餐廚垃圾單組分厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷研究進(jìn)展*

張鵬帥 林志龍 王曉潔 孫啟元 鄭育毅 劉常青

?

餐廚垃圾單組分厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷研究進(jìn)展*

張鵬帥1，2林志龍1，2王曉潔1，2孫啟元1，2鄭育毅1，2劉常青1，2

1.福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 2.福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所

由于餐廚垃圾中豐富的有機(jī)物、較好的可生化性，使得厭氧發(fā)酵成為目前處理餐廚垃圾最為有效的一種方式。但餐廚垃圾組分復(fù)雜，性質(zhì)多變，不同的飲食結(jié)構(gòu)也使得餐廚垃圾的性質(zhì)不盡相同。研究餐廚垃圾代表性組分有助于探究不同組分餐廚垃圾厭氧發(fā)酵機(jī)理，真正實(shí)現(xiàn)資源最大化利用。

餐廚垃圾 代表性組分 厭氧發(fā)酵 研究進(jìn)展

我國餐廚垃圾處置形勢較為嚴(yán)峻，目前的主要處置方式包括填埋、焚燒、堆肥、制作飼料以及厭氧發(fā)酵等[1-2]。其中，厭氧發(fā)酵處理餐廚垃圾不僅穩(wěn)定化、無害化程度較高，還可產(chǎn)生氫氣、甲烷等高熱值清潔能源氣體，是目前最為理想的一種處置方式。國內(nèi)外對于餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的研究也較多，但由于餐廚垃圾成分復(fù)雜，性質(zhì)多變，每個(gè)地區(qū)飲食結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致餐廚垃圾的性質(zhì)不同，從而對于眾多相似的研究，其結(jié)果往往不盡相同。因此近年來，學(xué)界開始對餐廚垃圾代表性組分厭氧發(fā)酵進(jìn)行研究，本文以餐廚垃圾不同組分所具有的不同厭氧發(fā)酵特點(diǎn)入手，綜合國內(nèi)外研究進(jìn)展，分析當(dāng)前研究狀況，探索發(fā)展方向，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 餐廚垃圾不同組分厭氧發(fā)酵特性研究進(jìn)展

餐廚垃圾單組分根據(jù)其化學(xué)組成可分為淀粉類餐廚組分、蛋白類餐廚組分、纖維素類餐廚組分，以及油組分。不同組分具有不同的厭氧發(fā)酵特性。

1.1 淀粉類餐廚組分發(fā)酵

淀粉類餐廚組分結(jié)構(gòu)較為簡單，在水解階段易被淀粉酶水解為糖類。糖類被厭氧微生物利用的速率較快，因此淀粉類餐廚組分厭氧發(fā)酵耗時(shí)較短。Cho等[3]研究了不同餐廚組份在37℃下的產(chǎn)甲烷性能，得出熟大米的產(chǎn)甲烷量可達(dá)294mL/gVS。浦躍武[4]研究了接種率對木薯渣厭氧發(fā)酵特性的影響。研究表明，接種率為70%時(shí)，木薯渣發(fā)酵過程較為穩(wěn)定，體系未出現(xiàn)酸積累。厭氧發(fā)酵的產(chǎn)甲烷量可達(dá)249.35mL/gVS，甲烷含量可達(dá)48.16%。Parawira等[5]分別研究了土豆單獨(dú)厭氧發(fā)酵以及聯(lián)合甜菜葉厭氧發(fā)酵的性能。結(jié)果表明，土豆單獨(dú)厭氧發(fā)酵，在含固率為40%時(shí)，產(chǎn)甲烷量達(dá)到最大，為0.32L/gVS，添加甜菜葉后，土豆的產(chǎn)甲烷量可提高31%～62%。其中添加甜菜葉的主要功能是調(diào)節(jié)發(fā)酵系統(tǒng)的C/N比，防止酸化。

