餐廚垃圾兩相厭氧發(fā)酵技術(shù)的研究進展

尤 惠，鄭純智，張國華，周 杰

(江蘇理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 常州 213000)

隨著城市化進展的加快，城市生活垃圾的產(chǎn)量逐年增加，其中餐廚垃圾是其重要組成部分。餐廚垃圾指食物在生產(chǎn)、加工和銷售等環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的殘渣和廢棄物，其組成成分主要有淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)、油脂和無機鹽等。餐廚垃圾含水率高、有機質(zhì)含量高、生物降解性好、易變質(zhì)，在收集、運輸和儲存過程會產(chǎn)生滲濾液和發(fā)生生物降解，降解時會產(chǎn)生惡臭和有毒氣體，可能會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。餐廚垃圾的減量化、無害化和資源化利用已成為人們關(guān)注的焦點。

餐廚垃圾的處理和處置方法有飼料喂養(yǎng)、好氧堆肥、厭氧發(fā)酵、填埋、焚燒等[1]。飼料喂養(yǎng)動物可能會造成食物鏈污染，傳播食源性疾病，對人體健康構(gòu)成威脅。好氧堆肥技術(shù)成本低、工藝簡單，但會占用大量土地，且堆肥過程中會產(chǎn)生大量臭氣。餐廚垃圾水分和油脂含量高，導(dǎo)致其焚燒成本較高，還會造成二噁英污染。目前，厭氧發(fā)酵技術(shù)被認(rèn)為是處理餐廚垃圾的最有效技術(shù)之一，它可以實現(xiàn)餐廚垃圾的減量化、無害化，并回收短鏈脂肪酸、氫氣和甲烷等能源，是一種有效的資源回收技術(shù)。

1 兩相厭氧發(fā)酵技術(shù)

厭氧發(fā)酵技術(shù)通過厭氧微生物降解有機物，并將其轉(zhuǎn)化為氫氣、甲烷和揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)。餐廚垃圾的厭氧發(fā)酵過程可分為水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷四個階段。水解過程中，餐廚垃圾中的大分子有機物先被水解酶轉(zhuǎn)化為可溶性小分子有機物。酸化階段中，小分子有機物進一步分解為揮發(fā)性脂肪酸、乙酸、乳酸、丙酮酸等。而后，乙酸和丙酮酸等被轉(zhuǎn)化為乙酸和氫氣。最后，通過產(chǎn)甲烷菌將水解和酸化階段的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為甲烷。

傳統(tǒng)的單相厭氧發(fā)酵是在一個反應(yīng)器和相同環(huán)境條件下完成所有的反應(yīng)階段，但產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌適宜的生長環(huán)境有所差別，單相厭氧發(fā)酵不能使各階段都處于最佳反應(yīng)條件，導(dǎo)致最終產(chǎn)氣效果達不到最佳。同時，單相厭氧發(fā)酵也面臨著浮渣上浮、VFAs累積、有害中間體產(chǎn)生、緩沖能力不足、系統(tǒng)穩(wěn)定性下降等問題，兩相厭氧發(fā)酵(TSAD)工藝的引入能有效解決這些問題。

兩相厭氧發(fā)酵技術(shù)將水解產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段分開運行，為產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷分別提供適宜的生長環(huán)境，避免了不同階段的微生物菌群及其代謝產(chǎn)物的相互抑制作用，在產(chǎn)甲烷量、有機物去除率、系統(tǒng)穩(wěn)定性和能量回收等方面更具有優(yōu)勢。Nathao等[2]證明了餐廚垃圾兩相厭氧發(fā)酵比單相厭氧發(fā)酵的能量回收效率更高，總能量回收可提高18%。Gioannis等[3]比較了餐廚垃圾單相和兩相厭氧發(fā)酵工藝，發(fā)現(xiàn)兩相厭氧發(fā)酵工藝中，改善后的生物水解過程可以產(chǎn)生更多的揮發(fā)性脂肪酸用于產(chǎn)甲烷，最終甲烷產(chǎn)量和能量回收率都較單相厭氧發(fā)酵工藝高。

2 兩相厭氧發(fā)酵工藝

2.1 兩相厭氧發(fā)酵工藝流程

兩相厭氧發(fā)酵工藝流程如圖1所示，餐廚垃圾通過人工分選、破碎、磁選等預(yù)處理將雜質(zhì)分離出來，以改善餐廚垃圾的表面性質(zhì)和促進有機質(zhì)降解。除雜后的餐廚垃圾進入生物水解反應(yīng)器進行5～8天的淋濾水解，餐廚垃圾中的易降解有機質(zhì)水解酸化并進入液相。經(jīng)擠壓脫水后，高濃度有機漿液進行30天左右的厭氧消化并產(chǎn)生沼氣能源。擠壓脫水分離出的固渣熱值較高，可進行生物干化作為RDF燃料。

