餐廚垃圾兩相厭氧發酵技術的研究進展

尤 惠，鄭純智，張國華，周 杰

(江蘇理工學院化學與環境工程學院，江蘇 常州 213000)

隨著城市化進展的加快，城市生活垃圾的產量逐年增加，其中餐廚垃圾是其重要組成部分。餐廚垃圾指食物在生產、加工和銷售等環節中產生的殘渣和廢棄物，其組成成分主要有淀粉、纖維素、蛋白質、油脂和無機鹽等。餐廚垃圾含水率高、有機質含量高、生物降解性好、易變質，在收集、運輸和儲存過程會產生滲濾液和發生生物降解，降解時會產生惡臭和有毒氣體，可能會造成嚴重的環境污染。餐廚垃圾的減量化、無害化和資源化利用已成為人們關注的焦點。

餐廚垃圾的處理和處置方法有飼料喂養、好氧堆肥、厭氧發酵、填埋、焚燒等[1]。飼料喂養動物可能會造成食物鏈污染，傳播食源性疾病，對人體健康構成威脅。好氧堆肥技術成本低、工藝簡單，但會占用大量土地，且堆肥過程中會產生大量臭氣。餐廚垃圾水分和油脂含量高，導致其焚燒成本較高，還會造成二噁英污染。目前，厭氧發酵技術被認為是處理餐廚垃圾的最有效技術之一，它可以實現餐廚垃圾的減量化、無害化，并回收短鏈脂肪酸、氫氣和甲烷等能源，是一種有效的資源回收技術。

1 兩相厭氧發酵技術

厭氧發酵技術通過厭氧微生物降解有機物，并將其轉化為氫氣、甲烷和揮發性脂肪酸(VFAs)。餐廚垃圾的厭氧發酵過程可分為水解、產酸、產乙酸、產甲烷四個階段。水解過程中，餐廚垃圾中的大分子有機物先被水解酶轉化為可溶性小分子有機物。酸化階段中，小分子有機物進一步分解為揮發性脂肪酸、乙酸、乳酸、丙酮酸等。而后，乙酸和丙酮酸等被轉化為乙酸和氫氣。最后，通過產甲烷菌將水解和酸化階段的產物轉化為甲烷。

傳統的單相厭氧發酵是在一個反應器和相同環境條件下完成所有的反應階段，但產酸菌和產甲烷菌適宜的生長環境有所差別，單相厭氧發酵不能使各階段都處于最佳反應條件，導致最終產氣效果達不到最佳。同時，單相厭氧發酵也面臨著浮渣上浮、VFAs累積、有害中間體產生、緩沖能力不足、系統穩定性下降等問題，兩相厭氧發酵(TSAD)工藝的引入能有效解決這些問題。

兩相厭氧發酵技術將水解產酸階段和產甲烷階段分開運行，為產酸菌和產甲烷分別提供適宜的生長環境，避免了不同階段的微生物菌群及其代謝產物的相互抑制作用，在產甲烷量、有機物去除率、系統穩定性和能量回收等方面更具有優勢。Nathao等[2]證明了餐廚垃圾兩相厭氧發酵比單相厭氧發酵的能量回收效率更高，總能量回收可提高18%。Gioannis等[3]比較了餐廚垃圾單相和兩相厭氧發酵工藝，發現兩相厭氧發酵工藝中，改善后的生物水解過程可以產生更多的揮發性脂肪酸用于產甲烷，最終甲烷產量和能量回收率都較單相厭氧發酵工藝高。

2 兩相厭氧發酵工藝

2.1 兩相厭氧發酵工藝流程

兩相厭氧發酵工藝流程如圖1所示，餐廚垃圾通過人工分選、破碎、磁選等預處理將雜質分離出來，以改善餐廚垃圾的表面性質和促進有機質降解。除雜后的餐廚垃圾進入生物水解反應器進行5～8天的淋濾水解，餐廚垃圾中的易降解有機質水解酸化并進入液相。經擠壓脫水后，高濃度有機漿液進行30天左右的厭氧消化并產生沼氣能源。擠壓脫水分離出的固渣熱值較高，可進行生物干化作為RDF燃料。

