王炯科, 湯曉玉, 王文國

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣科學(xué)研究所，成都 6100411; 2.西華大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究院，成都 610039)

餐廚垃圾包括餐飲垃圾和廚余垃圾。餐飲垃圾指餐館、食堂等的飲食剩余物，包括果蔬、肉、油脂、面點等加工廢棄物以及過期食品等；廚余垃圾指家庭日常生活中丟棄的果蔬、瓜果皮及食物方面的下腳料、剩菜剩飯等易腐有機垃圾[1]。據(jù)統(tǒng)計，2017年我國廚余垃圾年產(chǎn)量為1.58×108t，餐飲垃圾年產(chǎn)量達(dá)6.3×107t，餐廚垃圾年總產(chǎn)量達(dá)2.10×108t[2]，平均年增長率為5.34% 左右[3]。據(jù)學(xué)者測算，如果我國一年的餐廚垃圾能全部得以利用，相當(dāng)于節(jié)約了200萬公頃玉米的能量產(chǎn)出量和600萬噸生物柴油[4]。而餐廚垃圾含水率和有機質(zhì)含量較高，容易腐敗并滋生細(xì)菌，不僅會散發(fā)惡臭氣味，還會傳染疾病[5]。因此，餐廚垃圾資源性與危害性并存，正確處理餐廚垃圾對環(huán)境保護和人們生活具有重要意義。

我國超過98%的餐廚垃圾被用于直接焚燒或填埋，真正用于資源化處理(好氧堆肥、厭氧發(fā)酵)的餐廚垃圾只有不到2%[2]。由于餐廚垃圾含水率較高、熱值低，直接焚燒需要大量燃料，成本較高，且燃燒過程中會產(chǎn)生致癌物質(zhì)二噁英，對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[6]。直接填埋需要占用大量的土地，且產(chǎn)生的滲濾液會污染地下水，造成二次污染[7]。厭氧發(fā)酵可將餐廚垃圾的有機部分轉(zhuǎn)化為可再生能源[8]，而且發(fā)酵后的沼渣還可用作優(yōu)質(zhì)肥料[9]。在有效利用餐廚垃圾中有機成分的同時，減少了對環(huán)境的污染。因此，厭氧發(fā)酵成為當(dāng)前我國餐廚垃圾資源化處理的主流工藝。在全國餐廚垃圾處理試點城市中，80%的餐廚垃圾采用厭氧發(fā)酵進行處理[10]。

1 餐廚垃圾組成及性質(zhì)

餐廚垃圾的主要成分為碳水化合物(干基)55.2%～61.9%，蛋白質(zhì)(干基)13%～27%，油脂(干基)4.6%～42%，纖維素(干基)2.6%～6.5%等[5]。

圖1給出了餐廚垃圾幾個基本理化性質(zhì)指標(biāo)的大致范圍：餐廚垃圾的總固體濃度(TS)在10%～32%之間，含水率較高；揮發(fā)性固體濃度(VS)在10%～30%之間，VS/TS基本在90%以上，有機質(zhì)含量豐富；碳氮比在11～26之間，pH值大致在4.1～5.7范圍內(nèi)。相比于其他有機固體廢棄物，餐廚垃圾的可降解性更高，Mu[11]等研究了剩余污泥、園林廢棄物和餐廚垃圾這三種主要城市廢棄物的可降解性，分別為23.3%,35.9%和96.9%，可見餐廚垃圾的可降解性遠(yuǎn)高于其他兩種，進行厭氧發(fā)酵的經(jīng)濟性十分可觀。因此，厭氧發(fā)酵已成為當(dāng)前世界各國廣泛使用的有機垃圾處理方式[18]。

圖1 餐廚垃圾理化性質(zhì)[11-17]

2 干式厭氧發(fā)酵技術(shù)

2.1 厭氧發(fā)酵類型選擇

厭氧發(fā)酵根據(jù)總固體濃度(TS)大小，可分為干式厭氧發(fā)酵(TS:20%～40%)[19]、半干式厭氧發(fā)酵(TS:10%-20%)和濕式厭氧發(fā)酵(TS<10%)[20]。

