0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市生活垃圾中以餐廚垃圾為主的易腐性有機(jī)物含量不斷增加，造成的環(huán)境污染日益嚴(yán)重，成為可持續(xù)發(fā)展的隱患之一，引起了全社會的關(guān)注；而另一方面，餐廚垃圾有機(jī)質(zhì)含量高、易生物降解的特性又為其能量回收利用提供了極好的條件。隨著人民生活水平的日益提高和城市環(huán)境管理強(qiáng)度的加大，對餐廚垃圾實(shí)施專門管理勢在必行，對餐廚垃圾進(jìn)行減量化、無害化、資源化利用具有廣闊的前景。餐廚垃圾厭氧消化技術(shù)完全能夠達(dá)到上述要求，目前，國內(nèi)外對這方面都有了較為廣泛且深入的研究。

在此，從厭氧消化工藝選擇、產(chǎn)甲烷性能優(yōu)化和聯(lián)合消化等3個方面，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，分析目前國內(nèi)外餐廚垃圾厭氧消化工藝的特點(diǎn)及研究進(jìn)展，以期為餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷性能優(yōu)化及我國工業(yè)化應(yīng)用的研究方向提供一定借鑒。

1 工藝形式選擇

1.1濕式與干式消化

濕式消化采用低固體的漿液或液態(tài)消化，技術(shù)相對成熟，應(yīng)用最為廣泛。但濕式消化對于有機(jī)固體廢物的處理存在預(yù)處理復(fù)雜、處理能力較低的問題，且更易受到氨氮、鹽份等物質(zhì)的抑制。

針對濕式消化存在的問題，研究者提出了干式消化的概念。干式消化系統(tǒng)的固體濃度可維持在20%～40%，大大提高了處理能力，而且在系統(tǒng)投資、設(shè)備效率、物料綜合利用等方面具有明顯優(yōu)勢。但固體濃度的增加同時導(dǎo)致物料中毒性物質(zhì)及傳質(zhì)的影響加強(qiáng)，在具體技術(shù)應(yīng)用上尚存在較多的不確定性和難度。因此，干式消化工藝參數(shù)的確定、反應(yīng)器的構(gòu)建及過程的控制等方面是其研究的重點(diǎn)。

餐廚垃圾的含固率較高，一般在20%左右，且物料組成復(fù)雜，有機(jī)質(zhì)含量高，極易酸化，從而對產(chǎn)甲烷菌活性產(chǎn)生抑制。采用干式厭氧消化，則餐廚垃圾易酸化的特點(diǎn)使如何控制反應(yīng)器內(nèi)的產(chǎn)酸速率和維持pH值的穩(wěn)定成為工藝的難點(diǎn)；采用濕式消化，可降低物料中毒性物質(zhì)的影響，但處理能力較低。所以，保持餐廚垃圾原有基質(zhì)狀態(tài)加以適當(dāng)調(diào)理，在較為合適的含固率下進(jìn)行厭氧消化處理，符合餐廚垃圾處理產(chǎn)業(yè)化的要求。

1.2單相與兩相消化

單相消化過程簡單，易于控制，但由于各階段在同一條件下進(jìn)行，無法實(shí)現(xiàn)各階段的最佳反應(yīng)條件，反應(yīng)器在相互制約的條件下運(yùn)行，難以實(shí)現(xiàn)較高的產(chǎn)甲烷效率。

為彌補(bǔ)單項(xiàng)厭氧消化的缺陷，GHOSH于1983年提出一種改進(jìn)的兩相消化過程來處理有機(jī)垃圾。該消化系統(tǒng)包括水解酸化反應(yīng)器和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器2個部分，從而為2類微生物菌群分別提供適宜的生長環(huán)境，提高了整個厭氧消化的效率。

兩相消化的重點(diǎn)在于相分離，因此，針對不同的廢水(廢物)，結(jié)合各種新型高效厭氧反應(yīng)器的特點(diǎn)和運(yùn)行參數(shù)控制進(jìn)行產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相的組合以達(dá)到更好的處理效果成為新的研究方向。近年來，基于兩相消化的半連續(xù)式固液混合厭氧系統(tǒng)(hybrid anaerobic solid-liquid，HASL)和三段式消化系統(tǒng)(three stage fermentation system)在實(shí)際運(yùn)用中得到了較好的運(yùn)行效果，并在進(jìn)一步的研究和優(yōu)化中。

