蔬菜废弃物厌氧发酵研究进展

◎ 刘红军，胡俊凯，刘永德，苏增琛

（河南工业大学，河南 郑州 450001）

1 概述

近年来，我国一直大力推进农村发展，扶持农产品种植，并取得了巨大成效。随着我国农村产业结构的调整，蔬菜成为继粮食之后的第二种植业。据粮农组织统计，我国的蔬菜产量占世界蔬菜总产量的49%，且种植面积居世界第一[1]。由于蔬菜的含水率高、易腐烂、不耐储藏，在收获和销售的过程中会产生大量废弃物。目前，我国超过30%的蔬菜以蔬菜废弃物的形式流入固体废物处理处置体系，以2020年为例，我国蔬菜种植2 089万km2，年产7.35亿t，按照30%的废弃率计算，大约产生2.21亿t蔬菜废弃物。它们的成分主要为可溶性糖、脂肪、蛋白质、纤维素、半纤维素和木质素，如果处理不当，不仅导致资源浪费，还会造成环境污染。因此，蔬菜废弃物的合理处置和有效利用成为十分重要的问题[2-3]。

1.1 特性

蔬菜废弃物的成分和特性因土地、气候、温度和湿度的不同而呈现一定的差异。大致包含以下特点。①含水率较高，为90%左右，不耐储存、易腐烂，会产生渗滤液，不仅对环境造成污染，还导致了资源的浪费。②有机质含量较高，挥发性固体含量在80%以上，营养成分丰富，钾含量0.49%～5.37%，氮含量3%～4%，并且蛋白质、维生素和矿物质较多，具有较高的利用价值[4]。

1.2 危害

（1）污染大气。蔬菜废弃物含水率高，极易腐烂变质，在转运和堆积的过程中会产生氨气、硫化氢、甲硫醇等，释放到环境中，导致空气污染[5]。

（2）污染水体。蔬菜废弃物的长期堆放会产生大量的渗滤液，这些渗滤液经土壤渗透和雨水径流等方式，污染地下水和地表水，以致造成水体污染。若这些废弃物被随意丢弃河流、湖泊或海洋，会引起更严重的污染[6]。

（3）传播病菌。蔬菜废弃物会受到病菌直接或非直接地侵染，因此，其自身可能会携带某些病菌，会造成茎腐病、黑根病和黑腐病等病害[6]。这些病菌一般通过水体、大气等途径传播，并且在这些环境中会存活一段时间。同时，蔬菜废弃物会促使蚊蝇等携带病菌的腐生寄生虫快速增殖，影响公共卫生，尤其是人体的健康[7]。

（4）养分流失。蔬菜废弃物的主要产生地是蔬菜种植基地和农贸市场。以干基计，其氮含量占3%～4%， 磷含量占0.3%～0.5%[8]。我国每年蔬菜废弃物产量大约为2.21亿t，如果不能有效处理利用，每年损失的氮养分约773.5万t、磷养分约88.4万t。

2 蔬菜废弃物处理方式

目前，我国蔬菜废弃物的处理方式主要包含粉碎直排、填埋、焚烧、堆肥、饲料化和厌氧发酵[9]。这些处理方式对蔬菜废弃物的减量化和资源化有一定的贡献，但仍然存在一些缺陷。

2.1 粉碎直排

通过搅碎机将蔬菜废弃物直接进行搅拌和打碎，使其转变成细小碎末，然后排至城市的污水管道系统，进入污水处理厂处理，这可能会导致管道堵塞和污水处理效率变差。另外，这种粉碎直排方式还造成蔬菜废弃物潜在价值的浪费。

2.2 填埋

填埋处理方式，其操作工艺简便、成本低。蔬菜废弃物的含水率高，有机物含量大，若将其直接填埋，易产生有毒有害的渗滤液，直接造成土壤和地下水严重污染，且会产生填埋气，如果不加以利用，会对大气造成污染[10]。

2.3 焚烧

焚烧是将蔬菜废弃物置于焚烧炉内，通过高温燃烧，实现减容化、减量化的过程。但由于蔬菜废弃物的含水率较高，低位热值低，高温燃烧时需要进行预处理或者添加助燃剂，使处理成本大幅度增加，并且在焚烧过程中会产生有毒烟气，破坏空气质量。此外，这种处理方式不能实现蔬菜废弃物的资源回收[11]。

