餐廚垃圾的微生物處理技術(shù)研究進(jìn)展

劉 云，李曉姣，袁 進(jìn)

（山西省生態(tài)環(huán)境研究中心，山西 太原 030002）

餐廚垃圾的微生物處理技術(shù)研究進(jìn)展

劉 云，李曉姣，袁 進(jìn)

（山西省生態(tài)環(huán)境研究中心，山西 太原 030002）

在分析餐廚垃圾現(xiàn)有處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，闡述了好氧堆肥和厭氧發(fā)酵（產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷）技術(shù)在餐廚垃圾處理方面的研究進(jìn)展及其影響因素，并提出了其在處理餐廚垃圾方面存在的問題和研究方向。

餐廚垃圾；微生物處理；好氧堆肥；厭氧發(fā)酵

1 餐廚垃圾的主要處理方法

在我國城市生活垃圾結(jié)構(gòu)中，餐廚垃圾所占的比例為30%～50%［1］，其所占比例較大，適宜專門收集和集中處理。目前，餐廚垃圾的主要處置方式有焚燒、填埋、飼料化和生物處理技術(shù)［2］。其中，焚燒和填埋是餐廚垃圾混入生活垃圾中的一種輔助處理方式，飼料化和生物處理技術(shù)是現(xiàn)階段規(guī)范化處理餐廚垃圾的主流工藝。我國餐廚垃圾規(guī)范化管理和處理尚處于起步階段，多數(shù)城市尚未建立餐廚垃圾收運監(jiān)管體系和集中處置設(shè)施，部分餐廚垃圾被非法收運進(jìn)入地下作坊，提煉地溝油的現(xiàn)象仍然存在。

餐廚垃圾混入生活垃圾中進(jìn)入填埋場不僅占用大量的庫容，而且滲瀝液中產(chǎn)生的大量高濃度有機(jī)污染物，大大增加了填埋場滲瀝液處理的負(fù)荷和難度；餐廚垃圾的含水率高，與生活垃圾一并焚燒處理，在降低垃圾熱值的同時還會因燃燒不充分而產(chǎn)生二惡英等，造成環(huán)境的二次污染。另外，餐廚垃圾焚燒、填埋處理還會導(dǎo)致大量有機(jī)物的浪費，因此許多國家和地區(qū)（如美國、歐盟、韓國和日本等）已經(jīng)出臺多項法律法規(guī)，嚴(yán)禁將餐廚垃圾作為普通生活垃圾進(jìn)行填埋和焚燒處置［3-6］。

餐廚垃圾中含有大量的營養(yǎng)元素和有機(jī)物質(zhì)使其作為飼料具有一定的優(yōu)勢，但出于安全性考慮，許多國家均禁止直接將餐廚垃圾用作動物飼料。飼料化技術(shù)主要指將餐廚垃圾經(jīng)物理法高溫消毒和烘干粉碎后制成動物飼料或經(jīng)微生物發(fā)酵處理后制成生物蛋白飼料，但由于物理法處理后的飼料中存在動物源成分，動物食用存在一定的安全隱患，而經(jīng)微生物發(fā)酵后雖然可以提高飼料的營養(yǎng)價值、改善適口度和提高吸收效果，但很難保證將餐廚垃圾中的動物源成分徹底轉(zhuǎn)化，所以仍然可能存在蛋白同源性污染問題［7］。因此飼料化技術(shù)處理餐廚垃圾的安全性問題是今后值得研究的課題。

根據(jù)餐廚垃圾有機(jī)質(zhì)含量高和易生物降解的特點，采用生物處理技術(shù)進(jìn)行堆肥或發(fā)酵產(chǎn)氣是實現(xiàn)餐廚垃圾減量化、資源化和無害化處理較安全可行的方法。目前餐廚垃圾常用的生物處理技術(shù)包括蚯蚓堆肥、好氧堆肥和厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣，其中好氧堆肥和厭氧發(fā)酵是迄今為止技術(shù)較成熟且研究應(yīng)用最廣泛的2種生物處理技術(shù)，餐廚垃圾經(jīng)生物處理后可生產(chǎn)出有機(jī)肥和生物氣等高附加值的產(chǎn)品［6］。

2 餐廚垃圾的微生物處理技術(shù)

2.1 餐廚垃圾好氧堆肥技術(shù)