1.3中溫與高溫消化

目前，中溫和高溫消化各有其優(yōu)勢：中溫消化較早應(yīng)用于實(shí)際工程中，具有較低的能耗、較高的處理能力及更為成熟的工藝控制，而且有研究發(fā)現(xiàn)中溫消化對溫度變化有較強(qiáng)的適應(yīng)性；而高溫消化則具有處理負(fù)荷高、反應(yīng)時間短和反應(yīng)器容積小等優(yōu)點(diǎn)，且高溫條件可有效殺滅病原菌、降解有機(jī)物，并能降低后續(xù)處理中污泥脫水的難度。但高溫消化對環(huán)境有更為苛刻的要求。因此，高溫消化過程的穩(wěn)定性及條件優(yōu)化成為目前研究的熱點(diǎn)之一。

然而，厭氧消化的保溫能耗是整個工藝的主要能耗之一，如何在保證其產(chǎn)甲烷性能的前提下，降低能耗，也是今后研究的方向之一。

2 餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷性能優(yōu)化

2.1預(yù)處理

厭氧消化的預(yù)處理一般是對物料進(jìn)行熱預(yù)處理。近年來，STABNIKOVA從餐廚垃圾處理的實(shí)際情況出發(fā)，將餐廚垃圾進(jìn)行冰凍/解凍預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)其水解和發(fā)酵過程得到了強(qiáng)化，且使得序批處理時間減少了42%，能量需求比同等熱預(yù)處理少3倍。

此外，研究人員對物料進(jìn)行了物理、化學(xué)、生物溶胞預(yù)處理研究。溶胞預(yù)處理可破壞細(xì)胞膜(壁)使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)流出，增加可溶性COD，使微生物易于粘附，有利于酶作用，從而促進(jìn)底物的消化。

餐廚垃圾中含有纖維素，在其含量較多時，可考慮采用溶胞預(yù)處理的方式，促進(jìn)物料的消化，從而提高厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)氣效率。此外，針對餐廚垃圾高油脂、高油份的特性，研究適合餐廚垃圾厭氧消化的預(yù)處理方法同樣重要。

2.2添加劑投加

在厭氧消化工藝中，微量金屬元素的加人能使厭氧反應(yīng)器中甲烷菌的優(yōu)勢菌種發(fā)生變化，從而提高乙酸利用率，并對毒性物質(zhì)產(chǎn)生拮抗作用。潘云鋒等研究發(fā)現(xiàn)：在其他條件相同的條件下，投加Fe，Co，Ni等痕量金屬離子比沒有投加的系統(tǒng)產(chǎn)氣量、甲烷含量及COD去除率均有不同幅度的提高，同時還有利于縮短停留時間并減小發(fā)酵罐的體積。

王星等評價(jià)了各類礦物材料對含鹽餐廚垃圾厭氧消化的促進(jìn)影響，其中膨潤土的促進(jìn)作用最大。這是因?yàn)榕驖櫷翆a于具有良好的吸附性能并能釋放大量的Ca2+，M2+，從而改變細(xì)胞的通透性，使微生物選擇性的吸收自身所需要的養(yǎng)分。

餐廚垃圾厭氧消化過程中投加適當(dāng)?shù)奶砑觿捎行岣呦到y(tǒng)產(chǎn)甲烷性能，同時也會增加相應(yīng)的運(yùn)行費(fèi)用，該措施在工程運(yùn)用中的可行性仍需進(jìn)一步研究。

2.3消化液回流

當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)抑制作用時，將消化液回流可緩解抑制作用。王星等研究了消化液回流比與有機(jī)負(fù)荷率(organic loading rate，OLR)對餐廚垃圾厭氧消化的聯(lián)合影響，結(jié)果表明當(dāng)系統(tǒng)處于低水平OLR時，可逐步提高消化液回流比以促進(jìn)消化過程的進(jìn)行；當(dāng)系統(tǒng)處于高水平OLR時，回流比的選擇應(yīng)以低水平為宜。

此外，不同階段反應(yīng)器中的消化液進(jìn)行交換對產(chǎn)甲烷性能的影響也有相關(guān)研究。DEARMAN等將啟動和成熟的序批式厭氧反應(yīng)器消化液以不同比例交換回流，結(jié)果表明隨著2套反應(yīng)器中消化液的增加，物料的降解時間縮短，但總產(chǎn)甲烷量并無明顯變化，每千克進(jìn)料VS的甲烷產(chǎn)量在229～214L之間，不過由于啟動裝置中高濃度揮發(fā)性脂肪酸(VFA)滲濾液的增加，成熟裝置中CO2和甲烷混合物發(fā)生了改變。

