厭氧發(fā)酵在餐廚垃圾再利用中的應(yīng)用

◎ 侯婷婷

（武警士官學(xué)校，浙江 杭州 310000）

對餐廚垃圾進(jìn)行焚燒、掩埋等處理會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染，留下很多后患，同時效率比較低，且沒有任何經(jīng)濟(jì)效益，不是最理想的處理方法。餐廚垃圾是各種食材的集合，有機(jī)物含量高、水分高，是厭氧發(fā)酵生產(chǎn)可再生能源的理想底物，因此廚余垃圾是垃圾的同時也是巨大的資源庫，只要合理利用便是能源再生的理想來源[1]。

1 研究背景

1.1 能源現(xiàn)狀分析

近年來，我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，但由此帶來的能源、環(huán)境、生態(tài)等后果也極其嚴(yán)重，同時能源消耗的速度快速增加，所以能源方面的問題越來越引起世界各國的重點(diǎn)關(guān)注。人們都在努力尋求能源再生和環(huán)境保護(hù)的具體解決方法，渴望找到一個能源與環(huán)境平衡發(fā)展的有效途徑，因此探索清潔高效能源的發(fā)展越來越受到關(guān)注。

1.2 餐廚垃圾概述

餐廚垃圾在我國垃圾總量中占有極高的比例，一般指家庭、學(xué)校、食堂和各種食品和飲料行業(yè)日常生活中剩余的食物殘?jiān)瑥氖巢某煞稚峡矗蛷N垃圾包括主食和副食的各種殘?jiān)创竺住⒚娣邸⑿笄萑忸悺Ⅳ~類、蔬菜和油脂等[2]；從營養(yǎng)成分上看，有蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)、淀粉和水分等各種營養(yǎng)素。餐廚垃圾中蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等有機(jī)物含量較高，同時含有豐富的水分，在這種營養(yǎng)物質(zhì)極其豐富的情況下，餐廚垃圾極易被微生物分解，發(fā)生腐敗變質(zhì)，滋生各種細(xì)菌和病毒，對環(huán)境和人體造成不良影響。但由于傳統(tǒng)使用的焚燒、掩埋等不當(dāng)處理方法，讓餐廚垃圾成為危害環(huán)境和人體健康的危險(xiǎn)源頭之一，因此餐廚垃圾的處理成了一個棘手的問題。

食物垃圾因具有高水分、高鹽度、高有機(jī)質(zhì)的特點(diǎn)，是厭氧發(fā)酵的理想底物。餐廚垃圾通過微生物降解，能將垃圾中的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為能源氣體——沼氣，促進(jìn)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[3]。

2 厭氧發(fā)酵概述

2.1 厭氧發(fā)酵原理

厭氧發(fā)酵是指在沒有氧氣的條件下，大分子底物被微生物利用，完全分解為小分子物質(zhì)，同時產(chǎn)生能源氣體甲烷和CO2的過程，一般分為3個階段。①水解階段，大分子有機(jī)物被微生物分解產(chǎn)生小分子物質(zhì)[4]。蛋白質(zhì)被水解為氨基酸，糖類物質(zhì)被水解為小分子單糖，脂類物質(zhì)被水解為脂肪酸和甘油。②酸化階段。在各種細(xì)菌的作用下，第一階段產(chǎn)生的氨基酸、單糖、脂肪酸等中間產(chǎn)物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為甲酸、乙酸、醛和酮等更加低分子的物質(zhì)，同時伴有氫氣和二氧化碳等氣體的產(chǎn)生，在本階段所有產(chǎn)物中，大部分為乙酸，所以稱為產(chǎn)酸階段[5]。③產(chǎn)甲烷階段。厭氧發(fā)酵過程中大部分的甲烷都由本階段產(chǎn)生，甲酸、乙酸、甲醇等底物在甲烷菌的作用下被轉(zhuǎn)化為甲烷，另外氫氣和二氧化碳也被甲烷菌還原為甲烷[6-7]。