2.1.1 好氧堆肥的原理及工藝系統(tǒng)

好氧堆肥是在有氧條件下，利用好氧微生物的新陳代謝活動將堆體中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為易于被動植物利用的飼料或肥料。好氧堆肥堆體溫度較高，一般在50～60℃，也稱為高溫好氧堆肥。堆肥過程一般分為2個階段，第1階段是高速堆肥階段，第2階段是熟化階段，通常在堆肥過程中需投加添加劑，以提高堆肥底物的可生物降解性和增加堆體通風(fēng)性能。好氧堆肥技術(shù)降解有機(jī)質(zhì)速度快、堆料分解徹底，同時能有效殺滅病原微生物，是處理高有機(jī)質(zhì)固體廢物的一種有效手段。

好氧堆肥的工藝系統(tǒng)主要有條垛式、強制通風(fēng)靜態(tài)垛式和反應(yīng)器系統(tǒng)（也稱發(fā)酵倉） 3類。反應(yīng)器式系統(tǒng)是一種環(huán)境可控的堆肥方式，通過對物料封閉的容器控制通風(fēng)和水分條件，使物料進(jìn)行生物降解和轉(zhuǎn)化。其不同于前2種系統(tǒng)的最大特點在于相對于外部環(huán)境的獨立性，因此在實驗中反應(yīng)器系統(tǒng)得到了廣泛的研究與應(yīng)用，常用的反應(yīng)器堆肥系統(tǒng)有固定床式、包裹倉式、旋轉(zhuǎn)倉式和攪動倉式等［8］。

2.1.2 好氧堆肥的影響因素及研究進(jìn)展

好氧堆肥技術(shù)廣泛應(yīng)用于城市生活垃圾、污泥和家禽糞便等高有機(jī)質(zhì)固體廢物的處理［9-12］。餐廚垃圾的有機(jī)物含量高，營養(yǎng)元素豐富，C/N適中，非常適用于作堆肥原料，因此在我國的一些大中型城市也逐漸將好氧堆肥法作為餐廚垃圾資源化處理的一種方式，例如北京市南宮餐廚垃圾好氧堆肥處理廠［13］。目前餐廚垃圾好氧堆肥的研究主要集中在堆肥微生物的選擇和控制、堆肥反應(yīng)器的改進(jìn)、工藝條件控制優(yōu)化以及堆肥添加劑的應(yīng)用等方面。

微生物種類和活性是影響堆肥熟化時間和堆肥質(zhì)量最重要的因素。好氧微生物吸收利用有機(jī)物的能力取決于它們產(chǎn)生的可以分解底物酶的活性，堆肥底物越復(fù)雜，所需要的酶系統(tǒng)就越多且越綜合。好氧堆肥中有機(jī)底物的降解主要是以細(xì)菌、放線菌和真菌等為主的微生物共同作用的結(jié)果，在堆肥過程的不同階段存在不同的優(yōu)勢菌群，在常溫期（＜55℃） 和高溫期（＞55℃） 微生物群落結(jié)構(gòu)差別較大［14-15］。通常影響微生物活性的生態(tài)因子，如水分、底物C/N、氧含量、溫度和pH等均影響好氧堆肥過程，因此在好氧堆肥過程中需合理控制這些生態(tài)因子，以使微生物對有機(jī)底質(zhì)的分解處于最佳的水平［8，15］。

專家學(xué)者對影響餐廚垃圾好氧堆肥過程的工藝條件進(jìn)行了大量的研究和優(yōu)化。J．I．Chang 等［16］利用自制食物殘渣好氧堆肥實驗研究表明，該類垃圾堆肥可在4 d內(nèi)完成，堆肥過程分為2個階段，第1階段發(fā)生在8～12 h，最高溫度為48～52℃，第2階段發(fā)生在55～65 h，最高溫度為55～62℃，堆肥過程中CO2的形成和O2的利用率與溫度成線性關(guān)系。韓濤等［17］在討論單一因素對餐廚垃圾堆肥進(jìn)程影響的基礎(chǔ)上，對餐廚垃圾好氧堆肥的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，通過實驗得出的最佳堆肥條件為環(huán)境溫度40℃、含水率50%、粒徑30 mm、通風(fēng)量4 L/min，其中環(huán)境溫度對堆肥過程影響最為明顯。席北斗等［18］研究了不同蓬松劑對餐廚垃圾堆肥過程中理化特性的影響，結(jié)果表明添加馬糞和鋸末可明顯改善堆料孔隙率，吸收多余水分，同時加速氧和有機(jī)物的傳輸速率，改善好氧堆肥的微環(huán)境。楊延梅等［19］研究了廚余和泔腳分別與木屑混合后好氧堆肥過程中微生物和氮素的變化情況，結(jié)果表明：與廚余堆肥相比，泔腳堆肥具有初始水溶性高、堆肥pH低、高溫持續(xù)時間長、CO2釋放率高、氮素?fù)p失低和肥料含氮量高等特點。2.1.3 好氧堆肥存在的問題及研究方向

