餐廚垃圾厭氧消化技術研究

＊周挺進

（1.福龍馬集團股份有限公司總經辦 福建 364029 2.福龍馬新能源科技發展有限公司總經辦 福建 364029）

餐廚垃圾是城市生活垃圾中最重要的組成成分之一，包括家庭、學校、食堂及餐飲等行業產生的食物加工下腳料（廚余）和餐后殘余（泔腳）。在我國，隨著城市化進程加快，餐廚垃圾增長率已經超過了10%[1]。因此，尋求高效的餐廚垃圾處理技術迫在眉睫。相較于傳統的餐廚垃圾處理技術，如填埋、焚燒和堆肥等，厭氧消化不僅能夠避免傳統處理技術給環境帶來的負面影響，還能帶來一定的經濟效益。所以，本文簡單介紹了餐廚垃圾厭氧消化技術，分析了餐廚垃圾厭氧消化的影響因素，提出了提高厭氧消化性能的兩種方法。

1.厭氧消化

餐廚垃圾厭氧消化過程中產生最重要的產物是沼氣，沼氣是一種可燃性氣體，它的質量主要由其組分決定，主要成分為CH4和CO2。此外，厭氧消化過程中也會產生一些其他氣體，如N2、H2、H2S、NH3、O2，這些氣體也是沼氣的組成成分之一[2]。更重要的是，由于厭氧消化處理能夠回收甲烷，產物也可以用作肥料，因此采用厭氧消化處理餐廚垃圾具有重要意義。厭氧消化產物的穩定性可根據反應結束后產生的CH4和CO2的情況來確定。

厭氧消化的初始階段是水解，主要是將復雜的有機物水解為簡單的、可溶的有機物[3]。第二階段是酸化階段，氨基酸、單糖及長鏈脂肪酸被分解為短鏈脂肪酸[4]。第三階段為產酸階段，簡單分子被進一步消化，產生二氧化碳、氫氣和乙酸。最后為產甲烷階段，將前一階段產生的二氧化碳和氫氣轉化為CH4[5]。

2.影響厭氧消化的主要因素

厭氧消化系統所涉及的重要參數在發生較大變化時，將會影響整個消化過程中的鏈式反應。其中，重要參數主要包括溫度、pH、揮發性脂肪酸（Volatile Fatty Acid，VFAs）、水力停留時間（Hydraulic Retention Time，HRT）和有機負荷率（Organic Loading Rate，OLR）等。因此，為了提高反應系統的穩定性，確保完整的微生物代謝過程，包括各種類型細菌之間復雜的相互作用，必需要將所有參數保持在可允許范圍內。

(1)溫度

溫度是影響厭氧消化反應過程最重要的參數之一，厭氧反應器工作的溫度在20℃到60℃之間。中溫和高溫厭氧消化的最佳溫度分別為35℃和55℃，在此溫度下能夠極大的提高餐廚垃圾處理后的甲烷產量。在中溫條件下，厭氧消化反應器中物種豐富、微生物群落多樣，有效提高反應器的穩定性并能應對各參數的浮動；在高溫條件下，體系中有機負荷較高，生化反應速率提高，從而甲烷產量增加。Wang等人[6]研究發現餐廚垃圾厭氧消化的最適溫度為35℃，甲烷產量在153～620L CH4/kgVS之間。

(2)pH

pH與厭氧消化過程中厭氧微生物的pH值有關。據大量研究表明，厭氧消化的pH范圍為6.5～8.5，最佳pH約為7[7]。然而，也有研究者表明厭氧消化的最適pH為6[8]。當pH低于6時，產甲烷菌的活性顯著降低，并且在反應過程中將會產生更多的VFAs，導致厭氧消化反應器不穩定，從而抑制整個反應過程。

(3)VFA

餐廚垃圾厭氧消化進程中，VFA是引發毒性并導致反應器失效的重要參數之一。VFA主要是由乙酸、丙酸、丁酸和戊酸組成，其均是產酸階段產生的中間化合物。若VFA濃度過高，將會導致工藝過程中甲烷氣體量的減少。因此，從另一方面表明酸濃度的增加可以表明厭氧消化的效果不佳。VFAs與pH值高度相關，當pH較低時（pH＜4）有利于VFAs的產生，尤其是乙酸、丁酸和丙酸，而VFAs的產生和積累會阻礙厭氧消化的進程。由于VFAs與甲烷產量密切相關，所以在反應過程中VFAs的濃度必須控制在最佳范圍內。已有研究表明，餐廚垃圾厭氧消化過程中VFAs的最佳濃度控制范圍為2000～3000mg/L[13]。

