餐厨垃圾两相厌氧发酵技术的研究进展

尤 惠，郑纯智，张国华，周 杰

(江苏理工学院化学与环境工程学院，江苏 常州 213000)

随着城市化进展的加快，城市生活垃圾的产量逐年增加，其中餐厨垃圾是其重要组成部分。餐厨垃圾指食物在生产、加工和销售等环节中产生的残渣和废弃物，其组成成分主要有淀粉、纤维素、蛋白质、油脂和无机盐等。餐厨垃圾含水率高、有机质含量高、生物降解性好、易变质，在收集、运输和储存过程会产生渗滤液和发生生物降解，降解时会产生恶臭和有毒气体，可能会造成严重的环境污染。餐厨垃圾的减量化、无害化和资源化利用已成为人们关注的焦点。

餐厨垃圾的处理和处置方法有饲料喂养、好氧堆肥、厌氧发酵、填埋、焚烧等[1]。饲料喂养动物可能会造成食物链污染，传播食源性疾病，对人体健康构成威胁。好氧堆肥技术成本低、工艺简单，但会占用大量土地，且堆肥过程中会产生大量臭气。餐厨垃圾水分和油脂含量高，导致其焚烧成本较高，还会造成二噁英污染。目前，厌氧发酵技术被认为是处理餐厨垃圾的最有效技术之一，它可以实现餐厨垃圾的减量化、无害化，并回收短链脂肪酸、氢气和甲烷等能源，是一种有效的资源回收技术。

1 两相厌氧发酵技术

厌氧发酵技术通过厌氧微生物降解有机物，并将其转化为氢气、甲烷和挥发性脂肪酸(VFAs)。餐厨垃圾的厌氧发酵过程可分为水解、产酸、产乙酸、产甲烷四个阶段。水解过程中，餐厨垃圾中的大分子有机物先被水解酶转化为可溶性小分子有机物。酸化阶段中，小分子有机物进一步分解为挥发性脂肪酸、乙酸、乳酸、丙酮酸等。而后，乙酸和丙酮酸等被转化为乙酸和氢气。最后，通过产甲烷菌将水解和酸化阶段的产物转化为甲烷。

传统的单相厌氧发酵是在一个反应器和相同环境条件下完成所有的反应阶段，但产酸菌和产甲烷菌适宜的生长环境有所差别，单相厌氧发酵不能使各阶段都处于最佳反应条件，导致最终产气效果达不到最佳。同时，单相厌氧发酵也面临着浮渣上浮、VFAs累积、有害中间体产生、缓冲能力不足、系统稳定性下降等问题，两相厌氧发酵(TSAD)工艺的引入能有效解决这些问题。

两相厌氧发酵技术将水解产酸阶段和产甲烷阶段分开运行，为产酸菌和产甲烷分别提供适宜的生长环境，避免了不同阶段的微生物菌群及其代谢产物的相互抑制作用，在产甲烷量、有机物去除率、系统稳定性和能量回收等方面更具有优势。Nathao等[2]证明了餐厨垃圾两相厌氧发酵比单相厌氧发酵的能量回收效率更高，总能量回收可提高18%。Gioannis等[3]比较了餐厨垃圾单相和两相厌氧发酵工艺，发现两相厌氧发酵工艺中，改善后的生物水解过程可以产生更多的挥发性脂肪酸用于产甲烷，最终甲烷产量和能量回收率都较单相厌氧发酵工艺高。

2 两相厌氧发酵工艺

2.1 两相厌氧发酵工艺流程

两相厌氧发酵工艺流程如图1所示，餐厨垃圾通过人工分选、破碎、磁选等预处理将杂质分离出来，以改善餐厨垃圾的表面性质和促进有机质降解。除杂后的餐厨垃圾进入生物水解反应器进行5～8天的淋滤水解，餐厨垃圾中的易降解有机质水解酸化并进入液相。经挤压脱水后，高浓度有机浆液进行30天左右的厌氧消化并产生沼气能源。挤压脱水分离出的固渣热值较高，可进行生物干化作为RDF燃料。

图1 两相厌氧发酵工艺流程图

2.2 两相厌氧发酵工艺影响因素

虽然两相厌氧发酵在实际生产中运行效果较好，但仍存在预处理困难、极易受到高浓度盐分和氨氮抑制、发酵产生的消化液易产生二次污染、厌氧发酵系统稳定性较难控制等问题，其发酵过程受温度、pH、发酵底物、有机负荷、氨氮、微量元素等因素的影响。

2.2.1 温 度

微生物通过一系列酶促反应进行新陈代谢，故温度是影响两相工艺的基础因素之一。在两相厌氧发酵工艺中，发酵反应器通常在中温(35～37 ℃)或高温(55～60 ℃)条件下运行。温度会影响产氢菌的代谢途径，中温有利于醋酸和丙酸的产生，高温有利于丁酸的产生，氢气产量也非常高。产甲烷菌分为嗜冷甲烷菌(低于25 ℃)、嗜温甲烷菌(35 ℃左右)、嗜热甲烷菌(55 ℃左右)和极端嗜热甲烷菌(高于80 ℃)，温度波动可能会抑制产甲烷菌的活性。

2.2.2 pH值

微生的物群落结构、代谢途径和酶活性都会受到pH的影响，因此pH条件决定了餐厨垃圾厌氧发酵过程中的发酵类型和微生物群落。水解酸化阶段，pH为3.2～4.5时，以乳酸发酵为主；pH为4.5时，双歧杆菌数量显著增加，乙酸产量增加；pH为4.7～5.0时，进行丁酸发酵，水解和酸化速率达到最大；pH为6.0时，进行混合酸发酵，VFAs产量最高[4]。产甲烷菌对pH十分敏感，其适宜生长的pH范围在6.5～7.8，最适pH在6.8～7.2[5]。

