＊周挺進(jìn)

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餐廚垃圾是城市生活垃圾中最重要的組成成分之一，包括家庭、學(xué)校、食堂及餐飲等行業(yè)產(chǎn)生的食物加工下腳料（廚余）和餐后殘余（泔腳）。在我國(guó)，隨著城市化進(jìn)程加快，餐廚垃圾增長(zhǎng)率已經(jīng)超過(guò)了10%[1]。因此，尋求高效的餐廚垃圾處理技術(shù)迫在眉睫。相較于傳統(tǒng)的餐廚垃圾處理技術(shù)，如填埋、焚燒和堆肥等，厭氧消化不僅能夠避免傳統(tǒng)處理技術(shù)給環(huán)境帶來(lái)的負(fù)面影響，還能帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。所以，本文簡(jiǎn)單介紹了餐廚垃圾厭氧消化技術(shù)，分析了餐廚垃圾厭氧消化的影響因素，提出了提高厭氧消化性能的兩種方法。

1.厭氧消化

餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)生最重要的產(chǎn)物是沼氣，沼氣是一種可燃性氣體，它的質(zhì)量主要由其組分決定，主要成分為CH4和CO2。此外，厭氧消化過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一些其他氣體，如N2、H2、H2S、NH3、O2，這些氣體也是沼氣的組成成分之一[2]。更重要的是，由于厭氧消化處理能夠回收甲烷，產(chǎn)物也可以用作肥料，因此采用厭氧消化處理餐廚垃圾具有重要意義。厭氧消化產(chǎn)物的穩(wěn)定性可根據(jù)反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)生的CH4和CO2的情況來(lái)確定。

厭氧消化的初始階段是水解，主要是將復(fù)雜的有機(jī)物水解為簡(jiǎn)單的、可溶的有機(jī)物[3]。第二階段是酸化階段，氨基酸、單糖及長(zhǎng)鏈脂肪酸被分解為短鏈脂肪酸[4]。第三階段為產(chǎn)酸階段，簡(jiǎn)單分子被進(jìn)一步消化，產(chǎn)生二氧化碳、氫氣和乙酸。最后為產(chǎn)甲烷階段，將前一階段產(chǎn)生的二氧化碳和氫氣轉(zhuǎn)化為CH4[5]。

2.影響厭氧消化的主要因素

厭氧消化系統(tǒng)所涉及的重要參數(shù)在發(fā)生較大變化時(shí)，將會(huì)影響整個(gè)消化過(guò)程中的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。其中，重要參數(shù)主要包括溫度、pH、揮發(fā)性脂肪酸（Volatile Fatty Acid，VFAs）、水力停留時(shí)間（Hydraulic Retention Time，HRT）和有機(jī)負(fù)荷率（Organic Loading Rate，OLR）等。因此，為了提高反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保完整的微生物代謝過(guò)程，包括各種類型細(xì)菌之間復(fù)雜的相互作用，必需要將所有參數(shù)保持在可允許范圍內(nèi)。

(1)溫度

溫度是影響厭氧消化反應(yīng)過(guò)程最重要的參數(shù)之一，厭氧反應(yīng)器工作的溫度在20℃到60℃之間。中溫和高溫厭氧消化的最佳溫度分別為35℃和55℃，在此溫度下能夠極大的提高餐廚垃圾處理后的甲烷產(chǎn)量。在中溫條件下，厭氧消化反應(yīng)器中物種豐富、微生物群落多樣，有效提高反應(yīng)器的穩(wěn)定性并能應(yīng)對(duì)各參數(shù)的浮動(dòng)；在高溫條件下，體系中有機(jī)負(fù)荷較高，生化反應(yīng)速率提高，從而甲烷產(chǎn)量增加。Wang等人[6]研究發(fā)現(xiàn)餐廚垃圾厭氧消化的最適溫度為35℃，甲烷產(chǎn)量在153～620L CH4/kgVS之間。

