中国厨余垃圾厌氧发酵的改良及资源化应用进展

王璐瑶张璐璐

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075；3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075)

厨余垃圾是城市生活垃圾的重要组成部分，包括餐厅垃圾、菜市场垃圾、家庭厨房垃圾等。根据《中国统计年鉴(2020)》，2019年中国产生城市生活垃圾约2.4206亿t，其中厨余垃圾产量约为121.03～14524万t，约占城市生活垃圾的50%～60%[1]。2019年5月，中国开始在16个城市开展“零垃圾城市”试点建设，不断推进固体废物源头减量化和资源化利用，尽量减少垃圾进入填埋场的数量，减少对垃圾填埋场的影响。2019年上海市生活垃圾分类政策实施后，其日均厨余垃圾产生量为7453t·d-1，较2018年增长了88.8%。因此，我国迫切需要合适、无害、资源化、规模化的处理技术来处理厨余垃圾[2]。

1 厨余垃圾特点

有数据显示，在大多数国家，厨余垃圾约占城市生活垃圾的12%～50%，而中国的比例最高，为56.1%。厨余垃圾富含有机质和养分，是一种优质的厌氧发酵基质，具有很高的资源回收潜力。中国的厨余垃圾主要由蔬菜、食物残渣、果皮、蛋壳、骨头和贝类等组成，其中含有大量的水、碳水化合物、蛋白质、脂质和其它有机物，拥有较高的总固(TS)、挥发性固体(VS)含量。我国厨余垃圾拥有高水分含量、高有机质含量、高生物降解性、低C/N、缺乏微量元素、高脂质含量、高蛋白质含量、高含油量、高辣椒素含量、高含盐量等特点，均会影响厌氧发酵过程。其中，含水量超过80%的厨余垃圾可直接用作厌氧发酵的基质，无需像好氧堆肥一样进行脱水或水分调节[3]。有机质含量高的厨余垃圾具有很高的产甲烷潜力，其良好的生物降解性和易腐性会导致水解速度过快，进而导致挥发性脂肪酸(VF)的积累[4]；C/N<20且缺乏Fe、Se、Co、Mo和Ni等微量元素，均不利于厌氧发酵过程，但可通过共消化解决[5]。此外，有研究显示，我国厨余垃圾中油(1.96%～3.28%)、辣椒素(4±1mg·g-1厨余垃圾)和盐(4.6%)的含量较高，不有利于厌氧发酵过程。因此，我国在厨余垃圾资源化处理过程中，应充分考虑油脂、辣椒素、盐分等诸多因素的影响[6]。

2 厨余垃圾厌氧发酵的改良措施

厌氧发酵是厌氧菌或兼性厌氧菌在厌氧或缺氧条件下将有机物分解成小分子化合物，产生甲烷、水、二氧化碳等物质的过程，该过程包括水解、产酸、产乙酸和产甲烷4步反应。厨余垃圾通过油水分离处理，分离出的废油可通过酯交换转化为生物柴油，其它分离物经两级厌氧发酵处理，产生的沼气可用于热电联产或净化后的染料，沼渣可通过堆肥转化为有机肥料或土壤改良剂，沼液可通过进一步处理制成液体肥料。

2.1 预处理

有机物水解速率是制约厌氧发酵效果的重要因素，通过预处理可以减小厨余垃圾的粒径并增加其比表面积，促进有机物的溶解，最终提高生物降解性和甲烷产率[7]。常用的预处理方法包括以下几种。

