春季果蔬类废弃物在厌氧条件下产生挥发性脂肪酸（VFAs）的效果

夏金雨，王 仕，王雨桐，杨 洁

（1.苏州市环境卫生管理处，江苏 苏州 215007；2.南京大学环境规划设计研究院集团股份公司，江苏 南京 211800；3.苏州道博环保技术服务有限公司，江苏 苏州 215128；4.苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009）

我国城市生活垃圾产生量巨大，成分复杂[1]，其中最主要的组成，包括餐饮垃圾（饭店、宾馆、企事业单位食堂和家庭等在加工、消费食物过程中形成的残羹剩饭、过期食品、下脚料以及废料等废弃物[2]），以及厨余垃圾（包括厨房加工废弃物以及饮食加工站、农贸市场等产生的食品原料废弃物）。随着经济的快速发展，水果和蔬菜的种植面积和产量不断增加，相应的垃圾产生量也迅速增加，给环境污染治理和城乡环境卫生治理带来巨大压力[3]。据统计，中国城市每年产生餐厨垃圾不低于6 000 万t[4]。

果蔬废弃物是厨余垃圾中最重要的部分，其产生量同样十分巨大。相关统计表明，果蔬类废弃物的产生量占我国城市生活垃圾的20%～50%，果蔬年总产量的25%～30%。我国农贸市场日产生果蔬废弃物量大约为600～1 000 t，并且，每种果蔬废弃的部分占其生产量的比例也不同，见表1。

表1 主要水果蔬菜产生的废物比例[5]

城市果蔬废弃物具有废物和资源的双重特征。废弃成为环境污染物，利用成为生物资源。解决商业果蔬废弃物的根本出路在于遵循“减量化、无害化、资源化”的原则，发展产业化的处理与循环利用[6]。果蔬类废弃物的厌氧水解产酸技术具有良好的效果[7-9]，且工艺简单，产生的挥发性脂肪酸可以用作污水处理厂的外加碳源，并解决原外加碳源甲醇的毒性以及运行成本问题[5]。果蔬废弃物的资源利用处置，有助于减少垃圾处理系统的碳排放，实现能源循环利用和减少固体废物，推动减污降碳协同治理。

利用厌氧消化技术将有机物降解为二氧化碳、甲烷等物质的过程，可用于果蔬类餐厨垃圾的处理[10-11]。针对厌氧消化的机理已经有大量研究，学术界先后确立了厌氧消化两阶段、三阶段及四阶段理论。厌氧消化的四阶段理论是目前学术界普遍认同的机理，该理论将厌氧消化过程分为酸化阶段、产氢产酸阶段、产乙酸阶段及产甲烷阶段先后四个步骤进行研究[12]。通过控制消化时间和反应条件可以将消化过程停留在酸化产VFAs（挥发性脂肪酸）阶段[13-15]。

大部分关于厌氧消化的研究都集中在餐厨垃圾、果蔬类垃圾的厌氧产气的影响因素，并且水解酸化阶段的挥发性脂肪酸（VFAs）普遍被认为是产气的不利因素。郑明月[16]对果蔬类废弃物厌氧酸化途径的影响因素（温度、pH 和有机负荷等）进行了研究。研究表明中温条件（35 ℃）下的酸化率大于高温条件（50 ℃），且酸化类型为丁酸型[17]（高温条件下为乙醇型）。尽管研究表明碱性条件有利于酸化，但是为了提高实验与实际情况的一致性以及保持成本，实验最高的pH 值设置为6.0。提高pH 对酸化产物总量影响不大，但会改变酸化类型。最优静态酸化条件为F/M（Foo d/Mud）=2∶1，温度35 ℃，调节pH 到4.0，酸化率达到65.1%，其中乙醇浓度为10 508 mg·L-1（438 mg·g-1），为乙醇型发酵。全混流反应器连续运行中控制温度为35 ℃，调节pH 到4.0，有机负荷OLR＞7 g·（L·d）-1，停留时间HRT＜5 d 能够形成稳定的乙醇型发酵[18]。张玉静[19]进行了餐厨垃圾厌氧水解产VFAs 的研究，探讨间歇模式下影响水解酸化的若干因素，得出最佳的工艺条件为：35 ℃，pH=6，TS（总固体含量）=100 g·L-1，在F/M（Foo d/Mud）=2∶1 时，SCOD（溶解性COD）=83.26 g·L-1，VFAs=41.45 g·L-1，NH4+-N（氨氮）=1 586 mg·L-1，TS 去除率＝13.41%，VS（挥发性固体）去除率=44.82%，VFAs 产率=0.429 g·（gVSfed）-1，VFAs 转化率=1.017 g·（gVSremoved）-1。可以看出，现有研究主要集中在对于餐厨垃圾、果蔬类废弃物厌氧产气的反应条件（温度、pH 值、混合比例）的优化以及工艺优化，而对于季节果蔬类废弃物厌氧产VFAs 的研究还有一定的空白。文中注重强化水解酸化产酸，主要研究了在间歇模式的最佳反应条件下（pH 为6，温度为35 ℃）春季果蔬类废弃物的厌氧产VFAs 潜能，并考察了VFAs 的浓度、组成以及VS 转化率等指标随时间的变化。

