刘安琪，夏 港，关昊为，徐冬红，成 潜，张 静

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023)

1 引言

我国城镇化的快速发展和居民生活的水平的显著提高，致使餐厨垃圾的产量急剧增大。目前，我国餐厨垃圾总产量高达2.1×108t/a，约占全球餐厨垃圾总产量的13.1%，并且其产量仍在持续升高[1～4]。据不完全统计，北京、上海等一线大城市餐厨垃圾产量均已超过1000 t/d[2, 5, 6]。由于餐厨垃圾的有机负荷和含水率较高，即使在常温环境下餐厨垃圾也非常容易腐烂变质，污染环境，危害人体健康[7, 8]。

与此同时，餐厨垃圾含有丰富的淀粉、纤维素、蛋白质、脂肪和无机盐等的营养成分，是一种理想的厌氧消化基质[9, 10]。厌氧消化技术是利用厌氧微生物来对餐厨垃圾中的有机物进行降解，同时生产沼气的一种生物处理技术[11, 12]。与焚烧、填埋、好氧堆肥等处理方法相比，厌氧消化技术不仅对环境造成的污染相对较少，而且产生的沼气是一种可再生且环境友好的生物燃料[12]。因此，厌氧消化产甲烷技术在餐厨垃圾处理过程中备受青睐。

本研究结合我国餐厨垃圾的特性及其厌氧消化的影响因素，着重对餐厨垃圾厌氧消化资源化处理技术的发展进行了分析，为餐厨垃圾的高效厌氧消化资源化处理及其推广应用提供参考。

2 餐厨垃圾的特点

餐厨垃圾具体特点如下:①高含水率,高达80%～95%；②高盐度；③高有机负荷；④高油脂；⑤富含氮、磷、钾等微量元素，营养丰富；⑥低C/N；⑦易存在病原菌、病源微生物等；⑧易腐烂变质、发霉发臭、滋生蚊蝇、污染环境；⑨易生物降解。

3 餐厨垃圾厌氧消化过程中的影响因素

厌氧消化过程是一个多阶段性的相辅相成的复杂生物质转化过程，各个阶段的优势菌种各不相同，且各种菌在生理、营养需求，生长动力机制和对环境的敏感程度方面存在着很大的差异。因此，厌氧消化过程会受到各种生物因子和非生物因子的影响。常见的影响因素有：①温度；②pH值;③有机负荷；④挥发性脂肪酸；⑤氨氮；⑥微量元素；⑦盐度；⑧油脂；⑨接种污泥。

4 厌氧反应器

4.1 单相厌氧消化系统

单相厌氧消化系统中，水解阶段、酸化阶段和产甲烷阶段是在一个相同环境的反应器中同时发生[2, 13, 14]。由于各个阶段的厌氧微生物的特异性，该单相厌氧消化系统不能满足各阶段都在其最佳反应条件下运行的要求，所以产气效率和稳定性较低，易发生酸抑制、氨抑制。但是，这种厌氧消化工艺简单，是目前应用最广泛的一种厌氧消化反应方式。

4.2 两相厌氧消化系统

两相厌氧消化系统中，水解和产酸反应在第一个反应器中进行，然后发酵液进入第二个反应器内进行产甲烷[15]。由于厌氧消化不同阶段的分离，可以同时使不同的厌氧微生物处于各自最适的生存环境中，增加生物量，降低酸抑制风险，提高厌氧消化效率及稳定性。与单相厌氧消化系统相比较，两相厌氧消化系统：①可以同时高效地产H2和CH4;②稳定性更高;③更好地调控产甲烷过程;④缩短消化时间;⑤总能产量显著增加[2, 13]。因此，近几年两相厌氧消化工艺在有机固废处理中的应用越来越多，且运行效果良好。

5 预处理

5.1 物理预处理

物理预处理主要包括机械预处理和热处理[8]。机械预处理主要是粉碎固体颗粒底物，以释放细胞内复合物，并增加其特异性表面积。增加的表面积可以促进底物和厌氧细菌的接触，从而提高厌氧消化效率。热预处理的主要作用是破碎基质的细胞膜，以促进有机物的水解过程，进而强化厌氧消化效率[16]。常见的热预处理有蒸汽加热、电加热和微波加热，且3种预热处理方法的效果相差不大。

