餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化研究進展

鄧云盼,周穎君,楊 波,林嘉森,王 璐,王 偉

(1.深圳大學化學與化工學院，廣東深圳 518060；2.中國城市建設研究院有限公司，北京 1001200；3.清華大學環(huán)境學院，北京 100084)

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餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化研究進展

鄧云盼1,周穎君2,3*,楊 波1,林嘉森1,王 璐2,王 偉3

(1.深圳大學化學與化工學院，廣東深圳 518060；2.中國城市建設研究院有限公司，北京 1001200；3.清華大學環(huán)境學院，北京 100084)

餐廚垃圾中有機物及水含量高，可生化性強，其厭氧消化既可減少環(huán)境污染，又可以沼氣等形式回收生物質(zhì)能。但餐廚垃圾C/N值及含油、含鹽量高，單獨厭氧消化易出現(xiàn)酸化及系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題。然而，餐廚垃圾的聯(lián)合厭氧消化可根據(jù)不同物料的特性，有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及產(chǎn)氣效率，并促進廢物資源化。該研究分析了餐廚垃圾的特征，總結了餐廚垃圾與其他有機垃圾聯(lián)合厭氧消化的常見類別，分析了相關影響因素，并指出了還需解決的問題及發(fā)展方向。

餐廚垃圾； 生物質(zhì)能； 聯(lián)合厭氧消化； 污泥； C/N比

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和居民生活水平的提高，生活垃圾量急劇上升，2012年底全國城市生活垃圾達17.08億t，其中餐廚垃圾(FW)占50%以上，其無害化處理正成為社會關注的焦點[1]。同時，F(xiàn)W有機物含量高、營養(yǎng)成分豐富，存在很高的資源化利用價值。因此，當前迫切需要可再生能源化技術對其有效處理，減少FW對環(huán)境危害及其所含資源的浪費。然而，制造飼料、衛(wèi)生填埋、堆肥等傳統(tǒng)的處理方式存在二次污染難以處置及能源回收受限等問題[2]。厭氧消化技術雖可有效緩解環(huán)境污染問題并產(chǎn)生清潔能源，但單獨的FW厭氧消化效率低下。為解決這一問題，大量研究者發(fā)現(xiàn)利用有機垃圾與FW的互補效應，通過聯(lián)合厭氧消化形式，可均衡營養(yǎng)及調(diào)控pH等，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性及產(chǎn)甲烷性能，并實現(xiàn)廢物的再生利用，有利改善環(huán)境衛(wèi)生[3-4]。筆者對FW特征及其聯(lián)合厭氧消化種類、影響因素等相關研究進行了總結和分析，以期為今后的研究提供一定的參考。

1 FW的特征

FW主要包括餐館、食堂等的飲食剩余物及肉食、油脂、面點加工廢料等，其成分受到地理位置、經(jīng)濟水平、文化等差異等影響[5]。FW含淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等成分，具有營養(yǎng)豐富及油脂、鹽和含水率高等特點，其厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性及產(chǎn)氣效果難以控制。例如，Izumi等[6]的研究表明，F(xiàn)W總固體(TS)、揮發(fā)性固體(VS)含量分別為16.5%、15.5%，其含水率高達83.5%，同時VS/TS值大，表明FW可生化性強，厭氧消化產(chǎn)酸過快，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。Zhou等[7]的研究表明，F(xiàn)W(干基)中還原糖、蛋白質(zhì)、纖維素比例分別為38.63%、15.32%、9.68%，也因有機物含量高，易出現(xiàn)酸性抑制。同時，Zhang等[8]的研究表明，F(xiàn)W(干基)中脂肪、K+、Na+、Ca2+、Mg2+分別占22.80%、2.30%、3.45%、0.03%、0.16%，含鹽及脂肪量很高，容易抑制微生物的活性，降低FW厭氧消化效率。因此，目前單獨的FW厭氧消化主要控制在低負荷下運行，以維持其系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2 聯(lián)合厭氧消化分類

