蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵研究進展

◎ 劉紅軍，胡俊凱，劉永德，蘇增琛

（河南工業(yè)大學，河南 鄭州 450001）

1 概述

近年來，我國一直大力推進農(nóng)村發(fā)展，扶持農(nóng)產(chǎn)品種植，并取得了巨大成效。隨著我國農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，蔬菜成為繼糧食之后的第二種植業(yè)。據(jù)糧農(nóng)組織統(tǒng)計，我國的蔬菜產(chǎn)量占世界蔬菜總產(chǎn)量的49%，且種植面積居世界第一[1]。由于蔬菜的含水率高、易腐爛、不耐儲藏，在收獲和銷售的過程中會產(chǎn)生大量廢棄物。目前，我國超過30%的蔬菜以蔬菜廢棄物的形式流入固體廢物處理處置體系，以2020年為例，我國蔬菜種植2 089萬km2，年產(chǎn)7.35億t，按照30%的廢棄率計算，大約產(chǎn)生2.21億t蔬菜廢棄物。它們的成分主要為可溶性糖、脂肪、蛋白質(zhì)、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，如果處理不當，不僅導致資源浪費，還會造成環(huán)境污染。因此，蔬菜廢棄物的合理處置和有效利用成為十分重要的問題[2-3]。

1.1 特性

蔬菜廢棄物的成分和特性因土地、氣候、溫度和濕度的不同而呈現(xiàn)一定的差異。大致包含以下特點。①含水率較高，為90%左右，不耐儲存、易腐爛，會產(chǎn)生滲濾液，不僅對環(huán)境造成污染，還導致了資源的浪費。②有機質(zhì)含量較高，揮發(fā)性固體含量在80%以上，營養(yǎng)成分豐富，鉀含量0.49%～5.37%，氮含量3%～4%，并且蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)較多，具有較高的利用價值[4]。

1.2 危害

（1）污染大氣。蔬菜廢棄物含水率高，極易腐爛變質(zhì)，在轉(zhuǎn)運和堆積的過程中會產(chǎn)生氨氣、硫化氫、甲硫醇等，釋放到環(huán)境中，導致空氣污染[5]。

（2）污染水體。蔬菜廢棄物的長期堆放會產(chǎn)生大量的滲濾液，這些滲濾液經(jīng)土壤滲透和雨水徑流等方式，污染地下水和地表水，以致造成水體污染。若這些廢棄物被隨意丟棄河流、湖泊或海洋，會引起更嚴重的污染[6]。

（3）傳播病菌。蔬菜廢棄物會受到病菌直接或非直接地侵染，因此，其自身可能會攜帶某些病菌，會造成莖腐病、黑根病和黑腐病等病害[6]。這些病菌一般通過水體、大氣等途徑傳播，并且在這些環(huán)境中會存活一段時間。同時，蔬菜廢棄物會促使蚊蠅等攜帶病菌的腐生寄生蟲快速增殖，影響公共衛(wèi)生，尤其是人體的健康[7]。

（4）養(yǎng)分流失。蔬菜廢棄物的主要產(chǎn)生地是蔬菜種植基地和農(nóng)貿(mào)市場。以干基計，其氮含量占3%～4%， 磷含量占0.3%～0.5%[8]。我國每年蔬菜廢棄物產(chǎn)量大約為2.21億t，如果不能有效處理利用，每年損失的氮養(yǎng)分約773.5萬t、磷養(yǎng)分約88.4萬t。

2 蔬菜廢棄物處理方式

目前，我國蔬菜廢棄物的處理方式主要包含粉碎直排、填埋、焚燒、堆肥、飼料化和厭氧發(fā)酵[9]。這些處理方式對蔬菜廢棄物的減量化和資源化有一定的貢獻，但仍然存在一些缺陷。

2.1 粉碎直排

通過攪碎機將蔬菜廢棄物直接進行攪拌和打碎，使其轉(zhuǎn)變成細小碎末，然后排至城市的污水管道系統(tǒng)，進入污水處理廠處理，這可能會導致管道堵塞和污水處理效率變差。另外，這種粉碎直排方式還造成蔬菜廢棄物潛在價值的浪費。

2.2 填埋

填埋處理方式，其操作工藝簡便、成本低。蔬菜廢棄物的含水率高，有機物含量大，若將其直接填埋，易產(chǎn)生有毒有害的滲濾液，直接造成土壤和地下水嚴重污染，且會產(chǎn)生填埋氣，如果不加以利用，會對大氣造成污染[10]。