(4)HRT

HRT是影響厭氧消化經濟性的重要參數之一。根據餐廚垃圾的性質和工藝參數的不同，HRT的范圍在幾天到幾個月之間。如果HRT時間較長，微生物將會有更長的時間來適應有毒成分；如果HRT時間較短，一方面則會需要更大體積的厭氧消化器，另一方面微生物的損失速度會超過細菌的生長速度，在該情況下厭氧消化反應可能會失敗。Arsova等人提出餐廚垃圾厭氧消化HRT的最佳范圍為12～14天[15]。

(5)OLR

有機負荷率是指單位容積的反應器或單位質量的生物，所負擔的進水有機物數量。高OLR會導致抑制物的積累，如VFAs，這些物質會降低沼氣產量，從而會導致反應終止和失敗。低OLR會使得餐廚垃圾中的有機物未被充分利用，從而影響整個過程的經濟性。王冰潔等[9]發現厭氧消化過程中OLR=4.77kgVS/(m3·d)時，反應器運行效果最佳，容積產氣率最大且甲烷氣體含量為60%。Nagao等人通過對比消化反應器內OLR的不同數值（分別為5.5kgVS/(m3·d)，7.4kgVS/(m3·d)和9.2kgVS/(m3·d)）對沼氣產量的影響，結果發現單位體積反應器沼氣產量約分別為4.2L/(L·d)、5.8 L/(L·d)和6.6L/(L·d)[10]。表明在一定范圍內，隨著OLR值的增大，沼氣產量也逐漸增大。

3.改善餐廚垃圾厭氧消化的方法

餐廚垃圾是一種高度復雜的有機物，其主要由高度不溶性有機聚合物到可生物降解的化合物組成。因此，目前主要有兩種方法來提高餐廚垃圾厭氧消化性能。一是餐廚垃圾與其他物質相協同，實現共消化，從而能夠穩定整個工藝過程；二是對餐廚垃圾進行預處理，能夠加快厭氧消化速率，提高沼氣產量。

（1）厭氧共消化。共消化是指兩個或多個底物和共底物混合物的瞬時消化。目前越來越多的研究者開始關注餐廚垃圾與有機底物的共消化，經研究發現，餐廚垃圾共消化過程能夠增加主要營養物質的數量，穩定產生的消化物，平衡營養物質，并且能夠充分利用微生物的協同效應來提高甲烷和沼氣的產量，從而能夠實現高效厭氧消化。目前常用的與餐廚垃圾共消化的物質有農業廢棄物、園林垃圾、污泥和動物糞便等有機物質。農業廢棄物主要包括水稻殼、甘蔗纖維、椰子殼和花生殼等。將滔等人發現餐廚垃圾與玉米秸稈干物質質量比為1:2時，揮發性固體（VS）CH4產氣率最大為299.9mL/g，顯著高于餐廚垃圾單獨處理時的65.1mL/g[11]。

盡管農業廢棄物和園林垃圾收運成本較低，但是這些廢棄物營養物質含量低、停留時間較長，所以與污泥和動物糞便相比目前使用頻率較少。動物糞便和餐廚垃圾聯合厭氧消化可以防止固體沉淀，并能使微生物和底物充分接觸，從而能夠有助于實現消化反應器內基質、營養物質、溫度和pH的均勻，最重要的是有助于加快反應器內“被困”沼氣的釋放。劉新媛等通過研究牛糞和餐廚垃圾共消化時發現，混合發酵的產甲烷速率為1.3mL/(g·h)，是餐廚垃圾單獨厭氧消化速率的1.9倍[12]。污泥是一種常見的與餐廚垃圾共消化的物質，餐廚垃圾和污泥共消化處理避免了單獨處理引起的酸化問題，還可以提高厭氧消化過程中的能量效率。王延凱等人[13]提出餐廚垃圾厭氧消化系統加入污泥后，每千克垃圾產氣量提升25.32%。共消化過程尤其要注意反應物質的混合強度及混合方式，他們均會影響反應器的甲烷產量和效率。王國華等人[14]發現餐廚垃圾與污泥TS比為1:1與1:3的條件相比，兩相厭氧系統具有更好的甲烷產氣率。

