餐廚垃圾厭氧生物轉(zhuǎn)化預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展*

董成耀，顧 霞，趙 磊，周永泉，李 響

（1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.維爾利環(huán)?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司，江蘇常州 213125；3.上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200232）

1 引言

餐廚垃圾是餐飲垃圾和廚余垃圾的總稱。餐飲垃圾是指餐館、飯店、單位食堂等的飲食剩余物以及后廚的果蔬、肉食、油脂、面點(diǎn)等的加工過(guò)程廢棄物；廚余垃圾指家庭日常生活中丟棄的果蔬及食物下腳料、剩菜剩飯、瓜果皮等易腐有機(jī)垃圾。餐廚垃圾具有較高的含水率，富含碳水化合物、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)，資源化利用程度低，是城市有機(jī)固體廢物的重要組成部分［1］。

2021 年，全國(guó)餐廚垃圾產(chǎn)生量為1.27×108t，同比增長(zhǎng)5.8%［2-3］。未經(jīng)處理的餐廚垃圾暴露于環(huán)境中會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，產(chǎn)生的滲濾液也會(huì)對(duì)土壤和地下水造成嚴(yán)重污染［4］。生態(tài)環(huán)境部2019 年印發(fā)《“無(wú)廢城市”建設(shè)試點(diǎn)實(shí)施方案編制指南》和《“無(wú)廢城市”建設(shè)指標(biāo)體系（試行）》，提出垃圾再生資源回收與高值資源化利用的具體任務(wù)［5］。2021 年9 月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》，要求以綠色、低碳發(fā)展為關(guān)鍵，加強(qiáng)資源綜合高效利用［6］，因此實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾高值資源化是處理城市有機(jī)固廢的關(guān)鍵目標(biāo)。目前，厭氧發(fā)酵和好氧堆肥工藝是較為成熟的餐廚垃圾資源化處理技術(shù)，厭氧發(fā)酵因其碳排放量低、二次污染少、建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本低等優(yōu)點(diǎn)［7］，逐漸成為我國(guó)餐廚垃圾資源化利用的主要途徑。

厭氧發(fā)酵主要分為3 個(gè)階段［8］：①水解酸化階段，微生物在胞外水解酶的作用下將溶解性大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)物。例如溶解性多糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖，蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為氨基酸，脂質(zhì)水解為長(zhǎng)鏈脂肪酸（Long Chain Fatty Acids，LCFAs）和甘油。隨后葡萄糖在糖酵解階段轉(zhuǎn)化為丙酮酸，氨基酸脫氨基后，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸和丁酸，LCFAs 遵循β氧化機(jī)理被降解為乙酸和氫氣，甘油被分解成1，3-丙二醇、乳酸和乙醇等［9-11］；②產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌在兼性或嚴(yán)格厭氧條件下，將酸化階段產(chǎn)生的丙酸、丁酸、戊酸、乙醇等進(jìn)一步分解為乙酸和氫氣。與此同時(shí)，同型產(chǎn)乙酸菌利用氫氣和二氧化碳合成乙酸；③產(chǎn)甲烷階段，嗜酸產(chǎn)甲烷菌利用乙酸分解產(chǎn)生甲烷，嗜氫產(chǎn)甲烷菌通過(guò)二氧化碳和氫氣合成甲烷［12］。

現(xiàn)階段，厭氧發(fā)酵生產(chǎn)甲烷已經(jīng)廣泛應(yīng)用于餐廚垃圾的處理工藝中，而發(fā)酵中的水解階段是主要的限速步驟，這是因?yàn)椴蛷N垃圾中含有大量的纖維素、油脂等物質(zhì)，這些大分子物質(zhì)難以被發(fā)酵功能菌快速利用，使得水解酸化的產(chǎn)酸效率大幅降低［13］。因此，為了提高餐廚垃圾的發(fā)酵效能，通常采用預(yù)處理技術(shù)：一方面可以減固增溶，加快有機(jī)質(zhì)的水解進(jìn)程；另一方面也可以定向富集微生物提高菌群生物量，從而穩(wěn)定系統(tǒng)發(fā)酵效能。

