厭氧消化處理餐廚垃圾技術(shù)進展

劉中華，鄭鵬偉

（1.日照市固體廢物處理中心，山東日照276000；2.齊魯工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，山東濟南250353）

厭氧消化處理餐廚垃圾技術(shù)進展

劉中華1，鄭鵬偉2

（1.日照市固體廢物處理中心，山東日照276000；2.齊魯工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，山東濟南250353）

結(jié)合了國內(nèi)外餐廚垃圾厭氧消化的研究現(xiàn)狀，主要介紹了餐廚垃圾的消化體系特點、添加劑、聯(lián)合消化等工藝條件對餐廚垃圾厭氧消化的影響，旨在探討更有效的餐廚垃圾厭氧消化工藝條件，實現(xiàn)餐廚垃圾減量化，從無害化轉(zhuǎn)向資源化和能源化。

餐廚垃圾；厭氧消化；添加劑；資源化

餐廚垃圾，俗稱泔腳，包括饅頭、蔬菜、果皮、米面、肉、骨等拋棄的剩余飯菜，以及紙巾、塑料等，主要成分為碳水化合物（45.35%）、蛋白質(zhì)（21.03%）和脂肪（15.56%）［1］。它來自廚房食品加工過程中產(chǎn)生的廢料和餐桌上吃剩的食品，我國大城市如北京和上海，餐廚垃圾產(chǎn)量達到1000t/d，占城市固體廢棄物總量的40%～60%［2，3］。因其具有高含水量、含鹽量和有機物含量，易發(fā)酵酸敗降解，并產(chǎn)生惡臭氣體和有毒物質(zhì)，危害環(huán)境。餐廚垃圾處理技術(shù)主要有填埋、好氧堆肥、飼料化和厭氧消化等。填埋可在短時間內(nèi)處理餐廚垃圾，但占用土地資源，并伴有垃圾滲濾液析出，易引發(fā)二次污染。餐廚垃圾飼料化易發(fā)生同源污染，威脅人類健康；填埋處理易造成土壤、水和大氣污染以及侵占土地；好氧堆肥易引起惡臭、堆肥產(chǎn)品品質(zhì)和市場認(rèn)可度差的問題［4］。

1 厭氧消化進展

1.1 厭氧消化特點

因餐廚垃圾具有有機含量高（85%～95%），含水率高（75%～85%）的特點，從而成為厭氧消化的優(yōu)質(zhì)底物［5］。在厭氧微生物作用下，餐廚垃圾可產(chǎn)生氫氣（H2）和甲烷（CH4）等能源氣體；在發(fā)酵過程中還能減少病原菌、臭氣產(chǎn)生和二氧化碳（CO2）排放；同時發(fā)酵后沼渣可生產(chǎn)有機肥原料。研究發(fā)現(xiàn)，餐廚垃圾相較于其他發(fā)酵基質(zhì)具有更高的甲烷產(chǎn)率［6］。因此，為了滿足當(dāng)前對于可再生能源需求，相較于氣化和燃燒，厭氧消化處理餐廚垃圾技術(shù)是一種變廢為寶、實現(xiàn)清潔再生資源、化腐朽為神奇的有效途徑［5，7］。DiStefano和Palomar［8］研究表明，當(dāng)把氫氣作為一種燃料與壓縮天然氣按一定比例在內(nèi)燃機中混合時，H2可減少50%氮氧化物（NOx）排放，這項技術(shù)在加拿大、中國、印度、意大利、瑞典和美國已被廣泛采用。