2.3 焚燒

焚燒是將蔬菜廢棄物置于焚燒爐內(nèi)，通過高溫燃燒，實現(xiàn)減容化、減量化的過程。但由于蔬菜廢棄物的含水率較高，低位熱值低，高溫燃燒時需要進行預處理或者添加助燃劑，使處理成本大幅度增加，并且在焚燒過程中會產(chǎn)生有毒煙氣，破壞空氣質(zhì)量。此外，這種處理方式不能實現(xiàn)蔬菜廢棄物的資源回收[11]。

2.4 堆肥

堆肥通常采用好氧工藝，好氧微生物利用蔬菜廢棄物中的可降解有機物進行代謝，并進一步轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)。蔬菜廢棄物中的氮、磷等營養(yǎng)元素豐富，用堆肥的方式來處理具有一定的優(yōu)勢，但由于好氧堆肥需要通風，用于供氧、除濕和降溫，消耗大量能量，且蔬菜廢棄物發(fā)酵過程中會產(chǎn)生滲濾液造成環(huán)境污染[12]。

2.5 飼料化

飼料化是將收集的蔬菜廢棄物進行脫水、干燥、破碎，再經(jīng)過消毒滅菌和微生物發(fā)酵，制成高蛋白飼料的過程。蔬菜廢棄物有機物豐富、成本低廉，獲得的飼料營養(yǎng)全面、利潤較高[21]。但其不合理堆存，易造成腐爛變質(zhì)，大量病菌伴隨而生，若消毒不充分，禽畜被喂食后容易感染疾病，人們食用會間接感染疾病，造成食品安全隱患[13]。

2.6 厭氧發(fā)酵

厭氧發(fā)酵是微生物在無氧環(huán)境中，經(jīng)過一系列的代謝活動，將蔬菜廢棄物中的可降解有機物（如糖類、脂肪、蛋白質(zhì)）轉(zhuǎn)化為有機酸，進而轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳等產(chǎn)物的過程。厭氧發(fā)酵技術(shù)處理蔬菜廢棄物不需要通風、能耗低，還可以得到較高價值的資源化產(chǎn)品，如揮發(fā)性脂肪酸、甲烷，可回收利用且應(yīng)用廣泛。在利用蔬菜廢棄物發(fā)酵產(chǎn)甲烷的研究中，發(fā)現(xiàn)其快速水解會導致酸積累，抑制甲烷的生成。因此，將蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣轉(zhuǎn)化為產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸可能更有效[14]。

3 厭氧發(fā)酵原理

厭氧發(fā)酵包含3個階段，水解發(fā)酵段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸段和產(chǎn)甲烷段，分別由水解發(fā)酵菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌起主導作用，如圖1所示[15]。

（1）水解發(fā)酵段。水解發(fā)酵菌產(chǎn)生水解酶，將纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)和脂肪等有機物分解為葡萄糖、氨基酸和脂肪酸，而后進一步發(fā)酵，轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸、乳酸、醇和氨等小分子物質(zhì)。溫度、pH值、基質(zhì)組成和產(chǎn)物濃度等因素會影響水解發(fā)酵過程。

（2）產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸段。厭氧條件下，在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌作用下，酸和醇發(fā)生β氧化，產(chǎn)生乙酸、H2，并通過產(chǎn)甲烷菌消耗H2，來緩解H2對產(chǎn)乙酸過程的抑制，可認為產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌存在共生關(guān)系。

（3）產(chǎn)甲烷段。在產(chǎn)甲烷菌作用下，乙酸、H2和CO2，或甲醇等含甲基底物生成甲烷。根據(jù)底物的不同，可分為乙酸營養(yǎng)型甲烷化、氫營養(yǎng)型甲烷化和甲基營養(yǎng)型甲烷化3種形式[16]。雖然厭氧發(fā)酵過程分為3個階段，但是在厭氧反應(yīng)器中，3個階段是同時進行的，并保持著某種動態(tài)平衡，這種平衡受到pH值、溫度、接種和原料種類等因素的影響。厭氧發(fā)酵示意圖見圖1。

