基于微生物发酵技术的餐厨垃圾资源化研究进展

程昕晖，董子水，马伟芳

（北京林业大学 环境科学与工程学院，北京 100083）

0 引言

餐厨垃圾是指食品加工过程及人们日常饮食中产生的食物废料及残余。据不完全统计，我国餐厨垃圾年产量约1.2 亿t，日处理能力为21 900 t/d，仅有10%的餐厨垃圾可被资源化转化[1]。因此，亟需研发高效经济的餐厨垃圾资源化新技术以解决餐厨垃圾的处置问题。餐厨垃圾含有较高的水分及有机物，极易腐坏变质，严重污染环境、危害公众身体健康。而常规的填埋和焚烧技术不仅浪费了大量的有机物质，且在处理过程中会产生有毒有害物质。餐厨垃圾微生物处理由于其高效环保的优势越来越受到人们的重视。

餐厨垃圾经不同的工艺处理可制成种类丰富的产物，进而合成各类化工原料。由于其有机物含量较高，处理后可用作动物饲料、有机肥料，也可经消化后产制甲烷、乙醇等生物燃料代替化石能源，或通过控制反应条件，厌氧发酵制备挥发性脂肪酸、乳酸、丙三醇等工业原料，进而合成其他化工材料，油脂部分则可用于制备生物柴油，使得餐厨垃圾循环利用。通过对餐厨垃圾的特性及资源化利用价值分析，对餐厨垃圾微生物发酵主流及前沿技术进行综述，可为我国餐厨垃圾处理及资源化利用提供参考。

1 概述

1.1 餐厨垃圾特性

我国餐厨垃圾的产生量巨大，总体来看，餐厨垃圾水分含量较高，含水率一般在70%～85%之间[2]，在存放及运输时产生的渗沥液容易污染城市环境及附近居民用水。餐厨垃圾中油脂和碳水化合物含量丰富，这些有机物为餐厨垃圾资源化的物质基础；同时，餐厨垃圾的盐分含量也较高，含有N，P，Ca，K 等元素，可再次发酵制备肥料、饲料。餐厨垃圾的化学成分及含量为碳水化合物（55%）、油脂（30%）、蛋白质（10%）、微量元素（5%）。

1.2 国内外餐厨垃圾无害化及资源化综合利用现状

目前国内外常见的餐厨垃圾无害化及资源化利用的技术主要有：饲料化技术、好氧堆肥、厌氧消化产甲烷。工艺特点见表1。

表1 餐厨垃圾处理工艺分析

（1）饲料化。饲料化技术是指将可回收的餐厨垃圾作为原材料生产的动物饲料。目前，应用较广泛的饲料化技术主要有2 种，即脱水制饲料和生化制蛋白饲料。脱水制饲料技术是将餐厨垃圾先经高温消毒，再经干燥脱水、搅拌粉碎等程序加工，压制成禽畜饲料；生化制蛋白饲料技术是采用生化法将适宜的微生物接种入餐厨垃圾中，进行生长繁殖，对餐厨垃圾中的营养物质进行调控和转变，制成蛋白饲料。

（2）好氧堆肥。好氧堆肥的原理是在有氧条件下，利用微生物将餐厨垃圾中可降解的有机物转化为稳定的腐殖质。好氧堆肥工艺技术成熟，李龙涛等[4]设置初始C/N 为25～30、含水率为65%、pH 值为5.92，同时添加不同的微生物菌剂，以促进餐厨垃圾和水稻秸秆等高效堆肥。通过对餐厨垃圾堆肥过程中的优势微生物进行分析，可进一步优化好氧堆肥工艺。不同发酵阶段的优势菌群不同，主要为拟杆菌门、变形菌门、厚壁菌门以及放线菌门。

（3）厌氧消化产甲烷。微生物的厌氧发酵反应需经过3 个阶段，即水解、产氢产乙酸和产甲烷，通过微生物的协同作用将有机物转化为甲烷、氢气和二氧化碳，每吨餐厨垃圾（干重）理论上可产生750 m3的甲烷。同时有研究将餐厨垃圾与其他类型垃圾混合发酵，王冰洁[5]将餐厨垃圾固相物料与厨余垃圾进行了混合，有效改善了物料的厌氧性能，当增加有机负荷时，甲烷产率由61.9%升高至63.8%；ZHANG L等[6]将餐厨垃圾与园林废弃物在三级生物反应器中进行共消化，甲烷产率达到69%；LIAO X 等[7]在反应器中加入一定量的填埋场渗沥液，有效缓解了脂肪酸积累引起的酸性抑制作用，也提高了甲烷产率。

