厌氧消化处理餐厨垃圾技术进展

刘中华，郑鹏伟

（1.日照市固体废物处理中心，山东日照276000；2.齐鲁工业大学环境学院，山东济南250353）

厌氧消化处理餐厨垃圾技术进展

刘中华1，郑鹏伟2

（1.日照市固体废物处理中心，山东日照276000；2.齐鲁工业大学环境学院，山东济南250353）

结合了国内外餐厨垃圾厌氧消化的研究现状，主要介绍了餐厨垃圾的消化体系特点、添加剂、联合消化等工艺条件对餐厨垃圾厌氧消化的影响，旨在探讨更有效的餐厨垃圾厌氧消化工艺条件，实现餐厨垃圾减量化，从无害化转向资源化和能源化。

餐厨垃圾；厌氧消化；添加剂；资源化

餐厨垃圾，俗称泔脚，包括馒头、蔬菜、果皮、米面、肉、骨等抛弃的剩余饭菜，以及纸巾、塑料等，主要成分为碳水化合物（45.35%）、蛋白质（21.03%）和脂肪（15.56%）［1］。它来自厨房食品加工过程中产生的废料和餐桌上吃剩的食品，我国大城市如北京和上海，餐厨垃圾产量达到1000t/d，占城市固体废弃物总量的40%～60%［2，3］。因其具有高含水量、含盐量和有机物含量，易发酵酸败降解，并产生恶臭气体和有毒物质，危害环境。餐厨垃圾处理技术主要有填埋、好氧堆肥、饲料化和厌氧消化等。填埋可在短时间内处理餐厨垃圾，但占用土地资源，并伴有垃圾渗滤液析出，易引发二次污染。餐厨垃圾饲料化易发生同源污染，威胁人类健康；填埋处理易造成土壤、水和大气污染以及侵占土地；好氧堆肥易引起恶臭、堆肥产品品质和市场认可度差的问题［4］。

1 厌氧消化进展

1.1 厌氧消化特点

因餐厨垃圾具有有机含量高（85%～95%），含水率高（75%～85%）的特点，从而成为厌氧消化的优质底物［5］。在厌氧微生物作用下，餐厨垃圾可产生氢气（H2）和甲烷（CH4）等能源气体；在发酵过程中还能减少病原菌、臭气产生和二氧化碳（CO2）排放；同时发酵后沼渣可生产有机肥原料。研究发现，餐厨垃圾相较于其他发酵基质具有更高的甲烷产率［6］。因此，为了满足当前对于可再生能源需求，相较于气化和燃烧，厌氧消化处理餐厨垃圾技术是一种变废为宝、实现清洁再生资源、化腐朽为神奇的有效途径［5，7］。DiStefano和Palomar［8］研究表明，当把氢气作为一种燃料与压缩天然气按一定比例在内燃机中混合时，H2可减少50%氮氧化物（NOx）排放，这项技术在加拿大、中国、印度、意大利、瑞典和美国已被广泛采用。

