餐厨垃圾两相厌氧消化制沼气研究进展

谭文英，许 勇，王述洋

(1.东北林业大学 材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040; 2.东北林业大学生物质能技术工程中心，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

厌氧消化技术在处理有机垃圾过程中耗能低，操作简便，效率高，产生新能源，被认为是最可持续发展的技术之一。 厌氧消化大致可分为产酸和产甲烷二个阶段，产酸阶段主要是水解和发酵菌将复杂的有机物分解并降解为各种有机酸、醇类等简单有机物;产甲烷阶段主要是产甲烷菌将部分简单有机物转化为CH4和。基于发酵的产酸、产甲烷代谢过程和反应器级数，可将发酵工艺分为单相工艺和两相工艺。传统的厌氧消化工艺为单相工艺，产酸菌和产甲烷菌在单相反应器内完成水解产酸和产甲烷过程。因其工艺简单、投资相对较低等，应用十分广泛。但是，单相发酵过程不能提供产酸菌和产甲烷菌最佳的生长条件和工作条件，产气效率和容积负荷率较低。同时产酸菌代谢较快，容易引起酸积累，系统的抗冲击性能较差。［2］两相发酵过程把水解酸化阶段和产甲烷阶段分离开来，弥补了单相工艺的不足，提高了产气率、容积负荷率和反应器的处理效率，已成为发展的新方向。

1 两相工艺发展过程

两相厌氧消化技术始于上世纪50年代，Babbitt和Bauman于1958年首次提出沼气发酵在工艺上可分段进行［3］。1971年，Ghosh和Pohland等通过对工业有机废水进行两相厌氧消化处理研究取得了成功，开发出了两相厌氧消化工艺［4］。此后到80年代中期，研究者主要研究实现相分离的动力学方法、两相微生物的生理生态特性及产酸相和产甲烷相的一些主要参数。80年代中期以后，国内外两相厌氧工艺主要用于高浓度有机污水处理，并获得了大量的实际运行经验。进入90年代，随着对厌氧消化机理研究的不断深入和微生物学的发展，国内外研究者开始研究畜禽粪便［5－6］、水果蔬菜垃圾［7］、青草废弃物［8］、城市污泥［9］、农作物秸秆［10］等固体有机废物方面的产沼气效果和新式反应器［11］的研究。

孔子所主张的礼是由主体道德自我的实践到社会道德体系建构的发展，不仅是对仁的培养与扩充的过程，也是由伦理到政治的转换。基于对社会的稳定性的考虑，需要各行其是，进而形成彼此协调的社会生活整体。因而，礼的内容已经不仅仅包括对个人行为的规范，而且还包括对社会结构的构建。其主要有以下两个方面：一.仁对每个人有统一的和共同的内容要求，所以社会的建设具有统一性；二.仁在外化或培养与扩充这一过程中又会因人而异，所以又具有差异性，而这差异性的方面，主要体现于孔子对社会等级的划分。

2 餐厨垃圾特性

餐厨垃圾是指居民日常生活及食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生的食物加工下脚料(厨余垃圾)和剩饭剩菜(餐余垃圾)等垃圾，包括食用油、蔬菜、果皮、果核、米面、肉食、骨头等，此外还包括有少量的废餐具、牙签及餐纸［12－13］。随着我国城市化进程加快和居民生活水平的提高，餐厨垃圾的产量逐年增加。餐厨垃圾已是国内城市有机垃圾的主要组成部分［14］，在我国主要城市有机垃圾中所占比例为37%～62%［1］。餐厨垃圾以淀粉、食物纤维类、蛋白质、脂类等有机物质为主要成分，同时也含有氮、磷、钾、钙等无机盐类及各种微量元素，具有高油脂、高盐分、高水分、高有机质含量以及易腐发臭、易酸化、易生物降解等特点［15－16］。同时还表现出高含盐量(湿基:0.8%～1.5%)，游离态脂肪比重大(干基:20%～30%)，含水率高(65%～95%)。由于不宜直接填埋和焚烧［17－18］，如何处理餐厨垃圾已成为我们面临的新问题。虽然少数城市已经采取了治理措施，但无论从技术还是管理上，还仅是起步阶段，存在着不足［19］。餐厨垃圾无害化、资源化处理已成为新的研究方向。餐厨垃圾厌氧消化制取沼气是一种很好的解决方法，越来越受到人们重视，经多年的探索和发展，无论是单相还是两相厌氧技术，均取得了很大的进步。