將聯(lián)合厭氧消化技術引入對FW的處理，不是簡單的物料混合，而是綜合考慮營養(yǎng)物質(zhì)的均衡、緩沖能力及產(chǎn)氣效果的優(yōu)化，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及其處理效率。從營養(yǎng)物質(zhì)水平上看，含糖量較高的垃圾主要是FW、農(nóng)作物秸稈、果蔬垃圾，蛋白和脂肪含量較高的是動物糞便。蛋白質(zhì)可為細菌的合成代謝提供N源；而糖類可以提高C/N值，平衡系統(tǒng)穩(wěn)定性[9]。從產(chǎn)氣上看，理論上脂肪的C、H含量高，產(chǎn)氣量最高，但脂肪降解速率慢；而糖類則降解最快，單位質(zhì)量蛋白質(zhì)產(chǎn)氣量最低[10]。因此，蛋白質(zhì)、糖類、脂肪的合理配比，可優(yōu)化厭氧消化產(chǎn)氣性能。趙云飛等[11]發(fā)現(xiàn)，糖類、蛋白質(zhì)及脂肪的比例為55∶36∶9時，產(chǎn)甲烷量最大。Zhou等[7]發(fā)現(xiàn),糖類、蛋白質(zhì)、纖維素比為2∶1∶1時，產(chǎn)甲烷潛勢最高。綜上可知，糖類所需量要明顯高于蛋白質(zhì)、纖維素，其中脂肪所需量最少。這可能與不同營養(yǎng)物質(zhì)的配比制約著系統(tǒng)產(chǎn)酸產(chǎn)堿的平衡有關。趙云飛等[11]研究表明，碳水化合物的含量高于65%時，易出現(xiàn)酸抑制；蛋白質(zhì)含量高于48%時，NH3-N濃度升高，易出現(xiàn)堿性抑制。該研究介紹了4種常見基質(zhì)與FW聯(lián)合厭氧消化的研究(表1)，主要針對營養(yǎng)平衡及系統(tǒng)穩(wěn)定性兩方面進行探討。

2.1 FW與動物糞便

單獨的動物糞便營養(yǎng)物含量及C/N值低，其厭氧消化產(chǎn)氣量偏低，并易出現(xiàn)NH3-N抑制的問題。然而，動物糞便與FW的混合可以利用其互補效應，增加產(chǎn)氣性能、系統(tǒng)穩(wěn)定性。Zhang等[8]發(fā)現(xiàn)，維持FW與牛糞比例為2∶1時，比單獨的FW產(chǎn)甲烷量提高41.1%。這歸因于牛糞中蛋白質(zhì)含量高，產(chǎn)氣性能提升。Agyeman等[12]發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)增加牛糞的量至兩者比例為1∶1時，產(chǎn)甲烷量可增至630 ml/g VS，但牛糞不能繼續(xù)增加，否則容易出現(xiàn)NH3-N抑制。在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，牛糞的投加稀釋了FW，并且其蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生的NH3-N可調(diào)節(jié)pH，減輕高負荷下的酸性抑制，其有機負荷可升至10 gVS/(L·d)以上[8]。例如，Guillaume等[13]發(fā)現(xiàn)，牛糞投加促使混合體系脂肪含量低于25%，減輕了脂肪酸的積累。相反，由于FW的快速產(chǎn)酸性質(zhì)，促使牛糞的不易降解性及產(chǎn)氣量低的問題得到改善。Banks等[14]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)W增加了牛糞的營養(yǎng)平衡，并且所產(chǎn)酸可以促進牛糞中的纖維降解，增加厭氧消化的產(chǎn)氣量。在兩相消化系統(tǒng)方面，Li等[15]還發(fā)現(xiàn)FW高產(chǎn)酸速率，可縮短酸化時間(總水力停留時間13 d，酸化只需1 d)，提高聯(lián)合厭氧消化效率。

