餐厨垃圾厌氧消化技术研究

＊周挺进

（1.福龙马集团股份有限公司总经办 福建 364029 2.福龙马新能源科技发展有限公司总经办 福建 364029）

餐厨垃圾是城市生活垃圾中最重要的组成成分之一，包括家庭、学校、食堂及餐饮等行业产生的食物加工下脚料（厨余）和餐后残余（泔脚）。在我国，随着城市化进程加快，餐厨垃圾增长率已经超过了10%[1]。因此，寻求高效的餐厨垃圾处理技术迫在眉睫。相较于传统的餐厨垃圾处理技术，如填埋、焚烧和堆肥等，厌氧消化不仅能够避免传统处理技术给环境带来的负面影响，还能带来一定的经济效益。所以，本文简单介绍了餐厨垃圾厌氧消化技术，分析了餐厨垃圾厌氧消化的影响因素，提出了提高厌氧消化性能的两种方法。

1.厌氧消化

餐厨垃圾厌氧消化过程中产生最重要的产物是沼气，沼气是一种可燃性气体，它的质量主要由其组分决定，主要成分为CH4和CO2。此外，厌氧消化过程中也会产生一些其他气体，如N2、H2、H2S、NH3、O2，这些气体也是沼气的组成成分之一[2]。更重要的是，由于厌氧消化处理能够回收甲烷，产物也可以用作肥料，因此采用厌氧消化处理餐厨垃圾具有重要意义。厌氧消化产物的稳定性可根据反应结束后产生的CH4和CO2的情况来确定。

厌氧消化的初始阶段是水解，主要是将复杂的有机物水解为简单的、可溶的有机物[3]。第二阶段是酸化阶段，氨基酸、单糖及长链脂肪酸被分解为短链脂肪酸[4]。第三阶段为产酸阶段，简单分子被进一步消化，产生二氧化碳、氢气和乙酸。最后为产甲烷阶段，将前一阶段产生的二氧化碳和氢气转化为CH4[5]。

2.影响厌氧消化的主要因素

厌氧消化系统所涉及的重要参数在发生较大变化时，将会影响整个消化过程中的链式反应。其中，重要参数主要包括温度、pH、挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acid，VFAs）、水力停留时间（Hydraulic Retention Time，HRT）和有机负荷率（Organic Loading Rate，OLR）等。因此，为了提高反应系统的稳定性，确保完整的微生物代谢过程，包括各种类型细菌之间复杂的相互作用，必需要将所有参数保持在可允许范围内。

(1)温度

温度是影响厌氧消化反应过程最重要的参数之一，厌氧反应器工作的温度在20℃到60℃之间。中温和高温厌氧消化的最佳温度分别为35℃和55℃，在此温度下能够极大的提高餐厨垃圾处理后的甲烷产量。在中温条件下，厌氧消化反应器中物种丰富、微生物群落多样，有效提高反应器的稳定性并能应对各参数的浮动；在高温条件下，体系中有机负荷较高，生化反应速率提高，从而甲烷产量增加。Wang等人[6]研究发现餐厨垃圾厌氧消化的最适温度为35℃，甲烷产量在153～620L CH4/kgVS之间。

(2)pH

pH与厌氧消化过程中厌氧微生物的pH值有关。据大量研究表明，厌氧消化的pH范围为6.5～8.5，最佳pH约为7[7]。然而，也有研究者表明厌氧消化的最适pH为6[8]。当pH低于6时，产甲烷菌的活性显著降低，并且在反应过程中将会产生更多的VFAs，导致厌氧消化反应器不稳定，从而抑制整个反应过程。

(3)VFA

餐厨垃圾厌氧消化进程中，VFA是引发毒性并导致反应器失效的重要参数之一。VFA主要是由乙酸、丙酸、丁酸和戊酸组成，其均是产酸阶段产生的中间化合物。若VFA浓度过高，将会导致工艺过程中甲烷气体量的减少。因此，从另一方面表明酸浓度的增加可以表明厌氧消化的效果不佳。VFAs与pH值高度相关，当pH较低时（pH＜4）有利于VFAs的产生，尤其是乙酸、丁酸和丙酸，而VFAs的产生和积累会阻碍厌氧消化的进程。由于VFAs与甲烷产量密切相关，所以在反应过程中VFAs的浓度必须控制在最佳范围内。已有研究表明，餐厨垃圾厌氧消化过程中VFAs的最佳浓度控制范围为2000～3000mg/L[13]。