1.2 餐廚垃圾厭氧消化工藝條件

由于有機垃圾具有良好生物降解性，因此厭氧消化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于處理餐廚垃圾［9］。餐廚垃圾厭氧消化是基于微生物代謝作用，首先將其降解為簡單小分子有機化合物（水解階段）；然后進一步在產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌作用下將小分子有機化合物降解轉(zhuǎn)化為脂肪酸類和醇類物質(zhì)（酸化階段）；產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌（H2-producing acetogens）將酸化階段兩個碳以上的有機酸（除乙酸）和醇轉(zhuǎn)化為乙酸、H2和CO2等過程（產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段）；基于以上兩階段，再經(jīng)專性厭氧的產(chǎn)甲烷菌將上述階段產(chǎn)生的乙酸、甲酸、甲醇、CO2/H2等轉(zhuǎn)為沼氣（產(chǎn)甲烷階段）［10］。厭氧消化是微生物主導(dǎo)的過程，不同階段的菌群均有其適宜的生長條件范圍（pH值、溫度、氧化還原電位等）如表1，每一階段變化都有可能對自身及其后階段的微生物菌群生長帶來影響，造成整個厭氧消化過程不穩(wěn)定。pH值通過影響厭氧消化體系內(nèi)微生物酶活性，從而影響微生物活性。表1說明非產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)甲烷菌的適合范圍有較大差異，當(dāng)pH值偏離各自范圍時，它們代謝過程與途徑將會受到影響。pH值＜7，揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）呈分子態(tài)，可透過細(xì)胞膜被微生物利用；pH值＞7，VFAs呈電離子體，難以透過細(xì)胞膜；當(dāng)pH值＞7.8時，還會使NH4+轉(zhuǎn)化為NH3，產(chǎn)生毒性。消化溫度對厭氧反應(yīng)尤為重要，當(dāng)溫度低于最優(yōu)下限溫度時，每下降1℃，效率下降11%。在適合范圍內(nèi)，溫度在1～3℃的微小波動，對厭氧反應(yīng)影響不明顯，但溫度變化過大（或急速變化），則會引起產(chǎn)甲烷菌活力下降（對溫度變化敏感），產(chǎn)生酸積累等問題。厭氧消化能夠正常運行的最重要條件是保持體系內(nèi)為厭氧環(huán)境，厭氧環(huán)境的主要標(biāo)志是具有較低的氧化還原電位（ORP），在厭氧環(huán)境下，ORP應(yīng)小于0。高溫條件下的ORP較中溫ORP更低，另外不同菌群對ORP的要求也不相同，產(chǎn)酸菌對ORP的要求較低，在-100～100 mV的兼性厭氧條件下都能正常生長代謝，而產(chǎn)甲烷菌的適宜ORP在-350 mV以下。因此，餐廚垃圾厭氧消化過程的穩(wěn)定性是限制其高效產(chǎn)能源氣的關(guān)鍵問題，解決這一問題就要遵循微生物代謝生長規(guī)律，從物料（源頭）和運行方式（過程）著手，具體方式包括物料混合厭氧聯(lián)合消化、調(diào)節(jié)初始pH值、連續(xù)pH值調(diào)節(jié)和補充營養(yǎng)物質(zhì)等。

表1 厭氧消化發(fā)酵微生物生長適宜的外界環(huán)境因素

1.3 聯(lián)合厭氧消化技術(shù)

餐廚垃圾含有多種營養(yǎng)元素，如S，Ca，Mg含量分別為0.25%（濕基），2.16%，0.14%，碳氮比（C/N）達到14.8，在厭氧消化C/N范圍（13.9～19.6）［11，12］。Zhang等［11］研究了間歇高溫（50℃）厭氧消化餐廚垃圾性能，結(jié)果表明，當(dāng)消化時間進行到10 d和28 d時，甲烷產(chǎn)量分別達到348 mL/g VS和435 mL/g VS，表明餐廚垃圾具有很高的產(chǎn)甲烷潛力。但餐廚垃圾單獨消化時易引發(fā)酸化，造成反應(yīng)失敗［13］。將餐廚垃圾與其他生物質(zhì)廢物聯(lián)合消化已成為研究熱點。當(dāng)將餐廚垃圾與其他廢物聯(lián)合消化時，必須保證適宜C/N。如果C/N過高，會造成反應(yīng)體系緩沖能力下降，易造成酸積累現(xiàn)象；如果C/N過低，則會促進氨產(chǎn)生，抑制產(chǎn)甲烷菌活性，降低產(chǎn)甲烷能力。

