中國廚余垃圾厭氧發(fā)酵的改良及資源化應用進展

王璐瑤張璐璐

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075)

廚余垃圾是城市生活垃圾的重要組成部分，包括餐廳垃圾、菜市場垃圾、家庭廚房垃圾等。根據《中國統(tǒng)計年鑒(2020)》，2019年中國產生城市生活垃圾約2.4206億t，其中廚余垃圾產量約為121.03～14524萬t，約占城市生活垃圾的50%～60%[1]。2019年5月，中國開始在16個城市開展“零垃圾城市”試點建設，不斷推進固體廢物源頭減量化和資源化利用，盡量減少垃圾進入填埋場的數(shù)量，減少對垃圾填埋場的影響。2019年上海市生活垃圾分類政策實施后，其日均廚余垃圾產生量為7453t·d-1，較2018年增長了88.8%。因此，我國迫切需要合適、無害、資源化、規(guī)?；奶幚砑夹g來處理廚余垃圾[2]。

1 廚余垃圾特點

有數(shù)據顯示，在大多數(shù)國家，廚余垃圾約占城市生活垃圾的12%～50%，而中國的比例最高，為56.1%。廚余垃圾富含有機質和養(yǎng)分，是一種優(yōu)質的厭氧發(fā)酵基質，具有很高的資源回收潛力。中國的廚余垃圾主要由蔬菜、食物殘渣、果皮、蛋殼、骨頭和貝類等組成，其中含有大量的水、碳水化合物、蛋白質、脂質和其它有機物，擁有較高的總固(TS)、揮發(fā)性固體(VS)含量。我國廚余垃圾擁有高水分含量、高有機質含量、高生物降解性、低C/N、缺乏微量元素、高脂質含量、高蛋白質含量、高含油量、高辣椒素含量、高含鹽量等特點，均會影響厭氧發(fā)酵過程。其中，含水量超過80%的廚余垃圾可直接用作厭氧發(fā)酵的基質，無需像好氧堆肥一樣進行脫水或水分調節(jié)[3]。有機質含量高的廚余垃圾具有很高的產甲烷潛力，其良好的生物降解性和易腐性會導致水解速度過快，進而導致?lián)]發(fā)性脂肪酸(VF)的積累[4]；C/N<20且缺乏Fe、Se、Co、Mo和Ni等微量元素，均不利于厭氧發(fā)酵過程，但可通過共消化解決[5]。此外，有研究顯示，我國廚余垃圾中油(1.96%～3.28%)、辣椒素(4±1mg·g-1廚余垃圾)和鹽(4.6%)的含量較高，不有利于厭氧發(fā)酵過程。因此，我國在廚余垃圾資源化處理過程中，應充分考慮油脂、辣椒素、鹽分等諸多因素的影響[6]。

2 廚余垃圾厭氧發(fā)酵的改良措施

厭氧發(fā)酵是厭氧菌或兼性厭氧菌在厭氧或缺氧條件下將有機物分解成小分子化合物，產生甲烷、水、二氧化碳等物質的過程，該過程包括水解、產酸、產乙酸和產甲烷4步反應。廚余垃圾通過油水分離處理，分離出的廢油可通過酯交換轉化為生物柴油，其它分離物經兩級厭氧發(fā)酵處理，產生的沼氣可用于熱電聯(lián)產或凈化后的染料，沼渣可通過堆肥轉化為有機肥料或土壤改良劑，沼液可通過進一步處理制成液體肥料。

2.1 預處理

有機物水解速率是制約厭氧發(fā)酵效果的重要因素，通過預處理可以減小廚余垃圾的粒徑并增加其比表面積，促進有機物的溶解，最終提高生物降解性和甲烷產率[7]。常用的預處理方法包括以下幾種。

2.1.1 物理和機械預處理

機械研磨、超聲波、電離輻射、凍融、加壓等，可改變反應底物的表面積。

2.1.2 熱預處理

熱、微波、水熱等，可促進大分子物質的溶解和細胞膜的分解，增強底物的質量均質化。

2.1.3 化學預處理

酸、堿、高級氧化等，破壞大分子結構，促進水解。

2.1.4 生物預處理

半厭氧、微氧、酶等，生物酶破壞有機物結構，促進水解。

2.1.5 組合預處理

熱-酸結合等。

有些預處理方法存在高能源消耗、產生二次污染等局限性。因此，在選擇預處理時，不但要考慮技術的先進性，還要考慮經濟性。

2.2 協(xié)同厭氧發(fā)酵

由于我國廚余垃圾的C/N比不在適宜厭氧發(fā)酵的最佳比例范圍內，并且缺乏可以促進厭氧發(fā)酵的金屬微量元素(Zn、Fe、Mn、Se)，同時還含有大量抑制厭氧發(fā)酵的Na、K、脂類和鹽分，而廚余垃圾與其它有機廢物協(xié)同發(fā)酵可在不同底物之間產生互補協(xié)同效應，因此，協(xié)同發(fā)酵是調節(jié)厭氧發(fā)酵處理廚余垃圾的有效措施。目前，常用于促進厭氧發(fā)酵的協(xié)同發(fā)酵基質包括生活垃圾、農業(yè)廢棄物、綠色廢棄物、糞便、微藻、污泥、生活污水、工業(yè)污水等。殷等研究證明，廚余垃圾和污泥協(xié)同發(fā)酵可顯著提高甲烷生產率，在廚余垃圾中加入適量的綠色垃圾和殘渣，可提高厭氧發(fā)酵的穩(wěn)定性。加入生物炭可通過調節(jié)pH、吸附氨和有害物質、調節(jié)C/N、微生物固定化、微生物群落富集、促進種間直接電子轉移等方式提高厭氧發(fā)酵的效率和穩(wěn)定性。