因此，本研究對(duì)目前應(yīng)用于工程的預(yù)處理技術(shù)、研究成熟的水熱處理技術(shù)、處于發(fā)展階段的生化預(yù)處理工藝以及新興的預(yù)處理方法進(jìn)行總結(jié)，以期為餐廚垃圾發(fā)酵處理工藝的建設(shè)和改進(jìn)提供參考。

2 餐廚垃圾預(yù)處理工程應(yīng)用

現(xiàn)階段餐廚垃圾預(yù)處理已經(jīng)形成了完整的體系，能夠?qū)崿F(xiàn)工程化，其處理流程如圖1 所示。

圖1 餐廚垃圾預(yù)處理工程應(yīng)用的工藝流程Figure 1 Food waste pretreatment process flow for engineering applications

餐廚垃圾進(jìn)料通常分為廚余垃圾進(jìn)料及餐飲垃圾進(jìn)料，廚余垃圾經(jīng)過(guò)破袋滾筒篩等機(jī)械篩選后，進(jìn)入生物水解反應(yīng)器進(jìn)行預(yù)水解，經(jīng)過(guò)擠壓脫水機(jī)和除雜裝置進(jìn)一步除渣；餐飲垃圾通過(guò)蒸煮加熱，保證油脂與其他漿液充分混合，混合液經(jīng)過(guò)三相分離機(jī)進(jìn)行提油、除渣、液相出料等操作，油脂進(jìn)一步回收；兩條線的濾液最后進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)沼，供產(chǎn)熱和發(fā)電使用；整個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量固渣，包括篩上物、三相固渣、脫水固渣、除雜固渣、發(fā)酵沼渣等，這些固渣均外運(yùn)至焚燒廠處置。

2.1 機(jī)械篩分

餐廚垃圾中不僅富含蛋白質(zhì)、淀粉等大分子物質(zhì)，還含有油分及較多的惰性固體殘?jiān)?，如塑料、陶瓷、骨頭等。這些物質(zhì)在厭氧發(fā)酵過(guò)程中難以降解，影響機(jī)械設(shè)備正常進(jìn)行，因此篩分預(yù)處理十分必要。Agyeman 等［14］通過(guò)機(jī)械研磨的方法將餐廚垃圾的平均粒徑從0.843 mm 降低至0.391 mm，大分子溶解率增加30%。吳元等［15］利用大物質(zhì)分選機(jī)+制漿分選機(jī)進(jìn)行兩級(jí)分選處理餐廚垃圾，可去除80.87%的雜物，提高了篩分效率。湯曉艷等［16］開(kāi)發(fā)了一種餐廚垃圾分選制漿方法，即餐廚垃圾原料輸送到大物質(zhì)分選機(jī)內(nèi)，其中的大件雜物被打散，惰性雜物從大料出口排出，分選后的粗漿液再經(jīng)精細(xì)制漿機(jī)破碎，輕質(zhì)碎片從出料口拋出；該方法對(duì)紙張、金屬、骨頭玻璃陶瓷類、木竹、織物和塑料的去除率共計(jì)84.5%，而食物垃圾和油脂去除率僅為6.6%和7.0%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大件雜物以及難降解惰性雜物的高效分離，并最大程度減少油脂和有機(jī)物損失。

2.2 三相提油

餐廚垃圾中的油脂含量因地域分布、生活飲食習(xí)慣等原因存在一定的差異。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1 t 餐廚垃圾油脂含量為0.045～0.070 t［17］，因此油脂回收是餐廚垃圾處理不可缺少的工序。目前我國(guó)的主要提油工藝是物料在篩分之后加熱，再泵入三相分離機(jī)進(jìn)行提油工序［18］。李夢(mèng)雅等［18］在130～135 ℃條件下對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行高溫濕解提油，提油率達(dá)到2.58%～8.72%。