目前，我國餐廚垃圾厭氧發(fā)酵多采用中溫連續(xù)攪拌濕式厭氧發(fā)酵工藝[5]。但存在預(yù)處理復(fù)雜、容易產(chǎn)生浮渣、水消耗量較高、沼液處理復(fù)雜、耐受負(fù)荷較低、經(jīng)濟性差等缺點[9]。與濕式厭氧發(fā)酵相比，干式厭氧發(fā)酵反應(yīng)器體積小、占地面積少、容積產(chǎn)氣率較高、加熱能耗低、總甲烷損失量低；用水量少，不會出現(xiàn)濕式厭氧發(fā)酵中出現(xiàn)的浮渣、沉淀等問題；后處理容易，沼渣可直接作為有機肥利用[21]。因此，干式厭氧發(fā)酵更加適合處理餐廚垃圾這樣數(shù)量龐大的有機固體廢棄物，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 國內(nèi)外干式厭氧發(fā)酵技術(shù)研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)50年代，國外已開始對干式厭氧發(fā)酵的研究。其中，歐洲的干式厭氧發(fā)酵工藝技術(shù)較為成熟且已商業(yè)化。國外干式厭氧發(fā)酵技術(shù)從工藝上分為連續(xù)式和間歇式兩種。其中，間歇式以德國BIO-FERM、BEKON公司的車庫式為主，該工藝的優(yōu)點是無需攪拌，接種依賴新舊物料的混合，但存在設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、投資偏高、操作復(fù)雜、系統(tǒng)安全運行要求高等問題[22]。連續(xù)式工藝主要有Kompogas臥式推流工藝、Dranco豎式推流工藝、Valorga豎式沼氣攪拌工藝和芬蘭的 Biocel 工藝4種，在歐洲已成功推廣應(yīng)用[20]。

我國干式厭氧發(fā)酵技術(shù)相比歐洲發(fā)酵起步較晚，目前，國內(nèi)工程應(yīng)用較少，大多停留在科研機構(gòu)和高校實驗室研究試驗階段。其中，農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院研制了覆膜槽生物反應(yīng)器干式厭氧發(fā)酵技術(shù)，解決了工程上進出料難、運行成本高、操作復(fù)雜等問題[23]。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計了一種臥式螺帶式攪拌發(fā)酵罐，用于處理畜禽糞便[24]。農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所設(shè)計了柔性膜覆蓋車庫式干式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，實現(xiàn)了原料預(yù)處理和厭氧發(fā)酵一體化，溫度持續(xù)穩(wěn)定，產(chǎn)氣效率較高[25]。農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所自行設(shè)計的上推流式厭氧反應(yīng)器，在進料固體濃度合適情況下，產(chǎn)氣穩(wěn)定，有效解決了豬糞連續(xù)干發(fā)酵存在的氨抑制和出料難等問題[26]。

國內(nèi)干式厭氧發(fā)酵工程應(yīng)用案例相對較少，主要有:聊城使用覆膜槽干式厭氧發(fā)酵處理畜禽污染物，日處理量150 t，日產(chǎn)沼氣11000 m3；廈門生活垃圾分類處理廠可處理TS高達(dá)50%以上的廢棄物，并且全自動遠(yuǎn)程控制，可節(jié)水90%，產(chǎn)氣效率高；哈爾濱生活垃圾處理工程采用德國車庫式干式厭氧發(fā)酵可處理TS在50%以上的廢棄物[27]。2016年投入運行的杭州餐廚垃圾處理一期工程以“自動分選+三相提油+高效厭氧”為主要工藝路線，項目采用耐沖擊負(fù)荷和高固體濃度的利浦罐結(jié)構(gòu)CSTR厭氧反應(yīng)器，容積為4000 m3，日處理餐廚垃圾200 t，日產(chǎn)沼氣13000 m3，日發(fā)電量達(dá)26000 kW·h，毛油日產(chǎn)量為5.3 t[28]。

3 餐廚垃圾干式厭氧發(fā)酵存在問題

干式厭氧發(fā)酵因其含固率較高，存在攪拌不均勻、系統(tǒng)傳質(zhì)性差[20,29]、降解時間長以及有毒抑制組分(如VFA、氨氮、金屬元素)積累等問題[30]。一般在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，總VFA濃度達(dá)到8000 mg·L-1或者乙酸濃度在2000 mg·L-1以上，就會造成酸抑制[31]。這些問題的出現(xiàn)會降低厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性和產(chǎn)氣效率，進而影響厭氧發(fā)酵工程的經(jīng)濟效益。