(2)pH

pH與厭氧消化過(guò)程中厭氧微生物的pH值有關(guān)。據(jù)大量研究表明，厭氧消化的pH范圍為6.5～8.5，最佳pH約為7[7]。然而，也有研究者表明厭氧消化的最適pH為6[8]。當(dāng)pH低于6時(shí)，產(chǎn)甲烷菌的活性顯著降低，并且在反應(yīng)過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生更多的VFAs，導(dǎo)致厭氧消化反應(yīng)器不穩(wěn)定，從而抑制整個(gè)反應(yīng)過(guò)程。

(3)VFA

餐廚垃圾厭氧消化進(jìn)程中，VFA是引發(fā)毒性并導(dǎo)致反應(yīng)器失效的重要參數(shù)之一。VFA主要是由乙酸、丙酸、丁酸和戊酸組成，其均是產(chǎn)酸階段產(chǎn)生的中間化合物。若VFA濃度過(guò)高，將會(huì)導(dǎo)致工藝過(guò)程中甲烷氣體量的減少。因此，從另一方面表明酸濃度的增加可以表明厭氧消化的效果不佳。VFAs與pH值高度相關(guān)，當(dāng)pH較低時(shí)（pH＜4）有利于VFAs的產(chǎn)生，尤其是乙酸、丁酸和丙酸，而VFAs的產(chǎn)生和積累會(huì)阻礙厭氧消化的進(jìn)程。由于VFAs與甲烷產(chǎn)量密切相關(guān)，所以在反應(yīng)過(guò)程中VFAs的濃度必須控制在最佳范圍內(nèi)。已有研究表明，餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程中VFAs的最佳濃度控制范圍為2000～3000mg/L[13]。

(4)HRT

HRT是影響厭氧消化經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)之一。根據(jù)餐廚垃圾的性質(zhì)和工藝參數(shù)的不同，HRT的范圍在幾天到幾個(gè)月之間。如果HRT時(shí)間較長(zhǎng)，微生物將會(huì)有更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)適應(yīng)有毒成分；如果HRT時(shí)間較短，一方面則會(huì)需要更大體積的厭氧消化器，另一方面微生物的損失速度會(huì)超過(guò)細(xì)菌的生長(zhǎng)速度，在該情況下厭氧消化反應(yīng)可能會(huì)失敗。Arsova等人提出餐廚垃圾厭氧消化HRT的最佳范圍為12～14天[15]。

(5)OLR

有機(jī)負(fù)荷率是指單位容積的反應(yīng)器或單位質(zhì)量的生物，所負(fù)擔(dān)的進(jìn)水有機(jī)物數(shù)量。高OLR會(huì)導(dǎo)致抑制物的積累，如VFAs，這些物質(zhì)會(huì)降低沼氣產(chǎn)量，從而會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)終止和失敗。低OLR會(huì)使得餐廚垃圾中的有機(jī)物未被充分利用，從而影響整個(gè)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。王冰潔等[9]發(fā)現(xiàn)厭氧消化過(guò)程中OLR=4.77kgVS/(m3·d)時(shí)，反應(yīng)器運(yùn)行效果最佳，容積產(chǎn)氣率最大且甲烷氣體含量為60%。Nagao等人通過(guò)對(duì)比消化反應(yīng)器內(nèi)OLR的不同數(shù)值（分別為5.5kgVS/(m3·d)，7.4kgVS/(m3·d)和9.2kgVS/(m3·d)）對(duì)沼氣產(chǎn)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)單位體積反應(yīng)器沼氣產(chǎn)量約分別為4.2L/(L·d)、5.8 L/(L·d)和6.6L/(L·d)[10]。表明在一定范圍內(nèi)，隨著OLR值的增大，沼氣產(chǎn)量也逐漸增大。

3.改善餐廚垃圾厭氧消化的方法

餐廚垃圾是一種高度復(fù)雜的有機(jī)物，其主要由高度不溶性有機(jī)聚合物到可生物降解的化合物組成。因此，目前主要有兩種方法來(lái)提高餐廚垃圾厭氧消化性能。一是餐廚垃圾與其他物質(zhì)相協(xié)同，實(shí)現(xiàn)共消化，從而能夠穩(wěn)定整個(gè)工藝過(guò)程；二是對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行預(yù)處理，能夠加快厭氧消化速率，提高沼氣產(chǎn)量。