1.2 餐厨垃圾厌氧消化工艺条件

由于有机垃圾具有良好生物降解性，因此厌氧消化技术被广泛应用于处理餐厨垃圾［9］。餐厨垃圾厌氧消化是基于微生物代谢作用，首先将其降解为简单小分子有机化合物（水解阶段）；然后进一步在产酸发酵细菌作用下将小分子有机化合物降解转化为脂肪酸类和醇类物质（酸化阶段）；产氢产乙酸菌（H2-producing acetogens）将酸化阶段两个碳以上的有机酸（除乙酸）和醇转化为乙酸、H2和CO2等过程（产氢产乙酸阶段）；基于以上两阶段，再经专性厌氧的产甲烷菌将上述阶段产生的乙酸、甲酸、甲醇、CO2/H2等转为沼气（产甲烷阶段）［10］。厌氧消化是微生物主导的过程，不同阶段的菌群均有其适宜的生长条件范围（pH值、温度、氧化还原电位等）如表1，每一阶段变化都有可能对自身及其后阶段的微生物菌群生长带来影响，造成整个厌氧消化过程不稳定。pH值通过影响厌氧消化体系内微生物酶活性，从而影响微生物活性。表1说明非产甲烷菌和产甲烷菌的适合范围有较大差异，当pH值偏离各自范围时，它们代谢过程与途径将会受到影响。pH值＜7，挥发性脂肪酸（VFAs）呈分子态，可透过细胞膜被微生物利用；pH值＞7，VFAs呈电离子体，难以透过细胞膜；当pH值＞7.8时，还会使NH4+转化为NH3，产生毒性。消化温度对厌氧反应尤为重要，当温度低于最优下限温度时，每下降1℃，效率下降11%。在适合范围内，温度在1～3℃的微小波动，对厌氧反应影响不明显，但温度变化过大（或急速变化），则会引起产甲烷菌活力下降（对温度变化敏感），产生酸积累等问题。厌氧消化能够正常运行的最重要条件是保持体系内为厌氧环境，厌氧环境的主要标志是具有较低的氧化还原电位（ORP），在厌氧环境下，ORP应小于0。高温条件下的ORP较中温ORP更低，另外不同菌群对ORP的要求也不相同，产酸菌对ORP的要求较低，在-100～100 mV的兼性厌氧条件下都能正常生长代谢，而产甲烷菌的适宜ORP在-350 mV以下。因此，餐厨垃圾厌氧消化过程的稳定性是限制其高效产能源气的关键问题，解决这一问题就要遵循微生物代谢生长规律，从物料（源头）和运行方式（过程）着手，具体方式包括物料混合厌氧联合消化、调节初始pH值、连续pH值调节和补充营养物质等。

表1 厌氧消化发酵微生物生长适宜的外界环境因素

1.3 联合厌氧消化技术

餐厨垃圾含有多种营养元素，如S，Ca，Mg含量分别为0.25%（湿基），2.16%，0.14%，碳氮比（C/N）达到14.8，在厌氧消化C/N范围（13.9～19.6）［11，12］。Zhang等［11］研究了间歇高温（50℃）厌氧消化餐厨垃圾性能，结果表明，当消化时间进行到10 d和28 d时，甲烷产量分别达到348 mL/g VS和435 mL/g VS，表明餐厨垃圾具有很高的产甲烷潜力。但餐厨垃圾单独消化时易引发酸化，造成反应失败［13］。将餐厨垃圾与其他生物质废物联合消化已成为研究热点。当将餐厨垃圾与其他废物联合消化时，必须保证适宜C/N。如果C/N过高，会造成反应体系缓冲能力下降，易造成酸积累现象；如果C/N过低，则会促进氨产生，抑制产甲烷菌活性，降低产甲烷能力。