1.2 肉類餐廚組分厭氧發(fā)酵

肉類餐廚組分的主要化學(xué)組成為蛋白質(zhì)，其厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量大，且甲烷濃度較高。Wu等[6]研究了含固率對豬肉和骨頭粉末混合物厭氧發(fā)酵的影響。研究表明，含固率對其厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷量無太大影響，而含固率對延滯時(shí)間的影響較大。在5%及10%的含固率下，體系厭氧發(fā)酵延滯時(shí)間最長。這是因?yàn)?，?%及10% 含固率下厭氧發(fā)酵，體系積累了較多的揮發(fā)酸和游離氨。Eiroa等[7]測定了魚罐頭廠不同種魚類廢物的產(chǎn)甲烷量，結(jié)果得出金槍魚與沙丁魚厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷量相近，為0.47gCOD-CH4/g CODadded，而鯖魚廢物的甲烷產(chǎn)量則可達(dá)0.59gCOD-CH4/g CODadded。研究還發(fā)現(xiàn)，過高的基質(zhì)種泥比會導(dǎo)致酸積累，影響體系的發(fā)酵性能。Ana等[8]研究了餐廚垃圾中不同單組分的厭氧發(fā)酵性能，得出結(jié)論：豬肉魚肉雖然在實(shí)驗(yàn)?zāi)M餐廚垃圾中占比較小，但是貢獻(xiàn)了較多的產(chǎn)甲烷量，每gVS產(chǎn)甲烷量可達(dá)291mL。

1.3 纖維素類餐廚組分厭氧發(fā)酵

蔬果類餐廚主要化學(xué)成分為纖維素和糖類。糖類能迅速被微生物分解利用，而纖維素則需要耗費(fèi)較長的時(shí)間才能被分解。Gunaseelan等[9]研究了多種水果和蔬菜的厭氧消化產(chǎn)甲烷量，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)所用水果的產(chǎn)甲烷量在0.18～0.723L/g VS，蔬菜的產(chǎn)甲烷量在0.19～0.41L/gVS。吉喜燕等[10]以菜市場廢棄大白菜為研究對象，研究其在30°C下厭氧發(fā)酵的發(fā)酵性能，并將研究結(jié)果與其他研究作了對比。研究結(jié)果表明，廢棄大白菜的產(chǎn)甲烷量要大于其他同類型底物。高春燕等[11]以海帶為研究對象，研究了溫度、鹽度、pH對海帶產(chǎn)甲烷量的影響，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對海帶厭氧發(fā)酵的條件進(jìn)行優(yōu)化。在優(yōu)化后的條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵，海帶產(chǎn)氣量可以提高17.3%。

餐廚垃圾中的蔬果成分應(yīng)為蔬果邊腳料，因此一部分研究以蔬果邊角料為研究對象，探討其厭氧發(fā)酵性能。張艷[12]以娃娃菜廢棄物為原料，通過小試試驗(yàn)與中試試驗(yàn)，研究了接種物濃度、碳氮比、酸化前處理等因素對厭氧發(fā)酵的影響。研究結(jié)果表明，接種物濃度為30%，C/N比為20:1的實(shí)驗(yàn)組沼氣產(chǎn)量和甲烷含量高于其他實(shí)驗(yàn)組。研究還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)酸化處理后可以提高體系產(chǎn)氣量和甲烷含量。劉芳等[13]研究了菜花、甘藍(lán)、白菜、西紅柿廢棄葉單獨(dú)厭氧發(fā)酵以及和牛糞聯(lián)合厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣特性。結(jié)果表明，以上四種熟菜廢棄物單獨(dú)厭氧發(fā)酵累計(jì)產(chǎn)氣量可分別達(dá)到16121，18709，17226及19701mL。在單獨(dú)厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中，西紅柿廢棄葉厭氧發(fā)酵過程甲烷含量最高，可達(dá)54%。研究還表明，蔬菜廢棄莖葉與牛糞協(xié)同發(fā)酵可以提高其產(chǎn)氣周期，累計(jì)產(chǎn)氣量及甲烷體積分?jǐn)?shù)。

1.4 油及高脂物質(zhì)

油脂以及含油廢物中有機(jī)質(zhì)含量較高，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量較大。李凜等[14]研究了接種比和C/N比對廢棄油脂甲烷產(chǎn)量的影響。研究表明，中溫厭氧發(fā)酵下，油脂在1:6的接種比例下產(chǎn)甲烷量達(dá)到最大，為737mL/gTS。在設(shè)定的四種C/N比值下，C/N比越小，油脂產(chǎn)甲烷量最大。賀靜[15]等以廢棄油脂為對象，研究了菌種馴化對廢棄油脂厭氧發(fā)酵的影響。研究發(fā)現(xiàn)，馴化后的菌種能夠提高油脂厭氧發(fā)酵的效果，在馴化菌種的作用下，油脂的產(chǎn)甲烷量可達(dá)1.21L/g。