圖1 兩相厭氧發酵工藝流程圖

2.2 兩相厭氧發酵工藝影響因素

雖然兩相厭氧發酵在實際生產中運行效果較好，但仍存在預處理困難、極易受到高濃度鹽分和氨氮抑制、發酵產生的消化液易產生二次污染、厭氧發酵系統穩定性較難控制等問題，其發酵過程受溫度、pH、發酵底物、有機負荷、氨氮、微量元素等因素的影響。

2.2.1 溫 度

微生物通過一系列酶促反應進行新陳代謝，故溫度是影響兩相工藝的基礎因素之一。在兩相厭氧發酵工藝中，發酵反應器通常在中溫(35～37 ℃)或高溫(55～60 ℃)條件下運行。溫度會影響產氫菌的代謝途徑，中溫有利于醋酸和丙酸的產生，高溫有利于丁酸的產生，氫氣產量也非常高。產甲烷菌分為嗜冷甲烷菌(低于25 ℃)、嗜溫甲烷菌(35 ℃左右)、嗜熱甲烷菌(55 ℃左右)和極端嗜熱甲烷菌(高于80 ℃)，溫度波動可能會抑制產甲烷菌的活性。

2.2.2 pH值

微生的物群落結構、代謝途徑和酶活性都會受到pH的影響，因此pH條件決定了餐廚垃圾厭氧發酵過程中的發酵類型和微生物群落。水解酸化階段，pH為3.2～4.5時，以乳酸發酵為主；pH為4.5時，雙歧桿菌數量顯著增加，乙酸產量增加；pH為4.7～5.0時，進行丁酸發酵，水解和酸化速率達到最大；pH為6.0時，進行混合酸發酵，VFAs產量最高[4]。產甲烷菌對pH十分敏感，其適宜生長的pH范圍在6.5～7.8，最適pH在6.8～7.2[5]。

2.2.3 發酵底物

在餐廚垃圾原料中添加具有互補特性的基質可以在厭氧發酵過程中產生協同效應，從而提高沼氣產量和工藝穩定性。近年來，利用秸稈、甘蔗渣等農作物殘留物，污泥和餐廚垃圾等生物質廢物進行厭氧發酵得到廣泛關注，而這些復雜有機固體廢物厭氧發酵的限速步驟是水解產氫階段。Silva等[6]在餐廚垃圾和污泥的混合物中添加甘油，1%的甘油的投加有效提高了兩級厭氧消化過程的產氫量和產氣量，但過多甘油的添加可能會使代謝產物累積，反而導致發酵過程不穩定。

2.2.4 有機負荷

較高的有機負荷有助于不同菌種的生長，為系統提供充足的能量和營養，工藝處理效率較高。但過高的有機負荷會導致VFAs累積、增大傳質阻力，從而不利于菌群與反應底物接觸，降低系統穩定性。另外，過高的有機負荷也可能造成氨氮、重金屬等抑制物累積，從而抑制菌群的活性。

2.2.5 回流循環

近年來，人們發現從第二階段到第一階段進行沼液循環可以提高厭氧發酵工藝的整體性能。沼液回流一方面加劇了水解酸化階段中不飽和長鏈脂肪酸的積累，另一方面也有利于產甲烷階段中長鏈脂肪酸向飽和脂肪酸的轉化[7]。

此外，產氫階段通常添加堿以維持pH，但高濃度Na+或Ca2+會抑制細菌的生長和反應，使得沼氣產量下降。在兩階段間進行沼液回流也可以維持pH值，并且補充產氫細菌、降低化學成本。Algapani等[8]發現兩級再循環工藝與無回流厭氧工藝相比，用于維持pH所需的堿投加量大大減少，且獲得的氫氣和甲烷產量更穩定。

