中國廚余垃圾厭氧發(fā)酵的改良及資源化應(yīng)用進(jìn)展

王璐瑤張璐璐

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075)

廚余垃圾是城市生活垃圾的重要組成部分，包括餐廳垃圾、菜市場垃圾、家庭廚房垃圾等。根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒(2020)》，2019年中國產(chǎn)生城市生活垃圾約2.4206億t，其中廚余垃圾產(chǎn)量約為121.03～14524萬t，約占城市生活垃圾的50%～60%[1]。2019年5月，中國開始在16個城市開展“零垃圾城市”試點(diǎn)建設(shè)，不斷推進(jìn)固體廢物源頭減量化和資源化利用，盡量減少垃圾進(jìn)入填埋場的數(shù)量，減少對垃圾填埋場的影響。2019年上海市生活垃圾分類政策實(shí)施后，其日均廚余垃圾產(chǎn)生量為7453t·d-1，較2018年增長了88.8%。因此，我國迫切需要合適、無害、資源化、規(guī)?；奶幚砑夹g(shù)來處理廚余垃圾[2]。

1 廚余垃圾特點(diǎn)

有數(shù)據(jù)顯示，在大多數(shù)國家，廚余垃圾約占城市生活垃圾的12%～50%，而中國的比例最高，為56.1%。廚余垃圾富含有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分，是一種優(yōu)質(zhì)的厭氧發(fā)酵基質(zhì)，具有很高的資源回收潛力。中國的廚余垃圾主要由蔬菜、食物殘渣、果皮、蛋殼、骨頭和貝類等組成，其中含有大量的水、碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和其它有機(jī)物，擁有較高的總固(TS)、揮發(fā)性固體(VS)含量。我國廚余垃圾擁有高水分含量、高有機(jī)質(zhì)含量、高生物降解性、低C/N、缺乏微量元素、高脂質(zhì)含量、高蛋白質(zhì)含量、高含油量、高辣椒素含量、高含鹽量等特點(diǎn)，均會影響厭氧發(fā)酵過程。其中，含水量超過80%的廚余垃圾可直接用作厭氧發(fā)酵的基質(zhì)，無需像好氧堆肥一樣進(jìn)行脫水或水分調(diào)節(jié)[3]。有機(jī)質(zhì)含量高的廚余垃圾具有很高的產(chǎn)甲烷潛力，其良好的生物降解性和易腐性會導(dǎo)致水解速度過快，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪酸(VF)的積累[4]；C/N<20且缺乏Fe、Se、Co、Mo和Ni等微量元素，均不利于厭氧發(fā)酵過程，但可通過共消化解決[5]。此外，有研究顯示，我國廚余垃圾中油(1.96%～3.28%)、辣椒素(4±1mg·g-1廚余垃圾)和鹽(4.6%)的含量較高，不有利于厭氧發(fā)酵過程。因此，我國在廚余垃圾資源化處理過程中，應(yīng)充分考慮油脂、辣椒素、鹽分等諸多因素的影響[6]。

2 廚余垃圾厭氧發(fā)酵的改良措施

厭氧發(fā)酵是厭氧菌或兼性厭氧菌在厭氧或缺氧條件下將有機(jī)物分解成小分子化合物，產(chǎn)生甲烷、水、二氧化碳等物質(zhì)的過程，該過程包括水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷4步反應(yīng)。廚余垃圾通過油水分離處理，分離出的廢油可通過酯交換轉(zhuǎn)化為生物柴油，其它分離物經(jīng)兩級厭氧發(fā)酵處理，產(chǎn)生的沼氣可用于熱電聯(lián)產(chǎn)或凈化后的染料，沼渣可通過堆肥轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料或土壤改良劑，沼液可通過進(jìn)一步處理制成液體肥料。

