基于微生物發酵技術的餐廚垃圾資源化研究進展

程昕暉，董子水，馬偉芳

（北京林業大學 環境科學與工程學院，北京 100083）

0 引言

餐廚垃圾是指食品加工過程及人們日常飲食中產生的食物廢料及殘余。據不完全統計，我國餐廚垃圾年產量約1.2 億t，日處理能力為21 900 t/d，僅有10%的餐廚垃圾可被資源化轉化[1]。因此，亟需研發高效經濟的餐廚垃圾資源化新技術以解決餐廚垃圾的處置問題。餐廚垃圾含有較高的水分及有機物，極易腐壞變質，嚴重污染環境、危害公眾身體健康。而常規的填埋和焚燒技術不僅浪費了大量的有機物質，且在處理過程中會產生有毒有害物質。餐廚垃圾微生物處理由于其高效環保的優勢越來越受到人們的重視。

餐廚垃圾經不同的工藝處理可制成種類豐富的產物，進而合成各類化工原料。由于其有機物含量較高，處理后可用作動物飼料、有機肥料，也可經消化后產制甲烷、乙醇等生物燃料代替化石能源，或通過控制反應條件，厭氧發酵制備揮發性脂肪酸、乳酸、丙三醇等工業原料，進而合成其他化工材料，油脂部分則可用于制備生物柴油，使得餐廚垃圾循環利用。通過對餐廚垃圾的特性及資源化利用價值分析，對餐廚垃圾微生物發酵主流及前沿技術進行綜述，可為我國餐廚垃圾處理及資源化利用提供參考。

1 概述

1.1 餐廚垃圾特性

我國餐廚垃圾的產生量巨大，總體來看，餐廚垃圾水分含量較高，含水率一般在70%～85%之間[2]，在存放及運輸時產生的滲瀝液容易污染城市環境及附近居民用水。餐廚垃圾中油脂和碳水化合物含量豐富，這些有機物為餐廚垃圾資源化的物質基礎；同時，餐廚垃圾的鹽分含量也較高，含有N，P，Ca，K 等元素，可再次發酵制備肥料、飼料。餐廚垃圾的化學成分及含量為碳水化合物（55%）、油脂（30%）、蛋白質（10%）、微量元素（5%）。

1.2 國內外餐廚垃圾無害化及資源化綜合利用現狀

目前國內外常見的餐廚垃圾無害化及資源化利用的技術主要有：飼料化技術、好氧堆肥、厭氧消化產甲烷。工藝特點見表1。

表1 餐廚垃圾處理工藝分析

（1）飼料化。飼料化技術是指將可回收的餐廚垃圾作為原材料生產的動物飼料。目前，應用較廣泛的飼料化技術主要有2 種，即脫水制飼料和生化制蛋白飼料。脫水制飼料技術是將餐廚垃圾先經高溫消毒，再經干燥脫水、攪拌粉碎等程序加工，壓制成禽畜飼料；生化制蛋白飼料技術是采用生化法將適宜的微生物接種入餐廚垃圾中，進行生長繁殖，對餐廚垃圾中的營養物質進行調控和轉變，制成蛋白飼料。

（2）好氧堆肥。好氧堆肥的原理是在有氧條件下，利用微生物將餐廚垃圾中可降解的有機物轉化為穩定的腐殖質。好氧堆肥工藝技術成熟，李龍濤等[4]設置初始C/N 為25～30、含水率為65%、pH 值為5.92，同時添加不同的微生物菌劑，以促進餐廚垃圾和水稻秸稈等高效堆肥。通過對餐廚垃圾堆肥過程中的優勢微生物進行分析，可進一步優化好氧堆肥工藝。不同發酵階段的優勢菌群不同，主要為擬桿菌門、變形菌門、厚壁菌門以及放線菌門。

（3）厭氧消化產甲烷。微生物的厭氧發酵反應需經過3 個階段，即水解、產氫產乙酸和產甲烷，通過微生物的協同作用將有機物轉化為甲烷、氫氣和二氧化碳，每噸餐廚垃圾（干重）理論上可產生750 m3的甲烷。同時有研究將餐廚垃圾與其他類型垃圾混合發酵，王冰潔[5]將餐廚垃圾固相物料與廚余垃圾進行了混合，有效改善了物料的厭氧性能，當增加有機負荷時，甲烷產率由61.9%升高至63.8%；ZHANG L等[6]將餐廚垃圾與園林廢棄物在三級生物反應器中進行共消化，甲烷產率達到69%；LIAO X 等[7]在反應器中加入一定量的填埋場滲瀝液，有效緩解了脂肪酸積累引起的酸性抑制作用，也提高了甲烷產率。