(4)HRT

HRT是影响厌氧消化经济性的重要参数之一。根据餐厨垃圾的性质和工艺参数的不同，HRT的范围在几天到几个月之间。如果HRT时间较长，微生物将会有更长的时间来适应有毒成分；如果HRT时间较短，一方面则会需要更大体积的厌氧消化器，另一方面微生物的损失速度会超过细菌的生长速度，在该情况下厌氧消化反应可能会失败。Arsova等人提出餐厨垃圾厌氧消化HRT的最佳范围为12～14天[15]。

(5)OLR

有机负荷率是指单位容积的反应器或单位质量的生物，所负担的进水有机物数量。高OLR会导致抑制物的积累，如VFAs，这些物质会降低沼气产量，从而会导致反应终止和失败。低OLR会使得餐厨垃圾中的有机物未被充分利用，从而影响整个过程的经济性。王冰洁等[9]发现厌氧消化过程中OLR=4.77kgVS/(m3·d)时，反应器运行效果最佳，容积产气率最大且甲烷气体含量为60%。Nagao等人通过对比消化反应器内OLR的不同数值（分别为5.5kgVS/(m3·d)，7.4kgVS/(m3·d)和9.2kgVS/(m3·d)）对沼气产量的影响，结果发现单位体积反应器沼气产量约分别为4.2L/(L·d)、5.8 L/(L·d)和6.6L/(L·d)[10]。表明在一定范围内，随着OLR值的增大，沼气产量也逐渐增大。

3.改善餐厨垃圾厌氧消化的方法

餐厨垃圾是一种高度复杂的有机物，其主要由高度不溶性有机聚合物到可生物降解的化合物组成。因此，目前主要有两种方法来提高餐厨垃圾厌氧消化性能。一是餐厨垃圾与其他物质相协同，实现共消化，从而能够稳定整个工艺过程；二是对餐厨垃圾进行预处理，能够加快厌氧消化速率，提高沼气产量。

（1）厌氧共消化。共消化是指两个或多个底物和共底物混合物的瞬时消化。目前越来越多的研究者开始关注餐厨垃圾与有机底物的共消化，经研究发现，餐厨垃圾共消化过程能够增加主要营养物质的数量，稳定产生的消化物，平衡营养物质，并且能够充分利用微生物的协同效应来提高甲烷和沼气的产量，从而能够实现高效厌氧消化。目前常用的与餐厨垃圾共消化的物质有农业废弃物、园林垃圾、污泥和动物粪便等有机物质。农业废弃物主要包括水稻壳、甘蔗纤维、椰子壳和花生壳等。将滔等人发现餐厨垃圾与玉米秸秆干物质质量比为1:2时，挥发性固体（VS）CH4产气率最大为299.9mL/g，显著高于餐厨垃圾单独处理时的65.1mL/g[11]。

尽管农业废弃物和园林垃圾收运成本较低，但是这些废弃物营养物质含量低、停留时间较长，所以与污泥和动物粪便相比目前使用频率较少。动物粪便和餐厨垃圾联合厌氧消化可以防止固体沉淀，并能使微生物和底物充分接触，从而能够有助于实现消化反应器内基质、营养物质、温度和pH的均匀，最重要的是有助于加快反应器内“被困”沼气的释放。刘新媛等通过研究牛粪和餐厨垃圾共消化时发现，混合发酵的产甲烷速率为1.3mL/(g·h)，是餐厨垃圾单独厌氧消化速率的1.9倍[12]。污泥是一种常见的与餐厨垃圾共消化的物质，餐厨垃圾和污泥共消化处理避免了单独处理引起的酸化问题，还可以提高厌氧消化过程中的能量效率。王延凯等人[13]提出餐厨垃圾厌氧消化系统加入污泥后，每千克垃圾产气量提升25.32%。共消化过程尤其要注意反应物质的混合强度及混合方式，他们均会影响反应器的甲烷产量和效率。王国华等人[14]发现餐厨垃圾与污泥TS比为1:1与1:3的条件相比，两相厌氧系统具有更好的甲烷产气率。

