廚余垃圾產(chǎn)量大、有機物含量高、營養(yǎng)元素豐富，對其進行適當處理后資源化利用是廚余垃圾處理的發(fā)展方向。厭氧消化可實現(xiàn)生物質(zhì)能的高效利用，是廚余垃圾資源化、無害化處理的主要方法之一。提升餐廚垃圾厭氧消化效率獲得清潔能源及對消化產(chǎn)物的綜合利用是目前研究的熱點。介紹了廚余垃圾的基本特性、厭氧消化的機理，總結(jié)廚余垃圾厭氧消化各階段面臨的問題，分析對應的國內(nèi)外調(diào)控策略的優(yōu)缺點及研究進展，并對今后廚余垃圾厭氧消化的調(diào)控新策略及產(chǎn)物再利用進行展望。

01 廚余垃圾厭氧消化存在的問題

1.廚余垃圾特性

廚余垃圾的含水率較高，一般在80%左右，其余干物質(zhì)以可降解有機物為主。干物質(zhì)中包括碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、木質(zhì)纖維素、油脂和少量的金屬元素等。其中，碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪的含量通常超過干物質(zhì)的70%，具有較高的產(chǎn)甲烷潛力，使廚余垃圾的厭氧消化成為可能。廚余垃圾的碳氮比(C/N)一般在10～30，符合厭氧消化C/N值在20～25的要求。

2.厭氧消化機理

厭氧消化過程可分成水解、酸化、產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷4個階段。水解階段廚余垃圾中的碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪等懸浮顆粒有機質(zhì)被微生物水解成如多糖、多肽和有機酸等可溶有機質(zhì)；酸化階段短鏈有機質(zhì)被產(chǎn)酸菌降解成如葡萄糖、氨基酸、VFAs(揮發(fā)性脂肪酸)、NH3和H2S等；乙酸化階段葡萄糖和氨基酸被產(chǎn)乙酸菌利用生成乙酸、H2和CO2；甲烷化階段產(chǎn)甲烷菌將乙酸、H2轉(zhuǎn)化成CH4和CO2。

3.廚余垃圾厭氧消化存在問題

廚余垃圾的營養(yǎng)物質(zhì)豐富，C/N符合厭氧消化的要求，但是總結(jié)近年國內(nèi)外文獻發(fā)現(xiàn)，廚余垃圾的厭氧消化仍然面臨許多問題：

1)廚余垃圾的顆粒較大，且其中復雜的有機質(zhì)，如木質(zhì)素和角蛋白在厭氧條件下幾乎不可生物降解，而化合物如木質(zhì)纖維素和細胞壁雖可生物降解，卻很難被生物利用，這些因素都會減慢廚余垃圾的水解速度，延長厭氧消化的停滯時間。

2)與產(chǎn)酸菌相比，產(chǎn)甲烷菌的時代周期長，消耗有機酸的能力有限，且易受環(huán)境因素波動和重金屬等有毒物質(zhì)的影響，故當系統(tǒng)有機負荷較高時，VFAs的產(chǎn)生和消耗不平衡，易有系統(tǒng)酸化的情況出現(xiàn)。另外，氨氮是微生物的營養(yǎng)物質(zhì)，且能夠提高系統(tǒng)的緩沖能力，但是廚余垃圾的蛋白質(zhì)含量較高時，厭氧消化系統(tǒng)經(jīng)常面臨氨氮抑制的問題，抑制厭氧微生物的活性，使得系統(tǒng)產(chǎn)氣效率降低。

3)產(chǎn)甲烷菌是古生菌，主要分為乙酸營養(yǎng)型甲烷菌和氫營養(yǎng)型甲烷菌兩大類群。在產(chǎn)甲烷階段，乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌發(fā)揮主要作用，將乙酸脫羧分解成為CH4和CO2，而氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌將H2作為電子供體，CO2作為電子受體，最后生成CH4和H2O。但是，廚余垃圾厭氧消化產(chǎn)生的沼氣中CH4只占40%～70%，剩下的大部分是CO2，少量的H2S和其他雜質(zhì)，所以產(chǎn)物沼氣熱值低(圖1)。

圖1 廚余垃圾厭氧消化機理和限制因素

02 調(diào)控策略

1.預處理

廚余垃圾中的有機物通常以顆粒物形式存在，且成分復雜，包含木質(zhì)纖維素、蛋白質(zhì)、脂肪等大分子有機物，水解過程緩慢，是廚余垃圾厭氧消化的限速步驟。物理、化學、生物等預處理方法可減小廚余垃圾顆粒物的尺寸、破壞大分子難降解有機物的結(jié)構(gòu)，加速水解，縮短厭氧消化停滯時間，提高甲烷產(chǎn)量。

