餐廚垃圾厭氧消化性能提高研究現(xiàn)狀與展望

李亞亞 唐婧

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對食品的需求也不斷提高，餐廚垃圾的處理成為了必須面對的難題。目前我國的餐廚垃圾增長率已超過10%[1]，并持續(xù)不斷增高。餐廚垃圾含有大量的有機(jī)物、高水分、高鹽度和高油分，因此餐廚垃圾需要適當(dāng)?shù)奶幚?，否則將會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[2]。且餐廚垃圾易腐爛發(fā)臭，影響城市的形象、污染城市的空氣，對居民生活造成困擾。食物的損失和浪費(fèi)也是一個重大的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境問題[3]。傳統(tǒng)的餐廚垃圾處理方法有衛(wèi)生填埋、焚燒、喂養(yǎng)牲畜及好氧堆肥等。衛(wèi)生填埋易操作見效快，但對環(huán)境危害較大，如會產(chǎn)生難聞的氣體造成空氣污染，會造成垃圾滲濾液，對水源造成污染，從而對人類健康造成威脅[4]。餐廚垃圾因具有較高的含水率導(dǎo)致焚燒產(chǎn)生大量的酸性氣體，造成空氣污染[5]。餐廚垃圾在喂養(yǎng)牲畜時，由于其易存在不明病菌，疾病傳播的隱患較大，從而危害人類健康。餐廚垃圾好氧堆肥技術(shù)具有便于操作、易于推行的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)有效的資源回收和良好的減量化效果，但占地面積大且經(jīng)濟(jì)效益較低。

厭氧消化已被證明是一種在世界范圍內(nèi)處理城市固體廢物，特別是餐廚垃圾的一項(xiàng)很有前途的技術(shù)[6]?？紤]到餐廚垃圾具有有機(jī)物含量高的特點(diǎn)，因此其具備了利用價值，對其進(jìn)行合理處置可以產(chǎn)生清潔能源，進(jìn)而緩解我國資源不足的壓力[7]。因此，保護(hù)環(huán)境、再生資源的關(guān)鍵就是餐廚垃圾的資源化處理。餐廚垃圾可以通過厭氧消化工藝轉(zhuǎn)化為甲烷等清潔能源，在我國被廣泛使用。微生物厭氧產(chǎn)甲烷的過程中受微生物相互協(xié)作的影響，菌群對反應(yīng)條件較敏感,外界條件變化易導(dǎo)致產(chǎn)底物利用率低、系統(tǒng)不穩(wěn)定、甲烷速率緩慢、效率低等問題,阻礙了厭氧消化產(chǎn)甲烷的應(yīng)用。因此，如何更快速、更高效地產(chǎn)甲烷成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。

本文介紹了餐廚垃圾的特性，分析了厭氧消化的影響因素，著重對餐廚垃圾厭氧消化資源化處理技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了闡述，為餐廚垃圾的高效厭氧消化產(chǎn)甲烷提供參考。

1 餐廚垃圾的特點(diǎn)

餐廚垃圾是在人們加工生產(chǎn)食品以及人們奢侈浪費(fèi)中產(chǎn)生的廢棄物，其主要有米、面粉、蔬菜、肉等，從化學(xué)角度看，主要包括淀粉、蛋白質(zhì)、脂類等。含水量高、含鹽量高和有機(jī)物含量高是其最主要的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使其可以作為一種資源來生產(chǎn)肥料或燃料。同時，餐廚垃圾易變質(zhì)發(fā)臭，影響市容市貌、污染空氣和水資源，易成為蚊蠅的棲息地，傳播疾病，尤其對于老人小孩免疫力較弱的群體，會對健康造成一定的影響。因此，科學(xué)妥善處置餐廚垃圾對環(huán)境保護(hù)以及資源再生至關(guān)重要。

2 餐廚垃圾厭氧消化的影響因素

餐廚垃圾在厭氧消化過程中要依靠微生物的作用才能降解，厭氧系統(tǒng)的正常運(yùn)行又依賴菌群的穩(wěn)定生長。然而環(huán)境條件的變化對微生物菌群的影響較大，許多環(huán)境因素都會對微生物的活性造成影響。

2.1 油脂

污泥表面易被餐廚垃圾的油脂包裹，使污泥緩慢地漂浮到厭氧系統(tǒng)的上層，造成污泥流失，并且具有很強(qiáng)的毒性，能引起嚴(yán)重的抑制作用[8]。

2.2 溫度

微生物的活性和水解速率與酶的活性密切相關(guān)，而酶又受溫度的影響。只有在產(chǎn)甲烷菌正常生長溫度范圍內(nèi)其才能發(fā)揮作用，溫度的突然變化將導(dǎo)致厭氧發(fā)酵的失敗，所以厭氧反應(yīng)器需要保持恒溫。