污泥和牛粪中均含有多种微生物和营养物质，很多学者将其与餐厨垃圾混合厌氧消化研究。Zhang等发现通过将牛粪与餐厨垃圾按混合比为2进行混合，批式厌氧消化体系产甲烷能力提高了41.1%，相应的甲烷产量达到了388 mL/g VS；半连续消化中产甲烷量为317 mL/g VS，甲烷总产量提高了55.2%。他们还研究发现通过添加牛粪能够明显增强消化体系的缓冲能力，这是因为牛粪中含有多种元素（Na+，Mg2+， Fe3+，Zn2+，Mn2+等），并能产生和VFAs，从而提高混合物体系的缓冲能力［12］。焦刚珍等［14］将餐厨垃圾与经85℃水浴加热30 min杀灭耗氢菌的污泥进行中温厌氧发酵产氢，结果显示4种污泥（厌氧污泥、河底淤泥、压滤污泥、曝气污泥）中接种厌氧污泥的餐厨垃圾平均产氢量最高，达10.11 mL/g VS。对餐厨垃圾产甲烷的研究也很普遍。李荣平等［15］研究了间歇厌氧消化在中温（35℃）条件下，牛粪、餐厨垃圾以及两者混合物的产气性能。研究结果显示，单独消化时餐厨垃圾产甲烷量为362.2 mL/g VS，是牛粪产甲烷量（144.3 mL/g VS）的2.5倍；通过将牛粪和餐厨垃圾按一定比例进行混合，能够达到均衡营养物质和C/N，增强缓冲能力，缩短消化时间的效果，这表明混合消化可有效提高厌氧消化。Kim等［16］的餐厨垃圾和污泥联合消化的结果说明，当餐厨垃圾含量39.3%（中温）和50.1%（高温）时，产甲烷速率最高。将一定量牛粪添加到餐厨垃圾中，可显著增强餐厨垃圾厌氧消化性能，但当牛粪投加量超过一定比例时，则会产生抑制现象。El-Masha和张瑞红［17］利用牛粪和餐厨垃圾混合消化结果表明，未过筛的牛粪与餐厨垃圾之比在68%/ 32%和52%/48%，经过30 d中温共消化产甲烷量分别为282 mL/g VS和311 mL/g VS；在同样条件下餐厨垃圾产甲烷量达到353 mL/g VS。这说明添加牛粪到餐厨垃圾中超过一定程度会抑制消化体系甲烷生成，这是由于氨氮浓度过高所造成的氨抑制引起的，与单消化相比，牛粪和餐厨垃圾共消化的消化液中氨氮浓度含量明显升高。Lay等［18］指出氨氮浓度达到700 mg/L时会抑制产甲烷菌的活性。投加过量的牛粪还会造成有机负荷过高，有机负荷也是影响甲烷产量的重要因素之一。Maranón等［19］的牛粪、餐厨垃圾和污泥联合消化结果说明，在中温（36℃）和有机负荷（1.2 g VS/L d）条件下，70%牛粪、20%餐厨垃圾和10%污泥（总固含量约为4%），在连续流搅拌反应器（CSTR）中获得最高产甲烷量603 mL CH4/g VS。但当有机负荷增加到1.5 gVS/L d时，甲烷产量减少20%～28%。因此，一定有机负荷条件下，餐厨垃圾、牛粪和污泥的联合厌氧消化，能够明显增强厌氧消化系统的稳定性和产甲烷潜力。

1.4 厌氧消化体系

单相厌氧消化处理器中，产甲烷细菌在种群和数量水平上比产酸发酵细菌少得多，底物利用水平有限，繁殖时代长达4～6 d，而且对环境条件要求苛刻。当体系平衡失调时，产甲烷菌反应敏感，对其活性产生不利影响，刘晓英和刘广青等利用单相厌氧反应器处理餐厨垃圾，发现当餐厨垃圾超过25 g/L时，会发生酸化现象［20］。而产酸发酵细菌对环境要求没那么苛刻，其活性受影响不大。所以根据产酸细菌群和产甲烷菌群的生化特性差异，在两个反应器中分别单独培养，提高甲烷产量的有效途径是两相厌氧消化体系。两相厌氧消化城市污泥的效果明显优于单相厌氧处理［21］。

赵庆良等［22］研究污水污泥和有机废物两相厌氧消化表明，底物在高温（75℃）产酸相2.5 d可实现水解与产酸（兼具灭菌作用），在37℃和10 d或14 d产甲烷相中可获得最大产气量和产甲烷量。在系统外界环境不受温度变化或变化不大时，高温/中温两相厌氧消化系统都具有较大的稳定性。Li等［23］研究了两相反应器中水力停留时间（HRT）对餐厨垃圾和牛粪联合厌氧消化影响，产气量比牛粪单独消化产气量提高了0.8～5.5倍，并指出在牛粪与餐厨垃圾混配比为6∶1和HRT为1 d，酸化可获最高产气速率3 970 mL/d。表明两相厌氧消化体系具有很好的缓冲能力和稳定性。