2.3 生物水解

餐廚垃圾厭氧發(fā)酵能夠通過(guò)產(chǎn)沼氣等方式回收碳和能量，但由于發(fā)酵系統(tǒng)緩沖能力較差，發(fā)酵過(guò)程中的水解和酸化階段產(chǎn)生的大量短鏈脂肪酸會(huì)嚴(yán)重抑制后續(xù)發(fā)酵。因此通過(guò)兩級(jí)處理工藝，先將餐廚垃圾進(jìn)行生物預(yù)水解，再將漿液輸送至下一級(jí)發(fā)酵系統(tǒng)，可以有效提高系統(tǒng)的緩沖性能并確保不同微生物群落的最佳生境，提高發(fā)酵效能[19]。García-Depraect 等[20]發(fā)現(xiàn)兩階段厭氧發(fā)酵處理工藝回收的生物能量（以VS 計(jì)，2 748 MJ·t-1·d-1）比單階段厭氧發(fā)酵回收的能量（以VS 計(jì)，1 473.2 MJ·t-1·d-1）多1 倍，為厭氧發(fā)酵提供了新的研究思路。趙磊等[21]設(shè)計(jì)了一種臥式有機(jī)垃圾生物預(yù)水解反應(yīng)器，在機(jī)械、生物菌種共同作用下將可生物降解的有機(jī)質(zhì)水解融入液相，并使油脂隨瀝水及時(shí)排出，加速水解反應(yīng)，提高后續(xù)處理器的發(fā)酵效能。何品晶等[22]設(shè)計(jì)了一種生物質(zhì)垃圾預(yù)水解-機(jī)械破碎一體化均質(zhì)工藝，利用酶調(diào)理過(guò)的濾液澆灌生物質(zhì)垃圾進(jìn)行預(yù)水解，提高水解程度，隨后進(jìn)行厭氧消化處理，沼氣產(chǎn)量增加。Li 等［23］采用投加零價(jià)鐵的方法，促進(jìn)了餐廚垃圾的水解溶出，提高了D-乳酸的產(chǎn)率（是空白組的6.4 倍）。

2.4 餐廚垃圾預(yù)處理面臨的挑戰(zhàn)

餐廚垃圾處理工藝依然存在兩大主要挑戰(zhàn)：①現(xiàn)階段沼氣回收經(jīng)濟(jì)價(jià)值有限，依靠電價(jià)補(bǔ)貼才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行，而餐廚垃圾預(yù)處理單元的廢油脂回收，經(jīng)濟(jì)價(jià)值更高［24］，因此，拓展餐廚垃圾的高值資源化是實(shí)現(xiàn)有機(jī)固廢中“碳中和”的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。如在發(fā)酵液中調(diào)控生物定向發(fā)酵，制備的醇類、乳酸、短鏈脂肪酸（Volatile Fatty Acids，VFA）和中鏈脂肪酸（Medium-chain Fatty Acids，MCFA）等高附加值碳產(chǎn)品［25］；②現(xiàn)階段餐廚垃圾處理工藝產(chǎn)生大量預(yù)處理固渣及發(fā)酵沼渣。陳福仲等[24]對(duì)青島某垃圾處理基地厭氧發(fā)酵處理餐廚垃圾進(jìn)行物料平衡分析，篩上殘?jiān)罢釉a(chǎn)生量約為垃圾總量的33%，且固渣的后期處置成本在運(yùn)行成本中占比最高。因此，提高固體殘?jiān)娜艹鲂?，開(kāi)拓沼渣資源化渠道，也是亟待解決的問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題，環(huán)?？蒲腥藛T主要圍繞利用成熟的水熱處理技術(shù)、微生物調(diào)控方法以及新型預(yù)處理技術(shù)（圖2），對(duì)餐廚垃圾預(yù)處理工藝進(jìn)行定向調(diào)控，強(qiáng)化生物水解提高餐廚垃圾資源化效果；同時(shí)，促進(jìn)餐廚垃圾減固增溶，實(shí)現(xiàn)“廢渣”減量化。