2.2 FW與果蔬垃圾

有研究表明，果蔬垃圾中糖分及半纖維素約占有機質(zhì)的70%以上，其余以纖維素和木質(zhì)素為主[16]。果蔬垃圾中纖維素含量高，可對FW起到稀釋的效果，減輕鹽與油脂的抑制作用[7]。呂琛等[17]研究發(fā)現(xiàn)，混合基質(zhì)產(chǎn)氣量比單獨的FW厭氧消化提高了2%～6%。然而，由于果蔬垃圾的C/N比也相對較高，聯(lián)合消化時易發(fā)生酸化現(xiàn)象。采用單相厭氧消化時，宜控制在低負荷(2%的TS量)的條件下[18]。部分研究采用兩相反應器將FW和果蔬垃圾比例維持在8∶5，充分利用了兩者易酸化的特點[4，18-19]。Yang等[4]、Wang等[18]研究證實，混合基質(zhì)可提高兩相厭氧消化中的酸化效果，并縮短水力停留時間，有機負荷可升至5 gVS/(L·d)。其中，F(xiàn)W所用比例偏高，主要是FW可為厭氧消化提供充足的營養(yǎng)，并通過消化產(chǎn)物加強果蔬垃圾的降解。

2.3 FW與農(nóng)作物秸稈

農(nóng)作物秸稈的C/N值高，發(fā)酵潛力高，但其主要成分是木質(zhì)素、纖維素、半纖維等，水解產(chǎn)酸難度大[20]。有研究者在FW與秸稈比例為5∶1、4∶1時進行聯(lián)合厭氧消化，一方面為了調(diào)節(jié)C/N比，另一方面利用FW的消化產(chǎn)物增加秸稈的水解，降低酸的抑制作用[21-22]。周祺等[23]通過調(diào)節(jié)FW(C/N = 18.9)與玉米秸稈(C/N = 63.5)的混合比例來控制C/N為20時，產(chǎn)氣量相比單獨FW提高28.7%。其歸因于系統(tǒng)營養(yǎng)平衡性提高，纖維素酶活性增強，秸稈的水解增強。此外，玉米秸稈水解耗酸，增強了系統(tǒng)抗酸化能力，pH可以穩(wěn)定在7.25 ± 0.3，極大地提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[22]。而系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高，可直接提高聯(lián)合厭氧消化的效率。蔣滔等[24]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)W與秸稈混合后，厭氧消化延滯期提前9～12 d，有機物降解率比單獨的FW提高69.4%。

2.4 FW與活性污泥

厭氧消化已經(jīng)廣泛應用于處理污水處理廠剩余活性污泥[25]。然而，污泥與牛糞的性質(zhì)類似，蛋白質(zhì)含量高，C/N比值低，但污泥中還含有大量微生物殘體，為生物發(fā)酵提供菌群。因此，將C/N比值高的FW與其聯(lián)合厭氧消化具有較高的可行性。趙云飛等[26]發(fā)現(xiàn)，混合基質(zhì)比例1∶1的條件下，產(chǎn)氣量分別比單獨的FW、污泥提高2.5和1.0倍。雖然，污泥比例提高會增加產(chǎn)氣量，但由于大分子物增多，降低厭氧消化速率，同時系統(tǒng)易出現(xiàn)堿性抑制。Gou等[27]證實，在比例為1∶2的條件下，易出現(xiàn)氨氮抑制，需控制在1 gVS/L低負荷下運行。然而，污泥正常的投加情況下，其可調(diào)控pH，并對FW起到稀釋作用[27-28]。Kim等[29]發(fā)現(xiàn)，混合基質(zhì)的蛋白質(zhì)降解加快，NH3占總氮比例可迅速升至47%，有效防止pH的驟降。Lin等[30]發(fā)現(xiàn)，混合基質(zhì)pH可控制在6.5～8.8，NH3-N濃度可控制在1 326～2 033 mg/L，Na+濃度可控制在1 386～1 423 mg/L，產(chǎn)甲烷菌不受到抑制。