2.4 堆肥

堆肥通常采用好氧工艺，好氧微生物利用蔬菜废弃物中的可降解有机物进行代谢，并进一步转化为腐殖质。蔬菜废弃物中的氮、磷等营养元素丰富，用堆肥的方式来处理具有一定的优势，但由于好氧堆肥需要通风，用于供氧、除湿和降温，消耗大量能量，且蔬菜废弃物发酵过程中会产生渗滤液造成环境污染[12]。

2.5 饲料化

饲料化是将收集的蔬菜废弃物进行脱水、干燥、破碎，再经过消毒灭菌和微生物发酵，制成高蛋白饲料的过程。蔬菜废弃物有机物丰富、成本低廉，获得的饲料营养全面、利润较高[21]。但其不合理堆存，易造成腐烂变质，大量病菌伴随而生，若消毒不充分，禽畜被喂食后容易感染疾病，人们食用会间接感染疾病，造成食品安全隐患[13]。

2.6 厌氧发酵

厌氧发酵是微生物在无氧环境中，经过一系列的代谢活动，将蔬菜废弃物中的可降解有机物（如糖类、脂肪、蛋白质）转化为有机酸，进而转化为甲烷、二氧化碳等产物的过程。厌氧发酵技术处理蔬菜废弃物不需要通风、能耗低，还可以得到较高价值的资源化产品，如挥发性脂肪酸、甲烷，可回收利用且应用广泛。在利用蔬菜废弃物发酵产甲烷的研究中，发现其快速水解会导致酸积累，抑制甲烷的生成。因此，将蔬菜废弃物厌氧发酵产沼气转化为产挥发性脂肪酸可能更有效[14]。

3 厌氧发酵原理

厌氧发酵包含3个阶段，水解发酵段、产氢产乙酸段和产甲烷段，分别由水解发酵菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌起主导作用，如图1所示[15]。

（1）水解发酵段。水解发酵菌产生水解酶，将纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质和脂肪等有机物分解为葡萄糖、氨基酸和脂肪酸，而后进一步发酵，转化为挥发性脂肪酸、乳酸、醇和氨等小分子物质。温度、pH值、基质组成和产物浓度等因素会影响水解发酵过程。

（2）产氢产乙酸段。厌氧条件下，在产氢产乙酸菌作用下，酸和醇发生β氧化，产生乙酸、H2，并通过产甲烷菌消耗H2，来缓解H2对产乙酸过程的抑制，可认为产乙酸菌和产甲烷菌存在共生关系。

（3）产甲烷段。在产甲烷菌作用下，乙酸、H2和CO2，或甲醇等含甲基底物生成甲烷。根据底物的不同，可分为乙酸营养型甲烷化、氢营养型甲烷化和甲基营养型甲烷化3种形式[16]。虽然厌氧发酵过程分为3个阶段，但是在厌氧反应器中，3个阶段是同时进行的，并保持着某种动态平衡，这种平衡受到pH值、温度、接种和原料种类等因素的影响。厌氧发酵示意图见图1。

图1 厌氧发酵示意图

4 厌氧发酵研究现状

目前，蔬菜废弃物厌氧发酵的研究备受关注，其技术已经逐渐成熟。付胜涛等[17]对国内外采用厌氧发酵技术处理果蔬废弃物的资源化工艺进行了探讨，从处理效率和产气能力两个方面来分析，发现厌氧发酵能够得到较高的处理效率和产气能力。刘荣厚等[18]利用在实验室所设计的小型厌氧发酵装置，以甘蓝为发酵原料进行了厌氧发酵，探究了其产沼气的能力，发现其具有良好的产气能力。王艳飞等[19]利用蔬菜废弃物，在所设计的反应器中添加污泥作为接种物，探究其厌氧发酵效率，得到了较高的挥发性脂肪酸产率。VITURTIA等[20]研究了水果和蔬菜废弃物，将两者进行混合厌氧发酵，对反应器的条件进行优化，确定了最佳的反应条件，并做出了进一步改善，使生物降解率达到了80%以上。BOUALLAGUI等[21]以水果和蔬菜废弃物为原料，探究了厌氧发酵技术对有机质和能量的回收潜力，使用不同类型的反应器，并添加了微生物，在不同的操作条件下探究其发酵性能，发现其可以将70%～94%的有机物转化为沼气。

