餐廚垃圾厭氧消化的研究進展和趨勢

劉安琪，夏 港，關昊為，徐冬紅，成 潛，張 靜

(武漢輕工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430023)

1 引言

我國城鎮化的快速發展和居民生活的水平的顯著提高，致使餐廚垃圾的產量急劇增大。目前，我國餐廚垃圾總產量高達2.1×108t/a，約占全球餐廚垃圾總產量的13.1%，并且其產量仍在持續升高[1～4]。據不完全統計，北京、上海等一線大城市餐廚垃圾產量均已超過1000 t/d[2, 5, 6]。由于餐廚垃圾的有機負荷和含水率較高，即使在常溫環境下餐廚垃圾也非常容易腐爛變質，污染環境，危害人體健康[7, 8]。

與此同時，餐廚垃圾含有豐富的淀粉、纖維素、蛋白質、脂肪和無機鹽等的營養成分，是一種理想的厭氧消化基質[9, 10]。厭氧消化技術是利用厭氧微生物來對餐廚垃圾中的有機物進行降解，同時生產沼氣的一種生物處理技術[11, 12]。與焚燒、填埋、好氧堆肥等處理方法相比，厭氧消化技術不僅對環境造成的污染相對較少，而且產生的沼氣是一種可再生且環境友好的生物燃料[12]。因此，厭氧消化產甲烷技術在餐廚垃圾處理過程中備受青睞。

本研究結合我國餐廚垃圾的特性及其厭氧消化的影響因素，著重對餐廚垃圾厭氧消化資源化處理技術的發展進行了分析，為餐廚垃圾的高效厭氧消化資源化處理及其推廣應用提供參考。

2 餐廚垃圾的特點

餐廚垃圾具體特點如下:①高含水率,高達80%～95%；②高鹽度；③高有機負荷；④高油脂；⑤富含氮、磷、鉀等微量元素，營養豐富；⑥低C/N；⑦易存在病原菌、病源微生物等；⑧易腐爛變質、發霉發臭、滋生蚊蠅、污染環境；⑨易生物降解。

3 餐廚垃圾厭氧消化過程中的影響因素

厭氧消化過程是一個多階段性的相輔相成的復雜生物質轉化過程，各個階段的優勢菌種各不相同，且各種菌在生理、營養需求，生長動力機制和對環境的敏感程度方面存在著很大的差異。因此，厭氧消化過程會受到各種生物因子和非生物因子的影響。常見的影響因素有：①溫度；②pH值;③有機負荷；④揮發性脂肪酸；⑤氨氮；⑥微量元素；⑦鹽度；⑧油脂；⑨接種污泥。

4 厭氧反應器

4.1 單相厭氧消化系統

單相厭氧消化系統中，水解階段、酸化階段和產甲烷階段是在一個相同環境的反應器中同時發生[2, 13, 14]。由于各個階段的厭氧微生物的特異性，該單相厭氧消化系統不能滿足各階段都在其最佳反應條件下運行的要求，所以產氣效率和穩定性較低，易發生酸抑制、氨抑制。但是，這種厭氧消化工藝簡單，是目前應用最廣泛的一種厭氧消化反應方式。

4.2 兩相厭氧消化系統

兩相厭氧消化系統中，水解和產酸反應在第一個反應器中進行，然后發酵液進入第二個反應器內進行產甲烷[15]。由于厭氧消化不同階段的分離，可以同時使不同的厭氧微生物處于各自最適的生存環境中，增加生物量，降低酸抑制風險，提高厭氧消化效率及穩定性。與單相厭氧消化系統相比較，兩相厭氧消化系統：①可以同時高效地產H2和CH4;②穩定性更高;③更好地調控產甲烷過程;④縮短消化時間;⑤總能產量顯著增加[2, 13]。因此，近幾年兩相厭氧消化工藝在有機固廢處理中的應用越來越多，且運行效果良好。

5 預處理

5.1 物理預處理

物理預處理主要包括機械預處理和熱處理[8]。機械預處理主要是粉碎固體顆粒底物，以釋放細胞內復合物，并增加其特異性表面積。增加的表面積可以促進底物和厭氧細菌的接觸，從而提高厭氧消化效率。熱預處理的主要作用是破碎基質的細胞膜，以促進有機物的水解過程，進而強化厭氧消化效率[16]。常見的熱預處理有蒸汽加熱、電加熱和微波加熱，且3種預熱處理方法的效果相差不大。