上述3個階段一般被人們稱為厭氧發(fā)酵三階段理論，雖然字面上是3個階段，但是在具體的反應(yīng)過程中，通常很難把這3個階段相互分離開來，因?yàn)檫@3個階段是互相影響、互相依賴、連續(xù)進(jìn)行的。

2.2 厭氧發(fā)酵的影響因素

厭氧發(fā)酵過程會受到多種外界環(huán)境的影響，如底料成分組成、發(fā)酵溫度、發(fā)酵酸堿度等，這些因素都會影響微生物的活動，只有在保持最適宜微生物活動的環(huán)境中，厭氧發(fā)酵的效果才能達(dá)到最理想的效果[8]。

2.2.1 原料自身特性

厭氧發(fā)酵的原料是整個發(fā)酵過程的物質(zhì)基礎(chǔ)，由于原料中C/N、營養(yǎng)元素濃度、料液的pH值等因素的不同，導(dǎo)致厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的差異[9]。

2.2.2 外部環(huán)境因子

（1）溫度。外界環(huán)境溫度是影響厭氧發(fā)酵效率的一大關(guān)鍵因素。因?yàn)樵谡麄€厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的過程中，微生物發(fā)揮著極其重要的作用，微生物有其最適宜生長等各項(xiàng)生命活動的最適溫度范圍，一般來說產(chǎn)甲烷菌活性適宜的溫度區(qū)間是中溫20～37 ℃，高溫50～60 ℃，在40～50 ℃時產(chǎn)甲烷菌活性受到抑制，在中溫35 ℃和高溫55 ℃時出現(xiàn)最大的沼氣產(chǎn)量。

（2）攪拌。有效的攪拌可以增加發(fā)酵底物原料與微生物的接觸面積，提高發(fā)酵產(chǎn)氣的效率，使發(fā)酵系統(tǒng)溫度更加均勻，使生物在反應(yīng)過程生成的硫化氫、甲烷等對厭氧菌活動有害的氣體以最快的速度排出系統(tǒng)外。因此通過適當(dāng)?shù)臄嚢瑁梢允箙捬醢l(fā)酵過程的效率得到有效提高，加快厭氧發(fā)酵的反應(yīng)速度，縮短反應(yīng)周期，獲得較多的產(chǎn)物量，使厭氧反應(yīng)達(dá)到理想的狀態(tài)。但是厭氧反應(yīng)的攪拌過程并不是越快越好，也不是越多越好。如果攪拌頻率過高，攪拌速度過快，可能會打破厭氧發(fā)酵體系的平衡，破壞微生物對底物的作用，因此控制好攪拌強(qiáng)度也是影響厭氧發(fā)酵反應(yīng)至關(guān)重要的一個因素。

（3）金屬元素。金屬元素是厭氧發(fā)酵過程中多種酶的輔助因子，不同濃度的金屬元素以及不同金屬之間的協(xié)同作用會對厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)生不同程度的促進(jìn)或者抑制作用。

2.2.3 厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)生的物質(zhì)

（1）揮發(fā)性脂肪酸。中間底物揮發(fā)性脂肪酸會與甲烷菌作用生成甲烷，同時還會影響二氧化碳和氫氣的生成。由此可見，揮發(fā)性脂肪酸在整個厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的過程中發(fā)揮著重要的作用。揮發(fā)性脂肪酸是厭氧發(fā)酵體系中重要的厭氧生物學(xué)指標(biāo)，表示微生物厭氧分解底物能力的強(qiáng)弱。