2017年，盛庆余所在的高一化学教研组共有6位老师，其中有4位老师都在53岁以上，还有两位是刚参加工作不久的年轻教师。作为教研组组长，盛庆余制定教研组工作计划，侧重教研组建设，以抓基础知识、抓主干知识、抓规范答题为主。经过一学期的努力，在2017年7月新疆“普通高中学业水平考试”中，七师高级中学化学成绩的合格率为99.6%，优秀率为70.8%，创学校学科新高，由于成绩突出，高一化学教研组被评为校“先进教研组”。

结构价值图(The hierarchical value map，HVM)是常用于表现A-C-V阶梯结构联系的图形分析方法[19]509。基于“A-C”“C-V”关系矩阵，用圆圈表示各个层次的维度(元素)，圆圈的面积大小与圆圈轮廓粗细表示该元素被关注的程度，即被提及的次数。用4种粗细的线条表示“A-C-V”之间联系的强弱程度，线条越粗，则表明联系越强，反之，越弱。本文按照“受访总人数*5%=5”设置 Cut-Off值[25]139，剔除联系小于5的价值链，生成如下结构价值图(如图3所示)。游客对于大峡谷村游客中心属性、使用结果、使用目的3个层次的价值感知存在一定层次关系。

3 餐厨垃圾两相厌氧消化的优势

微生物中产酸菌的繁殖时间远远短于产甲烷菌，产酸菌的产酸速率高于产甲烷菌降解酸的速率，两相厌氧消化工艺能够为它们提供最佳的生长和代谢环境，使它们能够发挥各自最大的活性，大大提高它们的消化处理能力和效率［20］。

餐厨垃圾具有高油脂、高水分、高有机质含量的特点，采用单相工艺处理，一旦负荷率升高，易产生酸败现象。一旦发生酸败，恢复正常运行需要较长的时间，而两相厌氧消化工艺将产酸菌和产甲烷菌分别置于2个反应器内，不仅便于控制，而且产酸相的有机负荷率高，缓冲能力强。冲击负荷造成的酸积累不会对产酸相有明显的影响，也不会对后续的产甲烷相造成危害。能够保证系统的正常运行。

产酸菌的水解酸化作用，能够将难降解有机物质水解成小分子物质，大大降低餐厨垃圾中的悬浮固体浓度，也能够解除或降低水中的有毒物质的毒性。不仅为产甲烷菌提供适宜的基质，解决悬浮物质引起的厌氧反应器的堵塞问题，还能够避免对产甲烷菌产生的抑制和毒害作用，增强系统运行的稳定性［21］。综上所述，餐厨垃圾采用两相厌氧消化工艺处理具有很大的优势，能够得到满意的处理效果。

从2014年提出“133”品牌战略，到单独成立茅台酱香酒公司，茅台酱香系列酒开始走出一条独具特色的发展之路。

4 餐厨垃圾两相厌氧消化研究现状

目前，国内外关于餐厨垃圾厌氧消化制沼气研究的报道很多，但大多数采用的是单相工艺。两相厌氧技术因其消化达到稳定所需时间短，可承受的有机负荷更高，出水COD浓度低，单产和累积甲烷产量高，运行参数变化幅度小，系统抵抗外界冲击的能力强、周期短等特点［22－23］，越来越受到人们重视。餐厨垃圾厌氧消化过程与其他有机物质厌氧消化一样，会受到温度、pH、有机负荷、水力停留时间等因素的影响。

他是中国最早一批为公众所知的侍酒师，从参加第一个侍酒师认证开始，他就坚定地选择了一直走向MS的路径，这样清晰的目标，至少我在圈内是很少见的，十年坚定不移的坚持，更是少之又少。