餐廚垃圾好氧堆肥的優(yōu)點是處理方法簡單、堆肥產(chǎn)品中能保留較多的氮，可用于農(nóng)業(yè)或制作動物飼料，其缺點是占地面積大、堆肥周期長，同時餐廚垃圾中的高鹽分含量不利于微生物的生長，制約了好氧堆肥處理技術(shù)的堆肥效果和質(zhì)量。

今后應(yīng)著重研究餐廚垃圾的脫鹽工藝以及餐廚垃圾中的鹽分對堆肥過程中微生物活性和堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的影響，同時加快研究開發(fā)自動化和機(jī)械化程度較高的好氧堆肥生化反應(yīng)器，通過改進(jìn)堆肥反應(yīng)器和優(yōu)化工藝條件縮短堆肥周期，提高堆肥產(chǎn)品質(zhì)量，同時減小堆肥過程中的臭氣對環(huán)境的影響。

2.2 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵技術(shù)

2.2.1 厭氧發(fā)酵對有機(jī)質(zhì)的降解機(jī)理

厭氧發(fā)酵是一個多步驟、多種微生物參與的過程。厭氧發(fā)酵被普遍認(rèn)為是一個3階段的復(fù)雜反應(yīng)過程，即水解階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段［20］。在整個厭氧發(fā)酵過程中，通過3大類菌群（發(fā)酵性細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌）的相互協(xié)同作用，最終使復(fù)雜的有機(jī)物降解為CH4、H2和 CO2等氣體。

厭氧發(fā)酵過程中有機(jī)質(zhì)的降解機(jī)理主要包括丁酸型、丙酸型和乙醇型3種類型?？扇苄蕴妓衔铮ㄈ缣穷惡偷矸鄣龋┑陌l(fā)酵類型以丁酸型為主，發(fā)酵的主要末端產(chǎn)物為丁酸、乙酸、H2、CO2和少量的丙酸；含氮有機(jī)化合物主要以丙酸型發(fā)酵為主，其特點是氣體的產(chǎn)生量很少；乙醇型發(fā)酵的末端發(fā)酵產(chǎn)物以乙酸、乙醇為主，發(fā)酵液中含有大量的H＋，對產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷都有優(yōu)勢。

2.2.2 厭氧發(fā)酵的影響因素及研究進(jìn)展

目前餐廚垃圾的厭氧發(fā)酵技術(shù)研究主要集中在水解酸化工藝及反應(yīng)器的設(shè)計、產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷菌種的選擇與分離、發(fā)酵過程工藝條件的優(yōu)化以及兩相法產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷等方面。

對于餐廚垃圾這種大分子有機(jī)物來說，蛋白質(zhì)、糖類和脂肪等大分子的降解十分重要，水解酸化程度的高低將直接影響生物氣的產(chǎn)率，水解酸化程度的好壞除了與操作條件有關(guān)外，還與反應(yīng)器的設(shè)計構(gòu)造有關(guān)。史紅鉆等［21］對酸化反應(yīng)器做了改進(jìn)，實現(xiàn)了酸化液與未消化固體物料的分離，可將水解酸化過程中產(chǎn)生的酸化液及時地提取出來，而未消化的固體物料則繼續(xù)留在酸化反應(yīng)器進(jìn)行酸化，達(dá)到了對未消化物料的徹底酸化。B．Zhang等［22］研究了兩相法中pH對餐廚垃圾酸化過程的影響，結(jié)果表明在pH＝7時，86%的總有機(jī)碳（TOD）處于溶解性狀態(tài)，大多數(shù)蛋白質(zhì)可被降解形成氨氮，氨氮增加了體系對酸的緩沖能力，因此提高了餐廚垃圾的水解與酸化速率，同時酸化產(chǎn)物中乳酸的濃度相對更低，這給后續(xù)的產(chǎn)甲烷階段創(chuàng)造了良好的條件。