1 实验材料和方法

1.1 果蔬类废弃物来源及性质

文中实验采用的果蔬类废弃物为人工配置，原材料为春季时令蔬果。为了模拟实际生活中的果蔬废弃物易腐、低热值、有机质含量丰富等特性，该研究在配比中兼顾了不同种类果蔬的多样性，并结合参考文献调研以及实地考察结果，设计了一种组分相近的实验原料。在配比中，水果的质量分数比例均为50%，以确保充分考虑水果在废弃物中的贡献，具体如图1 所示。与餐厨垃圾不同，文中研究的果蔬类废弃物并非餐饮业的残羹剩饭或者下脚料，而是关注的农贸市场、种植园区等产生的果蔬类废弃物，它们有相当部分都是因为存货滞留以及搬运过程中的损耗而产生的。文中实验在取样时模拟了实际垃圾产生的状况：对于实验原料中的瓜果，保留了瓜瓤/果肉和外皮；对于蔬菜，主要采用了茎和叶。这一取样原则旨在确保实验结果的可靠性和准确性。用食物料理搅拌机对原料进行破碎搅拌，无需外加水分调节含固率。

图1 春季果蔬废弃物组成

1.2 接种污泥

文中研究采用的污泥取自高碑店污水处理厂的厌氧消化池，由于该污泥含水率较高，因此，采用自然沉淀的方法处理，并在3 d 后选取下部的浓缩污泥进行实验。

1.3 实验条件及测试指标

文中实验参考文献资料，在间歇模式的最佳反应条件：pH 值为6、温度为35 ℃下进行厌氧水解实验，测定与分析影响厌氧发酵效果的指标包括：pH、TS[20]、VSS、NH4+-N[21]、SCOD[22]、VS、VFAs 以及乙醇[23-24]等。测定方法及所用仪器见表2。

表2 测定方法及所用仪器

1.4 实验设备

实验设备选用2 个由高硼硅玻璃制作的透明发酵罐，单个发酵罐的总容积为5 L，其中包含有效容积4.5 L，内径16 cm，高度34 cm。

2 结果与讨论

2.1 果蔬废弃物及污泥基本特征

文中研究测定了实验所用的果蔬类废弃物和接种污泥的TS、VS 和VS/TS 等参数，结果汇总见表3。由表3 可见，春季的水果和蔬菜都具有相当高的含水率，同时VS/TS 值也较高。这表明果蔬类废弃物中的有机物含量相对较高，具有较高的可挥发性组分含量。

表3 果蔬类废弃物基本性质

2.2 春季果蔬类废弃物产VFAs 效果

VFAs 是有机酸的混合物，在果蔬类废弃物产酸发酵的过程中，其主要包括乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸等含2～5 个碳原子的有机酸。文中所说的VFAs 是包含上述从乙酸到戊酸的混合酸体系。

如图2 所示，春季果蔬类废弃物产生的VFAs浓度总量从17～87 h 一直在波动上升。在产酸发酵的最末阶段，VFAs 的浓度达到21 025.03 mg·L-1。

图2 春季果蔬类废弃物产生VFAs 总量随时间变化图

2.3 春季果蔬类废弃物产VFAs 组分比例研究

除了VFAs 总量的产生情况，每一种有机酸的产生情况也是十分有意义的。不同的有机酸脱氮除磷的效率不同，也具有不同的经济效益。VFAs 的组成对果蔬类废弃物水解发酵液被利用作为脱氮除磷碳源的效果有非常重要的影响[25]。以下将具体描述不同季节果蔬类废弃物厌氧产酸的组分及比例随时间的变化规律。

图3 显示了春季果蔬废弃物在pH=6，温度为35 ℃下，发酵液中VFAs 以及乙醇的浓度随时间的变化，可以看出，除戊酸、异戊酸和丙酸外，乙酸、丁酸和乙醇的浓度均较高。采样从发酵的17～94 h，在发酵的初始阶段，每间隔4 个小时进行一次采样，在发酵过程进行60～70 h 后，每间隔8～12 个小时进行一次采样。

