基于微生物發(fā)酵技術(shù)的餐廚垃圾資源化研究進(jìn)展

程昕暉，董子水，馬偉芳

（北京林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

餐廚垃圾是指食品加工過程及人們?nèi)粘ｏ嬍持挟a(chǎn)生的食物廢料及殘余。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)餐廚垃圾年產(chǎn)量約1.2 億t，日處理能力為21 900 t/d，僅有10%的餐廚垃圾可被資源化轉(zhuǎn)化[1]。因此，亟需研發(fā)高效經(jīng)濟(jì)的餐廚垃圾資源化新技術(shù)以解決餐廚垃圾的處置問題。餐廚垃圾含有較高的水分及有機(jī)物，極易腐壞變質(zhì)，嚴(yán)重污染環(huán)境、危害公眾身體健康。而常規(guī)的填埋和焚燒技術(shù)不僅浪費(fèi)了大量的有機(jī)物質(zhì)，且在處理過程中會(huì)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)。餐廚垃圾微生物處理由于其高效環(huán)保的優(yōu)勢(shì)越來越受到人們的重視。

餐廚垃圾經(jīng)不同的工藝處理可制成種類豐富的產(chǎn)物，進(jìn)而合成各類化工原料。由于其有機(jī)物含量較高，處理后可用作動(dòng)物飼料、有機(jī)肥料，也可經(jīng)消化后產(chǎn)制甲烷、乙醇等生物燃料代替化石能源，或通過控制反應(yīng)條件，厭氧發(fā)酵制備揮發(fā)性脂肪酸、乳酸、丙三醇等工業(yè)原料，進(jìn)而合成其他化工材料，油脂部分則可用于制備生物柴油，使得餐廚垃圾循環(huán)利用。通過對(duì)餐廚垃圾的特性及資源化利用價(jià)值分析，對(duì)餐廚垃圾微生物發(fā)酵主流及前沿技術(shù)進(jìn)行綜述，可為我國(guó)餐廚垃圾處理及資源化利用提供參考。

1 概述

1.1 餐廚垃圾特性

我國(guó)餐廚垃圾的產(chǎn)生量巨大，總體來看，餐廚垃圾水分含量較高，含水率一般在70%～85%之間[2]，在存放及運(yùn)輸時(shí)產(chǎn)生的滲瀝液容易污染城市環(huán)境及附近居民用水。餐廚垃圾中油脂和碳水化合物含量豐富，這些有機(jī)物為餐廚垃圾資源化的物質(zhì)基礎(chǔ)；同時(shí)，餐廚垃圾的鹽分含量也較高，含有N，P，Ca，K 等元素，可再次發(fā)酵制備肥料、飼料。餐廚垃圾的化學(xué)成分及含量為碳水化合物（55%）、油脂（30%）、蛋白質(zhì)（10%）、微量元素（5%）。

1.2 國(guó)內(nèi)外餐廚垃圾無害化及資源化綜合利用現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外常見的餐廚垃圾無害化及資源化利用的技術(shù)主要有：飼料化技術(shù)、好氧堆肥、厭氧消化產(chǎn)甲烷。工藝特點(diǎn)見表1。

表1 餐廚垃圾處理工藝分析

（1）飼料化。飼料化技術(shù)是指將可回收的餐廚垃圾作為原材料生產(chǎn)的動(dòng)物飼料。目前，應(yīng)用較廣泛的飼料化技術(shù)主要有2 種，即脫水制飼料和生化制蛋白飼料。脫水制飼料技術(shù)是將餐廚垃圾先經(jīng)高溫消毒，再經(jīng)干燥脫水、攪拌粉碎等程序加工，壓制成禽畜飼料；生化制蛋白飼料技術(shù)是采用生化法將適宜的微生物接種入餐廚垃圾中，進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖，對(duì)餐廚垃圾中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行調(diào)控和轉(zhuǎn)變，制成蛋白飼料。

