夏金雨，王 仕，王雨桐，楊 潔

（1.蘇州市環(huán)境衛(wèi)生管理處，江蘇 蘇州 215007；2.南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份公司，江蘇 南京 211800；3.蘇州道博環(huán)保技術(shù)服務(wù)有限公司，江蘇 蘇州 215128；4.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

我國城市生活垃圾產(chǎn)生量巨大，成分復(fù)雜[1]，其中最主要的組成，包括餐飲垃圾（飯店、賓館、企事業(yè)單位食堂和家庭等在加工、消費(fèi)食物過程中形成的殘羹剩飯、過期食品、下腳料以及廢料等廢棄物[2]），以及廚余垃圾（包括廚房加工廢棄物以及飲食加工站、農(nóng)貿(mào)市場等產(chǎn)生的食品原料廢棄物）。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水果和蔬菜的種植面積和產(chǎn)量不斷增加，相應(yīng)的垃圾產(chǎn)生量也迅速增加，給環(huán)境污染治理和城鄉(xiāng)環(huán)境衛(wèi)生治理帶來巨大壓力[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國城市每年產(chǎn)生餐廚垃圾不低于6 000 萬t[4]。

果蔬廢棄物是廚余垃圾中最重要的部分，其產(chǎn)生量同樣十分巨大。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，果蔬類廢棄物的產(chǎn)生量占我國城市生活垃圾的20%～50%，果蔬年總產(chǎn)量的25%～30%。我國農(nóng)貿(mào)市場日產(chǎn)生果蔬廢棄物量大約為600～1 000 t，并且，每種果蔬廢棄的部分占其生產(chǎn)量的比例也不同，見表1。

表1 主要水果蔬菜產(chǎn)生的廢物比例[5]

城市果蔬廢棄物具有廢物和資源的雙重特征。廢棄成為環(huán)境污染物，利用成為生物資源。解決商業(yè)果蔬廢棄物的根本出路在于遵循“減量化、無害化、資源化”的原則，發(fā)展產(chǎn)業(yè)化的處理與循環(huán)利用[6]。果蔬類廢棄物的厭氧水解產(chǎn)酸技術(shù)具有良好的效果[7-9]，且工藝簡單，產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸可以用作污水處理廠的外加碳源，并解決原外加碳源甲醇的毒性以及運(yùn)行成本問題[5]。果蔬廢棄物的資源利用處置，有助于減少垃圾處理系統(tǒng)的碳排放，實(shí)現(xiàn)能源循環(huán)利用和減少固體廢物，推動減污降碳協(xié)同治理。

利用厭氧消化技術(shù)將有機(jī)物降解為二氧化碳、甲烷等物質(zhì)的過程，可用于果蔬類餐廚垃圾的處理[10-11]。針對厭氧消化的機(jī)理已經(jīng)有大量研究，學(xué)術(shù)界先后確立了厭氧消化兩階段、三階段及四階段理論。厭氧消化的四階段理論是目前學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)同的機(jī)理，該理論將厭氧消化過程分為酸化階段、產(chǎn)氫產(chǎn)酸階段、產(chǎn)乙酸階段及產(chǎn)甲烷階段先后四個步驟進(jìn)行研究[12]。通過控制消化時間和反應(yīng)條件可以將消化過程停留在酸化產(chǎn)VFAs（揮發(fā)性脂肪酸）階段[13-15]。