2.3 兩相厭氧發(fā)酵

單相厭氧發(fā)酵因其工藝簡單而擁有廣泛的應用。歐洲約95%的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)采用單相厭氧發(fā)酵系統(tǒng)。單相厭氧發(fā)酵的4個階段(水解、酸化、產乙酸和產甲烷)都在同一個反應器中進行，任何階段的抑制都會導致厭氧發(fā)酵效率的降低。因此，為了解決單相厭氧發(fā)酵的缺點，Pohland等[8]于1971年提出了兩相厭氧發(fā)酵，提高了厭氧發(fā)酵的穩(wěn)定性和轉換效率。兩相厭氧發(fā)酵中的酸化階段和產甲烷階段分別處于不同的處理單元，產酸菌和產甲烷菌在各自的最佳條件下生長。兩相厭氧發(fā)酵具有以下特點：氫氣、甲烷產率高；系統(tǒng)運行穩(wěn)定；有機負荷率高，處理負荷易于調節(jié)；厭氧發(fā)酵時間縮短；能量轉換效率提升。但兩相厭氧發(fā)酵系統(tǒng)復雜、經濟成本高，限制了其工業(yè)化推廣，目前工業(yè)應用仍多采用單相厭氧發(fā)酵，兩相厭氧發(fā)酵是未來工業(yè)發(fā)展的趨勢。

2.4 外源添加劑

近年來，許多研究通過向厭氧發(fā)酵反應器中添加不同材料來提高厭氧發(fā)酵過程的效率和穩(wěn)定性，厭氧發(fā)酵過程中所需的C、N、P、S等常量營養(yǎng)素一般可以通過協(xié)同發(fā)酵的添加材料來補充，而Fe、Co、Ni、Mo、Zn、Cu等微量營養(yǎng)素是參與產甲烷酶促反應的重要因素，需要通過其它添加材料來補充，一般包括常量營養(yǎng)素和微量營養(yǎng)素、納米材料(納米零價鐵、Fe2O3)、酶和細菌(淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等)、固定微生物的填料、減輕氨抑制的添加劑(礦物材料、鳥糞石)、促進電子轉移的碳基和導電材料等[9]。目前，關于使用生物炭等碳基添加劑促進厭氧發(fā)酵的研究也越來越多。生物炭含有氧化礦物質、碳酸鹽和有機官能團(-COO-、-O-)，可提高厭氧發(fā)酵的pH值和pH緩沖能力。生物炭擁有較高的比表面積，可吸附氨及其它抑制物質(檸檬烯、重金屬等)進而消除厭氧發(fā)酵過程中的抑制作用[10]。但添加劑成本高、條件要求高、存在二次環(huán)境污染的風險，因此在厭氧發(fā)酵中尚未實現(xiàn)大規(guī)模應用。

3 廚余垃圾厭氧發(fā)酵的資源化應用進展

目前，厭氧發(fā)酵是我國處理廚余垃圾的主要方式。有研究顯示，我國現(xiàn)有厭氧發(fā)酵廠的數(shù)量和處理能力在所有處理技術中排名第一。厭氧發(fā)酵處理廠產能主要集中在200t·d-1以上。發(fā)酵產物包括沼氣以及由發(fā)酵產物加工而成的有機肥料。沼氣可用于現(xiàn)場供熱、發(fā)電、車輛燃料、并入天然氣管網、升級為壓縮天然氣或液化天然氣等[11]。此外，協(xié)同發(fā)酵也越來越多地開始推廣應用。廣州東部固體資源回收中心生物質綜合處理廠總處理能力為2040t·d-1，是全球最大的城市有機垃圾處理廠，其發(fā)酵底物由餐廳廢棄物、廚余垃圾、畜禽尸體和糞便4種有機廢物組成，可實現(xiàn)污水資源化利用，年發(fā)電1億kW，年產沼氣3102.5萬m3、生物柴油10萬、化肥14.6萬t。

4 結論

現(xiàn)階段，廚余垃圾在厭氧發(fā)酵中還存在營養(yǎng)不平衡、抑制、厭氧系統(tǒng)不穩(wěn)定、甲烷產量低、純度低等問題。因此，還應加強對預處理或協(xié)同發(fā)酵過程中協(xié)同機制的研究，通過生命周期評估來評估這些技術的可行性，指導其在工業(yè)上的應用。同時加強對甲烷純度的提高，避免燃燒過程中產生其它有害氣體污染物，若允許凈化后的甲烷并入天然氣管網，將顯著提高甲烷的應用價值。