（2）好氧堆肥。好氧堆肥的原理是在有氧條件下，利用微生物將餐廚垃圾中可降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)。好氧堆肥工藝技術(shù)成熟，李龍濤等[4]設(shè)置初始C/N 為25～30、含水率為65%、pH 值為5.92，同時(shí)添加不同的微生物菌劑，以促進(jìn)餐廚垃圾和水稻秸稈等高效堆肥。通過對(duì)餐廚垃圾堆肥過程中的優(yōu)勢(shì)微生物進(jìn)行分析，可進(jìn)一步優(yōu)化好氧堆肥工藝。不同發(fā)酵階段的優(yōu)勢(shì)菌群不同，主要為擬桿菌門、變形菌門、厚壁菌門以及放線菌門。

（3）厭氧消化產(chǎn)甲烷。微生物的厭氧發(fā)酵反應(yīng)需經(jīng)過3 個(gè)階段，即水解、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷，通過微生物的協(xié)同作用將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷、氫氣和二氧化碳，每噸餐廚垃圾（干重）理論上可產(chǎn)生750 m3的甲烷。同時(shí)有研究將餐廚垃圾與其他類型垃圾混合發(fā)酵，王冰潔[5]將餐廚垃圾固相物料與廚余垃圾進(jìn)行了混合，有效改善了物料的厭氧性能，當(dāng)增加有機(jī)負(fù)荷時(shí)，甲烷產(chǎn)率由61.9%升高至63.8%；ZHANG L等[6]將餐廚垃圾與園林廢棄物在三級(jí)生物反應(yīng)器中進(jìn)行共消化，甲烷產(chǎn)率達(dá)到69%；LIAO X 等[7]在反應(yīng)器中加入一定量的填埋場(chǎng)滲瀝液，有效緩解了脂肪酸積累引起的酸性抑制作用，也提高了甲烷產(chǎn)率。

2 微生物技術(shù)在餐廚垃圾處理中的應(yīng)用

餐廚垃圾的微生物厭氧發(fā)酵技術(shù)指通過控制反應(yīng)條件、外加菌種等方式使餐廚垃圾發(fā)酵生成揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）、乳酸、乙醇、丙三醇等物質(zhì)，產(chǎn)物用途廣泛，使餐廚垃圾資源化市場(chǎng)更元化。

2.1 餐廚垃圾制VFAs

揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）包括乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸，是有多種用途的有機(jī)物。在最適條件下，餐廚垃圾制備VFAs 的產(chǎn)率可達(dá)40%，厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs 主要分為2 個(gè)階段進(jìn)行。第1 階段，在水解菌的作用下將餐廚垃圾中的不溶性大分子有機(jī)物水解為小分子物質(zhì)，這一階段是厭氧發(fā)酵的主要限速步驟；第2 階段，酸化細(xì)菌將上一步驟的產(chǎn)物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸、乙醇、CO2、H2等小分子物質(zhì)。但需要采取一定的措施抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，避免酸化階段產(chǎn)生的VFAs 轉(zhuǎn)化為甲烷。

不同的厭氧發(fā)酵條件對(duì)VFAs 的產(chǎn)生有一定的影響。研究表明，pH 值、溫度、含固率（TS）、C/N、有機(jī)負(fù)荷率（OLR）等因素都會(huì)對(duì)VFAs 的產(chǎn)生量和組成比例造成影響。通過設(shè)置不同的發(fā)酵環(huán)境可獲得不同的產(chǎn)物比例，有利于單一脂肪酸的生產(chǎn)與純化。張玉靜[8]研究發(fā)現(xiàn)，在不同的pH 值條件下，乙酸和丁酸在總VFAs 中所占比例最大，高于70%，與JIANG J 等[9]的結(jié)論類似。此外不同pH 值下發(fā)酵類型也有差異，pH 值為4～5 時(shí)顯示為乙酸型發(fā)酵，5～6 時(shí)趨向于丙酸型發(fā)酵，8～9 時(shí)為丁酸型發(fā)酵。而將反應(yīng)溫度控制在35 ℃和45 ℃時(shí)，乙酸和丙酸含量較高，而55 ℃的條件下主要的發(fā)酵產(chǎn)物為丁酸[8]。厭氧發(fā)酵進(jìn)行到后期，經(jīng)過反向β 氧化途徑，會(huì)出現(xiàn)戊酸、異戊酸等長(zhǎng)鏈脂肪酸[10]。VFAs 的組成及產(chǎn)量不僅與發(fā)酵條件有關(guān)，微生物群落結(jié)構(gòu)也有影響。余曉琴[11]對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，厚壁菌門、變形菌門和擬桿菌門是厭氧產(chǎn)酸反應(yīng)器中的特征微生物，通過調(diào)節(jié)其最適生長(zhǎng)環(huán)境，可以增加VFAs 的產(chǎn)量。