大部分關(guān)于厭氧消化的研究都集中在餐廚垃圾、果蔬類垃圾的厭氧產(chǎn)氣的影響因素，并且水解酸化階段的揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）普遍被認(rèn)為是產(chǎn)氣的不利因素。鄭明月[16]對果蔬類廢棄物厭氧酸化途徑的影響因素（溫度、pH 和有機(jī)負(fù)荷等）進(jìn)行了研究。研究表明中溫條件（35 ℃）下的酸化率大于高溫條件（50 ℃），且酸化類型為丁酸型[17]（高溫條件下為乙醇型）。盡管研究表明堿性條件有利于酸化，但是為了提高實(shí)驗(yàn)與實(shí)際情況的一致性以及保持成本，實(shí)驗(yàn)最高的pH 值設(shè)置為6.0。提高pH 對酸化產(chǎn)物總量影響不大，但會改變酸化類型。最優(yōu)靜態(tài)酸化條件為F/M（Foo d/Mud）=2∶1，溫度35 ℃，調(diào)節(jié)pH 到4.0，酸化率達(dá)到65.1%，其中乙醇濃度為10 508 mg·L-1（438 mg·g-1），為乙醇型發(fā)酵。全混流反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行中控制溫度為35 ℃，調(diào)節(jié)pH 到4.0，有機(jī)負(fù)荷OLR＞7 g·（L·d）-1，停留時間HRT＜5 d 能夠形成穩(wěn)定的乙醇型發(fā)酵[18]。張玉靜[19]進(jìn)行了餐廚垃圾厭氧水解產(chǎn)VFAs 的研究，探討間歇模式下影響水解酸化的若干因素，得出最佳的工藝條件為：35 ℃，pH=6，TS（總固體含量）=100 g·L-1，在F/M（Foo d/Mud）=2∶1 時，SCOD（溶解性COD）=83.26 g·L-1，VFAs=41.45 g·L-1，NH4+-N（氨氮）=1 586 mg·L-1，TS 去除率＝13.41%，VS（揮發(fā)性固體）去除率=44.82%，VFAs 產(chǎn)率=0.429 g·（gVSfed）-1，VFAs 轉(zhuǎn)化率=1.017 g·（gVSremoved）-1?？梢钥闯?，現(xiàn)有研究主要集中在對于餐廚垃圾、果蔬類廢棄物厭氧產(chǎn)氣的反應(yīng)條件（溫度、pH 值、混合比例）的優(yōu)化以及工藝優(yōu)化，而對于季節(jié)果蔬類廢棄物厭氧產(chǎn)VFAs 的研究還有一定的空白。文中注重強(qiáng)化水解酸化產(chǎn)酸，主要研究了在間歇模式的最佳反應(yīng)條件下（pH 為6，溫度為35 ℃）春季果蔬類廢棄物的厭氧產(chǎn)VFAs 潛能，并考察了VFAs 的濃度、組成以及VS 轉(zhuǎn)化率等指標(biāo)隨時間的變化。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 果蔬類廢棄物來源及性質(zhì)

文中實(shí)驗(yàn)采用的果蔬類廢棄物為人工配置，原材料為春季時令蔬果。為了模擬實(shí)際生活中的果蔬廢棄物易腐、低熱值、有機(jī)質(zhì)含量豐富等特性，該研究在配比中兼顧了不同種類果蔬的多樣性，并結(jié)合參考文獻(xiàn)調(diào)研以及實(shí)地考察結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種組分相近的實(shí)驗(yàn)原料。在配比中，水果的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例均為50%，以確保充分考慮水果在廢棄物中的貢獻(xiàn)，具體如圖1 所示。與餐廚垃圾不同，文中研究的果蔬類廢棄物并非餐飲業(yè)的殘羹剩飯或者下腳料，而是關(guān)注的農(nóng)貿(mào)市場、種植園區(qū)等產(chǎn)生的果蔬類廢棄物，它們有相當(dāng)部分都是因?yàn)榇尕洔粢约鞍徇\(yùn)過程中的損耗而產(chǎn)生的。文中實(shí)驗(yàn)在取樣時模擬了實(shí)際垃圾產(chǎn)生的狀況：對于實(shí)驗(yàn)原料中的瓜果，保留了瓜瓤/果肉和外皮；對于蔬菜，主要采用了莖和葉。這一取樣原則旨在確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。用食物料理攪拌機(jī)對原料進(jìn)行破碎攪拌，無需外加水分調(diào)節(jié)含固率。

圖1 春季果蔬廢棄物組成

1.2 接種污泥

文中研究采用的污泥取自高碑店污水處理廠的厭氧消化池，由于該污泥含水率較高，因此，采用自然沉淀的方法處理，并在3 d 后選取下部的濃縮污泥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件及測試指標(biāo)

文中實(shí)驗(yàn)參考文獻(xiàn)資料，在間歇模式的最佳反應(yīng)條件：pH 值為6、溫度為35 ℃下進(jìn)行厭氧水解實(shí)驗(yàn)，測定與分析影響厭氧發(fā)酵效果的指標(biāo)包括：pH、TS[20]、VSS、NH4+-N[21]、SCOD[22]、VS、VFAs 以及乙醇[23-24]等。測定方法及所用儀器見表2。