圖1 兩相厭氧發(fā)酵工藝流程圖

2.2 兩相厭氧發(fā)酵工藝影響因素

雖然兩相厭氧發(fā)酵在實際生產(chǎn)中運行效果較好，但仍存在預(yù)處理困難、極易受到高濃度鹽分和氨氮抑制、發(fā)酵產(chǎn)生的消化液易產(chǎn)生二次污染、厭氧發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性較難控制等問題，其發(fā)酵過程受溫度、pH、發(fā)酵底物、有機負(fù)荷、氨氮、微量元素等因素的影響。

2.2.1 溫 度

微生物通過一系列酶促反應(yīng)進行新陳代謝，故溫度是影響兩相工藝的基礎(chǔ)因素之一。在兩相厭氧發(fā)酵工藝中，發(fā)酵反應(yīng)器通常在中溫(35～37 ℃)或高溫(55～60 ℃)條件下運行。溫度會影響產(chǎn)氫菌的代謝途徑，中溫有利于醋酸和丙酸的產(chǎn)生，高溫有利于丁酸的產(chǎn)生，氫氣產(chǎn)量也非常高。產(chǎn)甲烷菌分為嗜冷甲烷菌(低于25 ℃)、嗜溫甲烷菌(35 ℃左右)、嗜熱甲烷菌(55 ℃左右)和極端嗜熱甲烷菌(高于80 ℃)，溫度波動可能會抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。

2.2.2 pH值

微生的物群落結(jié)構(gòu)、代謝途徑和酶活性都會受到pH的影響，因此pH條件決定了餐廚垃圾厭氧發(fā)酵過程中的發(fā)酵類型和微生物群落。水解酸化階段，pH為3.2～4.5時，以乳酸發(fā)酵為主；pH為4.5時，雙歧桿菌數(shù)量顯著增加，乙酸產(chǎn)量增加；pH為4.7～5.0時，進行丁酸發(fā)酵，水解和酸化速率達到最大；pH為6.0時，進行混合酸發(fā)酵，VFAs產(chǎn)量最高[4]。產(chǎn)甲烷菌對pH十分敏感，其適宜生長的pH范圍在6.5～7.8，最適pH在6.8～7.2[5]。

2.2.3 發(fā)酵底物

在餐廚垃圾原料中添加具有互補特性的基質(zhì)可以在厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，從而提高沼氣產(chǎn)量和工藝穩(wěn)定性。近年來，利用秸稈、甘蔗渣等農(nóng)作物殘留物，污泥和餐廚垃圾等生物質(zhì)廢物進行厭氧發(fā)酵得到廣泛關(guān)注，而這些復(fù)雜有機固體廢物厭氧發(fā)酵的限速步驟是水解產(chǎn)氫階段。Silva等[6]在餐廚垃圾和污泥的混合物中添加甘油，1%的甘油的投加有效提高了兩級厭氧消化過程的產(chǎn)氫量和產(chǎn)氣量，但過多甘油的添加可能會使代謝產(chǎn)物累積，反而導(dǎo)致發(fā)酵過程不穩(wěn)定。

2.2.4 有機負(fù)荷

較高的有機負(fù)荷有助于不同菌種的生長，為系統(tǒng)提供充足的能量和營養(yǎng)，工藝處理效率較高。但過高的有機負(fù)荷會導(dǎo)致VFAs累積、增大傳質(zhì)阻力，從而不利于菌群與反應(yīng)底物接觸，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。另外，過高的有機負(fù)荷也可能造成氨氮、重金屬等抑制物累積，從而抑制菌群的活性。

2.2.5 回流循環(huán)

近年來，人們發(fā)現(xiàn)從第二階段到第一階段進行沼液循環(huán)可以提高厭氧發(fā)酵工藝的整體性能。沼液回流一方面加劇了水解酸化階段中不飽和長鏈脂肪酸的積累，另一方面也有利于產(chǎn)甲烷階段中長鏈脂肪酸向飽和脂肪酸的轉(zhuǎn)化[7]。

此外，產(chǎn)氫階段通常添加堿以維持pH，但高濃度Na+或Ca2+會抑制細(xì)菌的生長和反應(yīng)，使得沼氣產(chǎn)量下降。在兩階段間進行沼液回流也可以維持pH值，并且補充產(chǎn)氫細(xì)菌、降低化學(xué)成本。Algapani等[8]發(fā)現(xiàn)兩級再循環(huán)工藝與無回流厭氧工藝相比，用于維持pH所需的堿投加量大大減少，且獲得的氫氣和甲烷產(chǎn)量更穩(wěn)定。