2 微生物技術在餐廚垃圾處理中的應用

餐廚垃圾的微生物厭氧發酵技術指通過控制反應條件、外加菌種等方式使餐廚垃圾發酵生成揮發性脂肪酸（VFAs）、乳酸、乙醇、丙三醇等物質，產物用途廣泛，使餐廚垃圾資源化市場更元化。

2.1 餐廚垃圾制VFAs

揮發性脂肪酸（VFAs）包括乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸，是有多種用途的有機物。在最適條件下，餐廚垃圾制備VFAs 的產率可達40%，厭氧發酵產VFAs 主要分為2 個階段進行。第1 階段，在水解菌的作用下將餐廚垃圾中的不溶性大分子有機物水解為小分子物質，這一階段是厭氧發酵的主要限速步驟；第2 階段，酸化細菌將上一步驟的產物進一步轉化為揮發性脂肪酸、乙醇、CO2、H2等小分子物質。但需要采取一定的措施抑制產甲烷菌的活性，避免酸化階段產生的VFAs 轉化為甲烷。

不同的厭氧發酵條件對VFAs 的產生有一定的影響。研究表明，pH 值、溫度、含固率（TS）、C/N、有機負荷率（OLR）等因素都會對VFAs 的產生量和組成比例造成影響。通過設置不同的發酵環境可獲得不同的產物比例，有利于單一脂肪酸的生產與純化。張玉靜[8]研究發現，在不同的pH 值條件下，乙酸和丁酸在總VFAs 中所占比例最大，高于70%，與JIANG J 等[9]的結論類似。此外不同pH 值下發酵類型也有差異，pH 值為4～5 時顯示為乙酸型發酵，5～6 時趨向于丙酸型發酵，8～9 時為丁酸型發酵。而將反應溫度控制在35 ℃和45 ℃時，乙酸和丙酸含量較高，而55 ℃的條件下主要的發酵產物為丁酸[8]。厭氧發酵進行到后期，經過反向β 氧化途徑，會出現戊酸、異戊酸等長鏈脂肪酸[10]。VFAs 的組成及產量不僅與發酵條件有關，微生物群落結構也有影響。余曉琴[11]對微生物群落結構分析發現，厚壁菌門、變形菌門和擬桿菌門是厭氧產酸反應器中的特征微生物，通過調節其最適生長環境，可以增加VFAs 的產量。

目前VFAs 的制備主要是通過石油加工產生的醛和烯烴等化學前體物質氧化或羧化產生[12]，利用餐廚垃圾代替不可再生的石油資源制VFAs 已逐漸被各國所采用，獲得了廣泛的關注。

2.2 餐廚垃圾制乳酸

目前，乳酸的合成方法主要有3 種，即化學合成法、酶法及微生物發酵法。常規的工業化生產乳酸的發酵原料主要為玉米、小麥、甘蔗等，生產成本較高。選用適宜的發酵細菌，餐廚垃圾的乳酸轉化率可達80%～90%，市場前景良好。菌種、pH 值、溫度、接種量、發酵時間、固液比等因素都會影響餐廚垃圾發酵產乳酸的效果。

陳佳奇[13]將餐廚垃圾在pH 值為6.5，45 ℃時進行發酵處理，菌株接種量為5%，乳酸產量可達0.351 g/g（以TS 計）。TANG J 等[14]分別對比了餐廚垃圾在不同pH 值、溫度、有機負荷率（OLR）時的乳酸產量，結果發現pH 值為6、溫度為37 ℃、OLR 為18 g/（L·d）（以TS 計）時為最優發酵條件。通常餐廚垃圾發酵產乳酸是在微生物的作用下引導的，因此發酵環境對微生物的生長至關重要，pH 為微酸性時，中高溫度時最適宜菌株生長繁殖，其中起到主要作用的微生物為乳酸桿菌屬與魏斯氏菌屬。YE T 等[16]以餐廚垃圾與活性污泥按質量比6:1 進行混合，獲得23.21 g/L 的乳酸產生率。將餐廚垃圾與活性污泥混合，利用污泥中含有的天然乳酸菌進行發酵，不僅降低餐廚垃圾的處理成本，還可以提供更加適宜微生物生長的環境。