4.1 温度

研究者对高温消化和中温消化工艺在有机物处理中的利弊作了大量的研究。Park Yong Jin等［26］发现在高温条件下，当SRT＞2 d，OLR＜146 g COD/ (L·d)时，日本的餐厨垃圾取得了较好的酸化效果。Nimmrichter等［27］研究表明，停留时间为7 d，高温(55℃)处理比中温(37℃)处理更稳定，甲烷产量约提高10%。Ghosh等［28］使用传统的高效反应器，发现高温55℃处理只比中温35℃时甲烷产量提高了7%。张光明［29］却认为，中温时运行稳定，所需热量少，便于管理;高温运行不稳定，所需热量也多。此外，高温条件下游离氨的浓度比中温时高，游离氨的毒性更强，微生物对于氨氮抑制的耐受力也变差［30］。Lim Seong Jin等［31］认为韩国餐厨垃圾在温度为35℃，HRT为8 d、OLR为9 gTS/(L·d)、pH为6.0时酸化效果最好。高温发酵需要外界持续提供能量，虽然高温发酵工艺代谢速率、有机质去除率和致病细菌的杀灭率均比中温厌氧消化工艺高，但高温发酵毒性抑制物毒害作用大，受抑制后不容易恢复正常;发酵罐体及管路对材料要求高，运行复杂，可靠性低［32］。所以高温发酵工艺并没有得到普及。

Myungyeol Lee等［24］在35℃、55℃和65℃下对餐厨垃圾和活性污泥混合物进行了两相消化对比研究，发现产酸段物料降解速率在65℃时最高，35℃时最低。

赵杰红等［25］研究了餐厨垃圾在25℃、37℃、40℃、50℃时的水解率、VFA产量和速率、有机酸的组成和乳酸产量。确定餐厨垃圾水解酸化过程的最优温度为37℃。认为温度对水解和酸化过程均有较大影响，在小于37℃时水解率和酸化率均随温度升高而增加，37℃时获得最大的VFA浓度，达34.4 g/L;超过37℃后，酸化率下降而水解率继续增加，50℃时获得最大水解率，为82%。VFA中以甲酸和乙酸为主，丙酸和丁酸含量较少，乳酸浓度一直较高。

pH值也是厌氧消化的重要影响因素之一。产甲烷菌的最适宜pH值范围是6.5～7.8，产酸菌需要的pH值偏低一点，一些产酸菌在pH值小于5.0时仍可生长。pH值的控制对产甲烷阶段尤为重要。目前在实验室研究和实际工程中，采用动力学控制结合产酸相反应器pH值调整的方法，在两相厌氧消化过程中，两相使用不同的pH值，使产酸过程和产甲烷过程分别在最佳的条件下进行，从而在一定程度上实现相的分离。

有机垃圾厌氧消化过程受温度的影响，不同温度下微生物的活性不一样，厌氧消化效果也不同。另外，微生物厌氧降解和消化过程都会受到温度波动的影响，产甲烷菌比产酸菌对温度的变化更为敏感。温度波动会抑制消化速度，甚至会导致停止产气。在微生物厌氧消化运行过程中，对反应温度的精确控制尤为重要，其温度波动范围一般不宜超过±2℃。

工艺选定后，设备的选型在很大程度上会影响工艺的运行情况和实际的处理效果。控制系统决定着工艺的自动化程度和反应的正常运行。H.Bouallagui等［7］采用两相ASBR反应器处理果蔬废水，最终COD去除率达96%，出水COD小于1 500 mg/L，可溶性SCOD小于400 mg/L，甲烷产率为320 L/kg-COD。

4.2 pH

威特金不信任既有的规范，有意识地对其提出质疑。他甚至用自身的艺术形式来与其对抗：对威特金来说，认知与理解并不会从对现实的简单复制中诞生，只能从对世界的人工创造中获得。在他的这个世界的中心，两性人、侏儒、残疾人、连体双胞胎与截肢者成为拓展其心灵视野的催化剂。对威特金的摄影作品最普遍的抗议，大概正是认为他滥用这些有缺陷者，创造那些令人毛骨悚然的景象。