（1）厭氧共消化。共消化是指兩個(gè)或多個(gè)底物和共底物混合物的瞬時(shí)消化。目前越來(lái)越多的研究者開(kāi)始關(guān)注餐廚垃圾與有機(jī)底物的共消化，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，餐廚垃圾共消化過(guò)程能夠增加主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的數(shù)量，穩(wěn)定產(chǎn)生的消化物，平衡營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并且能夠充分利用微生物的協(xié)同效應(yīng)來(lái)提高甲烷和沼氣的產(chǎn)量，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高效厭氧消化。目前常用的與餐廚垃圾共消化的物質(zhì)有農(nóng)業(yè)廢棄物、園林垃圾、污泥和動(dòng)物糞便等有機(jī)物質(zhì)。農(nóng)業(yè)廢棄物主要包括水稻殼、甘蔗纖維、椰子殼和花生殼等。將滔等人發(fā)現(xiàn)餐廚垃圾與玉米秸稈干物質(zhì)質(zhì)量比為1:2時(shí)，揮發(fā)性固體（VS）CH4產(chǎn)氣率最大為299.9mL/g，顯著高于餐廚垃圾單獨(dú)處理時(shí)的65.1mL/g[11]。

盡管農(nóng)業(yè)廢棄物和園林垃圾收運(yùn)成本較低，但是這些廢棄物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量低、停留時(shí)間較長(zhǎng)，所以與污泥和動(dòng)物糞便相比目前使用頻率較少。動(dòng)物糞便和餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化可以防止固體沉淀，并能使微生物和底物充分接觸，從而能夠有助于實(shí)現(xiàn)消化反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、溫度和pH的均勻，最重要的是有助于加快反應(yīng)器內(nèi)“被困”沼氣的釋放。劉新媛等通過(guò)研究牛糞和餐廚垃圾共消化時(shí)發(fā)現(xiàn)，混合發(fā)酵的產(chǎn)甲烷速率為1.3mL/(g·h)，是餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化速率的1.9倍[12]。污泥是一種常見(jiàn)的與餐廚垃圾共消化的物質(zhì)，餐廚垃圾和污泥共消化處理避免了單獨(dú)處理引起的酸化問(wèn)題，還可以提高厭氧消化過(guò)程中的能量效率。王延凱等人[13]提出餐廚垃圾厭氧消化系統(tǒng)加入污泥后，每千克垃圾產(chǎn)氣量提升25.32%。共消化過(guò)程尤其要注意反應(yīng)物質(zhì)的混合強(qiáng)度及混合方式，他們均會(huì)影響反應(yīng)器的甲烷產(chǎn)量和效率。王國(guó)華等人[14]發(fā)現(xiàn)餐廚垃圾與污泥TS比為1:1與1:3的條件相比，兩相厭氧系統(tǒng)具有更好的甲烷產(chǎn)氣率。

高強(qiáng)度的混合會(huì)影響反應(yīng)過(guò)程中的VFAs濃度，從而對(duì)微生物群落產(chǎn)生影響。已有大量研究表明，先連續(xù)混合，再間歇式混合有助于提高沼氣的產(chǎn)量。除了上述介紹的幾種共消化物質(zhì)之外，其他物質(zhì)如垃圾滲濾液、隔油池廢棄物等，他們都可以與餐廚垃圾進(jìn)行共消化處理，從而可達(dá)到提高甲烷產(chǎn)量和反應(yīng)器穩(wěn)定性的目的。廖筱鋒等人研究了滲濾液添加量對(duì)餐廚垃圾厭氧消化的影響機(jī)制，研究結(jié)果表明不添加滲濾液時(shí)，餐廚垃圾厭氧消化的累積沼氣產(chǎn)量不高于8000mL，而在反應(yīng)器內(nèi)添加最佳量的滲濾液后，累積甲烷產(chǎn)量達(dá)到50270mL[15]。