目前VFAs 的制備主要是通過石油加工產(chǎn)生的醛和烯烴等化學(xué)前體物質(zhì)氧化或羧化產(chǎn)生[12]，利用餐廚垃圾代替不可再生的石油資源制VFAs 已逐漸被各國(guó)所采用，獲得了廣泛的關(guān)注。

2.2 餐廚垃圾制乳酸

目前，乳酸的合成方法主要有3 種，即化學(xué)合成法、酶法及微生物發(fā)酵法。常規(guī)的工業(yè)化生產(chǎn)乳酸的發(fā)酵原料主要為玉米、小麥、甘蔗等，生產(chǎn)成本較高。選用適宜的發(fā)酵細(xì)菌，餐廚垃圾的乳酸轉(zhuǎn)化率可達(dá)80%～90%，市場(chǎng)前景良好。菌種、pH 值、溫度、接種量、發(fā)酵時(shí)間、固液比等因素都會(huì)影響餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)乳酸的效果。

陳佳奇[13]將餐廚垃圾在pH 值為6.5，45 ℃時(shí)進(jìn)行發(fā)酵處理，菌株接種量為5%，乳酸產(chǎn)量可達(dá)0.351 g/g（以TS 計(jì)）。TANG J 等[14]分別對(duì)比了餐廚垃圾在不同pH 值、溫度、有機(jī)負(fù)荷率（OLR）時(shí)的乳酸產(chǎn)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)pH 值為6、溫度為37 ℃、OLR 為18 g/（L·d）（以TS 計(jì)）時(shí)為最優(yōu)發(fā)酵條件。通常餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)乳酸是在微生物的作用下引導(dǎo)的，因此發(fā)酵環(huán)境對(duì)微生物的生長(zhǎng)至關(guān)重要，pH 為微酸性時(shí)，中高溫度時(shí)最適宜菌株生長(zhǎng)繁殖，其中起到主要作用的微生物為乳酸桿菌屬與魏斯氏菌屬。YE T 等[16]以餐廚垃圾與活性污泥按質(zhì)量比6:1 進(jìn)行混合，獲得23.21 g/L 的乳酸產(chǎn)生率。將餐廚垃圾與活性污泥混合，利用污泥中含有的天然乳酸菌進(jìn)行發(fā)酵，不僅降低餐廚垃圾的處理成本，還可以提供更加適宜微生物生長(zhǎng)的環(huán)境。

2.3 餐廚垃圾制乙醇

生物燃料乙醇是石油的重要代替品之一，每噸餐廚垃圾可產(chǎn)生150 L 燃料乙醇。餐廚垃圾在厭氧環(huán)境下被酵母菌發(fā)酵生成乙醇和二氧化碳，其原理為餐廚垃圾經(jīng)水解后生成葡萄糖，葡萄糖則通過EMP 途徑分解成丙酮酸。丙酮酸再由脫羧酶的催化生成乙醛與二氧化碳，乙醛進(jìn)而被還原成乙醇。餐廚垃圾制備乙醇主要包含預(yù)處理、水解、發(fā)酵、純化4個(gè)步驟。水解和發(fā)酵階段是影響餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)乙醇速率的關(guān)鍵步驟。酶解是餐廚垃圾生產(chǎn)乙醇中最常用的預(yù)處理方法。