2.2.6 氨 氮

厭氧反應(yīng)器中氨氮濃度對維持所需堿度起著重要作用。較高濃度的離子氨濃度會降低厭氧菌的活性，導(dǎo)致丙酸的累積，逐漸導(dǎo)致反應(yīng)器的不穩(wěn)定。另一方面，較高的銨濃度直接抑制產(chǎn)甲烷菌的酶活性，導(dǎo)致生物甲烷產(chǎn)量較低。此外，游離氨濃度過高時，可以被動擴散到細(xì)菌細(xì)胞中，細(xì)胞內(nèi)游離氨與細(xì)胞外銨離子的平衡會造成細(xì)胞間pH值失衡，從而也會抑制產(chǎn)甲烷菌的酶活性[9]。

2.2.7 微量元素

餐廚垃圾缺乏一些微生物生長和反應(yīng)必需的營養(yǎng)物質(zhì)，可能會導(dǎo)致厭氧發(fā)酵過程不穩(wěn)定。補充缺乏的微量元素，能夠克服微生物生長限制和穩(wěn)定發(fā)酵過程。Voelklein等[10]發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器的pH、VFA/TIC、VFA等參數(shù)不穩(wěn)定后，通過加入Fe、Mo、Ni和Se，使得厭氧發(fā)酵過程恢復(fù)了穩(wěn)定，并提高了有機負(fù)荷率。Menon等[11]在產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中添加了Ca、Mg、Co和Ni微量元素，在濃度分別為303、777、7和3 mg/L的條件下，產(chǎn)氣率提高50%以上，反應(yīng)時間也明顯縮短。

3 發(fā)酵反應(yīng)器

生物發(fā)酵反應(yīng)器對微生物的生長和活性起著至關(guān)重要的作用。厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)具有很好的抗水力沖擊能力和有機沖擊負(fù)荷能力，ABR反應(yīng)器能夠縱向分離厭氧發(fā)酵過程的不同階段，獨立的隔室使得產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相分離，為不同的微生物群落提供了足夠的生長空間和適宜的生存環(huán)境，使ABR反應(yīng)器在性能上像一個兩相反應(yīng)系統(tǒng)。Ahamed等[12]研究了多相厭氧折流板反應(yīng)器(MP-ABR)的產(chǎn)沼氣性能，通過相分離促進了餐廚垃圾生物質(zhì)能的高效回收。

將兩種不同的反應(yīng)器設(shè)計相結(jié)合，建立兩相制氫產(chǎn)甲烷系統(tǒng)也是有效的。連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(CSTR)是一種單相厭氧工藝發(fā)酵罐，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的特點，被廣泛用于餐廚垃圾生物產(chǎn)氫或產(chǎn)甲烷。Ueno等[13]以餐廚垃圾和廢紙混合物為原料，建立了兩相制氫制甲烷中試裝置。在CSTR反應(yīng)器中，在60 ℃下進行產(chǎn)氫，產(chǎn)氫速率最大可達0.225 L/L·d；產(chǎn)氫過后，55 ℃條件下在內(nèi)循環(huán)填充床反應(yīng)器(IRPR)中進行產(chǎn)甲烷反應(yīng)，雖然有機負(fù)荷率和制氫工藝出水成分波動較大，但IRPR反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷性能很穩(wěn)定。

升流式厭氧污泥床(UASB)能夠處理多種不同濃度和不同溫度的有機廢水，具有結(jié)構(gòu)簡單、底部能形成顆粒性污泥、剩余污泥量少、保持充足生物量等優(yōu)點，應(yīng)用UASB反應(yīng)器處理餐廚垃圾的研究較多。王優(yōu)等[14]采用淋濾-UASB工藝研究了餐廚垃圾處理過程中的參數(shù)變化及產(chǎn)氣效能，發(fā)現(xiàn)脫水淋濾-UASB厭氧消化處理產(chǎn)甲烷具有較高產(chǎn)氣能力，運行穩(wěn)定后每噸餐廚垃圾產(chǎn)沼系數(shù)可達0.3～0.44 m3/kg COD。

4 結(jié) 語

與單相系統(tǒng)相比，兩相厭氧發(fā)酵系統(tǒng)具有更好的pH調(diào)節(jié)能力、更高的抗有機負(fù)荷沖擊能力、更高的甲烷的轉(zhuǎn)化率和運行穩(wěn)定性。兩相厭氧發(fā)酵工藝中，可對各階段的溫度、pH、發(fā)酵底物、有機負(fù)荷、氨氮、微量元素等參數(shù)進行調(diào)整，以實現(xiàn)更高的產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷效率。但兩相厭氧發(fā)酵工藝也存在設(shè)備成本高、操作復(fù)雜等問題，所以還需開發(fā)經(jīng)濟高效的兩相厭氧發(fā)酵反應(yīng)器。此外，還需進一步探索更多的餐廚垃圾混合物料及其復(fù)配比，以實現(xiàn)餐廚垃圾資源的最大化利用。