2.4工藝條件優(yōu)化

厭氧消化反應(yīng)中生物相和反應(yīng)環(huán)境相對好氧反應(yīng)更為復(fù)雜，要提高工藝產(chǎn)甲烷速率，則須在原有的厭氧消化條件下，更深入地細(xì)化、優(yōu)化工藝條件，以達(dá)到理想的產(chǎn)甲烷狀態(tài)。

2.4.1物料成分組成

CHO等對不同餐廚垃圾成分及混合物(mixed food waste，MFW)進(jìn)行產(chǎn)氣潛能研究，測量其生化產(chǎn)甲烷潛能(biochemical methane potentials，BMP)。研究發(fā)現(xiàn)熟肉食品、纖維素、米飯、蔬菜、MFW的每千克進(jìn)料VS的甲烷產(chǎn)量分別為482，356，294，277和472mL。由此可看出，餐廚垃圾中肉類對提高產(chǎn)甲烷量有著重要的作用，同時肉類降解所產(chǎn)生的氨氮、VFA對于產(chǎn)甲烷系統(tǒng)的平衡有著重要的意義，因此需要找到控制的平衡點(diǎn)。厭氧消化系統(tǒng)中微生物相復(fù)雜，對于氨氮、VFA的平衡關(guān)系主要從系統(tǒng)pH值上直接體現(xiàn)。因此，可通過實(shí)驗(yàn)研究氨氮、VFA與pH值的變化關(guān)系，從而為工業(yè)應(yīng)用的運(yùn)行控制做相應(yīng)的參考。

2.4.2 pH值

厭氧消化過程中的pH值不但對產(chǎn)甲烷菌的活性及種類有重要影響，對產(chǎn)酸相也有影響。產(chǎn)酸相中VFA作為后續(xù)產(chǎn)甲烷過程中產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌可直接利用的基質(zhì)，利于甲烷的產(chǎn)生；而乳酸不但能夠引起水解酸化階段pH的急劇下降，且極可能在產(chǎn)甲烷階段轉(zhuǎn)化為丙酸，將不利于產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過程的正常進(jìn)行。因此希望能利用各種方法盡量減少乳酸在水解酸化階段的產(chǎn)量。

張波等發(fā)現(xiàn)，采取不同方式調(diào)節(jié)pH值，VFA組分有所不同。其中，通過調(diào)節(jié)進(jìn)料m(C):m(N)來調(diào)節(jié)餐廚垃圾水解酸化過程的pH值，可取得更高的水解速率常數(shù)和VFA產(chǎn)率，并且在實(shí)驗(yàn)后期產(chǎn)生更低的乳酸濃度。對于m(C):m(N)調(diào)節(jié)pH值對氨氮濃度的變化影響未有提及，因此，可在后續(xù)的研究中與系統(tǒng)氨氮、VFA平衡關(guān)系相聯(lián)系，進(jìn)一步地來考察m(C):m(N)調(diào)節(jié)pH值對整個厭氧消化過程的影響。

2.4.3顆粒粒度

研究人員發(fā)現(xiàn)顆粒粒度減小可使比表面積增大，一方面提高纖維素的可生化性，加大產(chǎn)氣量，使垃圾的減量化程度提高；另一方面減少有機(jī)廢物消化的時間。KIM等研究了餐廚垃圾的顆粒粒度對基質(zhì)利用率的影響，結(jié)果表明：當(dāng)餐廚垃圾顆粒尺寸由1.02mm增加到2.14mm時，基質(zhì)最大利用率由0.0033/h降至0.0015/h。這證明了顆粒粒度在餐廚垃圾的厭氧消化過程中是一個重要的影響因素。

2.5抑制物控制

高濃度的抑制物是厭氧反應(yīng)器失衡的最初原因。厭氧反應(yīng)器中的抑制因素通常包括氨氮、硫化物、金屬離子和有機(jī)物。

氨氮的抑制性濃度，各研究者有著不同的觀點(diǎn)，一般質(zhì)量濃度在1.7～14g/L范圍的總氨氮(total ammonia nitrogen，TAN)濃度會對厭氧消化產(chǎn)生抑制作用，這與研究的反應(yīng)器環(huán)境和微生物馴化不同有關(guān)。對于氨氮抑制性的控制大致可從濃度、pH值、溫度、其他離子的存在及環(huán)境適應(yīng)性上著手。