餐廚垃圾厭氧產(chǎn)氫通常和水解酸化在同一個反應(yīng)器內(nèi)完成，產(chǎn)氫效率受產(chǎn)氫菌種、生態(tài)因子（如pH、氧化還原電位ORP、溫度和底物等）以及水力停留時間等因素的限制。通常利用產(chǎn)氫菌比產(chǎn)甲烷菌能耐受更寬的pH，產(chǎn)氫發(fā)酵細(xì)菌的生長速度比產(chǎn)甲烷菌快的特點［23-24］，通過改變pH和水力停留時間等參數(shù)來實現(xiàn)對產(chǎn)氫細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌動態(tài)分離，提高反應(yīng)器的產(chǎn)氫能力。任南琪等［25］在高效產(chǎn)氫菌的分離、產(chǎn)氫菌的生態(tài)因子優(yōu)化方面做了大量的研究工作。而在餐廚垃圾產(chǎn)氫的實驗研究中，產(chǎn)氫菌源則主要來自污泥，張振宏等［26］分別研究了活性污泥、礦化污泥和礦化垃圾作為產(chǎn)氫菌源對餐廚垃圾產(chǎn)氫的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)活性污泥的產(chǎn)氫效果最好，其氫氣濃度和產(chǎn)氫量分別為 47．1%和 100 mL/g。J．J．Lay 等［27］利用活性污泥作為發(fā)酵產(chǎn)氫菌源，利用不同化學(xué)組成的餐廚垃圾在反應(yīng)器中進(jìn)行了發(fā)酵產(chǎn)氫，結(jié)果表明富含糖類垃圾的產(chǎn)氫能力是脂類和蛋白質(zhì)類垃圾的 20倍。Z．K．Lee等［28］對廚余垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程的研究表明，在發(fā)酵溫度為55℃，pH在6．0～7．0時，發(fā)酵反應(yīng)速率最快，pH對發(fā)酵過程影響較小，COD的產(chǎn)氫率為0．48 mmol/g。楊占春等［29］利用高溫預(yù)處理過的活性污泥作為種泥，對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵制氫的工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，最終得到的氣體中氫氣的體積可達(dá)60%，氫氣的產(chǎn)生速率為 5．49 m3/（m3·d）。

產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷是一個相互競爭的過程，特別是產(chǎn)甲烷菌對pH的依賴性較強，水解酸化階段形成的酸性物質(zhì)可能抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，因此實驗研究中比較常見的是將產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷2個階段分開在不同的消化反應(yīng)器中進(jìn)行（兩相法）以提高底物的利用和產(chǎn)甲烷速率。兩相法產(chǎn)甲烷的研究主要集中在水解酸化反應(yīng)器的設(shè)計改進(jìn)以及運行工藝參數(shù)的優(yōu)化方面。S．Ghosh等［30］用試驗規(guī)模的單相反應(yīng)器和兩相反應(yīng)器處理餐廚垃圾，結(jié)果表明采用兩相處理工藝時甲烷量可以提高約20%。然而，盡管在研究報道上兩相法多于單相法，但在工業(yè)應(yīng)用方面，歐洲城市有機(jī)垃圾單相發(fā)酵占了絕對優(yōu)勢，兩相發(fā)酵僅占10．6%［31］，這可能是由于現(xiàn)有的兩相厭氧發(fā)酵工藝在消化時間和處理效果方面未表現(xiàn)出比單相明顯的優(yōu)勢，而在系統(tǒng)操作和維護(hù)方面卻比單相更加復(fù)雜的緣故。