2.3 pH

發(fā)酵菌和產(chǎn)甲烷菌易受pH的影響。在反應(yīng)的過程中，系統(tǒng)容易酸化，反應(yīng)速率就會降低，進(jìn)而產(chǎn)甲烷的效率也會變低。因此，可根據(jù)反應(yīng)器的pH變化，加入KHCO3或NaHCO3對pH進(jìn)行調(diào)節(jié)，使pH保持在最佳范圍內(nèi)。

2.4 揮發(fā)性脂肪酸

甲烷的產(chǎn)生與揮發(fā)性脂肪酸的形成密不可分。厭氧消化系統(tǒng)的pH與揮發(fā)性脂肪酸直接相關(guān)。揮發(fā)性脂肪酸的積聚會導(dǎo)致反應(yīng)系統(tǒng)的酸化，從而使產(chǎn)甲烷菌的活性降低。

2.5 有機(jī)負(fù)荷率

餐廚垃圾厭氧消化適宜的有機(jī)負(fù)荷范圍為2.0～3.0gVS·L-1·d-1，如果有機(jī)負(fù)荷過高，易出現(xiàn)酸抑制現(xiàn)象，如果有機(jī)負(fù)荷過低，會降低產(chǎn)氣效率[9]。

3 提高厭氧消化性能措施

3.1 預(yù)處理

厭氧消化的速度取決于水解的效率，因此對餐廚垃圾預(yù)處理以促進(jìn)基質(zhì)的水解是提高產(chǎn)氣特性的有效方法。物料的組成成分、物料粒徑的大小和結(jié)構(gòu)都會影響其水解速率，對于高分子化合物和顆粒基質(zhì)的生物降解更是如此[10]。良好的預(yù)處理技術(shù)能夠保存生物質(zhì)中的有機(jī)物，有利于水解過程，避免形成任何有毒或抑制性化合物，環(huán)境友好、處理過程簡單、經(jīng)濟(jì)[11]。Izumi等[12]的研究中發(fā)現(xiàn)，通過物理作用把餐廚垃圾的粒徑減小，甲烷產(chǎn)量提高了28%。li等[13]研究油與餐廚垃圾在pH=10、55℃條件下的共消化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)熱化學(xué)預(yù)處理的甲烷產(chǎn)量比未經(jīng)熱化學(xué)預(yù)處理提高9.9%。Saha等[14]用0.2mol·L-1的醋酸對混合果渣進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理破壞了細(xì)胞結(jié)構(gòu)，纖維素更容易發(fā)生降解，使果渣甲烷產(chǎn)率提高了10%。黃建欽等[10]的研究表明，用脂肪酶和表面活性劑對餐廚垃圾進(jìn)行預(yù)處理，厭氧消化的甲烷產(chǎn)量分別增加了31.2%和29.1%。對餐廚垃圾進(jìn)行預(yù)處理以提高厭氧消化效率，在其研究領(lǐng)域是可行的，具有重要的研究價值。

3.2 添加導(dǎo)電材料

產(chǎn)甲烷過程需要多種細(xì)菌的共同作用才能將復(fù)雜有機(jī)物降解并轉(zhuǎn)化成甲烷。發(fā)酵細(xì)菌與產(chǎn)甲烷菌之間通過載體進(jìn)行胞外電子傳遞的方式稱為種間電子傳遞[15]。最近的研究表明，某些細(xì)菌可以直接將電子傳遞到產(chǎn)甲烷菌,這種獨(dú)特的細(xì)胞到細(xì)胞電子傳遞機(jī)制使得產(chǎn)甲燒過程以一種在熱力學(xué)和代謝方面更為高效的方式進(jìn)行[16],這也最終提高了有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄榈乃俣?這種方式稱為種間直接電子傳遞(DIET)。并且DIET速率高，節(jié)省能量。最近的許多研究表明，添加導(dǎo)電材料可以促進(jìn)菌群的種間直接電子傳遞。Davidraj等[17]研究了添加活性炭對啤酒廢活性污泥和餐廚垃圾厭氧共消化生產(chǎn)甲烷的影響。結(jié)果表明，添加1.5%(g·g-1)的活性炭可使甲烷產(chǎn)量提高45%。掃描電鏡分析表明，投加GAC后可形成生物膜。結(jié)果表明，GAC明顯豐富了水解和產(chǎn)乙酸酶活性，提高了產(chǎn)甲烷的電子轉(zhuǎn)移效率，從而顯著提高了甲烷的產(chǎn)量。Chen等[18]采用硫化微量零價鐵(S-mZVI)對廢棄活性污泥和餐廚垃圾進(jìn)行了厭氧共消化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，S-mZVI促進(jìn)了特定細(xì)菌與產(chǎn)甲烷菌之間的種間直接電子轉(zhuǎn)移，從而提高了甲烷產(chǎn)率。當(dāng)S-mZVI濃度為10g·L-1時，CH4產(chǎn)率和ETS活性分別達(dá)到264.78mL/g-vs和24.62mgINTF/(g-TS.h)，分別是空白的1.33倍和1.83倍。Ma等[19]在餐廚垃圾和果蔬垃圾厭氧共消化的實(shí)驗(yàn)中，添加5g·L-1PAC組和10g·L-1PAC組的累計(jì)產(chǎn)甲烷量和最短滯后期最高，分別比不加活性炭時提高了22.0%和62.5%，滯后時間最短。Akturk等[20]在對餐廚垃圾厭氧消化的實(shí)驗(yàn)中，通過添加生物炭和微量金屬研究其促進(jìn)作用，實(shí)驗(yàn)表明，在2.0g·L-1和5.0g·L-1的生物炭添加量下，沼氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)率都有不同程度的增加。厭氧消化體系中添加導(dǎo)電材料，可以利用導(dǎo)電材料良好的導(dǎo)電性替代pill實(shí)現(xiàn)DIET，又可以吸附具有胞外電子傳遞能力的微生物，強(qiáng)化厭氧消化體系微生物之間的種間直接電子傳遞。因此，隨著DIET的研究不斷取得突破，通過導(dǎo)電材料強(qiáng)化餐廚垃圾厭氧消化體系中的DIET過程將會引起越來越多的關(guān)注。