2.2.3 发酵底物

在餐厨垃圾原料中添加具有互补特性的基质可以在厌氧发酵过程中产生协同效应，从而提高沼气产量和工艺稳定性。近年来，利用秸秆、甘蔗渣等农作物残留物，污泥和餐厨垃圾等生物质废物进行厌氧发酵得到广泛关注，而这些复杂有机固体废物厌氧发酵的限速步骤是水解产氢阶段。Silva等[6]在餐厨垃圾和污泥的混合物中添加甘油，1%的甘油的投加有效提高了两级厌氧消化过程的产氢量和产气量，但过多甘油的添加可能会使代谢产物累积，反而导致发酵过程不稳定。

2.2.4 有机负荷

较高的有机负荷有助于不同菌种的生长，为系统提供充足的能量和营养，工艺处理效率较高。但过高的有机负荷会导致VFAs累积、增大传质阻力，从而不利于菌群与反应底物接触，降低系统稳定性。另外，过高的有机负荷也可能造成氨氮、重金属等抑制物累积，从而抑制菌群的活性。

2.2.5 回流循环

近年来，人们发现从第二阶段到第一阶段进行沼液循环可以提高厌氧发酵工艺的整体性能。沼液回流一方面加剧了水解酸化阶段中不饱和长链脂肪酸的积累，另一方面也有利于产甲烷阶段中长链脂肪酸向饱和脂肪酸的转化[7]。

此外，产氢阶段通常添加碱以维持pH，但高浓度Na+或Ca2+会抑制细菌的生长和反应，使得沼气产量下降。在两阶段间进行沼液回流也可以维持pH值，并且补充产氢细菌、降低化学成本。Algapani等[8]发现两级再循环工艺与无回流厌氧工艺相比，用于维持pH所需的碱投加量大大减少，且获得的氢气和甲烷产量更稳定。

2.2.6 氨 氮

厌氧反应器中氨氮浓度对维持所需碱度起着重要作用。较高浓度的离子氨浓度会降低厌氧菌的活性，导致丙酸的累积，逐渐导致反应器的不稳定。另一方面，较高的铵浓度直接抑制产甲烷菌的酶活性，导致生物甲烷产量较低。此外，游离氨浓度过高时，可以被动扩散到细菌细胞中，细胞内游离氨与细胞外铵离子的平衡会造成细胞间pH值失衡，从而也会抑制产甲烷菌的酶活性[9]。

2.2.7 微量元素

餐厨垃圾缺乏一些微生物生长和反应必需的营养物质，可能会导致厌氧发酵过程不稳定。补充缺乏的微量元素，能够克服微生物生长限制和稳定发酵过程。Voelklein等[10]发现反应器的pH、VFA/TIC、VFA等参数不稳定后，通过加入Fe、Mo、Ni和Se，使得厌氧发酵过程恢复了稳定，并提高了有机负荷率。Menon等[11]在产甲烷系统中添加了Ca、Mg、Co和Ni微量元素，在浓度分别为303、777、7和3 mg/L的条件下，产气率提高50%以上，反应时间也明显缩短。

3 发酵反应器

生物发酵反应器对微生物的生长和活性起着至关重要的作用。厌氧折流板反应器(ABR)具有很好的抗水力冲击能力和有机冲击负荷能力，ABR反应器能够纵向分离厌氧发酵过程的不同阶段，独立的隔室使得产酸相和产甲烷相分离，为不同的微生物群落提供了足够的生长空间和适宜的生存环境，使ABR反应器在性能上像一个两相反应系统。Ahamed等[12]研究了多相厌氧折流板反应器(MP-ABR)的产沼气性能，通过相分离促进了餐厨垃圾生物质能的高效回收。

将两种不同的反应器设计相结合，建立两相制氢产甲烷系统也是有效的。连续搅拌釜式反应器(CSTR)是一种单相厌氧工艺发酵罐，具有结构简单、成本较低的特点，被广泛用于餐厨垃圾生物产氢或产甲烷。Ueno等[13]以餐厨垃圾和废纸混合物为原料，建立了两相制氢制甲烷中试装置。在CSTR反应器中，在60 ℃下进行产氢，产氢速率最大可达0.225 L/L·d；产氢过后，55 ℃条件下在内循环填充床反应器(IRPR)中进行产甲烷反应，虽然有机负荷率和制氢工艺出水成分波动较大，但IRPR反应器的产甲烷性能很稳定。

升流式厌氧污泥床(UASB)能够处理多种不同浓度和不同温度的有机废水，具有结构简单、底部能形成颗粒性污泥、剩余污泥量少、保持充足生物量等优点，应用UASB反应器处理餐厨垃圾的研究较多。王优等[14]采用淋滤-UASB工艺研究了餐厨垃圾处理过程中的参数变化及产气效能，发现脱水淋滤-UASB厌氧消化处理产甲烷具有较高产气能力，运行稳定后每吨餐厨垃圾产沼系数可达0.3～0.44 m3/kg COD。

4 结 语

与单相系统相比，两相厌氧发酵系统具有更好的pH调节能力、更高的抗有机负荷冲击能力、更高的甲烷的转化率和运行稳定性。两相厌氧发酵工艺中，可对各阶段的温度、pH、发酵底物、有机负荷、氨氮、微量元素等参数进行调整，以实现更高的产氢和产甲烷效率。但两相厌氧发酵工艺也存在设备成本高、操作复杂等问题，所以还需开发经济高效的两相厌氧发酵反应器。此外，还需进一步探索更多的餐厨垃圾混合物料及其复配比，以实现餐厨垃圾资源的最大化利用。