,将底物排入发酵罐进行厌氧发酵;待一批底物发酵完全,排出发酵残渣,通过预处理罐将新一批除氧后底物加入到发酵罐中进行下一批次试验。预处理罐的存在避免了直接向发酵罐中投加底物带入过多氧气以及氮吹破坏原有稳定发酵环境。气体收集口与罐体连接处,采用轴密封结构以保证反应器内部的厌氧环境。(2)餐厨垃圾干式中温批次厌氧发酵研究。采用有效体积同为10 L的滚动式反应器(反应器A)及搅拌式反应器(反应器B)开展实验,反应器A中甲烷体积分数经4天后即突破50%,最高接近74%。pH值随发酵过程的推移先下降后升高,进而稳定。体系中累积挥发性脂肪酸以丙酸、乙酸为主,总酸最高达10000mg/l。系统反应至中期,乙酸几乎无积累,丙酸也逐渐被消耗至较低浓度。VS去除率高达68.74%,绝大部分有机物在发酵过程中均被分解。微生物群落结构在不同时期呈现动态变化,体系中发现21个菌门及7个优势菌门,厚壁菌门(Firmicutes)是发酵体系绝对的优势菌门。广古菌门(Euryarchaeota)是最主要的古菌门,其门水平下,混合营养型的甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)、氢营养型的甲烷囊菌属(Methanoculleus)以及氢营养型的甲烷杆菌属(Methanobacterium)为优势甲烷菌属。反应器B系统启动后,pH值迅速降低,体系严重酸化,发酵启动失败。说明与搅拌式反应器相比,滚动式反应器具有发酵启动快、体系更加稳定等优势。(3)餐厨垃圾湿式中温批次厌氧发酵研究。采用湿式厌氧发酵反应器(反应器C)开展试验。系统启动后,沼气产量迅速升高,而后下降最终稳定。6 d后甲烷体积分数接近55%,最高达76%。pH值先下降后缓慢上升。体系中累积挥发性脂肪酸以乙酸、丁酸为主,总酸最高达14500 ml/L。伴随发酵进行,各种酸以几乎相同的趋势先上升后被逐渐降解至较低水平。VS去除率达53.11%。体系中发现28个菌门及11个优势菌门,厚壁菌门(Firmicutes)相对丰度占比最高。广古菌门(Euryarchaeota)同样是最主要的古菌门,其门水平下的混合营养型的甲烷八叠球菌(Methanosarcina)、氢营养型的甲烷囊菌属(Methanoculleus)、氢营养型的甲烷杆菌属(Methanobacterium)和混合营养型的甲烷粒菌属(Methanocorpusculum)为优势甲烷菌属。(4)干、湿式餐厨垃圾中温批次厌氧发酵结果对比分析。结果表明:干式厌氧发酵体系产气量及甲烷产量相对更高,但水力停留时间更长,甲烷体积分数波动较大;在累积挥发性脂肪酸以丙酸为主的情况下,pH及体系稳定情况未受较大影响;干式发酵中,细菌菌群生态大幅优于湿式发酵,在气—固界面上,产生了更好的生态多样性,大分子降解成小分子的菌群多样性更好;产酸类细菌中,干式发酵则丰度更高,为甲烷发酵提供了更多的底物原料,这也印证了干式发酵中有机质去除率更高的结论;古菌菌群生态中,嗜氢途径菌更占优势,使得干式发酵的甲烷产率更加良好。同时结果也显示,一旦克服了干式发酵中存在的问题,其发酵效率、经济效益等均强于湿式发酵。(5)通过餐厨垃圾中温批次厌氧发酵试验及对比试验,成功的验证了新设计的滚动式反应器能够高效的通过厌氧发酵对固体餐厨垃圾进行处理,并且相对搅拌式干式厌氧发酵、湿式厌氧发酵均具有不同程度的优势,体系耐冲击能力强、处理程度高,可为后续城市固体垃圾厌氧处理提供依据及经验。