高强度的混合会影响反应过程中的VFAs浓度，从而对微生物群落产生影响。已有大量研究表明，先连续混合，再间歇式混合有助于提高沼气的产量。除了上述介绍的几种共消化物质之外，其他物质如垃圾渗滤液、隔油池废弃物等，他们都可以与餐厨垃圾进行共消化处理，从而可达到提高甲烷产量和反应器稳定性的目的。廖筱锋等人研究了渗滤液添加量对餐厨垃圾厌氧消化的影响机制，研究结果表明不添加渗滤液时，餐厨垃圾厌氧消化的累积沼气产量不高于8000mL，而在反应器内添加最佳量的渗滤液后，累积甲烷产量达到50270mL[15]。

（2）餐厨垃圾预处理。预处理技术的主要目的是将微生物难以降解的纤维素、半纤维素和木质素等复杂结构转化为可被生物消化的可生物降解物质。目前常用的餐厨垃圾预处理技术包括物理、化学、生物或复合手段，这些预处理方法可以减少底物粒径、增加化学需氧量、提高挥发性物质含量和产气量。物理预处理方法有机械搅拌、加热、微波和冷冻等方式。冯磊等[16]研究发现经超声波预处理的餐厨垃圾甲烷浓度与未处理的相比显著提高，由原来的51.2%提升至56.3%。相比于物理处理方法，化学处理如酸、碱和臭氧氧化等则更加关注厌氧消化水解过程中的生化反应。朱秀辉等人发现在餐厨垃圾厌氧发酵罐中添加FeCl3可使沼气产量提升15%[17]。生物预处理的方法主要是在厌氧体系中投加酶，或者是利用微生物降解水洗的方法。梁晶晶等人在餐厨垃圾厌氧消化过程中添加脂肪酶，结果发现甲烷积累量为365mL/gVSS，是不添加时的1.3倍[18]。复合处理的方法是指两种预处理手段相加，以获得更佳的处理效果。目前主要有两种复合处理的方法，一是热处理与化学处理相结合，通常添加的化学物质有NaOH、CaO和H2O2；另一种是热处理和机械处理相结合。

然而，一些餐厨垃圾预处理方式也会阻碍厌氧消化进程，例如采用酸预处理可能会导致VFAs浓度过高，因而会抑制厌氧消化反应过程。与此同时，不同性质的餐厨垃圾采用的预处理方式也不同。Ma等人[19]利用HCl对餐厨垃圾进行预处理，结果发现甲烷产量下降了66%。

4.结论与展望

我国餐厨垃圾普遍的特点是有机质含量高、脂类含量高，具有巨大的潜力。厌氧消化处理技术能够充分利用餐厨垃圾中高含量的有机质，同时产生大量沼气，是高效处理餐厨垃圾，实现其减量化、资源化和无害化的有效途径之一。然而，餐厨垃圾是一种复杂的有机物，生物降解过程的顺利进行还取决于温度、pH、HRT和OLR等参数。因此，在采用厌氧消化方法处理餐厨垃圾时，应当对消化反应器的参数进行进一步研究。

厌氧消化处理餐厨垃圾的技术大规模应用的关键不仅在于设置适宜的硝化反应器参数，也应更加关注如何提高厌氧消化产甲烷效率。餐厨垃圾厌氧消化预处理技术能够提高有机物的溶解性、减小底物粒径并且能够提高有机物的可生化性。然而，预处理技术会添加额外的设备、试剂和能源，有些预处理方式所获得的额外能源还不足以补偿预处理的能源消耗。因此在未来的技术开发过程中应向能耗更低、投入更小、可循环、促进作用更明显的方向发展。目前厌氧共消化技术虽然取得了令人鼓舞的进展，但是在生物反应器的设计和监测过程中如何节约成本有待进一步研究。