餐廚垃圾厭氧消化性能提高研究現狀與展望

李亞亞 唐婧

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168)

隨著我國經濟的快速發展，人們對食品的需求也不斷提高，餐廚垃圾的處理成為了必須面對的難題。目前我國的餐廚垃圾增長率已超過10%[1]，并持續不斷增高。餐廚垃圾含有大量的有機物、高水分、高鹽度和高油分，因此餐廚垃圾需要適當的處理，否則將會造成嚴重的環境污染[2]。且餐廚垃圾易腐爛發臭，影響城市的形象、污染城市的空氣，對居民生活造成困擾。食物的損失和浪費也是一個重大的經濟、社會和環境問題[3]。傳統的餐廚垃圾處理方法有衛生填埋、焚燒、喂養牲畜及好氧堆肥等。衛生填埋易操作見效快，但對環境危害較大，如會產生難聞的氣體造成空氣污染，會造成垃圾滲濾液，對水源造成污染，從而對人類健康造成威脅[4]。餐廚垃圾因具有較高的含水率導致焚燒產生大量的酸性氣體，造成空氣污染[5]。餐廚垃圾在喂養牲畜時，由于其易存在不明病菌，疾病傳播的隱患較大，從而危害人類健康。餐廚垃圾好氧堆肥技術具有便于操作、易于推行的優點，可以實現有效的資源回收和良好的減量化效果，但占地面積大且經濟效益較低。

厭氧消化已被證明是一種在世界范圍內處理城市固體廢物，特別是餐廚垃圾的一項很有前途的技術[6]。考慮到餐廚垃圾具有有機物含量高的特點，因此其具備了利用價值，對其進行合理處置可以產生清潔能源，進而緩解我國資源不足的壓力[7]。因此，保護環境、再生資源的關鍵就是餐廚垃圾的資源化處理。餐廚垃圾可以通過厭氧消化工藝轉化為甲烷等清潔能源，在我國被廣泛使用。微生物厭氧產甲烷的過程中受微生物相互協作的影響，菌群對反應條件較敏感,外界條件變化易導致產底物利用率低、系統不穩定、甲烷速率緩慢、效率低等問題,阻礙了厭氧消化產甲烷的應用。因此，如何更快速、更高效地產甲烷成為當今研究的熱點。

本文介紹了餐廚垃圾的特性，分析了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闡述，為餐廚垃圾的高效厭氧消化產甲烷提供參考。

1 餐廚垃圾的特點

餐廚垃圾是在人們加工生產食品以及人們奢侈浪費中產生的廢棄物，其主要有米、面粉、蔬菜、肉等，從化學角度看，主要包括淀粉、蛋白質、脂類等。含水量高、含鹽量高和有機物含量高是其最主要的特點，這些特點使其可以作為一種資源來生產肥料或燃料。同時，餐廚垃圾易變質發臭，影響市容市貌、污染空氣和水資源，易成為蚊蠅的棲息地，傳播疾病，尤其對于老人小孩免疫力較弱的群體，會對健康造成一定的影響。因此，科學妥善處置餐廚垃圾對環境保護以及資源再生至關重要。

2 餐廚垃圾厭氧消化的影響因素

餐廚垃圾在厭氧消化過程中要依靠微生物的作用才能降解，厭氧系統的正常運行又依賴菌群的穩定生長。然而環境條件的變化對微生物菌群的影響較大，許多環境因素都會對微生物的活性造成影響。

2.1 油脂

污泥表面易被餐廚垃圾的油脂包裹，使污泥緩慢地漂浮到厭氧系統的上層，造成污泥流失，并且具有很強的毒性，能引起嚴重的抑制作用[8]。

2.2 溫度

微生物的活性和水解速率與酶的活性密切相關，而酶又受溫度的影響。只有在產甲烷菌正常生長溫度范圍內其才能發揮作用，溫度的突然變化將導致厭氧發酵的失敗，所以厭氧反應器需要保持恒溫。

2.3 pH

發酵菌和產甲烷菌易受pH的影響。在反應的過程中，系統容易酸化，反應速率就會降低，進而產甲烷的效率也會變低。因此，可根據反應器的pH變化，加入KHCO3或NaHCO3對pH進行調節，使pH保持在最佳范圍內。

2.4 揮發性脂肪酸

甲烷的產生與揮發性脂肪酸的形成密不可分。厭氧消化系統的pH與揮發性脂肪酸直接相關。揮發性脂肪酸的積聚會導致反應系統的酸化，從而使產甲烷菌的活性降低。

2.5 有機負荷率

餐廚垃圾厭氧消化適宜的有機負荷范圍為2.0～3.0gVS·L-1·d-1，如果有機負荷過高，易出現酸抑制現象，如果有機負荷過低，會降低產氣效率[9]。

3 提高厭氧消化性能措施

3.1 預處理

厭氧消化的速度取決于水解的效率，因此對餐廚垃圾預處理以促進基質的水解是提高產氣特性的有效方法。物料的組成成分、物料粒徑的大小和結構都會影響其水解速率，對于高分子化合物和顆粒基質的生物降解更是如此[10]。良好的預處理技術能夠保存生物質中的有機物，有利于水解過程，避免形成任何有毒或抑制性化合物，環境友好、處理過程簡單、經濟[11]。Izumi等[12]的研究中發現，通過物理作用把餐廚垃圾的粒徑減小，甲烷產量提高了28%。li等[13]研究油與餐廚垃圾在pH=10、55℃條件下的共消化，發現經熱化學預處理的甲烷產量比未經熱化學預處理提高9.9%。Saha等[14]用0.2mol·L-1的醋酸對混合果渣進行預處理，發現預處理破壞了細胞結構，纖維素更容易發生降解，使果渣甲烷產率提高了10%。黃建欽等[10]的研究表明，用脂肪酶和表面活性劑對餐廚垃圾進行預處理，厭氧消化的甲烷產量分別增加了31.2%和29.1%。對餐廚垃圾進行預處理以提高厭氧消化效率，在其研究領域是可行的，具有重要的研究價值。