污泥和牛糞中均含有多種微生物和營養(yǎng)物質(zhì)，很多學(xué)者將其與餐廚垃圾混合厭氧消化研究。Zhang等發(fā)現(xiàn)通過將牛糞與餐廚垃圾按混合比為2進行混合，批式厭氧消化體系產(chǎn)甲烷能力提高了41.1%，相應(yīng)的甲烷產(chǎn)量達到了388 mL/g VS；半連續(xù)消化中產(chǎn)甲烷量為317 mL/g VS，甲烷總產(chǎn)量提高了55.2%。他們還研究發(fā)現(xiàn)通過添加牛糞能夠明顯增強消化體系的緩沖能力，這是因為牛糞中含有多種元素（Na+，Mg2+， Fe3+，Zn2+，Mn2+等），并能產(chǎn)生和VFAs，從而提高混合物體系的緩沖能力［12］。焦剛珍等［14］將餐廚垃圾與經(jīng)85℃水浴加熱30 min殺滅耗氫菌的污泥進行中溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫，結(jié)果顯示4種污泥（厭氧污泥、河底淤泥、壓濾污泥、曝氣污泥）中接種厭氧污泥的餐廚垃圾平均產(chǎn)氫量最高，達10.11 mL/g VS。對餐廚垃圾產(chǎn)甲烷的研究也很普遍。李榮平等［15］研究了間歇厭氧消化在中溫（35℃）條件下，牛糞、餐廚垃圾以及兩者混合物的產(chǎn)氣性能。研究結(jié)果顯示，單獨消化時餐廚垃圾產(chǎn)甲烷量為362.2 mL/g VS，是牛糞產(chǎn)甲烷量（144.3 mL/g VS）的2.5倍；通過將牛糞和餐廚垃圾按一定比例進行混合，能夠達到均衡營養(yǎng)物質(zhì)和C/N，增強緩沖能力，縮短消化時間的效果，這表明混合消化可有效提高厭氧消化。Kim等［16］的餐廚垃圾和污泥聯(lián)合消化的結(jié)果說明，當(dāng)餐廚垃圾含量39.3%（中溫）和50.1%（高溫）時，產(chǎn)甲烷速率最高。將一定量牛糞添加到餐廚垃圾中，可顯著增強餐廚垃圾厭氧消化性能，但當(dāng)牛糞投加量超過一定比例時，則會產(chǎn)生抑制現(xiàn)象。El-Masha和張瑞紅［17］利用牛糞和餐廚垃圾混合消化結(jié)果表明，未過篩的牛糞與餐廚垃圾之比在68%/ 32%和52%/48%，經(jīng)過30 d中溫共消化產(chǎn)甲烷量分別為282 mL/g VS和311 mL/g VS；在同樣條件下餐廚垃圾產(chǎn)甲烷量達到353 mL/g VS。這說明添加牛糞到餐廚垃圾中超過一定程度會抑制消化體系甲烷生成，這是由于氨氮濃度過高所造成的氨抑制引起的，與單消化相比，牛糞和餐廚垃圾共消化的消化液中氨氮濃度含量明顯升高。Lay等［18］指出氨氮濃度達到700 mg/L時會抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。投加過量的牛糞還會造成有機負(fù)荷過高，有機負(fù)荷也是影響甲烷產(chǎn)量的重要因素之一。Maranón等［19］的牛糞、餐廚垃圾和污泥聯(lián)合消化結(jié)果說明，在中溫（36℃）和有機負(fù)荷（1.2 g VS/L d）條件下，70%牛糞、20%餐廚垃圾和10%污泥（總固含量約為4%），在連續(xù)流攪拌反應(yīng)器（CSTR）中獲得最高產(chǎn)甲烷量603 mL CH4/g VS。但當(dāng)有機負(fù)荷增加到1.5 gVS/L d時，甲烷產(chǎn)量減少20%～28%。因此，一定有機負(fù)荷條件下，餐廚垃圾、牛糞和污泥的聯(lián)合厭氧消化，能夠明顯增強厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和產(chǎn)甲烷潛力。

1.4 厭氧消化體系

單相厭氧消化處理器中，產(chǎn)甲烷細(xì)菌在種群和數(shù)量水平上比產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌少得多，底物利用水平有限，繁殖時代長達4～6 d，而且對環(huán)境條件要求苛刻。當(dāng)體系平衡失調(diào)時，產(chǎn)甲烷菌反應(yīng)敏感，對其活性產(chǎn)生不利影響，劉曉英和劉廣青等利用單相厭氧反應(yīng)器處理餐廚垃圾，發(fā)現(xiàn)當(dāng)餐廚垃圾超過25 g/L時，會發(fā)生酸化現(xiàn)象［20］。而產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌對環(huán)境要求沒那么苛刻，其活性受影響不大。所以根據(jù)產(chǎn)酸細(xì)菌群和產(chǎn)甲烷菌群的生化特性差異，在兩個反應(yīng)器中分別單獨培養(yǎng)，提高甲烷產(chǎn)量的有效途徑是兩相厭氧消化體系。兩相厭氧消化城市污泥的效果明顯優(yōu)于單相厭氧處理［21］。

趙慶良等［22］研究污水污泥和有機廢物兩相厭氧消化表明，底物在高溫（75℃）產(chǎn)酸相2.5 d可實現(xiàn)水解與產(chǎn)酸（兼具滅菌作用），在37℃和10 d或14 d產(chǎn)甲烷相中可獲得最大產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量。在系統(tǒng)外界環(huán)境不受溫度變化或變化不大時，高溫/中溫兩相厭氧消化系統(tǒng)都具有較大的穩(wěn)定性。Li等［23］研究了兩相反應(yīng)器中水力停留時間（HRT）對餐廚垃圾和牛糞聯(lián)合厭氧消化影響，產(chǎn)氣量比牛糞單獨消化產(chǎn)氣量提高了0.8～5.5倍，并指出在牛糞與餐廚垃圾混配比為6∶1和HRT為1 d，酸化可獲最高產(chǎn)氣速率3 970 mL/d。表明兩相厭氧消化體系具有很好的緩沖能力和穩(wěn)定性。