1.1物理預處理

物理預處理方法包含超聲波、熱處理、凍融和微波處理等手段，相關(guān)研究見表1。超聲波的空化作用和水分子凍結(jié)的冰晶產(chǎn)生的機械作用使細胞壁破解，破壞細胞膜結(jié)構(gòu)，使細胞內(nèi)有機物質(zhì)更多溶出，與水解酶充分接觸，增大水解效率，縮短消化時間。微波預處理與熱處理機理相似，利用電磁場的熱效應加熱破壞細胞有機質(zhì)結(jié)構(gòu)，但與傳統(tǒng)的熱處理方法相比，微波預處理加熱速度快、熱效率高、設備體積小?？紤]處理效果的同時，預處理成本與額外獲取的能源也是應該重視的問題。額外獲得能源和預處理投入相抵后，凍融預處理因無須添加化學藥品與低能量輸入，是具最高利潤(10～15歐元/(t·kW))的預處理方法。近年來，水熱預處理逐漸成為研究熱點，具有更大的發(fā)展前景。水熱預處理不僅受溫度和停留時間的影響，還與壓力有關(guān)。由于水蒸氣容易獲得，很多工業(yè)生產(chǎn)過程都可能產(chǎn)生大量的水蒸氣且無法合理利用，所以水熱預處理的成本更低，并且能實現(xiàn)能量的循環(huán)。此外，荷蘭Sustec公司研發(fā)出的TurboTec熱水解工藝為連續(xù)流熱水解工藝，可將污泥熱水解后通過熱轉(zhuǎn)換器回收熱能，使熱水解預處理的熱能回收利用成為可能?，F(xiàn)有能源的利用和能量回收系統(tǒng)的研究，是實現(xiàn)處理效果與經(jīng)濟效益共贏的重要發(fā)展方向。

表1 廚余垃圾物理預處理厭氧消化的相關(guān)研究

1.2化學預處理

H+和OH-能溶解脂類物質(zhì)使廚余垃圾中的固體細胞裂解溶出有機質(zhì)，也可破壞纖維素和半纖維素之間的氫鍵結(jié)合，從而破壞木質(zhì)素與多糖之間的酯鍵和醚鍵，提高后續(xù)厭氧消化過程中有機物質(zhì)的水解速率。因為成本低廉，在促進復雜有機質(zhì)降解方面速度更快、效率更高等優(yōu)點，酸或堿預處理用于提高有機垃圾厭氧消化沼氣產(chǎn)率已得到廣泛的研究。Ma等研究了5種不同預處理方法對廚余垃圾的增溶性和厭氧生物降解性的影響，發(fā)現(xiàn)熱酸預處理的增溶效果最高，但累積沼氣產(chǎn)量并不是最高，其原因可能是加酸后引起的增溶伴隨著抑制物和難降解化合物的形成。另外，酸堿預處理對沼氣產(chǎn)量的促進效果與加入的酸堿濃度有關(guān)，低濃度酸或堿處理效果有限，而高濃度處理會導致大量的干物質(zhì)流失，并抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，降低厭氧消化效率，所以對廚余垃圾預處理時必須選擇適當?shù)乃釅A濃度。臭氧氧化預處理，指依靠·OH和—COO-降解如脂類、蛋白質(zhì)和木質(zhì)素等大分子有機質(zhì)，提高廚余垃圾厭氧消化沼氣產(chǎn)量的過程。臭氧氧化有諸多優(yōu)點，如在常溫常壓下進行，不會增加反應器中的鹽濃度，而且處理完畢后無氧化劑殘留，也不會產(chǎn)生有毒或有抑制作用的物質(zhì)。但是，臭氧氧化產(chǎn)生的·OH可破壞碳水化合物的結(jié)構(gòu)而降低CH4產(chǎn)量，且預處理過程中可能產(chǎn)生未知的難降解中間產(chǎn)物，所以部分研究發(fā)現(xiàn)臭氧氧化預處理后，甲烷產(chǎn)量增幅較小甚至甲烷產(chǎn)量降低。另外，因臭氧發(fā)生裝置耗電量較大，操作成本較高，處理后強化產(chǎn)生的生物甲烷不足以補償臭氧發(fā)生器能耗，且操作危險系數(shù)高，故近年來臭氧氧化預處理促進廚余垃圾厭氧消化研究較少。