兩相法也可以將產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷結(jié)合起來，即在第1反應(yīng)器酸化產(chǎn)氫，產(chǎn)氫殘渣經(jīng)調(diào)節(jié)后在第2反應(yīng)器進(jìn)行產(chǎn)甲烷。肖本益等［32］設(shè)計了1種餐廚垃圾兩相法厭氧消化產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷的技術(shù)，即將餐廚垃圾經(jīng)預(yù)處理后，進(jìn)入第1發(fā)酵罐進(jìn)行厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵，發(fā)酵后沼渣再進(jìn)入第2發(fā)酵罐進(jìn)行厭氧產(chǎn)甲烷，從而使餐廚垃圾中的有機(jī)質(zhì)得到充分利用。陳迪明［33］也對餐廚垃圾產(chǎn)氫后的殘渣進(jìn)行了產(chǎn)甲烷研究，結(jié)果表明在污泥接種量為60%時，產(chǎn)氫殘渣進(jìn)行靜態(tài)發(fā)酵獲得最高甲烷產(chǎn)率為441 mL/g，產(chǎn)氫殘渣動態(tài)發(fā)酵最大負(fù)荷為60 kg/（L·d），此時獲得甲烷平均產(chǎn)率為370 mL/g。

2.2.3 厭氧發(fā)酵存在的問題及研究方向

厭氧發(fā)酵技術(shù)處理餐廚垃圾能夠獲得甲烷和氫氣等清潔能源，可解決部分能源問題，同時發(fā)酵后的殘渣和沼液也可以作為肥料應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。餐廚垃圾厭氧產(chǎn)甲烷的工藝已比較成熟，在國外的工程應(yīng)用實例也較多，但由于餐廚垃圾有機(jī)質(zhì)含量高，厭氧處理過程中易酸化，酸化液會對產(chǎn)甲烷菌的活性產(chǎn)生明顯的抑制作用。而厭氧產(chǎn)氫仍處于實驗研究階段，雖然餐廚垃圾等混合底物厭氧產(chǎn)氫過程可行，但影響因素復(fù)雜，系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時產(chǎn)氫菌的產(chǎn)氫能力不高成為限制該技術(shù)發(fā)展的重要因素。

因此，在現(xiàn)有餐廚垃圾厭氧發(fā)酵研究的基礎(chǔ)上，以餐廚垃圾厭氧發(fā)酵工程化應(yīng)用為目的，同時結(jié)合有機(jī)垃圾的厭氧發(fā)酵處理工藝，進(jìn)一步分析餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的機(jī)理并對厭氧發(fā)酵過程的相關(guān)工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，通過選育培養(yǎng)高效產(chǎn)氣菌種和調(diào)控優(yōu)勢菌種的微生物生態(tài)因子提高產(chǎn)氣速率和生物氣濃度，同時進(jìn)一步開展兩相法產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷的研究，通過改進(jìn)發(fā)酵反應(yīng)器和優(yōu)化工藝條件提高底物的利用率。

3 結(jié)束語

餐廚垃圾是一類高有機(jī)質(zhì)、高含水率的資源型廢物，由于其易被微生物所分解，使得生物技術(shù)成為處理此類垃圾的主要方法。利用生物法處理餐廚垃圾不僅對環(huán)境的二次污染小，而且可以有效地回收資源，目前餐廚垃圾安全有效的處理方法是微生物好氧堆肥和厭氧發(fā)酵制生物氣。

堆肥處理的成本相對較低，而且處理工藝簡單，而厭氧發(fā)酵制生物氣雖然投資大，但操作自動化程度高，而且可以解決部分能源問題，因此這2種方法成為近年來餐廚垃圾資源化處理的主要研究方向和應(yīng)用方案。今后在大力推廣此類集中式餐廚垃圾資源化處理工藝的同時，還應(yīng)注重研究和推動小型餐廚垃圾處理設(shè)備，逐步實現(xiàn)家庭餐廚垃圾的“三化”處理，只有將大型集中式和小型分散式處理方式結(jié)合起來，才能從根本上解決我國餐廚垃圾的污染問題。

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Research Progress of Microorganism Technology for Food Waste Treatment

Liu Yun,Li Xiaojiao,Yuan Jin
（Shanxi Ecological Environment Research Center,Taiyuan Shanxi 030002）

Based on analysis of present treatment technologies of food waste,research progress and influencing factors of two kinds of microorganism technologies for food waste treatment were introduced,including aerobic composting and anaerobic fermentation (producing hydrogen and methane)．Existing problems and research direction of the microorganism technologies applied in food waste treatment were discussed．

food waste；microorganism treatment；aerobic composting；anaerobic fermentation

X705；X172

A

1005-8206（2011）04-0028-04

2011-05-12

劉云（1983—），工程師，主要從事固體廢物處理處置技術(shù)研究。

E-mail：liuyun1494@163．com。

（責(zé)任編輯：劉冬梅）