⑳指Valeriano《象形文字》第二部的第二部分，各种动物的象征和寓意，此部分可能是对希腊译本的补充，主要出自Aristotle、Aelian、Pliny以及 Artemidorus等人作品。

Sandhya［35］通过对菠萝固体废弃物在水解反应器中pH和起始VFA浓度对产酸性能影响的研究，发现pH值在6～7范围内得到最大VFA。在中性条件下，起始VFA浓度对酸的产生和产气量等没有明显差别。

采用何种进料方式也会对发酵效果产生影响。JYWang等［41］通过对食品废弃物固液两相厌氧消化进行研究，固相进料方式采用批次和半连续方式，发现半连续进料方式的甲烷产量、VS降解率以及甲烷含量均比批次方式高。

4.3 有机负荷

有机负荷是指消化反应器单位容积单位时间内所承受的挥发性有机物量，是消化反应器设计和运行的重要参数。有机负荷的高低与处理物料的性质、消化温度、所采用的工艺等有关。两相厌氧消化工艺允许的有机负荷高于单相工艺。研究表明，对于处理蔬菜、水果、餐厨等易降解的有机垃圾，有机负荷一般为1～6.8 kgVS/(m3·d)［37］。Pavan等［38］以蔬菜水果等易生物降解的废物为处理对象，采用完全混合反应器，比较了单相工艺与两相工艺处理效果，结果显示:单相工艺在有机负荷为3.3 kg/ (m3·d)时运行失败，而两相工艺在有机负荷为7.0 kg/(m3·d)时仍运行稳定。Carneiro T Forster等［39］研究发现在反应器TS为20%，接种物为30%时启动反应器，餐厨垃圾降解率和产气量达到最大。处理源头分类收集的有机垃圾，为获得更好的稳定性，宜采用两相消化工艺。

4.4 设备和控制系统

IOWA大学研究了一种新的工艺—温度两相厌氧工艺［33］。它将高温厌氧消化和中温厌氧消化组合为一个处理工艺，这样可以充分发挥高温发酵速率快、杀灭致病菌能力强以及中温发酵能量需求低、出水水质好的优势。Kaiser等人也研究了一种新的高速厌氧处理系统，它由1个高温厌氧生物滤池和1个中温厌氧滤池串联组成，形成了具有2个温度段的两相厌氧生物处理系统。赵庆良等［34］通过对污泥和马铃薯加工废弃物、猪血、灌肠加工废弃物的高温酸化(75℃，2.5 d)中温甲烷化(37℃，10 d)两相厌氧消化研究，认为污泥和一定比例的其他高浓度有机废物进行高温/中温两相厌氧消化在技术上是可行和有效的。控制高温产酸相在75℃和2.5 d可基本达到水解与产酸(兼作灭菌)的目的，控制中温产甲烷相在37℃和10 d(或14 d)可达到最大产气与产甲烷，系统稳定性较好。

Raynali等［40］采用两相固态厌氧消化技术，在35℃下，先用不同的水解消化器来分别处理土豆皮、豌豆皮、蔬菜叶、胡萝卜以及苹果渣，再将处理后的物质放入产甲烷固定膜反应器中反应，COD平均负荷为4 g/(L·d)，停留时间为17 d。结果发现除苹果渣外，其余废物在水解酸化段的水解率都高于80%;在同一个甲烷罐中处理各种废物的酸化水，反应率达80%，总有机质去除率为87%。

张波等［36］研究了pH对餐厨废物两相厌氧消化中水解和产酸过程的影响。考察了餐厨废物在pH为5，7，9，11时的水解率、VFA产量和速率、有机酸的组分和水解酸化产物的分配。结果显示:控制pH为7时，餐厨废物的水解和酸化率在实验第9 d时分别达到86%和82%。VFA浓度在实验第4 d达到36 g/L－1，VFA产量是未调节pH时的2倍，主要以丁酸和乙酸为主，丙酸很少，乳酸浓度相对较低。控制pH为7不但可以提高水解酸化效率，还为后续产甲烷过程提供了更有利的基质。