餐廚垃圾具有高含水率、高有機質(zhì)、高油脂等特點，在厭氧發(fā)酵的實際應(yīng)用中，主要存在兩大問題，即：系統(tǒng)穩(wěn)定性差、反應(yīng)器效率低[32]。由于餐廚垃圾自身所含有機質(zhì)易降解，在厭氧發(fā)酵過程中極易造成揮發(fā)性脂肪酸(VFA)積累導(dǎo)致系統(tǒng)酸化。餐廚垃圾中的油脂和蛋白質(zhì)含量較高，碳氮比較低，易導(dǎo)致氨氮、硫化氫和長鏈脂肪酸積累。這些都會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和產(chǎn)氣量，并可能導(dǎo)致系統(tǒng)的直接失敗[33]。餐廚垃圾反應(yīng)器效率低表現(xiàn)在：餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的運行有機負(fù)荷較低，大約在1～4 g·L-1d-1VS[34]或者水力停留時間較長。有學(xué)者在餐廚垃圾厭氧發(fā)酵中發(fā)現(xiàn)，在水力停留時間為40 d時系統(tǒng)失敗，當(dāng)延長至80 d時才得以穩(wěn)定運行[35]。低負(fù)荷的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)垃圾日處理量小，不僅無法滿足處理餐廚垃圾的需求，而且經(jīng)濟效益較低，不利于工程長期運行。此外，餐廚垃圾厭氧發(fā)酵在工程應(yīng)用上還存在起泡問題。由于餐廚垃圾中蛋白質(zhì)和粗脂肪含量較高，容易在發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)起泡，造成發(fā)酵系統(tǒng)管道堵塞、反應(yīng)器炸裂、反應(yīng)器內(nèi)底物濃度不均勻、甲烷產(chǎn)量下降等一系列問題[36]，嚴(yán)重影響發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟效益，因此，控制并減少厭氧發(fā)酵起泡十分必要。

綜上所述，餐廚垃圾干式厭氧發(fā)酵主要存在酸抑制、起泡、混合不均勻等問題，嚴(yán)重影響餐廚垃圾干式厭氧發(fā)酵的系統(tǒng)穩(wěn)定性和產(chǎn)氣效率。

4 餐廚垃圾干式厭氧發(fā)酵存在問題的解決措施

4.1 酸抑制解決措施

4.1.1 共發(fā)酵

餐廚垃圾常與畜禽糞便、剩余污泥、木質(zhì)纖維素生物質(zhì)等進行共發(fā)酵，通過共發(fā)酵可以稀釋發(fā)酵系統(tǒng)中有毒抑制成分，平衡發(fā)酵微生物的營養(yǎng)需求和實現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)提升[37]。

4.1.1.1 餐廚垃圾與畜禽糞便共發(fā)酵

餐廚垃圾與畜禽糞便共發(fā)酵可以提高系統(tǒng)有機負(fù)荷和堿度，進而提高產(chǎn)氣量并增強系統(tǒng)穩(wěn)定性[37]。有學(xué)者在不同混合比例下進行餐廚垃圾和牛糞共發(fā)酵，當(dāng)比例為25%牛糞+75%餐廚垃圾時，累計產(chǎn)氣最高，分別比餐廚垃圾、牛糞單獨發(fā)酵提升24%和47%，協(xié)同提升效應(yīng)明顯[38]。將餐廚垃圾和豬糞、牛糞混合發(fā)酵后，累積產(chǎn)氣量明顯提高，達(dá)到0.0488 L，明顯高于單獨餐廚垃圾的產(chǎn)氣量。在餐廚垃圾和豬糞共發(fā)酵時，甲烷含量最高，達(dá)到64.6%，而餐廚垃圾單獨發(fā)酵甲烷含量僅為54.0%[39]。由此可見，餐廚垃圾和畜禽糞便之間可形成協(xié)同效應(yīng)，共發(fā)酵可以有效地提高產(chǎn)氣量。

4.1.1.2 餐廚垃圾與剩余污泥共發(fā)酵

剩余污泥蛋白質(zhì)含量較高，在厭氧發(fā)酵過程中生成的氨氮可提升系統(tǒng)堿度，并提供充足的微量元素，與餐廚垃圾共發(fā)酵可提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性并提升產(chǎn)氣[40]。有學(xué)者將餐廚垃圾和剩余污泥共發(fā)酵，發(fā)酵系統(tǒng)未出現(xiàn)酸化，甲烷產(chǎn)率高達(dá)407 mL·g-1VS[41]。還有學(xué)者在餐廚垃圾單獨發(fā)酵出現(xiàn)抑制時，通過添加剩余污泥，使得系統(tǒng)酸化逐漸緩解，產(chǎn)甲烷量高達(dá)413.4 mL·g-1VS[11]。