厌氧发酵也存在一定的局限性。蔬菜废弃物的快速水解和酸化导致反应器的pH值快速下降，从而抑制产甲烷过程。鉴于此，需要进一步探讨使其产挥发性脂肪酸，而不产甲烷的方法。当然这些研究还存在许多不足，需进一步完善和改进，目前也在吸引大量学者的关注，但是通过这些研究可以了解到，通过厌氧发酵处理蔬菜废弃物能够回收其有机质，实现资源化，是一种非常有效、节能和环保的工艺[22]。

5 厌氧发酵的主要影响因素

5.1 初始pH值

在强酸性或强碱性条件下，大多数产酸菌不能生存，因此，产挥发性脂肪酸的pH值范围一般为4～11。同时，废弃物类型不同，最佳pH值范围也可能不同。蔬菜废弃物在pH值为7时，水解发酵效果最佳，所含的碳水化合物溶解率最高[23]。污泥为底物进行发酵时，最佳pH值为8～11，碱性条件使胞外聚合物的带电基团电离而促进污泥水解，胞外聚合亚基之间产生排斥力，促使碳水化合物和蛋白质被释放。此外，碱性环境不利于甲烷生成，从而阻碍了对所产挥发性脂肪酸的消耗，有利于挥发性脂肪酸的积累。在pH值为4～4.5时，乳品废液有利于丙酸的生成，而在pH值为6～6.5时，有利于乙酸和丁酸的生成[24]。

5.2 接种

接种对有机物厌氧发酵过程的运行效果和稳定性有非常重要的作用。接种量较少时，将会造成发酵系统中微生物数量不足（主要是产酸菌），而微生物接种初期还需要一段时间适应，易导致发酵所需的时间增加，并伴随着挥发性脂肪酸的生成速率降低。而接种量过多时，如果要保证处理效率仍处于较高的条件，厌氧反应器的工作容积需改变。目前，固体废弃物的厌氧发酵，接种物大多采用厌氧生物[25]。

5.3 温度

厌氧发酵过程中，温度会改变反应器内的酶活性并影响一些关键的生物过程。以蔬菜废弃物为基质，研究其发酵过程，相关研究结果表明，中温（约35 ℃）条件下挥发性脂肪酸的产量明显大于高温和低温，中温条件可以加速复杂有机物的水解，从而造成大量挥发性脂肪酸积累，并且挥发性脂肪酸产率更稳定，需要的热量更少。相关研究结果指出，中温条件不仅能够加速底物的水解，还能够有效地促进发酵液中微生物的生长、繁殖，提高挥发性脂肪酸产率[26]。

5.4 原料种类

底物特性是影响挥发性脂肪酸产量和产物组成的重要因素之一。有学者研究了不同底物的发酵类型，发现发酵液中挥发性脂肪酸的分布和产量受到原料中有机物组成的显著影响。有研究表明，具有较高蛋白质的底物可使丙酸的占比增加，而在另一项研究中，蛋白质的底物过高，限制了丙酸的生成。这可能与厌氧发酵产酸过程中的微生物群落和功能酶有关[27]。例如，在高蛋白底物中添加碳水化合物可促进变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）等优势微生物通过丙酸型代谢途径产生丙酸[28]。在挥发性脂肪酸生产中，不同底物的产酸类型也存在差异，如植物蛋白（豆腐）的发酵类型是乙酸型发酵，动物蛋白（鸡蛋）的发酵类型是混合酸型发酵。研究发现，以富含纤维素、半纤维素类物质和富含单糖类物质分别为基质进行厌氧发酵，后者挥发性脂肪酸产率较大[29]。

6 结语

随着我国经济水平和人们生活质量的提高，蔬菜废弃物的产量日益增加，其资源化、稳定化、无害化处理已经迫在眉睫。由于蔬菜废弃物中含水率高，焚烧处理方式并不适合，其他一些处理方式，例如直接填埋会造成蔬菜废弃物中有机物大量损失，并且会对地下水源造成污染。目前，厌氧发酵可实现蔬菜废弃物的资源化，是一种环境友好、经济可行的技术。同时，影响蔬菜废弃物厌氧发酵的因素有很多，需要进行更深入的探索，阐明其影响机理，使蔬菜废弃物厌氧发酵的效率得到提升。