（2）餐廚垃圾預(yù)處理。預(yù)處理技術(shù)的主要目的是將微生物難以降解的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等復(fù)雜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為可被生物消化的可生物降解物質(zhì)。目前常用的餐廚垃圾預(yù)處理技術(shù)包括物理、化學(xué)、生物或復(fù)合手段，這些預(yù)處理方法可以減少底物粒徑、增加化學(xué)需氧量、提高揮發(fā)性物質(zhì)含量和產(chǎn)氣量。物理預(yù)處理方法有機(jī)械攪拌、加熱、微波和冷凍等方式。馮磊等[16]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲波預(yù)處理的餐廚垃圾甲烷濃度與未處理的相比顯著提高，由原來(lái)的51.2%提升至56.3%。相比于物理處理方法，化學(xué)處理如酸、堿和臭氧氧化等則更加關(guān)注厭氧消化水解過(guò)程中的生化反應(yīng)。朱秀輝等人發(fā)現(xiàn)在餐廚垃圾厭氧發(fā)酵罐中添加FeCl3可使沼氣產(chǎn)量提升15%[17]。生物預(yù)處理的方法主要是在厭氧體系中投加酶，或者是利用微生物降解水洗的方法。梁晶晶等人在餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程中添加脂肪酶，結(jié)果發(fā)現(xiàn)甲烷積累量為365mL/gVSS，是不添加時(shí)的1.3倍[18]。復(fù)合處理的方法是指兩種預(yù)處理手段相加，以獲得更佳的處理效果。目前主要有兩種復(fù)合處理的方法，一是熱處理與化學(xué)處理相結(jié)合，通常添加的化學(xué)物質(zhì)有NaOH、CaO和H2O2；另一種是熱處理和機(jī)械處理相結(jié)合。

然而，一些餐廚垃圾預(yù)處理方式也會(huì)阻礙厭氧消化進(jìn)程，例如采用酸預(yù)處理可能會(huì)導(dǎo)致VFAs濃度過(guò)高，因而會(huì)抑制厭氧消化反應(yīng)過(guò)程。與此同時(shí)，不同性質(zhì)的餐廚垃圾采用的預(yù)處理方式也不同。Ma等人[19]利用HCl對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)甲烷產(chǎn)量下降了66%。

4.結(jié)論與展望

我國(guó)餐廚垃圾普遍的特點(diǎn)是有機(jī)質(zhì)含量高、脂類含量高，具有巨大的潛力。厭氧消化處理技術(shù)能夠充分利用餐廚垃圾中高含量的有機(jī)質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生大量沼氣，是高效處理餐廚垃圾，實(shí)現(xiàn)其減量化、資源化和無(wú)害化的有效途徑之一。然而，餐廚垃圾是一種復(fù)雜的有機(jī)物，生物降解過(guò)程的順利進(jìn)行還取決于溫度、pH、HRT和OLR等參數(shù)。因此，在采用厭氧消化方法處理餐廚垃圾時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)消化反應(yīng)器的參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

厭氧消化處理餐廚垃圾的技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵不僅在于設(shè)置適宜的硝化反應(yīng)器參數(shù)，也應(yīng)更加關(guān)注如何提高厭氧消化產(chǎn)甲烷效率。餐廚垃圾厭氧消化預(yù)處理技術(shù)能夠提高有機(jī)物的溶解性、減小底物粒徑并且能夠提高有機(jī)物的可生化性。然而，預(yù)處理技術(shù)會(huì)添加額外的設(shè)備、試劑和能源，有些預(yù)處理方式所獲得的額外能源還不足以補(bǔ)償預(yù)處理的能源消耗。因此在未來(lái)的技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)向能耗更低、投入更小、可循環(huán)、促進(jìn)作用更明顯的方向發(fā)展。目前厭氧共消化技術(shù)雖然取得了令人鼓舞的進(jìn)展，但是在生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)過(guò)程中如何節(jié)約成本有待進(jìn)一步研究。