油脂經(jīng)過酶預(yù)處理后，產(chǎn)甲烷量可得到大幅提升。Ying等[16]利用三種脂肪酶對餐廚浮油、動(dòng)物油、植物油進(jìn)行預(yù)處理，研究發(fā)現(xiàn)油通過來自曲霉及念珠菌的脂肪酶在40℃～50℃下水解24h后，長鏈脂肪的釋放效果最好。經(jīng)處理后，動(dòng)物油、植物油以及餐廚浮油的產(chǎn)甲烷量可分別提高80.8%～157.7%, 26.9%～53.8%, 以及 37.0%～40.7%。

油脂由于有機(jī)質(zhì)豐富，常被添加至其他有機(jī)質(zhì)較為貧乏的物料中進(jìn)行協(xié)同發(fā)酵。Wan等[17]研究了濃縮池污泥與油脂協(xié)同發(fā)酵的性能。當(dāng)油脂添加量為64%時(shí)，體系日甲烷產(chǎn)量提高了37%，沼氣中的甲烷含量提高至66.8%。Wang等[18]用隔油柵垃圾與濃縮池污泥進(jìn)行協(xié)同發(fā)酵，體系產(chǎn)甲烷量可達(dá)0.752m3/kg(VS),甲烷含量提升至70.1%。Luostarinen等[19]研究了市政污泥與豬肉廠含脂污泥協(xié)同消化的效果。研究表明，市政污泥在添加46%的含脂污泥后，體系厭氧發(fā)酵啟動(dòng)迅速，產(chǎn)氣量隨著含脂污泥添加量的增加而增加。

由于油脂能夠吸附在細(xì)胞膜表面，阻礙細(xì)胞與外界的物質(zhì)傳遞，因此，油脂在厭氧發(fā)酵過程中常發(fā)生抑制現(xiàn)象。解除抑制可極大提高油脂的厭氧發(fā)酵效果。Wu等[20]對比了四種處理方式對已發(fā)生抑制的發(fā)酵系統(tǒng)的恢復(fù)效果。研究發(fā)現(xiàn)，添加接種物對系統(tǒng)的恢復(fù)效果最好，并且接種物添加量越多，恢復(fù)時(shí)間越短。

2 結(jié)論與展望

通過餐廚垃圾四種代表性組分厭氧發(fā)酵特性研究現(xiàn)狀進(jìn)行全面論述與分析后，可得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)前餐廚垃圾厭氧發(fā)酵單組分研究主要包括淀粉類、蛋白類、纖維素類以及油脂類，四者相比，淀粉類因其結(jié)構(gòu)簡單，厭氧發(fā)酵耗時(shí)最短；纖維素類較難被微生物分解，厭氧發(fā)酵耗時(shí)時(shí)間最長；較高的含固率對肉類餐廚組分厭氧發(fā)酵延滯時(shí)間產(chǎn)生較大影響。

（2）產(chǎn)氣方面，油及高脂物質(zhì)中有機(jī)質(zhì)最豐富，產(chǎn)甲烷量最大，甲烷濃度較高，其次是肉類，淀粉類最少。通過馴化菌株，結(jié)合其他有機(jī)廢棄物進(jìn)行聯(lián)合厭氧發(fā)酵等方法可增大產(chǎn)氣量，提高甲烷濃度。

（3）以上四種組分在發(fā)酵過程中均會出現(xiàn)不同程度的酸抑制現(xiàn)象，油脂因較強(qiáng)的吸附能力，酸抑制現(xiàn)象最為明顯，向體系添加不同的接種物可改善體系C/N比，有效緩解酸抑制現(xiàn)象。

目前國內(nèi)對餐廚垃圾單組分厭氧發(fā)酵研究較少，將各種代表性組分餐廚垃圾按不同配比探究厭氧發(fā)酵性能并確定水解酸化限制因子從根本上解決體系酸化問題尚待研究，參考國外飲食結(jié)構(gòu)及研究狀況，針對不同組分選取合適的預(yù)處理方式，有助于解決我國因各地飲食方式差異導(dǎo)致餐廚垃圾組分不同，而使餐廚垃圾最大資源利用化較難的問題。

[1] 魏世鋒. 我國餐廚垃圾處理技術(shù)淺析[C]//沼氣發(fā)展戰(zhàn)略和對策研討會. 沈陽, 2010: 3.