圖2 餐廚垃圾預(yù)處理技術(shù)的改進(jìn)方向Figure 2 Improved direction of food waste pre-treatment technology

3 水熱預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展

3.1 水熱預(yù)處理對(duì)發(fā)酵的調(diào)控作用

水熱預(yù)處理技術(shù)是指將物料置于密閉容器中，在110～350 ℃的條件下，濕生物質(zhì)通過(guò)一系列反應(yīng)（水解、脫水、脫羧、縮合等），轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的化合物，如葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和氨等［26］，利于微生物的利用，從而達(dá)到有效調(diào)控厭氧發(fā)酵效率的作用，同時(shí)也可以改善物料脫水，實(shí)現(xiàn)廢物減量。水熱預(yù)處理技術(shù)對(duì)發(fā)酵的促進(jìn)效果如表1 所示。

表1 水熱預(yù)處理對(duì)發(fā)酵的促進(jìn)效果Table 1 The promotion effect of hydrothermal pretreatment on fermentation

Li 等［27］在探究水熱處理餐廚垃圾對(duì)乳酸發(fā)酵的影響實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在140 ℃和170 ℃熱預(yù)處理的餐廚垃圾體系中，乳酸產(chǎn)率相比于空白組分別提高9.9%和7.5%，并且提前2 d 達(dá)到最大產(chǎn)量。熱預(yù)處理促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)水解，該發(fā)酵體系強(qiáng)化了發(fā)酵體系產(chǎn)乳酸功能菌的富集。王雪婷等[28]發(fā)現(xiàn)180 ℃水熱預(yù)處理能夠調(diào)控餐廚垃圾底物的醇酸比，實(shí)現(xiàn)戊酸的定向發(fā)酵（較空白組提高了3.66 倍），產(chǎn)戊酸菌相對(duì)豐度分別提升了13.77% （接種酒曲組）、9.53%（接種污泥組）。岳良辰［29］以餐廚垃圾中的典型油脂（甘油三油酸酯）作為發(fā)酵原料，通過(guò)水熱稀堿預(yù)處理后，氫氣、甲烷產(chǎn)率隨預(yù)處理溫度的上升（160～220 ℃）而逐漸提高，分別達(dá)到23.25、877.47 mL/g（以TVS 計(jì)），能量轉(zhuǎn)化率達(dá)到66.21%?？梢?jiàn)水熱稀堿預(yù)處理能夠有效促進(jìn)油脂的降解，提高甲烷產(chǎn)率。

3.2 水熱預(yù)處理產(chǎn)物對(duì)發(fā)酵的影響

水熱預(yù)處理能促進(jìn)固體有機(jī)物溶解，但隨著水熱溫度升高（＞180 ℃），水熱液中的酚類、酮類及芳香族類化合物含量顯著增高，該類溶解性有機(jī)物（DOM）具有一定的生物毒性［36］；另一方面，水熱反應(yīng)會(huì)促進(jìn)羰基及氨基聚合形成美拉德產(chǎn)物，如類黑素（Melanoidins），該類物質(zhì)對(duì)微生物的代謝也具有抑制作用［37］。因此，餐廚垃圾水熱預(yù)處理的優(yōu)化目標(biāo)是既能提高溶解效率，又能減少生物毒性物質(zhì)的形成。Liu 等［37］發(fā)現(xiàn)處理溫度超過(guò)140 ℃時(shí)，類黑素的濃度升高，有機(jī)物的增溶效果反而下降；通過(guò)RSM（Response Surface Methodology）優(yōu)化水熱溫度為132 ℃，反應(yīng)時(shí)間為27 min，pH 為5.6，VFA 的產(chǎn)量達(dá)到最大，較對(duì)照組提高了22.1%。Hao 等［38］發(fā)現(xiàn)180 ℃條件下制備的水熱炭沒(méi)有毒性作用，而330 ℃條件下制備的水熱炭會(huì)釋放高濃度的酚類、有機(jī)酸，毒性顯著增加。