表1 幾種典型的餐廚聯(lián)合厭氧消化

注：“a”表示單位為“%TS”；“b”表示單位為“L/(L·d)”;“c”表示單位為“ml/gTS”。

3 厭氧消化的主要影響因素

FW聯(lián)合厭氧消化利用不同廢物的互補效應，調(diào)節(jié)營養(yǎng)平衡，并對有毒有害物的稀釋作用，來維持產(chǎn)甲烷菌等微生物的正常生長。其厭氧消化系統(tǒng)的影響因素有很多(微生物群落、有機負荷、營養(yǎng)物等)，這里主要針對FW的特點，分析C/N比值、溫度、鹽和油脂、預處理等對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

3.1 C/N比值

微生物對C/N值的需求，是衡量營養(yǎng)平衡的一個重要參數(shù)[31]。微生物對C/N比的最佳需求一般為25～30，但不同廢物的厭氧消化最優(yōu)C/N存在一定差異。聯(lián)合厭氧消化對C/N的調(diào)節(jié)，通常運用C/N比較低的有機質(zhì)與C/N比高的FW混合。Zhang等[32]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)W與牛糞混合的最優(yōu)C/N比為15.8。Zhou等[22]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)W與秸稈混合的最優(yōu)C/N比為20。蔣滔等[24]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)W與玉米秸稈的最優(yōu)C/N比為25.89。C/N比過高時，可能出現(xiàn)酸的積累，發(fā)生酸抑制；同時N元素缺乏，出現(xiàn)甲烷菌的生長抑制，產(chǎn)甲烷量減少[33]。而C/N比過低時，可能發(fā)生氨氮抑制[34]。

3.2 溫度

產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的活性都受到溫度的影響，目前主要考察中溫(30～38 ℃)、高溫(50～55 ℃)厭氧消化效果，而低溫(20～25 ℃)研究較少[35]。從反應動力學上講，高溫條件下酶活性最高，微生物代謝速率最快；從微生物群落的角度看，中溫菌群最豐富，厭氧消化更穩(wěn)定。Gou等[27]發(fā)現(xiàn),污泥與FW聯(lián)合高溫(55 ℃)厭氧消化過程中，產(chǎn)氣率分別是45、35 ℃時的1.3和1.6倍。同時，Ward等[36]發(fā)現(xiàn)，高溫系統(tǒng)的有機負荷率高達7 gVS/(L·d)，而中溫體系只能在小于5 gVS/(L·d)的條件下穩(wěn)定運行。但大量產(chǎn)甲烷菌的適宜溫度為30～40 ℃，高溫厭氧細菌種類較少，致使中溫體系應用廣泛。

3.3 鹽和油脂

FW中含有大量的鹽(K+、Na+、Ca2+、Mg2+等)及油脂，影響厭氧消化過程。少量無機鹽促進微生物的生長；但當濃度太高時，細胞失水導致生物活性降低。Kim等[37]發(fā)現(xiàn)，鈉鹽濃度超過5 g/L會抑制微生物生長。當鈉鹽的含量超過1.5%時，生物降解能力喪失[4]。Ca2+濃度達2 g/L時，容易出現(xiàn)抑制[38]。而一些高濃度負離子也會抑制微生物生長。Cl-的濃度高于0.03 g/L時，會抑制微生物活性；超過1.7 g/L時，易與氮化合物結合形成氯胺，抑制作用增強[39]。此外，餐廚中的油層容易浮于基質(zhì)及附在微生物表面，導致氣體排出受阻，并阻礙傳質(zhì)作用。油脂的分解易形成長鏈酸，在高濃度下對微生物具有毒害作用，同時還會與Ca2+、Mg2+結合，影響其自身被利用及礦物質(zhì)元素的供應。Meng等[40]發(fā)現(xiàn)，油的濃度高于50 g/L時，厭氧消化系統(tǒng)會出現(xiàn)不穩(wěn)定。因此，通過不同基質(zhì)與FW的聯(lián)合厭氧消化可以稀釋鹽和油脂，減輕或避免其抑制作用[13]。