2.1 預(yù)處理

有機(jī)物水解速率是制約厭氧發(fā)酵效果的重要因素，通過預(yù)處理可以減小廚余垃圾的粒徑并增加其比表面積，促進(jìn)有機(jī)物的溶解，最終提高生物降解性和甲烷產(chǎn)率[7]。常用的預(yù)處理方法包括以下幾種。

2.1.1 物理和機(jī)械預(yù)處理

機(jī)械研磨、超聲波、電離輻射、凍融、加壓等，可改變反應(yīng)底物的表面積。

2.1.2 熱預(yù)處理

熱、微波、水熱等，可促進(jìn)大分子物質(zhì)的溶解和細(xì)胞膜的分解，增強(qiáng)底物的質(zhì)量均質(zhì)化。

2.1.3 化學(xué)預(yù)處理

酸、堿、高級氧化等，破壞大分子結(jié)構(gòu)，促進(jìn)水解。

2.1.4 生物預(yù)處理

半?yún)捬?、微氧、酶等，生物酶破壞有機(jī)物結(jié)構(gòu)，促進(jìn)水解。

2.1.5 組合預(yù)處理

熱-酸結(jié)合等。

有些預(yù)處理方法存在高能源消耗、產(chǎn)生二次污染等局限性。因此，在選擇預(yù)處理時，不但要考慮技術(shù)的先進(jìn)性，還要考慮經(jīng)濟(jì)性。

2.2 協(xié)同厭氧發(fā)酵

由于我國廚余垃圾的C/N比不在適宜厭氧發(fā)酵的最佳比例范圍內(nèi)，并且缺乏可以促進(jìn)厭氧發(fā)酵的金屬微量元素(Zn、Fe、Mn、Se)，同時還含有大量抑制厭氧發(fā)酵的Na、K、脂類和鹽分，而廚余垃圾與其它有機(jī)廢物協(xié)同發(fā)酵可在不同底物之間產(chǎn)生互補(bǔ)協(xié)同效應(yīng)，因此，協(xié)同發(fā)酵是調(diào)節(jié)厭氧發(fā)酵處理廚余垃圾的有效措施。目前，常用于促進(jìn)厭氧發(fā)酵的協(xié)同發(fā)酵基質(zhì)包括生活垃圾、農(nóng)業(yè)廢棄物、綠色廢棄物、糞便、微藻、污泥、生活污水、工業(yè)污水等。殷等研究證明，廚余垃圾和污泥協(xié)同發(fā)酵可顯著提高甲烷生產(chǎn)率，在廚余垃圾中加入適量的綠色垃圾和殘渣，可提高厭氧發(fā)酵的穩(wěn)定性。加入生物炭可通過調(diào)節(jié)pH、吸附氨和有害物質(zhì)、調(diào)節(jié)C/N、微生物固定化、微生物群落富集、促進(jìn)種間直接電子轉(zhuǎn)移等方式提高厭氧發(fā)酵的效率和穩(wěn)定性。

2.3 兩相厭氧發(fā)酵

單相厭氧發(fā)酵因其工藝簡單而擁有廣泛的應(yīng)用。歐洲約95%的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)采用單相厭氧發(fā)酵系統(tǒng)。單相厭氧發(fā)酵的4個階段(水解、酸化、產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷)都在同一個反應(yīng)器中進(jìn)行，任何階段的抑制都會導(dǎo)致厭氧發(fā)酵效率的降低。因此，為了解決單相厭氧發(fā)酵的缺點(diǎn)，Pohland等[8]于1971年提出了兩相厭氧發(fā)酵，提高了厭氧發(fā)酵的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率。兩相厭氧發(fā)酵中的酸化階段和產(chǎn)甲烷階段分別處于不同的處理單元，產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌在各自的最佳條件下生長。兩相厭氧發(fā)酵具有以下特點(diǎn)：氫氣、甲烷產(chǎn)率高；系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；有機(jī)負(fù)荷率高，處理負(fù)荷易于調(diào)節(jié)；厭氧發(fā)酵時間縮短；能量轉(zhuǎn)換效率提升。但兩相厭氧發(fā)酵系統(tǒng)復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)成本高，限制了其工業(yè)化推廣，目前工業(yè)應(yīng)用仍多采用單相厭氧發(fā)酵，兩相厭氧發(fā)酵是未來工業(yè)發(fā)展的趨勢。

