厌氧发酵在餐厨垃圾再利用中的应用

2022-12-07侯婷婷

现代食品 2022年7期

◎ 侯婷婷

（武警士官学校，浙江杭州 310000）

对餐厨垃圾进行焚烧、掩埋等处理会对环境产生二次污染，留下很多后患，同时效率比较低，且没有任何经济效益，不是最理想的处理方法。餐厨垃圾是各种食材的集合，有机物含量高、水分高，是厌氧发酵生产可再生能源的理想底物，因此厨余垃圾是垃圾的同时也是巨大的资源库，只要合理利用便是能源再生的理想来源[1]。

1 研究背景

1.1 能源现状分析

近年来，我国经济迅速发展，但由此带来的能源、环境、生态等后果也极其严重，同时能源消耗的速度快速增加，所以能源方面的问题越来越引起世界各国的重点关注。人们都在努力寻求能源再生和环境保护的具体解决方法，渴望找到一个能源与环境平衡发展的有效途径，因此探索清洁高效能源的发展越来越受到关注。

1.2 餐厨垃圾概述

餐厨垃圾在我国垃圾总量中占有极高的比例，一般指家庭、学校、食堂和各种食品和饮料行业日常生活中剩余的食物残渣，从食材成分上看，餐厨垃圾包括主食和副食的各种残渣，即大米、面粉、畜禽肉类、鱼类、蔬菜和油脂等[2]；从营养成分上看，有蛋白质、维生素、矿物质、淀粉和水分等各种营养素。餐厨垃圾中蛋白质、脂肪、碳水化合物等有机物含量较高，同时含有丰富的水分，在这种营养物质极其丰富的情况下，餐厨垃圾极易被微生物分解，发生腐败变质，滋生各种细菌和病毒，对环境和人体造成不良影响。但由于传统使用的焚烧、掩埋等不当处理方法，让餐厨垃圾成为危害环境和人体健康的危险源头之一，因此餐厨垃圾的处理成了一个棘手的问题。

食物垃圾因具有高水分、高盐度、高有机质的特点，是厌氧发酵的理想底物。餐厨垃圾通过微生物降解，能将垃圾中的生物质能转化为能源气体——沼气，促进环境的可持续发展[3]。

2 厌氧发酵概述

2.1 厌氧发酵原理

厌氧发酵是指在没有氧气的条件下，大分子底物被微生物利用，完全分解为小分子物质，同时产生能源气体甲烷和CO2的过程，一般分为3个阶段。①水解阶段，大分子有机物被微生物分解产生小分子物质[4]。蛋白质被水解为氨基酸，糖类物质被水解为小分子单糖，脂类物质被水解为脂肪酸和甘油。②酸化阶段。在各种细菌的作用下，第一阶段产生的氨基酸、单糖、脂肪酸等中间产物进一步转化为甲酸、乙酸、醛和酮等更加低分子的物质，同时伴有氢气和二氧化碳等气体的产生，在本阶段所有产物中，大部分为乙酸，所以称为产酸阶段[5]。③产甲烷阶段。厌氧发酵过程中大部分的甲烷都由本阶段产生，甲酸、乙酸、甲醇等底物在甲烷菌的作用下被转化为甲烷，另外氢气和二氧化碳也被甲烷菌还原为甲烷[6-7]。

上述3个阶段一般被人们称为厌氧发酵三阶段理论，虽然字面上是3个阶段，但是在具体的反应过程中，通常很难把这3个阶段相互分离开来，因为这3个阶段是互相影响、互相依赖、连续进行的。

2.2 厌氧发酵的影响因素

厌氧发酵过程会受到多种外界环境的影响，如底料成分组成、发酵温度、发酵酸碱度等，这些因素都会影响微生物的活动，只有在保持最适宜微生物活动的环境中，厌氧发酵的效果才能达到最理想的效果[8]。

2.2.1 原料自身特性

厌氧发酵的原料是整个发酵过程的物质基础，由于原料中C/N、营养元素浓度、料液的pH值等因素的不同，导致厌氧发酵产气的差异[9]。

2.2.2 外部环境因子

（1）温度。外界环境温度是影响厌氧发酵效率的一大关键因素。因为在整个厌氧发酵产气的过程中，微生物发挥着极其重要的作用，微生物有其最适宜生长等各项生命活动的最适温度范围，一般来说产甲烷菌活性适宜的温度区间是中温20～37 ℃，高温50～60 ℃，在40～50 ℃时产甲烷菌活性受到抑制，在中温35 ℃和高温55 ℃时出现最大的沼气产量。