對于硫化物毒性的控制，主要是降低產(chǎn)甲烷階段溶液中H2S的濃度。其途徑有提高pH值、利用高溫、稀釋廢水、采用鉬酸鹽抑制劑、氣體吹脫、化學(xué)沉淀、兩相厭氧消化等。

適量的堿金屬有助于厭氧微生物的生命活動，可刺激微生物的活性；但含量過多，則會抑制微生物的生長。KIM等在研究過程中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Na+的質(zhì)量濃度超過5000mg/L的時候，餐廚垃圾厭氧消化的甲烷產(chǎn)量逐漸降低。重金屬對細(xì)菌的毒害作用主要是由溶解成離子狀態(tài)的重金屬所致，若可溶性重金屬與硫化物結(jié)合形成不溶性鹽類，則對微生物無惡毒影響。

2.2添加劑投加

在厭氧消化工藝中，微量金屬元素的加人能使厭氧反應(yīng)器中甲烷菌的優(yōu)勢菌種發(fā)生變化，從而提高乙酸利用率，并對毒性物質(zhì)產(chǎn)生拮抗作用。潘云鋒等研究發(fā)現(xiàn)：在其他條件相同的條件下，投加Fe，Co，Ni等痕量金屬離子比沒有投加的系統(tǒng)產(chǎn)氣量、甲烷含量及COD去除率均有不同幅度的提高，同時還有利于縮短停留時間并減小發(fā)酵罐的體積。

王星等評價(jià)了各類礦物材料對含鹽餐廚垃圾厭氧消化的促進(jìn)影響，其中膨潤土的促進(jìn)作用最大。這是因?yàn)榕驖櫷翆a于具有良好的吸附性能并能釋放大量的Ca2+，M2+，從而改變細(xì)胞的通透性，使微生物選擇性的吸收自身所需要的養(yǎng)分。

餐廚垃圾厭氧消化過程中投加適當(dāng)?shù)奶砑觿捎行岣呦到y(tǒng)產(chǎn)甲烷性能，同時也會增加相應(yīng)的運(yùn)行費(fèi)用，該措施在工程運(yùn)用中的可行性仍需進(jìn)一步研究。

2.3消化液回流

當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)抑制作用時，將消化液回流可緩解抑制作用。王星等研究了消化液回流比與有機(jī)負(fù)荷率(organic loading rate，OLR)對餐廚垃圾厭氧消化的聯(lián)合影響，結(jié)果表明當(dāng)系統(tǒng)處于低水平OLR時，可逐步提高消化液回流比以促進(jìn)消化過程的進(jìn)行；當(dāng)系統(tǒng)處于高水平OLR時，回流比的選擇應(yīng)以低水平為宜。

此外，不同階段反應(yīng)器中的消化液進(jìn)行交換對產(chǎn)甲烷性能的影響也有相關(guān)研究。DEARMAN等將啟動和成熟的序批式厭氧反應(yīng)器消化液以不同比例交換回流，結(jié)果表明隨著2套反應(yīng)器中消化液的增加，物料的降解時間縮短，但總產(chǎn)甲烷量并無明顯變化，每千克進(jìn)料VS的甲烷產(chǎn)量在229～214L之間，不過由于啟動裝置中高濃度揮發(fā)性脂肪酸(VFA)滲濾液的增加，成熟裝置中CO2和甲烷混合物發(fā)生了改變。

2.4工藝條件優(yōu)化

厭氧消化反應(yīng)中生物相和反應(yīng)環(huán)境相對好氧反應(yīng)更為復(fù)雜，要提高工藝產(chǎn)甲烷速率，則須在原有的厭氧消化條件下，更深入地細(xì)化、優(yōu)化工藝條件，以達(dá)到理想的產(chǎn)甲烷狀態(tài)。