2.2.6 氨 氮

厭氧反應器中氨氮濃度對維持所需堿度起著重要作用。較高濃度的離子氨濃度會降低厭氧菌的活性，導致丙酸的累積，逐漸導致反應器的不穩定。另一方面，較高的銨濃度直接抑制產甲烷菌的酶活性，導致生物甲烷產量較低。此外，游離氨濃度過高時，可以被動擴散到細菌細胞中，細胞內游離氨與細胞外銨離子的平衡會造成細胞間pH值失衡，從而也會抑制產甲烷菌的酶活性[9]。

2.2.7 微量元素

餐廚垃圾缺乏一些微生物生長和反應必需的營養物質，可能會導致厭氧發酵過程不穩定。補充缺乏的微量元素，能夠克服微生物生長限制和穩定發酵過程。Voelklein等[10]發現反應器的pH、VFA/TIC、VFA等參數不穩定后，通過加入Fe、Mo、Ni和Se，使得厭氧發酵過程恢復了穩定，并提高了有機負荷率。Menon等[11]在產甲烷系統中添加了Ca、Mg、Co和Ni微量元素，在濃度分別為303、777、7和3 mg/L的條件下，產氣率提高50%以上，反應時間也明顯縮短。

3 發酵反應器

生物發酵反應器對微生物的生長和活性起著至關重要的作用。厭氧折流板反應器(ABR)具有很好的抗水力沖擊能力和有機沖擊負荷能力，ABR反應器能夠縱向分離厭氧發酵過程的不同階段，獨立的隔室使得產酸相和產甲烷相分離，為不同的微生物群落提供了足夠的生長空間和適宜的生存環境，使ABR反應器在性能上像一個兩相反應系統。Ahamed等[12]研究了多相厭氧折流板反應器(MP-ABR)的產沼氣性能，通過相分離促進了餐廚垃圾生物質能的高效回收。

將兩種不同的反應器設計相結合，建立兩相制氫產甲烷系統也是有效的。連續攪拌釜式反應器(CSTR)是一種單相厭氧工藝發酵罐，具有結構簡單、成本較低的特點，被廣泛用于餐廚垃圾生物產氫或產甲烷。Ueno等[13]以餐廚垃圾和廢紙混合物為原料，建立了兩相制氫制甲烷中試裝置。在CSTR反應器中，在60 ℃下進行產氫，產氫速率最大可達0.225 L/L·d；產氫過后，55 ℃條件下在內循環填充床反應器(IRPR)中進行產甲烷反應，雖然有機負荷率和制氫工藝出水成分波動較大，但IRPR反應器的產甲烷性能很穩定。

升流式厭氧污泥床(UASB)能夠處理多種不同濃度和不同溫度的有機廢水，具有結構簡單、底部能形成顆粒性污泥、剩余污泥量少、保持充足生物量等優點，應用UASB反應器處理餐廚垃圾的研究較多。王優等[14]采用淋濾-UASB工藝研究了餐廚垃圾處理過程中的參數變化及產氣效能，發現脫水淋濾-UASB厭氧消化處理產甲烷具有較高產氣能力，運行穩定后每噸餐廚垃圾產沼系數可達0.3～0.44 m3/kg COD。

4 結 語

與單相系統相比，兩相厭氧發酵系統具有更好的pH調節能力、更高的抗有機負荷沖擊能力、更高的甲烷的轉化率和運行穩定性。兩相厭氧發酵工藝中，可對各階段的溫度、pH、發酵底物、有機負荷、氨氮、微量元素等參數進行調整，以實現更高的產氫和產甲烷效率。但兩相厭氧發酵工藝也存在設備成本高、操作復雜等問題，所以還需開發經濟高效的兩相厭氧發酵反應器。此外，還需進一步探索更多的餐廚垃圾混合物料及其復配比，以實現餐廚垃圾資源的最大化利用。