4 生化預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展

生化預(yù)處理技術(shù)是指通過(guò)人為的手段，富集系統(tǒng)中的功能微生物菌群以提高某些性能的方法［39］，包括酸堿處理法、電發(fā)酵法、菌劑法、聯(lián)合發(fā)酵法和生物酶法等。

4.1 酸堿處理法

酸堿處理法是指向底物中加入酸性或堿性物質(zhì), 破壞大分子有機(jī)物結(jié)構(gòu)，釋放小分子可溶性有機(jī)物，增加底物的生物可降解性［40］。Saha 等［41］發(fā)現(xiàn)稀乙酸處理餐廚垃圾能夠顯著提高微生物的附著性和基質(zhì)可利用性，增強(qiáng)產(chǎn)甲烷菌的活性，甲烷產(chǎn)量（以VS 計(jì)）較對(duì)照組提高了10%（55.58 mL/g）。Zhu 等［42］利用稀硫酸處理餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)乳酸，乳酸產(chǎn)量達(dá)到60.3 g/L，較對(duì)照組提高了11%。Chen等［43］研究表明Ca2+可以破壞化學(xué)鍵，提高復(fù)雜化合物分解成可溶性蛋白、單體糖和其他簡(jiǎn)單化合物的能力。在CaO 濃度為1%時(shí)，VFAs 產(chǎn)量較空白組提高了67.29%。Elalami 等［44］發(fā)現(xiàn)以每100 g 含5 g TS 的劑量投加KOH 可以提高餐廚垃圾與污泥的發(fā)酵效能，沼氣產(chǎn)量較空白組提高了40%，同時(shí)增加了沼渣中氮和磷的回收率。酸堿預(yù)處理是較為常見(jiàn)的預(yù)處理方式，但對(duì)于pH 和設(shè)備的防腐蝕要求較高，所以實(shí)際應(yīng)用中也受到一定限制。

4.2 電發(fā)酵法

電發(fā)酵是在厭氧發(fā)酵的基礎(chǔ)上增加微電壓以提供電刺激，形成微小電場(chǎng)，從而加速功能菌群增殖，增加微生物代謝活性［45］。周濤等［46］考察了外加電刺激對(duì)餐廚垃圾-污泥共發(fā)酵產(chǎn)酸的影響，發(fā)現(xiàn)0.5 V 電刺激可以增強(qiáng)體系中的微生物活性；在發(fā)酵第144 小時(shí)VFA 濃度為24 342 mg/L，較空白組提高了30.8%。王蜜兒等［45］發(fā)現(xiàn)，電刺激使得發(fā)酵體系中的pH 下降速度快于傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵，提高了C2～C6 多種脂肪酸的產(chǎn)量，增加碳的回收率。Xue 等[47]探究電極刺激對(duì)發(fā)酵的影響，發(fā)現(xiàn)陰極電極可以產(chǎn)生足夠的電子供微生物利用，促進(jìn)丙酮酸向乳酸的轉(zhuǎn)化，乳酸產(chǎn)率在-100 mV 環(huán)境下達(dá)到最高（0.657 8 g·L-1·h-1）。Wu 等［48］發(fā)現(xiàn)0.6 V 的電壓環(huán)境能夠?yàn)樘兼溠娱L(zhǎng)微生物創(chuàng)造更加有利的條件，促進(jìn)其將乙酸鹽轉(zhuǎn)化為丙酸、丁酸和己酸等中長(zhǎng)鏈脂肪酸。電發(fā)酵法通過(guò)對(duì)發(fā)酵體系輸入外源電子，施加電刺激，可提高相關(guān)酶的活性，定向調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的微生物功能。