4.1.1.3 餐廚垃圾和木質(zhì)纖維素生物質(zhì)共發(fā)酵

木質(zhì)纖維素生物質(zhì)除了可以調(diào)節(jié)碳氮比外，其纖維結(jié)構(gòu)還可以保護產(chǎn)甲烷菌免受一些負(fù)面影響，如餐廚垃圾厭氧發(fā)酵中常出現(xiàn)的揮發(fā)酸積累，從而促進厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中微生物的生長代謝[42]。有學(xué)者將餐廚垃圾在與堿預(yù)處理后的甘蔗皮共發(fā)酵，系統(tǒng)碳氮比從餐廚單獨發(fā)酵的12.7調(diào)高至19.3，發(fā)酵結(jié)果顯示共發(fā)酵與餐廚垃圾單獨發(fā)酵相比，揮發(fā)酸積累明顯降低，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，產(chǎn)氣提高了21.8%，協(xié)同提升效應(yīng)明顯[43]。

4.1.2 添加堿性添加劑

添加堿性添加劑可以緩解餐廚垃圾厭氧發(fā)酵中存在的酸化問題，但是存在一定的局限性，且容易造成鹽濃度過高引起的抑制[44]。有學(xué)者在已酸化的餐廚垃圾發(fā)酵系統(tǒng)中直接添加NaOH，系統(tǒng)pH值降低得以緩解，但是無法反轉(zhuǎn)VFA積累，發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣量仍然降低[45]。通過在兩相餐廚垃圾厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中添加堿性添加劑，在不同有機負(fù)荷下效果不同。在低負(fù)荷1.9 g·L-1d-1下，添加堿性添加劑可以有效控制系統(tǒng)pH值，并可調(diào)節(jié)發(fā)酵類型，有利于提升產(chǎn)甲烷菌性能。但是在高負(fù)荷3.2 g·L-1d-1下，添加堿性添加劑就無法起到效果[45]。此外，添加堿性添加劑的同時，其中陽離子如Na+會對發(fā)酵系統(tǒng)造成影響。研究表明，Na+濃度在3.5～5.5 g·L-1時，會對產(chǎn)甲烷菌造成輕微抑制，當(dāng)濃度達(dá)到8.0 g·L-1時，會造成嚴(yán)重抑制[33]。

4.1.3 添加微量金屬元素

添加適量的微量金屬元素可以有效提高厭氧發(fā)酵的效率和穩(wěn)定性[46]。在高氨氮濃度下的餐廚垃圾厭氧發(fā)酵中，硒和鈷對避免丙酸積累和促進種間電子傳遞具有重要作用。在分別添加硒和鈷0.16和0.22 mg·kg-1后，系統(tǒng)OLR最高可達(dá)5 g VS·L-1d-1，容積產(chǎn)氣率可達(dá)3.75 STP m3·m-3d-1，添加微量元素硒和鈷后，顯著提升了產(chǎn)氣量和系統(tǒng)穩(wěn)定性[47]。有研究者在餐廚垃圾高溫干式厭氧發(fā)酵連續(xù)實驗中探究了鐵、鈷、鎳三種元素的最佳需求量，當(dāng)三種元素含量分別為276,4.96和4.43 mg·kg-1COD-removed時，系統(tǒng)產(chǎn)氣穩(wěn)定，TS,VS,T-COD和碳水化合物的去除率分別為77%,80%,80%和97%，而未添加微量金屬元素的組，啟動兩月后出現(xiàn)了酸化并最終失敗[48]。因此，添加特定的微量金屬元素后，對厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及有機物的去除率都有明顯提升作用，但是針對不同發(fā)酵底物，最理想的添加量以及組合方式還有待進一步的研究和探索。

4.1.4 添加生物炭

生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)，比表面積大，表面官能團可以吸附、緩沖、固定微生物，常被用來解決厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中存在的一些抑制情況[49]。有學(xué)者通過在餐廚垃圾干式厭氧發(fā)酵中添加生物炭，發(fā)現(xiàn)當(dāng)添加量為25 g·L-1時，累積產(chǎn)甲烷可達(dá)251 mL·g-1VS，并且顯著促進了VFA的降解，尤其是丁酸[50]。活性炭的粒徑大小對其性能也有顯著的影響，粉末活性炭在緩解餐廚垃圾厭氧發(fā)酵酸抑制的效果上優(yōu)于顆粒活性炭，且添加量為5 g·L-1和10 g·L-1時效果最佳，與未添加活性炭相比，啟動時間縮短了22.0%，累積產(chǎn)甲烷量提升了62.5%[51]。在餐廚垃圾高溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中添加生物炭，相比對照組，添加生物炭通過促進微生物間的直接種間電子傳遞，使VFA降解加快，啟動時間縮短，累積產(chǎn)甲烷量提升[52]。