1.3生物預處理

生物預處理的本質(zhì)是酶預處理。酶預處理即通過外加酶的方式加速廚余垃圾水解的過程，包括肽酶、碳水化合物水解酶和脂肪酶等。酶催化反應具有高效性和專一性的優(yōu)點，可以定向轉(zhuǎn)化固態(tài)和液態(tài)蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素等大分子有機物。研究發(fā)現(xiàn)，相比于其他預處理方式，酶預處理對廚余垃圾SCOD的溶出效果最好，對廚余垃圾水解效果更有優(yōu)勢，并且可大大縮短厭氧消化周期，提高廚余垃圾轉(zhuǎn)化產(chǎn)甲烷效率。雖然酶預處理操作簡單，不產(chǎn)生二次污染物，且能促進廚余垃圾厭氧消化水解和產(chǎn)甲烷效率，但是成本較高仍未得到廣泛應用。酶預處理是預處理方法中有前景的發(fā)展方向，未來應向降低成本方向研究。

預處理的直接作用效果是增溶，繼而依靠厭氧微生物降解溶解物影響CH4產(chǎn)量?？偨Y(jié)上述各種預處理方法發(fā)現(xiàn)，增溶效果的增強與甲烷產(chǎn)量并不一定呈正相關(guān)，如臭氧氧化和生物處理會對甲烷產(chǎn)率產(chǎn)生負面影響。另外，不同的預處理方式會造成不同的額外投入，如通過超聲波、臭氧等預處理手段提升甲烷產(chǎn)率獲得的額外能源不足以補償預處理的能源消耗。故投資少、能量利用效率高、可使甲烷產(chǎn)率顯著提高的預處理方法是今后的研究焦點。此外，已經(jīng)普遍應用在城市污泥預處理研究中的能量回收和循環(huán)利用方法也是廚余垃圾預處理的潛在研究方向之一。

2.消化方式

厭氧微生物易受環(huán)境因素的影響，如溫度、pH、VFAs、碳氮比等都會影響微生物活性、引起厭氧微生物種群的變化，影響廚余垃圾厭氧消化的效率。當廚余垃圾中碳水化合物或者蛋白質(zhì)含量高時，VFAs和氨氮的含量高，消化系統(tǒng)易酸敗或者產(chǎn)生氨氮抑制的情況，影響廚余垃圾厭氧消化的產(chǎn)氣效率。為保持厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定，可通過投加緩沖劑、微量元素、對微生物進行酸或堿性的耐受性馴化及兩相消化和共消化的方式進行調(diào)節(jié)。但是投加緩沖劑、微量元素不僅增加成本，且微量元素會對后續(xù)的沼液沼渣造成污染，同時產(chǎn)甲烷菌時代周期長，對微生物馴化需要時間較長。綜合考慮，對于VFAs的積累和碳氮比的不平衡造成的抑制現(xiàn)象，兩相厭氧消化和厭氧共消化是較為經(jīng)濟、安全的辦法。

2.1兩相消化

厭氧微生物中產(chǎn)酸細菌世代時間短，生長速率快，可以產(chǎn)生大量有機酸，但產(chǎn)甲烷菌世代時間長，增殖速率慢，消耗有機酸能力有限。當產(chǎn)甲烷菌受到環(huán)境因素波動而活性被抑制時，無法將產(chǎn)生的酸轉(zhuǎn)化為CH4，造成酸的產(chǎn)生與消耗不平衡，出現(xiàn)揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)積累，導致整個系統(tǒng)癱瘓的現(xiàn)象，也稱“酸敗”。兩相消化是指餐廚垃圾厭氧消化的產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷2個階段分別在2個反應器內(nèi)完成，使產(chǎn)酸菌與產(chǎn)甲烷菌在各自適宜的環(huán)境中生長，避免反應過程中微生物之間相互抑制和VFAs積累的現(xiàn)象，以發(fā)揮各自最大的活性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與消化效率。兩相反應器有CSTR-CSTR串聯(lián)、SBMR-ASBR、循環(huán)兩相厭氧消化(R-TPAD)等，以及新型的雙環(huán)嵌套式厭氧發(fā)酵罐，其內(nèi)環(huán)產(chǎn)酸相在完成水解和酸化步驟的同時，減輕了外環(huán)產(chǎn)甲烷相受到酸積累的沖擊，該反應器容積產(chǎn)氣率平均達到1.69 m3/(m3 ·d)，MLVSS去除率達到77.20%。近年來，兩相消化的研究多于單相消化，但在工業(yè)應用水平上，餐廚垃圾單相消化占絕對優(yōu)勢，這可能是由于現(xiàn)有的兩相厭氧消化工藝在消化時間和處理效果方面相比單相優(yōu)勢較小，且在系統(tǒng)操作和維護方面更加復雜。