高強度的混合會影響反應過程中的VFAs濃度，從而對微生物群落產生影響。已有大量研究表明，先連續混合，再間歇式混合有助于提高沼氣的產量。除了上述介紹的幾種共消化物質之外，其他物質如垃圾滲濾液、隔油池廢棄物等，他們都可以與餐廚垃圾進行共消化處理，從而可達到提高甲烷產量和反應器穩定性的目的。廖筱鋒等人研究了滲濾液添加量對餐廚垃圾厭氧消化的影響機制，研究結果表明不添加滲濾液時，餐廚垃圾厭氧消化的累積沼氣產量不高于8000mL，而在反應器內添加最佳量的滲濾液后，累積甲烷產量達到50270mL[15]。

（2）餐廚垃圾預處理。預處理技術的主要目的是將微生物難以降解的纖維素、半纖維素和木質素等復雜結構轉化為可被生物消化的可生物降解物質。目前常用的餐廚垃圾預處理技術包括物理、化學、生物或復合手段，這些預處理方法可以減少底物粒徑、增加化學需氧量、提高揮發性物質含量和產氣量。物理預處理方法有機械攪拌、加熱、微波和冷凍等方式。馮磊等[16]研究發現經超聲波預處理的餐廚垃圾甲烷濃度與未處理的相比顯著提高，由原來的51.2%提升至56.3%。相比于物理處理方法，化學處理如酸、堿和臭氧氧化等則更加關注厭氧消化水解過程中的生化反應。朱秀輝等人發現在餐廚垃圾厭氧發酵罐中添加FeCl3可使沼氣產量提升15%[17]。生物預處理的方法主要是在厭氧體系中投加酶，或者是利用微生物降解水洗的方法。梁晶晶等人在餐廚垃圾厭氧消化過程中添加脂肪酶，結果發現甲烷積累量為365mL/gVSS，是不添加時的1.3倍[18]。復合處理的方法是指兩種預處理手段相加，以獲得更佳的處理效果。目前主要有兩種復合處理的方法，一是熱處理與化學處理相結合，通常添加的化學物質有NaOH、CaO和H2O2；另一種是熱處理和機械處理相結合。

然而，一些餐廚垃圾預處理方式也會阻礙厭氧消化進程，例如采用酸預處理可能會導致VFAs濃度過高，因而會抑制厭氧消化反應過程。與此同時，不同性質的餐廚垃圾采用的預處理方式也不同。Ma等人[19]利用HCl對餐廚垃圾進行預處理，結果發現甲烷產量下降了66%。

4.結論與展望

我國餐廚垃圾普遍的特點是有機質含量高、脂類含量高，具有巨大的潛力。厭氧消化處理技術能夠充分利用餐廚垃圾中高含量的有機質，同時產生大量沼氣，是高效處理餐廚垃圾，實現其減量化、資源化和無害化的有效途徑之一。然而，餐廚垃圾是一種復雜的有機物，生物降解過程的順利進行還取決于溫度、pH、HRT和OLR等參數。因此，在采用厭氧消化方法處理餐廚垃圾時，應當對消化反應器的參數進行進一步研究。

厭氧消化處理餐廚垃圾的技術大規模應用的關鍵不僅在于設置適宜的硝化反應器參數，也應更加關注如何提高厭氧消化產甲烷效率。餐廚垃圾厭氧消化預處理技術能夠提高有機物的溶解性、減小底物粒徑并且能夠提高有機物的可生化性。然而，預處理技術會添加額外的設備、試劑和能源，有些預處理方式所獲得的額外能源還不足以補償預處理的能源消耗。因此在未來的技術開發過程中應向能耗更低、投入更小、可循環、促進作用更明顯的方向發展。目前厭氧共消化技術雖然取得了令人鼓舞的進展，但是在生物反應器的設計和監測過程中如何節約成本有待進一步研究。