4.2 控制起泡

控制起泡可以防止反應(yīng)器堵塞，提升產(chǎn)氣和經(jīng)濟效益。據(jù)有關(guān)學(xué)者研究，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)起泡主要是由表面活性物質(zhì)、生物表面活性物質(zhì)和兩種絲狀菌引起[53]。有機負(fù)荷對氣泡的產(chǎn)生有明顯影響，有研究者在甜菜漿的厭氧發(fā)酵試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增加有機負(fù)荷至3 gVS·L-1d-1時，系統(tǒng)開始起泡，并出現(xiàn)產(chǎn)氣量的下降和不穩(wěn)定。一般情況下通過添加消泡劑可去除70%的氣泡，并提升產(chǎn)氣量[54]。但是對于油脂含量較高的底物，使用消泡劑就很難取得很好的除泡效果[55]。這時只能采取降低發(fā)酵系統(tǒng)有機負(fù)荷或反應(yīng)器使用容積或降低底物的油脂含量等措施來控制起泡[56]。因此，很多科研機構(gòu)和工程上在對餐廚垃圾進行了提油預(yù)處理之后再厭氧發(fā)酵。

4.3 攪拌

干式厭氧發(fā)酵中存在的混合不均勻現(xiàn)象常采用攪拌進行處理。攪拌對保證理想產(chǎn)氣量、增加底物與接種物間接觸、確保系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要作用[57]。最常用的攪拌方式有沼氣回流攪拌、出水回流攪拌和機械攪拌[58]，機械攪拌是最有效的攪拌方式，可有效提高系統(tǒng)傳質(zhì)性能、降低抑制組分危害、提高反應(yīng)器有效容積等[59]。機械攪拌的效果主要由攪拌速度和攪拌頻率兩個因素影響。有學(xué)者利用計算流體動力學(xué)模型得出，在不同攪拌頻率下，餐廚垃圾厭氧發(fā)酵半連續(xù)試驗的結(jié)果差距較大，其中間歇攪拌2 min·h-1產(chǎn)氣效果最好，計算反應(yīng)效率為74.4%，高于連續(xù)攪拌的66.9%和不攪拌的14.9%，也更加節(jié)能[17]。因此，針對不同濃度底物和反應(yīng)條件制定合適的攪拌策略，對餐廚垃圾干式厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率和經(jīng)濟效益提升非常重要。

5 總結(jié)與展望

利用干式厭氧發(fā)酵處理餐廚垃圾具有很好的應(yīng)用價值和發(fā)展前景。但是餐廚垃圾干式厭氧發(fā)酵存在很多問題。從工程應(yīng)用角度看，國內(nèi)處理餐廚垃圾的反應(yīng)器或工藝主要為濕式厭氧發(fā)酵，干式厭氧發(fā)酵還需進一步發(fā)展和完善，在借鑒國外先進干式厭氧發(fā)酵工藝的同時，也要針對我國餐廚垃圾的獨特性質(zhì)和產(chǎn)量，進行針對性的改進和創(chuàng)新。從厭氧發(fā)酵機制角度看，餐廚垃圾干式厭氧發(fā)酵中存在酸抑制、起泡、混合不均勻等影響發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性和效率的問題，目前研究主要采取共發(fā)酵、添加堿性添加劑、添加微量金屬元素、添加生物炭、控制起泡、采取合適攪拌策略等措施，取得了一定的效果(見表1)，但是還存在以下問題：大多研究都是選擇一種方法處理，能否將提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和效率的方法進行組合，產(chǎn)生一加一大于二的效果仍有待研究；如何在保證系統(tǒng)穩(wěn)定和效率的同時，更加注重經(jīng)濟效益，形成一條穩(wěn)定可靠的餐廚垃圾干式厭氧發(fā)酵處理工藝，適合于工程應(yīng)用和推廣，并完善餐廚垃圾收集、預(yù)處理以及后續(xù)沼渣的處理，還有待今后的研究和探索。

表1 餐廚垃圾干式厭氧發(fā)酵問題解決措施