目前，餐廚垃圾多采用酵母菌進(jìn)行乙醇發(fā)酵，單一酵母菌發(fā)酵產(chǎn)乙醇效率不高，將酵母菌與其他菌種共接種一同進(jìn)行發(fā)酵，可獲得較高的乙醇產(chǎn)量。張強(qiáng)等[17]在發(fā)酵過程中添加了糖化酶、蛋白酶和纖維素酶，在pH 值為5.3 時(shí)獲得最高乙醇產(chǎn)量54.6 g/L。KIM J H 等[18]利用混合酶，在分步水解發(fā)酵實(shí)驗(yàn)和同步糖化發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中，乙醇的產(chǎn)量分別為0.3 g/g 和0.2 g/g。MOON H C 等[19]則采用了淀粉糖苷酶和糖化酶，發(fā)酵15 h 后，獲得的最大乙醇濃度為0.23 g/g。魏國(guó)香[20]探索纖維素分解菌與乙醇菌共發(fā)酵的最佳方式，在實(shí)驗(yàn)第3 d 時(shí)達(dá)到最高體積分?jǐn)?shù)為3.58×10-2。NTAIKOU I 等[21]用釀酒酵母和畢赤酵母共發(fā)酵對(duì)希臘典型城市收集到的餐廚垃圾進(jìn)行共發(fā)酵，乙醇產(chǎn)量高達(dá)45 g/L。近年來，更多的研究聚焦于分子生物學(xué)，在基因水平上對(duì)酵母菌進(jìn)行重組構(gòu)建，進(jìn)一步增加餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)乙醇的產(chǎn)量。

2.4 餐廚垃圾制丙三醇（甘油）

餐廚垃圾中含有大量的油脂，包括煎炸食物產(chǎn)生的廢棄油、經(jīng)油水分離處理后得到的泔水油等。生物柴油采用餐廚垃圾中的廢棄油脂生產(chǎn)生物柴油及其副產(chǎn)物甘油，每生產(chǎn)10 t 生物柴油就會(huì)產(chǎn)生大約1 t 的副產(chǎn)物甘油[22]。利用廢棄油脂制備生物柴油，其中甘油的產(chǎn)生主要發(fā)生在酯交換反應(yīng)時(shí)[23]。

反應(yīng)時(shí)加入甲醇與廢棄油脂充分混合，降溫至60 ℃，反應(yīng)時(shí)間約為60 min，在反應(yīng)過程中，甘油沉降在反應(yīng)器的底部，原材料油脂以及反應(yīng)產(chǎn)物浮在上部，兩相產(chǎn)物的分界面很明顯。通過萃取或其他操作，可以將反應(yīng)產(chǎn)物與副產(chǎn)物甘油分離。分離出的甘油還可加入預(yù)酯化反應(yīng)中重復(fù)利用，剩余部分經(jīng)過純化后可用于其他商業(yè)用途。

3 結(jié)論

隨著垃圾分類政策的推行，餐廚垃圾減量化、無害化、資源化處理越發(fā)受到重視。餐廚垃圾的科學(xué)收集、高效轉(zhuǎn)化減輕了城市固廢負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展，微生物資源化技術(shù)已經(jīng)成為未來的發(fā)展趨勢(shì)，餐廚垃圾轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品將成為人們的第一選擇。但也應(yīng)看到，餐廚垃圾微生物處理技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也存在很多困難，如餐廚垃圾資源轉(zhuǎn)化率不高、產(chǎn)品附加值低且品種單一等問題都有待解決改進(jìn)。為使餐廚垃圾更好地轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫觅Y源，促進(jìn)環(huán)境友好型城市的建設(shè)，應(yīng)大力推廣新型微生物處理技術(shù)，在使餐廚垃圾轉(zhuǎn)變?yōu)槎逊省⒄託獾任镔|(zhì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步革新微生物發(fā)酵技術(shù)，使產(chǎn)物從單一的甲烷轉(zhuǎn)變?yōu)樗犷?、醇類等高端化工業(yè)原料，并拓寬產(chǎn)品應(yīng)用途徑。