4.3 菌劑法

菌劑法是指直接投加相關(guān)功能細(xì)菌的微生物強(qiáng)化方法，相比于改良微生物生長(zhǎng)環(huán)境等間接方法，菌劑法縮短了土著功能微生物的馴化時(shí)間［49］。胡致遠(yuǎn)等［49］對(duì)比不同劑量的丙酸產(chǎn)甲烷菌對(duì)餐廚垃圾批式發(fā)酵的影響，發(fā)現(xiàn)菌劑與餐廚垃圾的VS 質(zhì)量比為0.15 時(shí)，單位菌劑甲烷產(chǎn)量（以VS 計(jì)）最大（1 706 mL/g）；在生物負(fù)荷比（F/M）相同的條件下，菌劑添加量為35%時(shí)產(chǎn)氣性能最佳（較空白組提高2.97 倍）。江俊鋒［50］探究了不同劑量產(chǎn)甲烷菌對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)菌劑添加量為0.25 g/L、頻率為3 d 時(shí)，系統(tǒng)容積產(chǎn)氣率最高（3.31 L·L-1·d-1）。Gantina 等［51］向蔬菜垃圾中分別添加了EffectiveMicroorgaism-4（EM-4）、GreenPhosko-7（GP-7）微生物發(fā)酵劑，反應(yīng)進(jìn)行到第45 天時(shí)，投加GP-7 發(fā)酵劑的罐中甲烷體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到38.32%，且高于EM-4 發(fā)酵劑（22.5%）。投加特定的微生物，可以有針對(duì)性地增加目標(biāo)菌群的豐度，縮短微生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)定向發(fā)酵。

4.4 聯(lián)合發(fā)酵法

為解決單一底物厭氧發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)不均衡、微生物數(shù)量少等問(wèn)題，將幾種底物混合后聯(lián)合發(fā)酵，可以創(chuàng)造利于微生物生長(zhǎng)的環(huán)境，有效提高厭氧發(fā)酵的效果。郝鑫等［52］發(fā)現(xiàn)餐廚垃圾與秸稈、污泥按照1 ∶1 ∶1（以VS 計(jì)）的配比進(jìn)行聯(lián)合發(fā)酵，產(chǎn)氣量（以VS 計(jì)）最大可達(dá)373 mL/g。吉詩(shī)敏等［53］研究了不同比例的淘米水和花生渣混合發(fā)酵的產(chǎn)酸效果，發(fā)現(xiàn)投加淘米水可以提高體系碳水化合物的降解速率，從而提高VFA 的產(chǎn)量（較空白組提高了36%）。Vidal-Antich 等［54］探究了餐廚垃圾與剩余污泥投加比對(duì)發(fā)酵的影響，發(fā)現(xiàn)隨著污泥比例由10%增加到50%，VFA 產(chǎn)量提高了1.79 倍。劉新媛等［55］將雞糞和餐廚垃圾分別按照2 ∶1、1 ∶1 和1 ∶2 混合（以VS 計(jì)）發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)混合比例為2 ∶1時(shí)，甲烷產(chǎn)率最大可以達(dá)到3.65 mL/h。谷士艷等［56］以豬糞和餐廚廢棄物為原料，比較了原料配比、pH 和TS 濃度對(duì)產(chǎn)氣量的影響，發(fā)現(xiàn)豬糞∶餐廚廢棄物= 1 ∶1、pH 為7.11、TS 為10.08%時(shí)，產(chǎn)氣量最大（30 459.5 mL）。Xu 等［57］發(fā)現(xiàn)顆粒污泥能夠形成穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)pH 以維持微生物群落的功能，減少產(chǎn)物對(duì)發(fā)酵的抑制效果，產(chǎn)生更多的乳酸。通過(guò)向餐廚垃圾中投加顆粒污泥進(jìn)行聯(lián)合發(fā)酵，乳酸產(chǎn)量（以COD 計(jì)，52.7 g/L）明顯高于投加剩余污泥組（以COD 計(jì)，40.0 g/L）；微生物群落分析表明：顆粒污泥中的芽孢桿菌、乳桿菌和雙歧桿菌等乳酸菌群含量達(dá)到81%，遠(yuǎn)高于普通污泥的48%。相比單一底物發(fā)酵的局限性，聯(lián)合發(fā)酵技術(shù)可以充分利用各組分的性質(zhì)特點(diǎn)，提高系統(tǒng)的緩沖容量，實(shí)現(xiàn)性質(zhì)互補(bǔ)。