近年来，随着对两相厌氧消化概念和厌氧降解机理的进一步理解，研究出了各种新型厌氧反应器，结合各种新型高效厌氧反应器的特点进行产酸相和产甲烷相的组合以达到更好的处理效果成为新的研究方向。

刘广青、张瑞红等［42］对批式和两相工艺处理餐厨垃圾和杂草废弃物进行了对比研究，采用4个1 L固体反应器和1个2.2 L厌氧批式反应器。固体床反应器每3 d进1次料，每次进料97 g(以VS计)，12 d为1个发酵周期。渗滤液每天回流6次，每次回流量为70 mL。在12 d的消化时间内，沼气和甲烷产率分别为530 mL/g和351 mL/g，系统的TS和VS去除率分别为78%和82%。他们认为该两相厌氧固体床反应系统负荷高、产气稳定、周期短，是处理固态有机废物的有效方法。

一体化两相厌氧反应器的研究逐渐成为两相厌氧反应器的研究方向。通过反应器内部结构的精密设计，在同一反应器内形成产酸相、产甲烷相。通过合理搭配，在实现两相分离，消除二者之间制约作用的基础上，增强二者之间的互补、协同作用。李仕平等［43］为了更好地实现对餐厨垃圾的资源化利用，按照容积最佳负荷比，设计了一种高1.4 m半径1.1 m体积为3 m3的圆柱型的无间断的投料和产气的沼气罐，认为其结构设计独特，价格低廉，使用方法简便，可作为一种新的发展方向。

在系统控制上，李秋燕等［44］设计了一种基于LabVIEW的两相厌氧消化过程的在线监测与控制系统。利用LabVIEW虚拟仪器作为软件开发平台，结合多功能数据采集卡、传感器和各类执行机构，实现了厌氧消化过程中各参数的采集、处理、存储和自动调控。试验表明:该系统运行稳定、能较好地实现消化过程的监控与优化。

4.5 油脂

餐厨垃圾中油脂含量高，脂类的代谢产物长链脂肪酸会影响产甲烷菌的产甲烷活性，因此过高的油脂含量会降低餐厨垃圾厌氧消化产甲烷效率。Komatsu等［45］研究了脂类物质对两相厌氧系统的抑制作用。结果发现，脂类可以在1个两相厌氧滤池系统得到满意的降解而在单相系统中其降解就相对较差。

5 结论

两相厌氧消化技术经过众多研究者的试验、研究，已成为一项较为成熟、实际可行的技术。两相厌氧消化工艺中的产酸相和产甲烷相分别为产酸菌和产甲烷菌提供了最佳的生理生态环境，无论是在处理能力、处理效率还是在系统的抗冲击能力和稳定性上，两相厌氧消化工艺均优于单相消化工艺。目前研究开发的两相工艺，装备和自动化水平很高，但由于工艺流程长，配套设施多，投资成本高等现实制约因素，推广受到了一定的限制。在厌氧消化处理的工程应用方面，欧洲等发达地区取得了很好的发展，但两相消化工艺所占比例还很小，我国整体上也还处于起步阶段。

我国餐厨垃圾产量大，时空差异性大，具有高油脂、高盐分、高水分、高有机质含量的特点，实现餐厨垃圾资源化处理，需要进行分类收集和集中处理。餐厨垃圾厌氧消化过程十分复杂，为了使两相厌氧技术能够更好的应用于餐厨垃圾处理，应进一步深入分析温度、pH、有机负荷等因素对消化过程中的影响，提高水解酸化产物中乙酸的含量和产甲烷阶段中甲烷的产量和含量;研究与其他有机废弃物混合发酵的工艺;开发结构简单、操作方便的反应器;寻找最佳反应器运行条件;优化工艺减少前期投入和缩短回收期。如能在以上关键技术上获得突破，餐厨垃圾两相厌氧消化工艺将会有广阔的应用前景。

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