3.2 添加導電材料

產甲烷過程需要多種細菌的共同作用才能將復雜有機物降解并轉化成甲烷。發酵細菌與產甲烷菌之間通過載體進行胞外電子傳遞的方式稱為種間電子傳遞[15]。最近的研究表明，某些細菌可以直接將電子傳遞到產甲烷菌,這種獨特的細胞到細胞電子傳遞機制使得產甲燒過程以一種在熱力學和代謝方面更為高效的方式進行[16],這也最終提高了有機物轉變為甲烷的速度,這種方式稱為種間直接電子傳遞(DIET)。并且DIET速率高，節省能量。最近的許多研究表明，添加導電材料可以促進菌群的種間直接電子傳遞。Davidraj等[17]研究了添加活性炭對啤酒廢活性污泥和餐廚垃圾厭氧共消化生產甲烷的影響。結果表明，添加1.5%(g·g-1)的活性炭可使甲烷產量提高45%。掃描電鏡分析表明，投加GAC后可形成生物膜。結果表明，GAC明顯豐富了水解和產乙酸酶活性，提高了產甲烷的電子轉移效率，從而顯著提高了甲烷的產量。Chen等[18]采用硫化微量零價鐵(S-mZVI)對廢棄活性污泥和餐廚垃圾進行了厭氧共消化試驗。試驗結果表明，S-mZVI促進了特定細菌與產甲烷菌之間的種間直接電子轉移，從而提高了甲烷產率。當S-mZVI濃度為10g·L-1時，CH4產率和ETS活性分別達到264.78mL/g-vs和24.62mgINTF/(g-TS.h)，分別是空白的1.33倍和1.83倍。Ma等[19]在餐廚垃圾和果蔬垃圾厭氧共消化的實驗中，添加5g·L-1PAC組和10g·L-1PAC組的累計產甲烷量和最短滯后期最高，分別比不加活性炭時提高了22.0%和62.5%，滯后時間最短。Akturk等[20]在對餐廚垃圾厭氧消化的實驗中，通過添加生物炭和微量金屬研究其促進作用，實驗表明，在2.0g·L-1和5.0g·L-1的生物炭添加量下，沼氣產量和甲烷產率都有不同程度的增加。厭氧消化體系中添加導電材料，可以利用導電材料良好的導電性替代pill實現DIET，又可以吸附具有胞外電子傳遞能力的微生物，強化厭氧消化體系微生物之間的種間直接電子傳遞。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過程將會引起越來越多的關注。

3.3 厭氧共消化

共消化可通過稀釋有毒物質濃度、促進營養物質平衡等方式，緩解厭氧消化過程中高鹽分的抑制作用、高易腐有機物導致易酸化等問題[21]。Zhang等[22]研究了餐廚垃圾和牛糞的厭氧共消化，在2∶1(VS)、T=35℃、V=1L的條件下，CH4產量增加了55.2%，提高了系統穩定性。Meng等[23]研究了餐廚垃圾和浮油的厭氧共消化，在質量比25∶1、T=35℃、V=250L的條件下，TS和VS分別降低了70.7%～86.1%和87.5%～91.4%。Yong等[24]對餐廚垃圾和秸稈共消化進行了研究，餐廚垃圾與秸稈共消化的最佳混合比例接近5∶1，此時C/N約為31，比餐廚垃圾單獨消化時的甲烷產率提高了39.5%，這是因為秸稈的C/N較高，餐廚垃圾和秸稈共消化可以均衡營養元素，促進系統穩定以更好地產甲烷。共消化可以按照因地制宜的原則，最大限度地利用餐廚垃圾資源。

4 結語與展望

我國作為餐飲消費大國，減少和無害化處理餐廚垃圾非常重要。厭氧消化是最具有發展前景的處理餐廚垃圾技術，該技術大規模運用的關鍵是提高厭氧消化產甲烷效率。預處理以增加廢物的可生化性、添加導電材料促進產乙酸菌和產甲烷菌之間的種間直接電子轉移以及厭氧共消化來促進營養物質平衡，是提高消化性能的有效方法。如何選擇產氣效率更高、成本更低的方法是未來餐廚垃圾厭氧消化處理技術研究重點。未來可以從以下幾方面研究餐廚垃圾的厭氧消化。

4.1 對底物的預處理與種間直接電子傳遞相結合

餐廚垃圾預處理技術已相對成熟，但預處理與種間直接電子傳遞相結合卻鮮見報道，將兩者結合研究對厭氧消化的影響具有重要意義，是未來研究的一大趨勢。

4.2 探索新型導電材料對餐廚垃圾厭氧消化過程的影響

如探索導電性能優良的新興納米材料，探索導電材料的性質(如尺寸大小、表面積等)并優化其投加量。

4.3 反應條件的控制

產甲烷菌需要在一個合適的環境中才能發揮其作用，消化系統的pH、VFAs、溫度、氨氮都會影響其產甲烷性能，按照不同的情況及時采取不同的處理方法，控制反應條件在最佳范圍內，提高厭氧消化性能。