表2 測定方法及所用儀器

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備選用2 個由高硼硅玻璃制作的透明發(fā)酵罐，單個發(fā)酵罐的總?cè)莘e為5 L，其中包含有效容積4.5 L，內(nèi)徑16 cm，高度34 cm。

2 結(jié)果與討論

2.1 果蔬廢棄物及污泥基本特征

文中研究測定了實(shí)驗(yàn)所用的果蔬類廢棄物和接種污泥的TS、VS 和VS/TS 等參數(shù)，結(jié)果匯總見表3。由表3 可見，春季的水果和蔬菜都具有相當(dāng)高的含水率，同時VS/TS 值也較高。這表明果蔬類廢棄物中的有機(jī)物含量相對較高，具有較高的可揮發(fā)性組分含量。

表3 果蔬類廢棄物基本性質(zhì)

2.2 春季果蔬類廢棄物產(chǎn)VFAs 效果

VFAs 是有機(jī)酸的混合物，在果蔬類廢棄物產(chǎn)酸發(fā)酵的過程中，其主要包括乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸等含2～5 個碳原子的有機(jī)酸。文中所說的VFAs 是包含上述從乙酸到戊酸的混合酸體系。

如圖2 所示，春季果蔬類廢棄物產(chǎn)生的VFAs濃度總量從17～87 h 一直在波動上升。在產(chǎn)酸發(fā)酵的最末階段，VFAs 的濃度達(dá)到21 025.03 mg·L-1。

圖2 春季果蔬類廢棄物產(chǎn)生VFAs 總量隨時間變化圖

2.3 春季果蔬類廢棄物產(chǎn)VFAs 組分比例研究

除了VFAs 總量的產(chǎn)生情況，每一種有機(jī)酸的產(chǎn)生情況也是十分有意義的。不同的有機(jī)酸脫氮除磷的效率不同，也具有不同的經(jīng)濟(jì)效益。VFAs 的組成對果蔬類廢棄物水解發(fā)酵液被利用作為脫氮除磷碳源的效果有非常重要的影響[25]。以下將具體描述不同季節(jié)果蔬類廢棄物厭氧產(chǎn)酸的組分及比例隨時間的變化規(guī)律。

圖3 顯示了春季果蔬廢棄物在pH=6，溫度為35 ℃下，發(fā)酵液中VFAs 以及乙醇的濃度隨時間的變化，可以看出，除戊酸、異戊酸和丙酸外，乙酸、丁酸和乙醇的濃度均較高。采樣從發(fā)酵的17～94 h，在發(fā)酵的初始階段，每間隔4 個小時進(jìn)行一次采樣，在發(fā)酵過程進(jìn)行60～70 h 后，每間隔8～12 個小時進(jìn)行一次采樣。

圖3 春季果蔬廢棄物產(chǎn)酸及乙醇濃度-時間關(guān)系圖

乙酸的濃度總體上隨時間增長而增長，17 h 時，濃度為4 516.951 mg·L-1。之后的乙酸濃度在17～50 h 內(nèi)保持穩(wěn)定，在4 500～5 200 mg·L-1的范圍內(nèi)波動緩慢上升。從50 h 開始，其濃度較為快速的上升，64 h 時達(dá)到9 027.89 mg·L-1。87 h 時，濃度達(dá)到最大值，為11 579.79 mg·L-1。其濃度在之后大致保持穩(wěn)定，94 h 時濃度略微下降，為11 052.80 mg·L-1。

丁酸的濃度同樣大致隨時間增長而增長。17 h 時，濃度為3 305.03 mg·L-1。之后的丁酸濃度在21～29 h內(nèi)保持穩(wěn)定，在42 h 時達(dá)到最大值，為8 302.61 mg·L-1。在46～76 h，丁酸的濃度在7 820～8 200 mg·L-1的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。94 h 時濃度略微下降，為7 298.34 mg·L-1。在約60 h 時，乙酸的濃度超過丁酸。

乙醇的濃度變化規(guī)律與乙酸、丁酸不同。從17～50 h，乙醇濃度保持穩(wěn)定在3 000～3 500 mg·L-1，之后濃度逐漸下降，從64 h 時的1 752.11 mg·L-1逐漸下降到94 h 時的482.25 mg·L-1，并低于丙酸的濃度。

圖4 表示了春季果蔬廢棄物產(chǎn)VFAs 的組成及各部分比例隨時間的變化。在17～94 h 的發(fā)酵過程中，乙酸和丁酸始終分別占據(jù)VFAs 總濃度的較大比例。