2 微生物技术在餐厨垃圾处理中的应用

餐厨垃圾的微生物厌氧发酵技术指通过控制反应条件、外加菌种等方式使餐厨垃圾发酵生成挥发性脂肪酸（VFAs）、乳酸、乙醇、丙三醇等物质，产物用途广泛，使餐厨垃圾资源化市场更元化。

2.1 餐厨垃圾制VFAs

挥发性脂肪酸（VFAs）包括乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸，是有多种用途的有机物。在最适条件下，餐厨垃圾制备VFAs 的产率可达40%，厌氧发酵产VFAs 主要分为2 个阶段进行。第1 阶段，在水解菌的作用下将餐厨垃圾中的不溶性大分子有机物水解为小分子物质，这一阶段是厌氧发酵的主要限速步骤；第2 阶段，酸化细菌将上一步骤的产物进一步转化为挥发性脂肪酸、乙醇、CO2、H2等小分子物质。但需要采取一定的措施抑制产甲烷菌的活性，避免酸化阶段产生的VFAs 转化为甲烷。

不同的厌氧发酵条件对VFAs 的产生有一定的影响。研究表明，pH 值、温度、含固率（TS）、C/N、有机负荷率（OLR）等因素都会对VFAs 的产生量和组成比例造成影响。通过设置不同的发酵环境可获得不同的产物比例，有利于单一脂肪酸的生产与纯化。张玉静[8]研究发现，在不同的pH 值条件下，乙酸和丁酸在总VFAs 中所占比例最大，高于70%，与JIANG J 等[9]的结论类似。此外不同pH 值下发酵类型也有差异，pH 值为4～5 时显示为乙酸型发酵，5～6 时趋向于丙酸型发酵，8～9 时为丁酸型发酵。而将反应温度控制在35 ℃和45 ℃时，乙酸和丙酸含量较高，而55 ℃的条件下主要的发酵产物为丁酸[8]。厌氧发酵进行到后期，经过反向β 氧化途径，会出现戊酸、异戊酸等长链脂肪酸[10]。VFAs 的组成及产量不仅与发酵条件有关，微生物群落结构也有影响。余晓琴[11]对微生物群落结构分析发现，厚壁菌门、变形菌门和拟杆菌门是厌氧产酸反应器中的特征微生物，通过调节其最适生长环境，可以增加VFAs 的产量。

目前VFAs 的制备主要是通过石油加工产生的醛和烯烃等化学前体物质氧化或羧化产生[12]，利用餐厨垃圾代替不可再生的石油资源制VFAs 已逐渐被各国所采用，获得了广泛的关注。

2.2 餐厨垃圾制乳酸

目前，乳酸的合成方法主要有3 种，即化学合成法、酶法及微生物发酵法。常规的工业化生产乳酸的发酵原料主要为玉米、小麦、甘蔗等，生产成本较高。选用适宜的发酵细菌，餐厨垃圾的乳酸转化率可达80%～90%，市场前景良好。菌种、pH 值、温度、接种量、发酵时间、固液比等因素都会影响餐厨垃圾发酵产乳酸的效果。

陈佳奇[13]将餐厨垃圾在pH 值为6.5，45 ℃时进行发酵处理，菌株接种量为5%，乳酸产量可达0.351 g/g（以TS 计）。TANG J 等[14]分别对比了餐厨垃圾在不同pH 值、温度、有机负荷率（OLR）时的乳酸产量，结果发现pH 值为6、温度为37 ℃、OLR 为18 g/（L·d）（以TS 计）时为最优发酵条件。通常餐厨垃圾发酵产乳酸是在微生物的作用下引导的，因此发酵环境对微生物的生长至关重要，pH 为微酸性时，中高温度时最适宜菌株生长繁殖，其中起到主要作用的微生物为乳酸杆菌属与魏斯氏菌属。YE T 等[16]以餐厨垃圾与活性污泥按质量比6:1 进行混合，获得23.21 g/L 的乳酸产生率。将餐厨垃圾与活性污泥混合，利用污泥中含有的天然乳酸菌进行发酵，不仅降低餐厨垃圾的处理成本，还可以提供更加适宜微生物生长的环境。

