餐厨垃圾厌氧消化性能提高研究现状与展望

李亚亚 唐婧

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

随着我国经济的快速发展，人们对食品的需求也不断提高，餐厨垃圾的处理成为了必须面对的难题。目前我国的餐厨垃圾增长率已超过10%[1]，并持续不断增高。餐厨垃圾含有大量的有机物、高水分、高盐度和高油分，因此餐厨垃圾需要适当的处理，否则将会造成严重的环境污染[2]。且餐厨垃圾易腐烂发臭，影响城市的形象、污染城市的空气，对居民生活造成困扰。食物的损失和浪费也是一个重大的经济、社会和环境问题[3]。传统的餐厨垃圾处理方法有卫生填埋、焚烧、喂养牲畜及好氧堆肥等。卫生填埋易操作见效快，但对环境危害较大，如会产生难闻的气体造成空气污染，会造成垃圾渗滤液，对水源造成污染，从而对人类健康造成威胁[4]。餐厨垃圾因具有较高的含水率导致焚烧产生大量的酸性气体，造成空气污染[5]。餐厨垃圾在喂养牲畜时，由于其易存在不明病菌，疾病传播的隐患较大，从而危害人类健康。餐厨垃圾好氧堆肥技术具有便于操作、易于推行的优点，可以实现有效的资源回收和良好的减量化效果，但占地面积大且经济效益较低。

厌氧消化已被证明是一种在世界范围内处理城市固体废物，特别是餐厨垃圾的一项很有前途的技术[6]。考虑到餐厨垃圾具有有机物含量高的特点，因此其具备了利用价值，对其进行合理处置可以产生清洁能源，进而缓解我国资源不足的压力[7]。因此，保护环境、再生资源的关键就是餐厨垃圾的资源化处理。餐厨垃圾可以通过厌氧消化工艺转化为甲烷等清洁能源，在我国被广泛使用。微生物厌氧产甲烷的过程中受微生物相互协作的影响，菌群对反应条件较敏感,外界条件变化易导致产底物利用率低、系统不稳定、甲烷速率缓慢、效率低等问题,阻碍了厌氧消化产甲烷的应用。因此，如何更快速、更高效地产甲烷成为当今研究的热点。

本文介绍了餐厨垃圾的特性，分析了厌氧消化的影响因素，着重对餐厨垃圾厌氧消化资源化处理技术的发展进行了阐述，为餐厨垃圾的高效厌氧消化产甲烷提供参考。

1 餐厨垃圾的特点

餐厨垃圾是在人们加工生产食品以及人们奢侈浪费中产生的废弃物，其主要有米、面粉、蔬菜、肉等，从化学角度看，主要包括淀粉、蛋白质、脂类等。含水量高、含盐量高和有机物含量高是其最主要的特点，这些特点使其可以作为一种资源来生产肥料或燃料。同时，餐厨垃圾易变质发臭，影响市容市貌、污染空气和水资源，易成为蚊蝇的栖息地，传播疾病，尤其对于老人小孩免疫力较弱的群体，会对健康造成一定的影响。因此，科学妥善处置餐厨垃圾对环境保护以及资源再生至关重要。

2 餐厨垃圾厌氧消化的影响因素

餐厨垃圾在厌氧消化过程中要依靠微生物的作用才能降解，厌氧系统的正常运行又依赖菌群的稳定生长。然而环境条件的变化对微生物菌群的影响较大，许多环境因素都会对微生物的活性造成影响。

2.1 油脂

污泥表面易被餐厨垃圾的油脂包裹，使污泥缓慢地漂浮到厌氧系统的上层，造成污泥流失，并且具有很强的毒性，能引起严重的抑制作用[8]。

2.2 温度

微生物的活性和水解速率与酶的活性密切相关，而酶又受温度的影响。只有在产甲烷菌正常生长温度范围内其才能发挥作用，温度的突然变化将导致厌氧发酵的失败，所以厌氧反应器需要保持恒温。

2.3 pH

发酵菌和产甲烷菌易受pH的影响。在反应的过程中，系统容易酸化，反应速率就会降低，进而产甲烷的效率也会变低。因此，可根据反应器的pH变化，加入KHCO3或NaHCO3对pH进行调节，使pH保持在最佳范围内。

2.4 挥发性脂肪酸

甲烷的产生与挥发性脂肪酸的形成密不可分。厌氧消化系统的pH与挥发性脂肪酸直接相关。挥发性脂肪酸的积聚会导致反应系统的酸化，从而使产甲烷菌的活性降低。

2.5 有机负荷率

餐厨垃圾厌氧消化适宜的有机负荷范围为2.0～3.0gVS·L-1·d-1，如果有机负荷过高，易出现酸抑制现象，如果有机负荷过低，会降低产气效率[9]。

3 提高厌氧消化性能措施

3.1 预处理

厌氧消化的速度取决于水解的效率，因此对餐厨垃圾预处理以促进基质的水解是提高产气特性的有效方法。物料的组成成分、物料粒径的大小和结构都会影响其水解速率，对于高分子化合物和颗粒基质的生物降解更是如此[10]。良好的预处理技术能够保存生物质中的有机物，有利于水解过程，避免形成任何有毒或抑制性化合物，环境友好、处理过程简单、经济[11]。Izumi等[12]的研究中发现，通过物理作用把餐厨垃圾的粒径减小，甲烷产量提高了28%。li等[13]研究油与餐厨垃圾在pH=10、55℃条件下的共消化，发现经热化学预处理的甲烷产量比未经热化学预处理提高9.9%。Saha等[14]用0.2mol·L-1的醋酸对混合果渣进行预处理，发现预处理破坏了细胞结构，纤维素更容易发生降解，使果渣甲烷产率提高了10%。黄建钦等[10]的研究表明，用脂肪酶和表面活性剂对餐厨垃圾进行预处理，厌氧消化的甲烷产量分别增加了31.2%和29.1%。对餐厨垃圾进行预处理以提高厌氧消化效率，在其研究领域是可行的，具有重要的研究价值。