3.3 厭氧共消化

共消化可通過稀釋有毒物質(zhì)濃度、促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)平衡等方式，緩解厭氧消化過程中高鹽分的抑制作用、高易腐有機(jī)物導(dǎo)致易酸化等問題[21]。Zhang等[22]研究了餐廚垃圾和牛糞的厭氧共消化，在2∶1(VS)、T=35℃、V=1L的條件下，CH4產(chǎn)量增加了55.2%，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。Meng等[23]研究了餐廚垃圾和浮油的厭氧共消化，在質(zhì)量比25∶1、T=35℃、V=250L的條件下，TS和VS分別降低了70.7%～86.1%和87.5%～91.4%。Yong等[24]對餐廚垃圾和秸稈共消化進(jìn)行了研究，餐廚垃圾與秸稈共消化的最佳混合比例接近5∶1，此時C/N約為31，比餐廚垃圾單獨(dú)消化時的甲烷產(chǎn)率提高了39.5%，這是因?yàn)榻斩挼腃/N較高，餐廚垃圾和秸稈共消化可以均衡營養(yǎng)元素，促進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定以更好地產(chǎn)甲烷。共消化可以按照因地制宜的原則，最大限度地利用餐廚垃圾資源。

4 結(jié)語與展望

我國作為餐飲消費(fèi)大國，減少和無害化處理餐廚垃圾非常重要。厭氧消化是最具有發(fā)展前景的處理餐廚垃圾技術(shù)，該技術(shù)大規(guī)模運(yùn)用的關(guān)鍵是提高厭氧消化產(chǎn)甲烷效率。預(yù)處理以增加廢物的可生化性、添加導(dǎo)電材料促進(jìn)產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌之間的種間直接電子轉(zhuǎn)移以及厭氧共消化來促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)平衡，是提高消化性能的有效方法。如何選擇產(chǎn)氣效率更高、成本更低的方法是未來餐廚垃圾厭氧消化處理技術(shù)研究重點(diǎn)。未來可以從以下幾方面研究餐廚垃圾的厭氧消化。

4.1 對底物的預(yù)處理與種間直接電子傳遞相結(jié)合

餐廚垃圾預(yù)處理技術(shù)已相對成熟，但預(yù)處理與種間直接電子傳遞相結(jié)合卻鮮見報(bào)道，將兩者結(jié)合研究對厭氧消化的影響具有重要意義，是未來研究的一大趨勢。

4.2 探索新型導(dǎo)電材料對餐廚垃圾厭氧消化過程的影響

如探索導(dǎo)電性能優(yōu)良的新興納米材料，探索導(dǎo)電材料的性質(zhì)(如尺寸大小、表面積等)并優(yōu)化其投加量。

4.3 反應(yīng)條件的控制

產(chǎn)甲烷菌需要在一個合適的環(huán)境中才能發(fā)揮其作用，消化系統(tǒng)的pH、VFAs、溫度、氨氮都會影響其產(chǎn)甲烷性能，按照不同的情況及時采取不同的處理方法，控制反應(yīng)條件在最佳范圍內(nèi)，提高厭氧消化性能。