2.3 餐厨垃圾制乙醇

生物燃料乙醇是石油的重要代替品之一，每吨餐厨垃圾可产生150 L 燃料乙醇。餐厨垃圾在厌氧环境下被酵母菌发酵生成乙醇和二氧化碳，其原理为餐厨垃圾经水解后生成葡萄糖，葡萄糖则通过EMP 途径分解成丙酮酸。丙酮酸再由脱羧酶的催化生成乙醛与二氧化碳，乙醛进而被还原成乙醇。餐厨垃圾制备乙醇主要包含预处理、水解、发酵、纯化4个步骤。水解和发酵阶段是影响餐厨垃圾发酵产乙醇速率的关键步骤。酶解是餐厨垃圾生产乙醇中最常用的预处理方法。

目前，餐厨垃圾多采用酵母菌进行乙醇发酵，单一酵母菌发酵产乙醇效率不高，将酵母菌与其他菌种共接种一同进行发酵，可获得较高的乙醇产量。张强等[17]在发酵过程中添加了糖化酶、蛋白酶和纤维素酶，在pH 值为5.3 时获得最高乙醇产量54.6 g/L。KIM J H 等[18]利用混合酶，在分步水解发酵实验和同步糖化发酵实验中，乙醇的产量分别为0.3 g/g 和0.2 g/g。MOON H C 等[19]则采用了淀粉糖苷酶和糖化酶，发酵15 h 后，获得的最大乙醇浓度为0.23 g/g。魏国香[20]探索纤维素分解菌与乙醇菌共发酵的最佳方式，在实验第3 d 时达到最高体积分数为3.58×10-2。NTAIKOU I 等[21]用酿酒酵母和毕赤酵母共发酵对希腊典型城市收集到的餐厨垃圾进行共发酵，乙醇产量高达45 g/L。近年来，更多的研究聚焦于分子生物学，在基因水平上对酵母菌进行重组构建，进一步增加餐厨垃圾发酵产乙醇的产量。

2.4 餐厨垃圾制丙三醇（甘油）

餐厨垃圾中含有大量的油脂，包括煎炸食物产生的废弃油、经油水分离处理后得到的泔水油等。生物柴油采用餐厨垃圾中的废弃油脂生产生物柴油及其副产物甘油，每生产10 t 生物柴油就会产生大约1 t 的副产物甘油[22]。利用废弃油脂制备生物柴油，其中甘油的产生主要发生在酯交换反应时[23]。

反应时加入甲醇与废弃油脂充分混合，降温至60 ℃，反应时间约为60 min，在反应过程中，甘油沉降在反应器的底部，原材料油脂以及反应产物浮在上部，两相产物的分界面很明显。通过萃取或其他操作，可以将反应产物与副产物甘油分离。分离出的甘油还可加入预酯化反应中重复利用，剩余部分经过纯化后可用于其他商业用途。

3 结论

随着垃圾分类政策的推行，餐厨垃圾减量化、无害化、资源化处理越发受到重视。餐厨垃圾的科学收集、高效转化减轻了城市固废负担，实现了可持续发展，微生物资源化技术已经成为未来的发展趋势，餐厨垃圾转化为高附加值产品将成为人们的第一选择。但也应看到，餐厨垃圾微生物处理技术的大规模应用，带来经济效益的同时，也存在很多困难，如餐厨垃圾资源转化率不高、产品附加值低且品种单一等问题都有待解决改进。为使餐厨垃圾更好地转变为可利用资源，促进环境友好型城市的建设，应大力推广新型微生物处理技术，在使餐厨垃圾转变为堆肥、沼气等物质的基础上，进一步革新微生物发酵技术，使产物从单一的甲烷转变为酸类、醇类等高端化工业原料，并拓宽产品应用途径。