4.5 生物酶法

生物酶預(yù)處理法具有處理效果好、特異性強(qiáng)、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)溶解固體有機(jī)物和提高氫氣、甲烷的產(chǎn)量有著良好的促進(jìn)效果。生物酶處理法可以基于餐廚垃圾的組分分成不同的作用模式，比如淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶可以分別將大分子淀粉、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)分解為葡萄糖、游離氨基酸（Free Amino Acids，F(xiàn)AA）和長(zhǎng)鏈脂肪酸（LCFA）［58］。馬超男［59］發(fā)現(xiàn)餐廚垃圾經(jīng)過(guò)酶預(yù)處理后，TCOD 的去除率達(dá)97.0%（較空白組提高14.6%），甲烷產(chǎn)量提高了28.6%。Kiran 等［60］將富含水解酶的真菌醪液投入餐廚垃圾處理24 h 后，生物甲烷產(chǎn)量和產(chǎn)率分別較空白組提高2.3 倍和3.5 倍。生物酶作為一種天然制劑，既能高效促進(jìn)水解，又能減少化學(xué)產(chǎn)品污染，但由于酶的生產(chǎn)成本過(guò)高，且對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較差，并沒(méi)有廣泛應(yīng)用于厭氧發(fā)酵工藝。

5 新興預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展

5.1 微波法

微波法因其具有加熱快、能耗低、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)受到高度關(guān)注，其不僅可以產(chǎn)生熱效應(yīng)，還可以產(chǎn)生生物效應(yīng)、電效應(yīng)等非熱效應(yīng)［61］。目前許多研究表明，微波預(yù)處理可以選擇性地加熱極性更大的部分，形成“熱點(diǎn)”，實(shí)現(xiàn)顆粒之間的“爆炸”效應(yīng)，破壞大分子有機(jī)物的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)生物酶的水解作用，提高厭氧發(fā)酵性能［62］。Sondhi 等［63］利用微波法預(yù)處理餐廚垃圾，提高了乙醇的產(chǎn)量（較對(duì)照組提高52.2%）。Simonetti 等［64］研究微波處理餐廚垃圾對(duì)生產(chǎn)短鏈有機(jī)脂肪酸和乙醇的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理顯著提高了SCOD 和碳水化合物，預(yù)處理組中的短鏈有機(jī)酸（如乳酸）的占比（80.9%）明顯高于空白組（66.1%）。微波雖然具有處理速度快、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但由于目前對(duì)生物效應(yīng)的機(jī)理研究不足，且微波法單獨(dú)處理有機(jī)廢物效率低，對(duì)設(shè)備要求高、投資量大，因此距離應(yīng)用尚需優(yōu)化［62］。