2.4.1物料成分組成

CHO等對不同餐廚垃圾成分及混合物(mixed food waste，MFW)進(jìn)行產(chǎn)氣潛能研究，測量其生化產(chǎn)甲烷潛能(biochemical methane potentials，BMP)。研究發(fā)現(xiàn)熟肉食品、纖維素、米飯、蔬菜、MFW的每千克進(jìn)料VS的甲烷產(chǎn)量分別為482，356，294，277和472mL。由此可看出，餐廚垃圾中肉類對提高產(chǎn)甲烷量有著重要的作用，同時肉類降解所產(chǎn)生的氨氮、VFA對于產(chǎn)甲烷系統(tǒng)的平衡有著重要的意義，因此需要找到控制的平衡點(diǎn)。厭氧消化系統(tǒng)中微生物相復(fù)雜，對于氨氮、VFA的平衡關(guān)系主要從系統(tǒng)pH值上直接體現(xiàn)。因此，可通過實(shí)驗(yàn)研究氨氮、VFA與pH值的變化關(guān)系，從而為工業(yè)應(yīng)用的運(yùn)行控制做相應(yīng)的參考。

2.4.2 pH值

厭氧消化過程中的pH值不但對產(chǎn)甲烷菌的活性及種類有重要影響，對產(chǎn)酸相也有影響。產(chǎn)酸相中VFA作為后續(xù)產(chǎn)甲烷過程中產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌可直接利用的基質(zhì)，利于甲烷的產(chǎn)生；而乳酸不但能夠引起水解酸化階段pH的急劇下降，且極可能在產(chǎn)甲烷階段轉(zhuǎn)化為丙酸，將不利于產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過程的正常進(jìn)行。因此希望能利用各種方法盡量減少乳酸在水解酸化階段的產(chǎn)量。

張波等發(fā)現(xiàn)，采取不同方式調(diào)節(jié)pH值，VFA組分有所不同。其中，通過調(diào)節(jié)進(jìn)料m(C):m(N)來調(diào)節(jié)餐廚垃圾水解酸化過程的pH值，可取得更高的水解速率常數(shù)和VFA產(chǎn)率，并且在實(shí)驗(yàn)后期產(chǎn)生更低的乳酸濃度。對于m(C):m(N)調(diào)節(jié)pH值對氨氮濃度的變化影響未有提及，因此，可在后續(xù)的研究中與系統(tǒng)氨氮、VFA平衡關(guān)系相聯(lián)系，進(jìn)一步地來考察m(C):m(N)調(diào)節(jié)pH值對整個厭氧消化過程的影響。

2.4.3顆粒粒度

研究人員發(fā)現(xiàn)顆粒粒度減小可使比表面積增大，一方面提高纖維素的可生化性，加大產(chǎn)氣量，使垃圾的減量化程度提高；另一方面減少有機(jī)廢物消化的時間。KIM等研究了餐廚垃圾的顆粒粒度對基質(zhì)利用率的影響，結(jié)果表明：當(dāng)餐廚垃圾顆粒尺寸由1.02mm增加到2.14mm時，基質(zhì)最大利用率由0.0033/h降至0.0015/h。這證明了顆粒粒度在餐廚垃圾的厭氧消化過程中是一個重要的影響因素。

2.5抑制物控制

高濃度的抑制物是厭氧反應(yīng)器失衡的最初原因。厭氧反應(yīng)器中的抑制因素通常包括氨氮、硫化物、金屬離子和有機(jī)物。

氨氮的抑制性濃度，各研究者有著不同的觀點(diǎn)，一般質(zhì)量濃度在1.7～14g/L范圍的總氨氮(total ammonia nitrogen，TAN)濃度會對厭氧消化產(chǎn)生抑制作用，這與研究的反應(yīng)器環(huán)境和微生物馴化不同有關(guān)。對于氨氮抑制性的控制大致可從濃度、pH值、溫度、其他離子的存在及環(huán)境適應(yīng)性上著手。

對于硫化物毒性的控制，主要是降低產(chǎn)甲烷階段溶液中H2S的濃度。其途徑有提高pH值、利用高溫、稀釋廢水、采用鉬酸鹽抑制劑、氣體吹脫、化學(xué)沉淀、兩相厭氧消化等。

適量的堿金屬有助于厭氧微生物的生命活動，可刺激微生物的活性；但含量過多，則會抑制微生物的生長。KIM等在研究過程中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Na+的質(zhì)量濃度超過5000mg/L的時候，餐廚垃圾厭氧消化的甲烷產(chǎn)量逐漸降低。重金屬對細(xì)菌的毒害作用主要是由溶解成離子狀態(tài)的重金屬所致，若可溶性重金屬與硫化物結(jié)合形成不溶性鹽類，則對微生物無惡毒影響。

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