此外，某些學(xué)者研究三相發(fā)酵體系，并從餐廚垃圾中獲得較高的能量。將餐廚垃圾降解、轉(zhuǎn)化、生成氫氣和甲烷的新型三相發(fā)酵體系［24］。在這個體系中，首先將韓國本土的乳酸菌添加到餐廚垃圾中，使其發(fā)酵產(chǎn)生乳酸鹽，而不是乙酸鹽和丁酸鹽，因為它們并不是光發(fā)酵產(chǎn)氫有利底物；其次將乳酸發(fā)酵液進行離心分離，其中上清液作為底物通過光發(fā)酵細(xì)菌球形紅細(xì)菌（Rhodobacter sphaeroides KD131）產(chǎn)生H2；最后將沉淀部分厭氧消化產(chǎn)甲烷（CH4）。結(jié)果顯示，最高H2產(chǎn)量為994 mL/g CODadded，由于1 g COD等同于1.4 L H2，說明底物中有71%能量轉(zhuǎn)化為H2；同樣，CH4最高產(chǎn)量為308 mL/g COD，按照1 g COD相當(dāng)于350 mL CH4計算，CH4轉(zhuǎn)化效率為88%，餐廚垃圾最終能量有41%轉(zhuǎn)化為H2和37%轉(zhuǎn)化為CH4，顯著高于兩相暗發(fā)酵體系［25］。

1.5 添加劑餐廚垃圾厭氧消化影響

為了提高厭氧消化產(chǎn)氣性能，許多學(xué)者將不同的添加劑添加到發(fā)酵基質(zhì)中，以改善厭氧基質(zhì)和條件，獲得更高產(chǎn)氣量。在發(fā)酵產(chǎn)氫中，曹先艷等［26］以表面活性劑與偏硅酸鈉的混合物作為添加劑，研究了它們對餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氫影響，隨添加量增大，體系中氫氣濃度增大；但添加劑量過高會抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。張記市等［27］通過將造紙白泥添加到餐廚垃圾中進行厭氧消化，結(jié)果表明，由于造紙白泥含有多種堿性物質(zhì)如CaCO3和NaOH，添加少量造紙白泥（0.5～2%）可顯著提高產(chǎn)氫量、產(chǎn)氫速率，還能明顯縮短停滯期。當(dāng)造紙白泥添（1.5%）時，產(chǎn)氫量最高達137.6 mL H2/g VS。在厭氧產(chǎn)甲烷中，微量元素對厭氧消化產(chǎn)甲烷菌具有激活作用［27］。Takashima和Speece報道［28］，微量金屬元素Fe，Co，Ni的氯化物直接加入反應(yīng)器中，能夠明顯提高乙酸的利用率。這是由于FeCl2，NiCl2和CoCl2改變了產(chǎn)甲烷菌生存環(huán)境，優(yōu)勢菌由索氏甲烷絲狀菌轉(zhuǎn)化為巴氏甲烷八疊球菌。前者在低濃度乙酸的產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中占優(yōu)勢，而后者則在高濃度乙酸和豐富的微量營養(yǎng)下活性較高，其活性是前者3～5倍。

2 結(jié)論

根據(jù)餐廚垃圾易酸化和有機質(zhì)含量高的特點，綜述了餐廚垃圾厭氧消化的工藝特點和強化措施。厭氧消化體系經(jīng)歷了由傳統(tǒng)簡單的單相到兩相、三相發(fā)展階段，提高厭氧消化體系穩(wěn)定性，進而提高產(chǎn)氣性能。許多學(xué)者多集中于兩相厭氧消化，隨著研究者對餐廚垃圾厭氧消化工藝參數(shù)及過程控制的進一步深入探討，相信能夠?qū)⒗碚撗芯颗c實際運用更有效地進行結(jié)合，進一步降低運行厭氧體系的成本和提高能源氣體的產(chǎn)量。

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Research progress on anaerobic digestion of food waste

LIU Zhonghua1，ZHENG Pengwei2
（1.Rizhao Solid Waste Disposal Center，Rizhao 276000，China；2.College of Environmental Sciences，Qilu University of Technology，Jinan 250353，China）

This paper summarized the research status of anaerobic digestion from food waste at home and abroad，mainly introducing the anaerobic digestive system，pretreatment，additives and co-digestion with other substances of food waste.It aims at discussing of more effective technological conditions of anaerobic digestion from food waste and further achieving reduction of food waste and cyclic economy，with the conversion from harmless treatment to resource and energy utilization.

Food waste；Anaerobic digestion；Additive；Resource

X799.3

A

1674-0912（2015）11-0038-04

2015-10-12）

劉中華（1981-），男，山東日照人，碩士，工程師，研究方向：固體廢物管理與處置。