5.2 超聲法

超聲波是一種新興的清潔技術(shù)，利用超聲在液體介質(zhì)中產(chǎn)生空穴氣泡?？栈瘹馀菡袷幉⑻a(chǎn)生高剪切力，使大分子有機(jī)質(zhì)分解成易于被生物利用的小分子［65］。吳清蓮［66］用超聲預(yù)處理的方式對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行破解，VFA 產(chǎn)量（以VS 計(jì)）提高至976.12 mg/g，較空白組提高了8 倍。張?jiān)拢?7］發(fā)現(xiàn)超聲預(yù)處理可以提高餐廚垃圾與污泥混合物的SCOD 溶出率，處理后的底物發(fā)酵VFA 產(chǎn)量最大值較空白組提高了13.4%。Pau 等［68］用超聲預(yù)處理餐廚垃圾30 min，增加了SCOD 的濃度（15%），提高了乙醇的產(chǎn)量。Ma 等［69］將超聲預(yù)處理30 min后的餐廚垃圾糖化殘?jiān)孜镞M(jìn)行發(fā)酵，得到的己酸產(chǎn)量（以VS 計(jì)）為207.8 mg/g，是對(duì)照組的兩倍；微生物群落分析發(fā)現(xiàn)超聲可以促進(jìn)產(chǎn)VFAs 優(yōu)勢(shì)菌向產(chǎn)己酸優(yōu)勢(shì)菌轉(zhuǎn)化，這進(jìn)一步證實(shí)了超聲預(yù)處理不僅可以提高底物的可利用性，還能實(shí)現(xiàn)厭氧發(fā)酵過(guò)程中優(yōu)勢(shì)菌群的定向富集。

5.3 高級(jí)氧化法

高級(jí)氧化法，主要是利用活性高能氧原子，通常用于處理例如廢水和固體廢物等COD 濃度高的物料，具有破解率高、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。Zhu 等［70］向餐廚垃圾中投加CaO2和磁鐵礦進(jìn)行預(yù)處理，水解酸化酶活性顯著增強(qiáng)，甲烷產(chǎn)率（以VS 計(jì)）達(dá)到423.4 mL/g（較對(duì)照組提高26.8%）。Cesaro 等[71]發(fā)現(xiàn)臭氧預(yù)處理能夠提高城市固體有機(jī)廢物的可降解性，提高發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量（較對(duì)照組提高2.5 倍）；而較高劑量的臭氧（以TVS 計(jì)，0.034～0.202 g/g）會(huì)氧化餐廚垃圾中的生物質(zhì)還原糖，抑制發(fā)酵的進(jìn)行。Yue 等［72］發(fā)現(xiàn)臭氧預(yù)處理能夠減輕餐廚垃圾中脂質(zhì)對(duì)微生物的包覆，促進(jìn)基質(zhì)的降解，提高甲烷回收率和能量轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)增加臭氧的濃度（以TVS 計(jì)，0.02～0.80 g/g），氫氣和甲烷的產(chǎn)率（以TVS 計(jì)）逐漸提高，最高可達(dá)22.6 mL/g 和946.5 mL/g。Wright 等［73］利用DBD 等離子體對(duì)玉米生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)酵沼氣產(chǎn)率較空白組提高18%。高級(jí)氧化法具有操作簡(jiǎn)單、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，但其使用成本高，降低高級(jí)氧化預(yù)處理技術(shù)的經(jīng)濟(jì)成本和優(yōu)化工藝是未來(lái)研究的主要方向。

6 結(jié)論

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，垃圾循環(huán)再利用已經(jīng)成為生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容。在“雙碳”國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)下，亟需發(fā)展高效的餐廚垃圾處理資源化工藝。厭氧發(fā)酵技術(shù)是目前常用的處理技術(shù)，其可以將餐廚固體廢物轉(zhuǎn)化成有機(jī)酸、氫氣、甲烷等生物能源。而強(qiáng)化增溶、促進(jìn)生物水解是餐廚垃圾發(fā)酵過(guò)程中的兩大重要步驟，通過(guò)傳統(tǒng)的機(jī)械預(yù)處理、水熱預(yù)處理以及生物強(qiáng)化的方法，達(dá)到促進(jìn)餐廚垃圾水解、提高發(fā)酵效率的目的。今后可以進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，結(jié)合不同的處理方法特點(diǎn)進(jìn)行多工藝聯(lián)合預(yù)處理，并將其應(yīng)用于規(guī)?；蛷N垃圾發(fā)酵資源化工藝體系。同時(shí)，深入研究餐廚垃圾發(fā)酵系統(tǒng)的微生物菌群關(guān)系，從機(jī)理上闡明不同預(yù)處理方式對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物的影響，實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的高效高值資源化。