此外，某些学者研究三相发酵体系，并从餐厨垃圾中获得较高的能量。将餐厨垃圾降解、转化、生成氢气和甲烷的新型三相发酵体系［24］。在这个体系中，首先将韩国本土的乳酸菌添加到餐厨垃圾中，使其发酵产生乳酸盐，而不是乙酸盐和丁酸盐，因为它们并不是光发酵产氢有利底物；其次将乳酸发酵液进行离心分离，其中上清液作为底物通过光发酵细菌球形红细菌（Rhodobacter sphaeroides KD131）产生H2；最后将沉淀部分厌氧消化产甲烷（CH4）。结果显示，最高H2产量为994 mL/g CODadded，由于1 g COD等同于1.4 L H2，说明底物中有71%能量转化为H2；同样，CH4最高产量为308 mL/g COD，按照1 g COD相当于350 mL CH4计算，CH4转化效率为88%，餐厨垃圾最终能量有41%转化为H2和37%转化为CH4，显著高于两相暗发酵体系［25］。

1.5 添加剂餐厨垃圾厌氧消化影响

为了提高厌氧消化产气性能，许多学者将不同的添加剂添加到发酵基质中，以改善厌氧基质和条件，获得更高产气量。在发酵产氢中，曹先艳等［26］以表面活性剂与偏硅酸钠的混合物作为添加剂，研究了它们对餐厨垃圾厌氧消化产氢影响，随添加量增大，体系中氢气浓度增大；但添加剂量过高会抑制产甲烷菌的活性。张记市等［27］通过将造纸白泥添加到餐厨垃圾中进行厌氧消化，结果表明，由于造纸白泥含有多种碱性物质如CaCO3和NaOH，添加少量造纸白泥（0.5～2%）可显著提高产氢量、产氢速率，还能明显缩短停滞期。当造纸白泥添（1.5%）时，产氢量最高达137.6 mL H2/g VS。在厌氧产甲烷中，微量元素对厌氧消化产甲烷菌具有激活作用［27］。Takashima和Speece报道［28］，微量金属元素Fe，Co，Ni的氯化物直接加入反应器中，能够明显提高乙酸的利用率。这是由于FeCl2，NiCl2和CoCl2改变了产甲烷菌生存环境，优势菌由索氏甲烷丝状菌转化为巴氏甲烷八叠球菌。前者在低浓度乙酸的产甲烷系统中占优势，而后者则在高浓度乙酸和丰富的微量营养下活性较高，其活性是前者3～5倍。

2 结论

根据餐厨垃圾易酸化和有机质含量高的特点，综述了餐厨垃圾厌氧消化的工艺特点和强化措施。厌氧消化体系经历了由传统简单的单相到两相、三相发展阶段，提高厌氧消化体系稳定性，进而提高产气性能。许多学者多集中于两相厌氧消化，随着研究者对餐厨垃圾厌氧消化工艺参数及过程控制的进一步深入探讨，相信能够将理论研究与实际运用更有效地进行结合，进一步降低运行厌氧体系的成本和提高能源气体的产量。

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Research progress on anaerobic digestion of food waste

LIU Zhonghua1，ZHENG Pengwei2
（1.Rizhao Solid Waste Disposal Center，Rizhao 276000，China；2.College of Environmental Sciences，Qilu University of Technology，Jinan 250353，China）

This paper summarized the research status of anaerobic digestion from food waste at home and abroad，mainly introducing the anaerobic digestive system，pretreatment，additives and co-digestion with other substances of food waste.It aims at discussing of more effective technological conditions of anaerobic digestion from food waste and further achieving reduction of food waste and cyclic economy，with the conversion from harmless treatment to resource and energy utilization.

Food waste；Anaerobic digestion；Additive；Resource

X799.3

A

1674-0912（2015）11-0038-04

2015-10-12）

刘中华（1981-），男，山东日照人，硕士，工程师，研究方向：固体废物管理与处置。