5.2 化学预处理

化学处理可以水解大分子，破坏了有机物之间的化学键，提高后续厌氧消化过程中有机物质的水解速率[17, 18]。化学预处理方法成本低，而且在促进复杂有机质降解方面速度更快，产甲烷效率高等优点，是餐厨垃圾厌氧消化预处理的潜在研究方向之一。化学预处理方法主要有酸、碱、臭氧氧化等方法。其中碱预处理,不仅可以增大胞内的有机物的溶出效率,而且还可以中和种间产物挥发性脂肪酸，缓解酸抑制，提高厌氧体系的稳定性[19]。为充分发挥碱预处理的效能，降低碱对微生物活性的抑制，需要合理地控制碱浓度，以达到最佳效果。

5.3 生物预处理

生物预处理是通过接种微生物和酶来促进底物的水解来提高厌氧消化速率的一种预处理方法，是近几年来的一个热门研究课题[8]。赵智强等[20]通过接种酵母菌对厌氧底物进行乙醇型预发酵处理以后，可以显著提高底物厌氧消化产甲烷的效能。进一步研究发现，预发酵产的内源乙醇，既可以作为一种“缓释基质”，降低酸抑制风险，又可以强化互营厌氧产甲烷微生物之间的直接种间电子传递，进而提高甲烷产量。马应群等[21]通过添加复合水解酶fungal mash对餐厨垃圾进行预处理，可以显著促进餐厨垃圾的水解，并增强其厌氧消化效率。

6 协同厌氧消化处理

厌氧消化过程是多种群厌氧微生物共同协作的过程，对营养元素的配比要求较高[22, 23]。而餐厨垃圾的低C/N特点，会对厌氧微生物的生长造成营养失衡，厌氧消化体系易产生酸抑制或氨抑制。因此，为了确保营养均衡，提高产甲烷效率，研究发现可以将餐厨垃圾与厨余垃圾、家禽粪便、污泥、农作物秸秆等物质进行协同厌氧消化处理，同时实现不同废弃物的资源化处理。

7 导电材料强化厌氧消化

近年来，研究发现在微生物互营产甲烷过程中，除了可以利用中间产物氢或甲酸进行种间氢/甲酸电子传递外，还可以利用微生物自身结构(如pill、细胞色素c和其他蛋白组分)或导电材料(如铁材料、碳材料等)为媒介传递电子，进行种间直接电子传递(Direct interspecies electron transfer, DIET)[24, 25]。DIET可以克服种间氢/甲酸电子转移的热力学限制，提高种间电子传递效率，增强厌氧甲烷化效能。此外，活性炭、生物炭、碳布等常见导电材料不仅导电性好，而且比表面积大，具有很高的吸附能力[26]。因此，将这些常见的导电材料投加至厌氧消化体系中，既可以利用其自身的良好导电性替代pill实现DIET，又可以吸附富集某些具有胞外电子转移能力的微生物，强化厌氧消化体系微生物之间的直接种间电子传递。因此，随着DIET的研究不断取得突破，通过导电材料强化餐厨垃圾厌氧消化体系中的DIET过程已引起越来越多的关注。

8 展望

我国作为餐饮消费大国，餐厨垃圾的资源化、减量化、无害化处理至关重要。厌氧消化作为一种较成熟且极具潜力的餐厨垃圾资源化处理技术，如何有效提升厌氧消化产气效率是该技术大规模应用的关键。基于厨余垃圾“资源性”的特点，利用厌氧消化对餐厨垃圾资源化处理是一个极具潜力的技术。在当前科技不断更新迭代的时代背景下，餐厨垃圾除以上提及的处理方法外，还会有新的理论、技术和工艺产生。但是，如何选择产气效率更高，成本更低的方法，能量回收系统的研究以及能够在厌氧消化各个阶段都具有作用效果的方法是未来餐厨垃圾厌氧消化处理技术研究的发展方向。