（2）pH值和堿度。在厭氧發(fā)酵反應(yīng)體系中，pH值是厭氧發(fā)酵反應(yīng)是否穩(wěn)定進(jìn)行的一個重要指標(biāo)。在厭氧消化過程中，pH值具有一定的自我調(diào)節(jié)能力，一開始，由于有機(jī)物發(fā)生酸化反應(yīng)，pH值先降低，后來大量的有機(jī)酸被甲烷菌消耗，pH值又隨之升高，此時厭氧反應(yīng)便達(dá)到了一個穩(wěn)定的狀態(tài)，pH值的自我調(diào)節(jié)能力使體系中的pH值比較穩(wěn)定，但為了使厭氧體系產(chǎn)酸率、產(chǎn)甲烷率達(dá)到最高值，需要去調(diào)節(jié)體系中初始的pH值，使厭氧反應(yīng)獲得理想的效果[10]。pH值對反應(yīng)體系中許多微生物的酶活性具有非常重要的影響，發(fā)酵細(xì)菌普遍在pH值為5.0以上具有酶活性，產(chǎn)甲烷菌具有酶活性的pH值在6.2～7.8、7.0～7.2為酶活性的最佳范圍[11]。同時，pH值也對反應(yīng)體系中許多重要有機(jī)物的分解有非常重要的影響。

堿度是評價(jià)中和酸能力的一個指標(biāo)，能體現(xiàn)發(fā)酵系統(tǒng)的緩沖能力，調(diào)節(jié)發(fā)酵系統(tǒng)的pH值，由碳酸鹽、重碳酸鹽等不同種類的弱酸鹽以及一些氫氧化物構(gòu)成。

（3）銨態(tài)氮。厭氧體系中的銨態(tài)氮主要通過氨基酸的降解產(chǎn)生，由于整個系統(tǒng)中氮是守恒的，通過銨態(tài)氮可以幫助了解體系中不同狀態(tài)氮的比例以及厭氧發(fā)酵過程的進(jìn)度。銨態(tài)氮的分解主要通過偶聯(lián)進(jìn)行氧化反應(yīng)脫氮，同時伴隨氨氣的產(chǎn)生，氨氣的存在對厭氧消化反應(yīng)是非常重要的。如果氨氣濃度過高會影響甲烷菌在厭氧消化過程中的活性，進(jìn)而影響最終產(chǎn)物的生成；氨是微生物的營養(yǎng)物質(zhì)，許多細(xì)菌的氮源來自于氨氮。因此銨態(tài)氮在整個厭氧體系中都是極其重要的。

有效調(diào)節(jié)影響厭氧發(fā)酵過程的各影響因素，能使厭氧發(fā)酵體系達(dá)到最利于產(chǎn)甲烷的理想狀態(tài)。以前常見的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣底物一般為秸稈、動物糞便等單一底物，由于底物單一，微生物的生長與活動往往也受到限制，從而影響發(fā)酵的效率與資源的利用率，因此將多種原料混合發(fā)酵也是提高產(chǎn)氣效率的一大有力因素。

3 厭氧發(fā)酵對餐廚垃圾再利用的意義

①厭氧發(fā)酵能在很大程度上解決餐廚垃圾環(huán)境污染問題，減少水體的富營養(yǎng)化程度。②可殺滅細(xì)菌和病毒，減少微生物的傳播，最大程度降低廚余垃圾對環(huán)境及人體的不良影響。③厭氧發(fā)酵的最終產(chǎn)物——沼氣可作為可再生能源被廣泛使用，生產(chǎn)成本低，且綠色環(huán)保，不會對環(huán)境造成污染。④通過厭氧發(fā)酵過程中各種相關(guān)微生物的作用把難被微生物吸收的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨，從而在很大程度上提高營養(yǎng)成分的利用率。⑤通過厭氧發(fā)酵處理后的沼液可以二次應(yīng)用到土壤中，起到改良土壤品質(zhì)、增加農(nóng)作物產(chǎn)量的作用。⑥厭氧發(fā)酵成本低，可以節(jié)省許多不必要的費(fèi)用[12]。

4 結(jié)語

通過厭氧發(fā)酵處理餐廚垃圾，不僅可以解決環(huán)境污染問題，還可以解決我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展帶來的能源消耗問題，為我國的可持續(xù)發(fā)展帶來清潔無污染的可再生能源，從而使環(huán)境問題和能源問題同時得到解決。