5.2 化學預處理

化學處理可以水解大分子，破壞了有機物之間的化學鍵，提高后續厭氧消化過程中有機物質的水解速率[17, 18]?；瘜W預處理方法成本低，而且在促進復雜有機質降解方面速度更快，產甲烷效率高等優點，是餐廚垃圾厭氧消化預處理的潛在研究方向之一?；瘜W預處理方法主要有酸、堿、臭氧氧化等方法。其中堿預處理,不僅可以增大胞內的有機物的溶出效率,而且還可以中和種間產物揮發性脂肪酸，緩解酸抑制，提高厭氧體系的穩定性[19]。為充分發揮堿預處理的效能，降低堿對微生物活性的抑制，需要合理地控制堿濃度，以達到最佳效果。

5.3 生物預處理

生物預處理是通過接種微生物和酶來促進底物的水解來提高厭氧消化速率的一種預處理方法，是近幾年來的一個熱門研究課題[8]。趙智強等[20]通過接種酵母菌對厭氧底物進行乙醇型預發酵處理以后，可以顯著提高底物厭氧消化產甲烷的效能。進一步研究發現，預發酵產的內源乙醇，既可以作為一種“緩釋基質”，降低酸抑制風險，又可以強化互營厭氧產甲烷微生物之間的直接種間電子傳遞，進而提高甲烷產量。馬應群等[21]通過添加復合水解酶fungal mash對餐廚垃圾進行預處理，可以顯著促進餐廚垃圾的水解，并增強其厭氧消化效率。

6 協同厭氧消化處理

厭氧消化過程是多種群厭氧微生物共同協作的過程，對營養元素的配比要求較高[22, 23]。而餐廚垃圾的低C/N特點，會對厭氧微生物的生長造成營養失衡，厭氧消化體系易產生酸抑制或氨抑制。因此，為了確保營養均衡，提高產甲烷效率，研究發現可以將餐廚垃圾與廚余垃圾、家禽糞便、污泥、農作物秸稈等物質進行協同厭氧消化處理，同時實現不同廢棄物的資源化處理。

7 導電材料強化厭氧消化

近年來，研究發現在微生物互營產甲烷過程中，除了可以利用中間產物氫或甲酸進行種間氫/甲酸電子傳遞外，還可以利用微生物自身結構(如pill、細胞色素c和其他蛋白組分)或導電材料(如鐵材料、碳材料等)為媒介傳遞電子，進行種間直接電子傳遞(Direct interspecies electron transfer, DIET)[24, 25]。DIET可以克服種間氫/甲酸電子轉移的熱力學限制，提高種間電子傳遞效率，增強厭氧甲烷化效能。此外，活性炭、生物炭、碳布等常見導電材料不僅導電性好，而且比表面積大，具有很高的吸附能力[26]。因此，將這些常見的導電材料投加至厭氧消化體系中，既可以利用其自身的良好導電性替代pill實現DIET，又可以吸附富集某些具有胞外電子轉移能力的微生物，強化厭氧消化體系微生物之間的直接種間電子傳遞。因此，隨著DIET的研究不斷取得突破，通過導電材料強化餐廚垃圾厭氧消化體系中的DIET過程已引起越來越多的關注。

8 展望

我國作為餐飲消費大國，餐廚垃圾的資源化、減量化、無害化處理至關重要。厭氧消化作為一種較成熟且極具潛力的餐廚垃圾資源化處理技術，如何有效提升厭氧消化產氣效率是該技術大規模應用的關鍵?；趶N余垃圾“資源性”的特點，利用厭氧消化對餐廚垃圾資源化處理是一個極具潛力的技術。在當前科技不斷更新迭代的時代背景下，餐廚垃圾除以上提及的處理方法外，還會有新的理論、技術和工藝產生。但是，如何選擇產氣效率更高，成本更低的方法，能量回收系統的研究以及能夠在厭氧消化各個階段都具有作用效果的方法是未來餐廚垃圾厭氧消化處理技術研究的發展方向。