3.4 預處理

目前，聯(lián)合厭氧消化主要是通過機械破碎、化學處理、超聲處理等方法對基質(zhì)進行預處理，來改善厭氧消化的效果。機械破碎可減小進料粒徑、擴大物料與微生物的接觸面積，從而提高反應速率；但由于水解酸化作用加強，容易出現(xiàn)酸性抑制的現(xiàn)象。Agyeman等[12]發(fā)現(xiàn),2.5 mm粒徑的FW產(chǎn)甲烷量比8 mm粒徑的提高10%～29%。但Izumi等[6]發(fā)現(xiàn)，破碎粒徑也不是越小越好，當FW粒徑小于0.7 mm時，產(chǎn)甲烷效率降低；當粒徑達0.4 mm時，系統(tǒng)出現(xiàn)酸性抑制。而其他基質(zhì)如秸稈類破碎后有利于厭氧消化，但其粒徑也需控制在0.3～1.0 mm才能保證聯(lián)合厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定[23]。化學處理以堿處理為主，其可促進高分子有機物水解，并增強系統(tǒng)耐酸能力。Zhou等[22]發(fā)現(xiàn)，用4%的NaOH對秸稈進行預處理后，降解速率加快，系統(tǒng)產(chǎn)氣量及消化效率提高。超聲波處理主要是運用空化作用破壞物料的化學鍵，提高生物的降解性。Quiroga等[41]通過7 500 kJ/kgTS超聲處理牛糞與FW、活性污泥的混合物，發(fā)現(xiàn)中溫和高溫厭氧消化產(chǎn)甲烷量分別提高31%和67%。

4 結語

聯(lián)合厭氧消化極大地提高了系統(tǒng)的營養(yǎng)均衡性及穩(wěn)定性，有效實現(xiàn)FW的減量化、無害化、資源化，具備良好的環(huán)境及經(jīng)濟效益。目前，對聯(lián)合厭氧消化的物料配比、影響因素等已經(jīng)進行了廣泛深入研究。不同廢物的性質(zhì)差異導致與FW聯(lián)合厭氧消化條件大不相同，致使發(fā)酵效率及產(chǎn)氣存在差異。因此，聯(lián)合厭氧消化應根據(jù)不同地區(qū)廢棄物種類，選用合適處理方式，最大限度實現(xiàn)FW與廢物的資源化。但還需注意到，目前我國的垃圾分類、收運體系、處理工藝還處于不完善狀態(tài)，實際生活中的FW成分波動性大，大部分FW的聯(lián)合厭氧消化還處于試驗階段，并未得到大規(guī)模應用，相關工藝參數(shù)有待進一步改進及規(guī)范化。

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Research Progress in Anaerobic Co-digestion of Food Waste and Other Organic Wastes

DENG Yun-pan1,ZHOU Ying-jun2,3*,YANG Bo1et al

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Shenzhen University,Shenzhen,Guangdong 518060; 2.China Urban Construction Design & Research Institute Co.,Ltd,Beijing 1001200; 3.School of Environment,Tsinghua University,Beijing 100084)

Food waste (FW) is easy to be biodegraded due to its high contents of organics and water.Anaerobic digestion has been proved efficient in the treatment of food waste,from the points of both pollution reduction and bio-energy recovery.However,with high C/N ratio and high contents of oil and salt,acidification and unstable operation could easily occur during anaerobic digestion processes of FW.As a result,anaerobic co-digestion of FW with other organic wastes is getting popular these days,as it can help to avoid these problems.Here an overview about common types of anaerobic co-digestion related to FW is presented,and also analyzes factors which have impact on the co-digestion processes.It also gives suggestions on the problem needed to be addressed and direction of future research.

Food waste; Bio-energy; Anaerobic co-digestion; Wasted active sludge; C/N ratio

科技部國家科技支撐計劃資助項目(2012BAC15B00)。

鄧云盼(1991- )，男，江西吉安人，碩士研究生，研究方向：固廢廢棄物資源化。*通訊作者，工程師，博士，從事固廢廢棄物資源化研究。

2015-11-23

S 181

A

0517-6611(2015)35-112-03