[2] 孫媛媛, 許鵬, 劉麗清. 餐廚垃圾資源化技術(shù)研究探析[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理,2014(2): 174-177.

[3] Cho J K, Park S C, Chang H N. Biochemical methane potential and solid state anaerobic digestion of Korean food wastes [J]. Fuel & Energy Abstracts, 1995,36(3):245-53.

[4] 浦躍武, 劉堅(jiān). 木薯渣厭氧發(fā)酵制取沼氣的研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(29):14308-14310.

[5] Parawira W, Murto M, Zvauya R,. Anaerobic batch digestion of solid potato waste alone and in combination with sugar beet leaves[J]. Renewable Energy,2004,29(11):1811-1823.

[6] Wu G,Healy M G, Zhan X. Effect of the solid content on anaerobic digestion of meat and bone meal[J].Bioresource Technology,2009,100(19):4326- 4331.

[7] Eiroa M, Costa J C, Alves M M,. Evaluation of the biomethane potential of solid fish waste[J]. Waste Management,2012,32(7):1347-1352.

[8] Nielfa A, Cano R, Vinot M,. Anaerobic digestion modeling of the main components of organic fraction of municipal solid waste[J]. Process Safety & Environmental Protection,2015,94:180-187.

[9] Gunaseelan V N. Biochemical methane potential of fruits and vegetable solid waste feedstocks[J]. Biomass & Bioenergy,2004,26(4):389-399.

[10] 吉喜燕, 肖志海, 林衛(wèi)東，等. 廢棄大白菜厭氧消化產(chǎn)甲烷的實(shí)驗(yàn)研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015,35(3):10-13.

[11] 高春燕, 劉慧, 張婷婷. 海帶發(fā)酵產(chǎn)甲烷的初步研究[J].可再生能源, 2013,31(10):109-114.

[12] 張艷, 汪建旭, 馮煒弘,等. 娃娃菜廢棄物厭氧發(fā)酵制取沼氣的小試和中試[J].中國沼氣,2015,33(5):54-59.

[13] 劉芳, 邱凌, 李自林,等. 蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2013,22(10):162-170.

[14] 李凜, 張?jiān)骑w, 李強(qiáng),等. 廢棄食用油脂中溫厭氧發(fā)酵特性研究[J].中國沼氣,2016,34(5):27-31.

[15] 賀靜, 陳涇濤, 李強(qiáng),等. 菌種馴化對廢棄食用油脂中溫厭氧消化的影響[J].中國沼氣, 2015,33(4):26-30.

[16] Ying M, Luan F, Yuan H,. Enhancing anaerobic digestion performance of crude lipid in food waste by enzymatic pretreatment[J]. Bioresource Technology, 2017,224:48-55.

[17] Wan C, Zhou Q, Fu G,. Semi-continuous anaerobic co-digestion of thickened waste activated sludge and fat, oil and grease[J]. Waste Management, 2011,31(8):1752-1758.

[18] Wang L, Aziz T N. Determining the limits of anaerobic co-digestion of thickened waste activated sludge with grease interceptor waste[J]. Water Research, 2013,47(11):3835-3844.

[19] Luostarinen S, Luste S, Sillanp?? M. Increased biogas production at wastewater treatment plants through co-digestion of sewage sludge with grease trap sludge from a meat processing plant[J]. Bioresource Technology, 2009,100(1):79-85.

[20] Wu L J, Kobayashi T, Kuramochi H,. Recovery strategies of inhibition for mesophilic anaerobic sludge treating the de-oiled grease trap waste[J]. International Biodeterioration & Biodegradation,2015,104:315-323.

基金項(xiàng)目：福建省科技廳重大專項(xiàng)（2014YZ0002-1）；福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015R0099）；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015J01187，2016J05115,2016J05096）。

劉常青。