（2）搅拌。有效的搅拌可以增加发酵底物原料与微生物的接触面积，提高发酵产气的效率，使发酵系统温度更加均匀，使生物在反应过程生成的硫化氢、甲烷等对厌氧菌活动有害的气体以最快的速度排出系统外。因此通过适当的搅拌，可以使厌氧发酵过程的效率得到有效提高，加快厌氧发酵的反应速度，缩短反应周期，获得较多的产物量，使厌氧反应达到理想的状态。但是厌氧反应的搅拌过程并不是越快越好，也不是越多越好。如果搅拌频率过高，搅拌速度过快，可能会打破厌氧发酵体系的平衡，破坏微生物对底物的作用，因此控制好搅拌强度也是影响厌氧发酵反应至关重要的一个因素。

（3）金属元素。金属元素是厌氧发酵过程中多种酶的辅助因子，不同浓度的金属元素以及不同金属之间的协同作用会对厌氧发酵过程产生不同程度的促进或者抑制作用。

2.2.3 厌氧发酵过程中产生的物质

（1）挥发性脂肪酸。中间底物挥发性脂肪酸会与甲烷菌作用生成甲烷，同时还会影响二氧化碳和氢气的生成。由此可见，挥发性脂肪酸在整个厌氧发酵产甲烷的过程中发挥着重要的作用。挥发性脂肪酸是厌氧发酵体系中重要的厌氧生物学指标，表示微生物厌氧分解底物能力的强弱。

（2）pH值和碱度。在厌氧发酵反应体系中，pH值是厌氧发酵反应是否稳定进行的一个重要指标。在厌氧消化过程中，pH值具有一定的自我调节能力，一开始，由于有机物发生酸化反应，pH值先降低，后来大量的有机酸被甲烷菌消耗，pH值又随之升高，此时厌氧反应便达到了一个稳定的状态，pH值的自我调节能力使体系中的pH值比较稳定，但为了使厌氧体系产酸率、产甲烷率达到最高值，需要去调节体系中初始的pH值，使厌氧反应获得理想的效果[10]。pH值对反应体系中许多微生物的酶活性具有非常重要的影响，发酵细菌普遍在pH值为5.0以上具有酶活性，产甲烷菌具有酶活性的pH值在6.2～7.8、7.0～7.2为酶活性的最佳范围[11]。同时，pH值也对反应体系中许多重要有机物的分解有非常重要的影响。

碱度是评价中和酸能力的一个指标，能体现发酵系统的缓冲能力，调节发酵系统的pH值，由碳酸盐、重碳酸盐等不同种类的弱酸盐以及一些氢氧化物构成。

（3）铵态氮。厌氧体系中的铵态氮主要通过氨基酸的降解产生，由于整个系统中氮是守恒的，通过铵态氮可以帮助了解体系中不同状态氮的比例以及厌氧发酵过程的进度。铵态氮的分解主要通过偶联进行氧化反应脱氮，同时伴随氨气的产生，氨气的存在对厌氧消化反应是非常重要的。如果氨气浓度过高会影响甲烷菌在厌氧消化过程中的活性，进而影响最终产物的生成；氨是微生物的营养物质，许多细菌的氮源来自于氨氮。因此铵态氮在整个厌氧体系中都是极其重要的。

有效调节影响厌氧发酵过程的各影响因素，能使厌氧发酵体系达到最利于产甲烷的理想状态。以前常见的厌氧发酵产气底物一般为秸秆、动物粪便等单一底物，由于底物单一，微生物的生长与活动往往也受到限制，从而影响发酵的效率与资源的利用率，因此将多种原料混合发酵也是提高产气效率的一大有力因素。

3 厌氧发酵对餐厨垃圾再利用的意义

①厌氧发酵能在很大程度上解决餐厨垃圾环境污染问题，减少水体的富营养化程度。②可杀灭细菌和病毒，减少微生物的传播，最大程度降低厨余垃圾对环境及人体的不良影响。③厌氧发酵的最终产物——沼气可作为可再生能源被广泛使用，生产成本低，且绿色环保，不会对环境造成污染。④通过厌氧发酵过程中各种相关微生物的作用把难被微生物吸收的有机氮转化为氨，从而在很大程度上提高营养成分的利用率。⑤通过厌氧发酵处理后的沼液可以二次应用到土壤中，起到改良土壤品质、增加农作物产量的作用。⑥厌氧发酵成本低，可以节省许多不必要的费用[12]。