2.4 外源添加劑

近年來，許多研究通過向厭氧發(fā)酵反應(yīng)器中添加不同材料來提高厭氧發(fā)酵過程的效率和穩(wěn)定性，厭氧發(fā)酵過程中所需的C、N、P、S等常量營養(yǎng)素一般可以通過協(xié)同發(fā)酵的添加材料來補(bǔ)充，而Fe、Co、Ni、Mo、Zn、Cu等微量營養(yǎng)素是參與產(chǎn)甲烷酶促反應(yīng)的重要因素，需要通過其它添加材料來補(bǔ)充，一般包括常量營養(yǎng)素和微量營養(yǎng)素、納米材料(納米零價鐵、Fe2O3)、酶和細(xì)菌(淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等)、固定微生物的填料、減輕氨抑制的添加劑(礦物材料、鳥糞石)、促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移的碳基和導(dǎo)電材料等[9]。目前，關(guān)于使用生物炭等碳基添加劑促進(jìn)厭氧發(fā)酵的研究也越來越多。生物炭含有氧化礦物質(zhì)、碳酸鹽和有機(jī)官能團(tuán)(-COO-、-O-)，可提高厭氧發(fā)酵的pH值和pH緩沖能力。生物炭擁有較高的比表面積，可吸附氨及其它抑制物質(zhì)(檸檬烯、重金屬等)進(jìn)而消除厭氧發(fā)酵過程中的抑制作用[10]。但添加劑成本高、條件要求高、存在二次環(huán)境污染的風(fēng)險，因此在厭氧發(fā)酵中尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

3 廚余垃圾厭氧發(fā)酵的資源化應(yīng)用進(jìn)展

目前，厭氧發(fā)酵是我國處理廚余垃圾的主要方式。有研究顯示，我國現(xiàn)有厭氧發(fā)酵廠的數(shù)量和處理能力在所有處理技術(shù)中排名第一。厭氧發(fā)酵處理廠產(chǎn)能主要集中在200t·d-1以上。發(fā)酵產(chǎn)物包括沼氣以及由發(fā)酵產(chǎn)物加工而成的有機(jī)肥料。沼氣可用于現(xiàn)場供熱、發(fā)電、車輛燃料、并入天然氣管網(wǎng)、升級為壓縮天然氣或液化天然氣等[11]。此外，協(xié)同發(fā)酵也越來越多地開始推廣應(yīng)用。廣州東部固體資源回收中心生物質(zhì)綜合處理廠總處理能力為2040t·d-1，是全球最大的城市有機(jī)垃圾處理廠，其發(fā)酵底物由餐廳廢棄物、廚余垃圾、畜禽尸體和糞便4種有機(jī)廢物組成，可實(shí)現(xiàn)污水資源化利用，年發(fā)電1億kW，年產(chǎn)沼氣3102.5萬m3、生物柴油10萬、化肥14.6萬t。

4 結(jié)論

現(xiàn)階段，廚余垃圾在厭氧發(fā)酵中還存在營養(yǎng)不平衡、抑制、厭氧系統(tǒng)不穩(wěn)定、甲烷產(chǎn)量低、純度低等問題。因此，還應(yīng)加強(qiáng)對預(yù)處理或協(xié)同發(fā)酵過程中協(xié)同機(jī)制的研究，通過生命周期評估來評估這些技術(shù)的可行性，指導(dǎo)其在工業(yè)上的應(yīng)用。同時加強(qiáng)對甲烷純度的提高，避免燃燒過程中產(chǎn)生其它有害氣體污染物，若允許凈化后的甲烷并入天然氣管網(wǎng)，將顯著提高甲烷的應(yīng)用價值。