图3 春季果蔬废弃物产酸及乙醇浓度-时间关系图

乙酸的浓度总体上随时间增长而增长，17 h 时，浓度为4 516.951 mg·L-1。之后的乙酸浓度在17～50 h 内保持稳定，在4 500～5 200 mg·L-1的范围内波动缓慢上升。从50 h 开始，其浓度较为快速的上升，64 h 时达到9 027.89 mg·L-1。87 h 时，浓度达到最大值，为11 579.79 mg·L-1。其浓度在之后大致保持稳定，94 h 时浓度略微下降，为11 052.80 mg·L-1。

丁酸的浓度同样大致随时间增长而增长。17 h 时，浓度为3 305.03 mg·L-1。之后的丁酸浓度在21～29 h内保持稳定，在42 h 时达到最大值，为8 302.61 mg·L-1。在46～76 h，丁酸的浓度在7 820～8 200 mg·L-1的范围内保持稳定。94 h 时浓度略微下降，为7 298.34 mg·L-1。在约60 h 时，乙酸的浓度超过丁酸。

乙醇的浓度变化规律与乙酸、丁酸不同。从17～50 h，乙醇浓度保持稳定在3 000～3 500 mg·L-1，之后浓度逐渐下降，从64 h 时的1 752.11 mg·L-1逐渐下降到94 h 时的482.25 mg·L-1，并低于丙酸的浓度。

图4 表示了春季果蔬废弃物产VFAs 的组成及各部分比例随时间的变化。在17～94 h 的发酵过程中，乙酸和丁酸始终分别占据VFAs 总浓度的较大比例。

图4 春季果蔬废弃物产VFAs 组分比例

乙酸的相对比例在产酸初期就已经占到38%，随后略微下降，在42 h 时其比例下降至29%。随后其比例在46～94 h 略微回升，并最终保持在50%上下。

丁酸的相对比例随着产酸时间先增加后减少，最终逐渐稳定。17 h 时，丁酸的比例为28%，并且在21 h时就上升到41%，随后的21～50 h，其浓度稳定在41%～47%之间。从64 h 时开始其比例开始逐渐下降，在94 h 时其浓度比例下降至39%。

乙醇的绝对数量虽然随着时间在逐渐增长，但是占总VFAs 的比例却在逐渐下降。在17 h 时，乙醇浓度为25%，随后逐渐下降。在50 h 时其比例下降到19%。在64 h 时比例下降至9%，并继续下降，94 h 时，乙醇比例为2%。

因此，春季的果蔬废弃物产酸类型为丁酸型发酵[26]。

3 建议

3.1 提高居民分类意识，加强源头垃圾分类

居民垃圾分类意识的提升与参与度需要专业人员的积极引导。建议通过制定相关配套政策，对物业服务企业进行约束管理和培训，督促物业服务企业对管理区域内的居民进行垃圾分类知识的宣教与日常生活垃圾分类的引导，切实提高居民对垃圾分类的认识和参与率。同时，建议加强在平台上对居民评价的反馈机制，搭建顺畅的沟通平台，进一步了解居民生活垃圾分类工作的痛点和需求，做好源头分类的基础工作。

3.2 完善配套扶持政策，提升资源化技术水平

在“双碳”背景下，寻求低投入、低能耗、无害化、高收益、高效能的果蔬废弃物资源化利用技术，是实现低碳经济和废弃物资源化循环利用的发展方向[27]。目前我国在果蔬类废弃物资源利用方面的法律法规较少，相关处理技术要求也并不完善，未来在摸清果蔬废弃物产生、贮存、运输、处理处置等过程中单位碳排放情况，针对性探索碳减排实施路径的同时，还应健全相关配套扶持政策与相关技术法规，加强对果蔬废弃物高质利用、资源化技术等的研发，依托技术进步，进一步推进各类固体废物实现减量化和资源化，实现减污降碳协同增效。

4 结语

该研究采用自行配制的春季果蔬类废弃物，通过间歇模式研究春季时令果蔬组合在厌氧水解过程中产生VFAs 的效果，并对VFAs 浓度、组成和转化率等指标进行分析。春季果蔬类废弃物产生VFAs 21.03 g·L-1，产酸效果达到了较高的水平。产酸总量可达到餐厨垃圾产酸水平的50%左右，然而，考虑到水果蔬菜有比餐厨垃圾高的含水率与相对较低的可降解有机物含量，其有机质转化程度实际上与餐厨垃圾相当。春季果蔬废弃物的VFAs 转化率为0.36 g·（gVfed）-1。

文中研究选取的春季时令果蔬在pH 值为6、温度为35 ℃的条件下进行厌氧水解实验，产生的VFAs 主要为丁酸型发酵。春季果蔬产生的VFAs 比例为：乙酸占总VFAs 浓度的51%，丁酸占34%，丙酸占9%，异丁酸占1%，戊酸占3%，其他占2%。