3.2 添加导电材料

产甲烷过程需要多种细菌的共同作用才能将复杂有机物降解并转化成甲烷。发酵细菌与产甲烷菌之间通过载体进行胞外电子传递的方式称为种间电子传递[15]。最近的研究表明，某些细菌可以直接将电子传递到产甲烷菌,这种独特的细胞到细胞电子传递机制使得产甲烧过程以一种在热力学和代谢方面更为高效的方式进行[16],这也最终提高了有机物转变为甲烷的速度,这种方式称为种间直接电子传递(DIET)。并且DIET速率高，节省能量。最近的许多研究表明，添加导电材料可以促进菌群的种间直接电子传递。Davidraj等[17]研究了添加活性炭对啤酒废活性污泥和餐厨垃圾厌氧共消化生产甲烷的影响。结果表明，添加1.5%(g·g-1)的活性炭可使甲烷产量提高45%。扫描电镜分析表明，投加GAC后可形成生物膜。结果表明，GAC明显丰富了水解和产乙酸酶活性，提高了产甲烷的电子转移效率，从而显著提高了甲烷的产量。Chen等[18]采用硫化微量零价铁(S-mZVI)对废弃活性污泥和餐厨垃圾进行了厌氧共消化试验。试验结果表明，S-mZVI促进了特定细菌与产甲烷菌之间的种间直接电子转移，从而提高了甲烷产率。当S-mZVI浓度为10g·L-1时，CH4产率和ETS活性分别达到264.78mL/g-vs和24.62mgINTF/(g-TS.h)，分别是空白的1.33倍和1.83倍。Ma等[19]在餐厨垃圾和果蔬垃圾厌氧共消化的实验中，添加5g·L-1PAC组和10g·L-1PAC组的累计产甲烷量和最短滞后期最高，分别比不加活性炭时提高了22.0%和62.5%，滞后时间最短。Akturk等[20]在对餐厨垃圾厌氧消化的实验中，通过添加生物炭和微量金属研究其促进作用，实验表明，在2.0g·L-1和5.0g·L-1的生物炭添加量下，沼气产量和甲烷产率都有不同程度的增加。厌氧消化体系中添加导电材料，可以利用导电材料良好的导电性替代pill实现DIET，又可以吸附具有胞外电子传递能力的微生物，强化厌氧消化体系微生物之间的种间直接电子传递。因此，随着DIET的研究不断取得突破，通过导电材料强化餐厨垃圾厌氧消化体系中的DIET过程将会引起越来越多的关注。

3.3 厌氧共消化

共消化可通过稀释有毒物质浓度、促进营养物质平衡等方式，缓解厌氧消化过程中高盐分的抑制作用、高易腐有机物导致易酸化等问题[21]。Zhang等[22]研究了餐厨垃圾和牛粪的厌氧共消化，在2∶1(VS)、T=35℃、V=1L的条件下，CH4产量增加了55.2%，提高了系统稳定性。Meng等[23]研究了餐厨垃圾和浮油的厌氧共消化，在质量比25∶1、T=35℃、V=250L的条件下，TS和VS分别降低了70.7%～86.1%和87.5%～91.4%。Yong等[24]对餐厨垃圾和秸秆共消化进行了研究，餐厨垃圾与秸秆共消化的最佳混合比例接近5∶1，此时C/N约为31，比餐厨垃圾单独消化时的甲烷产率提高了39.5%，这是因为秸秆的C/N较高，餐厨垃圾和秸秆共消化可以均衡营养元素，促进系统稳定以更好地产甲烷。共消化可以按照因地制宜的原则，最大限度地利用餐厨垃圾资源。

4 结语与展望

我国作为餐饮消费大国，减少和无害化处理餐厨垃圾非常重要。厌氧消化是最具有发展前景的处理餐厨垃圾技术，该技术大规模运用的关键是提高厌氧消化产甲烷效率。预处理以增加废物的可生化性、添加导电材料促进产乙酸菌和产甲烷菌之间的种间直接电子转移以及厌氧共消化来促进营养物质平衡，是提高消化性能的有效方法。如何选择产气效率更高、成本更低的方法是未来餐厨垃圾厌氧消化处理技术研究重点。未来可以从以下几方面研究餐厨垃圾的厌氧消化。

4.1 对底物的预处理与种间直接电子传递相结合

餐厨垃圾预处理技术已相对成熟，但预处理与种间直接电子传递相结合却鲜见报道，将两者结合研究对厌氧消化的影响具有重要意义，是未来研究的一大趋势。

4.2 探索新型导电材料对餐厨垃圾厌氧消化过程的影响

如探索导电性能优良的新兴纳米材料，探索导电材料的性质(如尺寸大小、表面积等)并优化其投加量。

4.3 反应条件的控制

产甲烷菌需要在一个合适的环境中才能发挥其作用，消化系统的pH、VFAs、温度、氨氮都会影响其产甲烷性能，按照不同的情况及时采取不同的处理方法，控制反应条件在最佳范围内，提高厌氧消化性能。