2.1.1 物理和机械预处理

机械研磨、超声波、电离辐射、冻融、加压等，可改变反应底物的表面积。

2.1.2 热预处理

热、微波、水热等，可促进大分子物质的溶解和细胞膜的分解，增强底物的质量均质化。

2.1.3 化学预处理

酸、碱、高级氧化等，破坏大分子结构，促进水解。

2.1.4 生物预处理

半厌氧、微氧、酶等，生物酶破坏有机物结构，促进水解。

2.1.5 组合预处理

热-酸结合等。

有些预处理方法存在高能源消耗、产生二次污染等局限性。因此，在选择预处理时，不但要考虑技术的先进性，还要考虑经济性。

2.2 协同厌氧发酵

由于我国厨余垃圾的C/N比不在适宜厌氧发酵的最佳比例范围内，并且缺乏可以促进厌氧发酵的金属微量元素(Zn、Fe、Mn、Se)，同时还含有大量抑制厌氧发酵的Na、K、脂类和盐分，而厨余垃圾与其它有机废物协同发酵可在不同底物之间产生互补协同效应，因此，协同发酵是调节厌氧发酵处理厨余垃圾的有效措施。目前，常用于促进厌氧发酵的协同发酵基质包括生活垃圾、农业废弃物、绿色废弃物、粪便、微藻、污泥、生活污水、工业污水等。殷等研究证明，厨余垃圾和污泥协同发酵可显著提高甲烷生产率，在厨余垃圾中加入适量的绿色垃圾和残渣，可提高厌氧发酵的稳定性。加入生物炭可通过调节pH、吸附氨和有害物质、调节C/N、微生物固定化、微生物群落富集、促进种间直接电子转移等方式提高厌氧发酵的效率和稳定性。

2.3 两相厌氧发酵

单相厌氧发酵因其工艺简单而拥有广泛的应用。欧洲约95%的厌氧发酵系统采用单相厌氧发酵系统。单相厌氧发酵的4个阶段(水解、酸化、产乙酸和产甲烷)都在同一个反应器中进行，任何阶段的抑制都会导致厌氧发酵效率的降低。因此，为了解决单相厌氧发酵的缺点，Pohland等[8]于1971年提出了两相厌氧发酵，提高了厌氧发酵的稳定性和转换效率。两相厌氧发酵中的酸化阶段和产甲烷阶段分别处于不同的处理单元，产酸菌和产甲烷菌在各自的最佳条件下生长。两相厌氧发酵具有以下特点：氢气、甲烷产率高；系统运行稳定；有机负荷率高，处理负荷易于调节；厌氧发酵时间缩短；能量转换效率提升。但两相厌氧发酵系统复杂、经济成本高，限制了其工业化推广，目前工业应用仍多采用单相厌氧发酵，两相厌氧发酵是未来工业发展的趋势。

2.4 外源添加剂

近年来，许多研究通过向厌氧发酵反应器中添加不同材料来提高厌氧发酵过程的效率和稳定性，厌氧发酵过程中所需的C、N、P、S等常量营养素一般可以通过协同发酵的添加材料来补充，而Fe、Co、Ni、Mo、Zn、Cu等微量营养素是参与产甲烷酶促反应的重要因素，需要通过其它添加材料来补充，一般包括常量营养素和微量营养素、纳米材料(纳米零价铁、Fe2O3)、酶和细菌(淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等)、固定微生物的填料、减轻氨抑制的添加剂(矿物材料、鸟粪石)、促进电子转移的碳基和导电材料等[9]。目前，关于使用生物炭等碳基添加剂促进厌氧发酵的研究也越来越多。生物炭含有氧化矿物质、碳酸盐和有机官能团(-COO-、-O-)，可提高厌氧发酵的pH值和pH缓冲能力。生物炭拥有较高的比表面积，可吸附氨及其它抑制物质(柠檬烯、重金属等)进而消除厌氧发酵过程中的抑制作用[10]。但添加剂成本高、条件要求高、存在二次环境污染的风险，因此在厌氧发酵中尚未实现大规模应用。

3 厨余垃圾厌氧发酵的资源化应用进展

目前，厌氧发酵是我国处理厨余垃圾的主要方式。有研究显示，我国现有厌氧发酵厂的数量和处理能力在所有处理技术中排名第一。厌氧发酵处理厂产能主要集中在200t·d-1以上。发酵产物包括沼气以及由发酵产物加工而成的有机肥料。沼气可用于现场供热、发电、车辆燃料、并入天然气管网、升级为压缩天然气或液化天然气等[11]。此外，协同发酵也越来越多地开始推广应用。广州东部固体资源回收中心生物质综合处理厂总处理能力为2040t·d-1，是全球最大的城市有机垃圾处理厂，其发酵底物由餐厅废弃物、厨余垃圾、畜禽尸体和粪便4种有机废物组成，可实现污水资源化利用，年发电1亿kW，年产沼气3102.5万m3、生物柴油10万、化肥14.6万t。

4 结论

现阶段，厨余垃圾在厌氧发酵中还存在营养不平衡、抑制、厌氧系统不稳定、甲烷产量低、纯度低等问题。因此，还应加强对预处理或协同发酵过程中协同机制的研究，通过生命周期评估来评估这些技术的可行性，指导其在工业上的应用。同时加强对甲烷纯度的提高，避免燃烧过程中产生其它有害气体污染物，若允许净化后的甲烷并入天然气管网，将显著提高甲烷的应用价值。