2.3 餐廚垃圾制乙醇

生物燃料乙醇是石油的重要代替品之一，每噸餐廚垃圾可產生150 L 燃料乙醇。餐廚垃圾在厭氧環境下被酵母菌發酵生成乙醇和二氧化碳，其原理為餐廚垃圾經水解后生成葡萄糖，葡萄糖則通過EMP 途徑分解成丙酮酸。丙酮酸再由脫羧酶的催化生成乙醛與二氧化碳，乙醛進而被還原成乙醇。餐廚垃圾制備乙醇主要包含預處理、水解、發酵、純化4個步驟。水解和發酵階段是影響餐廚垃圾發酵產乙醇速率的關鍵步驟。酶解是餐廚垃圾生產乙醇中最常用的預處理方法。

目前，餐廚垃圾多采用酵母菌進行乙醇發酵，單一酵母菌發酵產乙醇效率不高，將酵母菌與其他菌種共接種一同進行發酵，可獲得較高的乙醇產量。張強等[17]在發酵過程中添加了糖化酶、蛋白酶和纖維素酶，在pH 值為5.3 時獲得最高乙醇產量54.6 g/L。KIM J H 等[18]利用混合酶，在分步水解發酵實驗和同步糖化發酵實驗中，乙醇的產量分別為0.3 g/g 和0.2 g/g。MOON H C 等[19]則采用了淀粉糖苷酶和糖化酶，發酵15 h 后，獲得的最大乙醇濃度為0.23 g/g。魏國香[20]探索纖維素分解菌與乙醇菌共發酵的最佳方式，在實驗第3 d 時達到最高體積分數為3.58×10-2。NTAIKOU I 等[21]用釀酒酵母和畢赤酵母共發酵對希臘典型城市收集到的餐廚垃圾進行共發酵，乙醇產量高達45 g/L。近年來，更多的研究聚焦于分子生物學，在基因水平上對酵母菌進行重組構建，進一步增加餐廚垃圾發酵產乙醇的產量。

2.4 餐廚垃圾制丙三醇（甘油）

餐廚垃圾中含有大量的油脂，包括煎炸食物產生的廢棄油、經油水分離處理后得到的泔水油等。生物柴油采用餐廚垃圾中的廢棄油脂生產生物柴油及其副產物甘油，每生產10 t 生物柴油就會產生大約1 t 的副產物甘油[22]。利用廢棄油脂制備生物柴油，其中甘油的產生主要發生在酯交換反應時[23]。

反應時加入甲醇與廢棄油脂充分混合，降溫至60 ℃，反應時間約為60 min，在反應過程中，甘油沉降在反應器的底部，原材料油脂以及反應產物浮在上部，兩相產物的分界面很明顯。通過萃取或其他操作，可以將反應產物與副產物甘油分離。分離出的甘油還可加入預酯化反應中重復利用，剩余部分經過純化后可用于其他商業用途。

3 結論

隨著垃圾分類政策的推行，餐廚垃圾減量化、無害化、資源化處理越發受到重視。餐廚垃圾的科學收集、高效轉化減輕了城市固廢負擔，實現了可持續發展，微生物資源化技術已經成為未來的發展趨勢，餐廚垃圾轉化為高附加值產品將成為人們的第一選擇。但也應看到，餐廚垃圾微生物處理技術的大規模應用，帶來經濟效益的同時，也存在很多困難，如餐廚垃圾資源轉化率不高、產品附加值低且品種單一等問題都有待解決改進。為使餐廚垃圾更好地轉變為可利用資源，促進環境友好型城市的建設，應大力推廣新型微生物處理技術，在使餐廚垃圾轉變為堆肥、沼氣等物質的基礎上，進一步革新微生物發酵技術，使產物從單一的甲烷轉變為酸類、醇類等高端化工業原料，并拓寬產品應用途徑。