2.2共消化

厭氧微生物的生長需要適當?shù)臓I養(yǎng)元素配比，然而廚余垃圾往往含有較多的C元素，而N元素和金屬元素含量較少，不能滿足產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的生長需求。研究發(fā)現(xiàn)，厭氧發(fā)酵的最優(yōu)C/N為15.5～19，而廚余垃圾的C/N往往高于20，所以當廚余垃圾單獨進行厭氧消化時，常由于營養(yǎng)元素的不平衡，消化系統(tǒng)易發(fā)生酸敗或氨氮抑制的現(xiàn)象。為了提高產(chǎn)氣效率，研究發(fā)現(xiàn)，通過將廚余垃圾與紙類垃圾、動物糞便(豬糞、牛糞和雞糞等)、秸稈、污泥等進行混合消化，可使基質(zhì)的C/N處于適宜范圍以提高產(chǎn)氣效率。此外，污泥與餐廚垃圾共消化具有協(xié)同效應，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當污泥與食物垃圾的比值為1∶1時，甲烷產(chǎn)率提高達4.59倍。上述各種影響因素和相應技術(shù)手段對餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷效率的影響，都可歸因于對產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌活性的影響。厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定和甲烷產(chǎn)量的提高，一是要考慮消化基質(zhì)的溶解度和降解性，二是2類厭氧微生物的活性和豐度。前者可通過預處理方法解決，但后者對微生物豐度的研究相對較少。目前的研究也逐漸向保持微生物活性，提升微生物豐度的方向發(fā)展。

3.消化產(chǎn)物的升級和利用

廚余垃圾厭氧消化的產(chǎn)物沼氣成分復雜，包括CH4、CO2、N2、H2S和硅氧烷等。其中：1)CO2含量越高，沼氣中的熱值越低；2)除甲烷外，沼氣中其他氣體是沼氣污染物。H2S和NH3具有極強的腐蝕性，燃燒后產(chǎn)生的SO2會破壞熱電聯(lián)產(chǎn)裝置和金屬部件。而硅氧烷，即使?jié)舛群苄?，但燃燒后產(chǎn)生的硅膠類氧化物能殘留沉積在燃燒設備的引擎和閥門上造成故障。這些原因都會導致厭氧消化產(chǎn)生的沼氣不能直接利用，因此需要通過物理化學技術(shù)、生物技術(shù)等對產(chǎn)生的沼氣進行凈化和升級，以提高熱值，將其轉(zhuǎn)化為更高標準的燃料能源。常規(guī)的沼氣凈化升級方法總結(jié)見表2。

表2 沼氣凈化升級方法

沼氣燃燒發(fā)電和供熱是沼氣利用的兩大主要方式。目前德國利用沼氣和生物甲烷發(fā)電的比例為74%，對生物質(zhì)發(fā)電的貢獻最大。沼氣燃燒產(chǎn)生的熱量可用于住宅和社會建筑、辦公室、車間的供暖，以及水供暖(31%的沼氣廠設置在社會建筑下面)和干燥過程(42%的沼氣廠涉及此功能)。另外，瑞典在免收能源稅和二氧化碳稅、減收氣體燃料的車輛使用稅等一系列優(yōu)惠政策下鼓勵沼氣作為車用燃料使用。我國擁有眾多的農(nóng)村家用沼氣池，簡單收集后沼氣可直接作為替代燃料燃燒用于烹飪和取暖，但其地理分布比較分散，不利于進行統(tǒng)一收集與利用。

03 展望

廚余垃圾作為有機物含量豐富的廢棄物，厭氧消化是較成熟且極具潛力的餐廚垃圾資源化利用技術(shù)，而有效提升厭氧消化產(chǎn)氣效率是該技術(shù)大規(guī)模應用的關(guān)鍵。由于廚余垃圾存在豐富的大顆粒有機質(zhì)，厭氧消化過程存在水解速率慢，易酸化或產(chǎn)生氨氮抑制的現(xiàn)象導致系統(tǒng)崩潰，且產(chǎn)氣熱值低等問題。預處理可有效提高廚余垃圾的水解效率，縮短停滯時間；兩相厭氧消化和共消化可為緩解酸敗和氨氮抑制等問題，從而提升厭氧消化效率；產(chǎn)物沼氣可通過升級凈化后進行利用。但是預處理、兩相厭氧消化以及后續(xù)的沼氣升級需要額外的藥劑、設備和裝置，增加成本的投入以及能量的輸入。然而，上述處理方法厭氧消化效率提升獲得的額外能源往往不足以補償額外的成本投入，所以如何選擇提升產(chǎn)氣效率效果更好，成本投入更低的方法，以及厭氧消化全過程能量回收系統(tǒng)都是未來研究的發(fā)展方向。