圖4 春季果蔬廢棄物產(chǎn)VFAs 組分比例

乙酸的相對比例在產(chǎn)酸初期就已經(jīng)占到38%，隨后略微下降，在42 h 時其比例下降至29%。隨后其比例在46～94 h 略微回升，并最終保持在50%上下。

丁酸的相對比例隨著產(chǎn)酸時間先增加后減少，最終逐漸穩(wěn)定。17 h 時，丁酸的比例為28%，并且在21 h時就上升到41%，隨后的21～50 h，其濃度穩(wěn)定在41%～47%之間。從64 h 時開始其比例開始逐漸下降，在94 h 時其濃度比例下降至39%。

乙醇的絕對數(shù)量雖然隨著時間在逐漸增長，但是占總VFAs 的比例卻在逐漸下降。在17 h 時，乙醇濃度為25%，隨后逐漸下降。在50 h 時其比例下降到19%。在64 h 時比例下降至9%，并繼續(xù)下降，94 h 時，乙醇比例為2%。

因此，春季的果蔬廢棄物產(chǎn)酸類型為丁酸型發(fā)酵[26]。

3 建議

3.1 提高居民分類意識，加強(qiáng)源頭垃圾分類

居民垃圾分類意識的提升與參與度需要專業(yè)人員的積極引導(dǎo)。建議通過制定相關(guān)配套政策，對物業(yè)服務(wù)企業(yè)進(jìn)行約束管理和培訓(xùn)，督促物業(yè)服務(wù)企業(yè)對管理區(qū)域內(nèi)的居民進(jìn)行垃圾分類知識的宣教與日常生活垃圾分類的引導(dǎo)，切實(shí)提高居民對垃圾分類的認(rèn)識和參與率。同時，建議加強(qiáng)在平臺上對居民評價的反饋機(jī)制，搭建順暢的溝通平臺，進(jìn)一步了解居民生活垃圾分類工作的痛點(diǎn)和需求，做好源頭分類的基礎(chǔ)工作。

3.2 完善配套扶持政策，提升資源化技術(shù)水平

在“雙碳”背景下，尋求低投入、低能耗、無害化、高收益、高效能的果蔬廢棄物資源化利用技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)和廢棄物資源化循環(huán)利用的發(fā)展方向[27]。目前我國在果蔬類廢棄物資源利用方面的法律法規(guī)較少，相關(guān)處理技術(shù)要求也并不完善，未來在摸清果蔬廢棄物產(chǎn)生、貯存、運(yùn)輸、處理處置等過程中單位碳排放情況，針對性探索碳減排實(shí)施路徑的同時，還應(yīng)健全相關(guān)配套扶持政策與相關(guān)技術(shù)法規(guī)，加強(qiáng)對果蔬廢棄物高質(zhì)利用、資源化技術(shù)等的研發(fā)，依托技術(shù)進(jìn)步，進(jìn)一步推進(jìn)各類固體廢物實(shí)現(xiàn)減量化和資源化，實(shí)現(xiàn)減污降碳協(xié)同增效。

4 結(jié)語

該研究采用自行配制的春季果蔬類廢棄物，通過間歇模式研究春季時令果蔬組合在厭氧水解過程中產(chǎn)生VFAs 的效果，并對VFAs 濃度、組成和轉(zhuǎn)化率等指標(biāo)進(jìn)行分析。春季果蔬類廢棄物產(chǎn)生VFAs 21.03 g·L-1，產(chǎn)酸效果達(dá)到了較高的水平。產(chǎn)酸總量可達(dá)到餐廚垃圾產(chǎn)酸水平的50%左右，然而，考慮到水果蔬菜有比餐廚垃圾高的含水率與相對較低的可降解有機(jī)物含量，其有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化程度實(shí)際上與餐廚垃圾相當(dāng)。春季果蔬廢棄物的VFAs 轉(zhuǎn)化率為0.36 g·（gVfed）-1。

文中研究選取的春季時令果蔬在pH 值為6、溫度為35 ℃的條件下進(jìn)行厭氧水解實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生的VFAs 主要為丁酸型發(fā)酵。春季果蔬產(chǎn)生的VFAs 比例為：乙酸占總VFAs 濃度的51%，丁酸占34%，丙酸占9%，異丁酸占1%，戊酸占3%，其他占2%。