圖1 厭氧發(fā)酵示意圖

4 厭氧發(fā)酵研究現(xiàn)狀

目前，蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵的研究備受關(guān)注，其技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟。付勝濤等[17]對國內(nèi)外采用厭氧發(fā)酵技術(shù)處理果蔬廢棄物的資源化工藝進行了探討，從處理效率和產(chǎn)氣能力兩個方面來分析，發(fā)現(xiàn)厭氧發(fā)酵能夠得到較高的處理效率和產(chǎn)氣能力。劉榮厚等[18]利用在實驗室所設(shè)計的小型厭氧發(fā)酵裝置，以甘藍為發(fā)酵原料進行了厭氧發(fā)酵，探究了其產(chǎn)沼氣的能力，發(fā)現(xiàn)其具有良好的產(chǎn)氣能力。王艷飛等[19]利用蔬菜廢棄物，在所設(shè)計的反應(yīng)器中添加污泥作為接種物，探究其厭氧發(fā)酵效率，得到了較高的揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)率。VITURTIA等[20]研究了水果和蔬菜廢棄物，將兩者進行混合厭氧發(fā)酵，對反應(yīng)器的條件進行優(yōu)化，確定了最佳的反應(yīng)條件，并做出了進一步改善，使生物降解率達到了80%以上。BOUALLAGUI等[21]以水果和蔬菜廢棄物為原料，探究了厭氧發(fā)酵技術(shù)對有機質(zhì)和能量的回收潛力，使用不同類型的反應(yīng)器，并添加了微生物，在不同的操作條件下探究其發(fā)酵性能，發(fā)現(xiàn)其可以將70%～94%的有機物轉(zhuǎn)化為沼氣。

厭氧發(fā)酵也存在一定的局限性。蔬菜廢棄物的快速水解和酸化導致反應(yīng)器的pH值快速下降，從而抑制產(chǎn)甲烷過程。鑒于此，需要進一步探討使其產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸，而不產(chǎn)甲烷的方法。當然這些研究還存在許多不足，需進一步完善和改進，目前也在吸引大量學者的關(guān)注，但是通過這些研究可以了解到，通過厭氧發(fā)酵處理蔬菜廢棄物能夠回收其有機質(zhì)，實現(xiàn)資源化，是一種非常有效、節(jié)能和環(huán)保的工藝[22]。

5 厭氧發(fā)酵的主要影響因素

5.1 初始pH值

在強酸性或強堿性條件下，大多數(shù)產(chǎn)酸菌不能生存，因此，產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸的pH值范圍一般為4～11。同時，廢棄物類型不同，最佳pH值范圍也可能不同。蔬菜廢棄物在pH值為7時，水解發(fā)酵效果最佳，所含的碳水化合物溶解率最高[23]。污泥為底物進行發(fā)酵時，最佳pH值為8～11，堿性條件使胞外聚合物的帶電基團電離而促進污泥水解，胞外聚合亞基之間產(chǎn)生排斥力，促使碳水化合物和蛋白質(zhì)被釋放。此外，堿性環(huán)境不利于甲烷生成，從而阻礙了對所產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸的消耗，有利于揮發(fā)性脂肪酸的積累。在pH值為4～4.5時，乳品廢液有利于丙酸的生成，而在pH值為6～6.5時，有利于乙酸和丁酸的生成[24]。

5.2 接種

接種對有機物厭氧發(fā)酵過程的運行效果和穩(wěn)定性有非常重要的作用。接種量較少時，將會造成發(fā)酵系統(tǒng)中微生物數(shù)量不足（主要是產(chǎn)酸菌），而微生物接種初期還需要一段時間適應(yīng)，易導致發(fā)酵所需的時間增加，并伴隨著揮發(fā)性脂肪酸的生成速率降低。而接種量過多時，如果要保證處理效率仍處于較高的條件，厭氧反應(yīng)器的工作容積需改變。目前，固體廢棄物的厭氧發(fā)酵，接種物大多采用厭氧生物[25]。

5.3 溫度

厭氧發(fā)酵過程中，溫度會改變反應(yīng)器內(nèi)的酶活性并影響一些關(guān)鍵的生物過程。以蔬菜廢棄物為基質(zhì)，研究其發(fā)酵過程，相關(guān)研究結(jié)果表明，中溫（約35 ℃）條件下?lián)]發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)量明顯大于高溫和低溫，中溫條件可以加速復雜有機物的水解，從而造成大量揮發(fā)性脂肪酸積累，并且揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)率更穩(wěn)定，需要的熱量更少。相關(guān)研究結(jié)果指出，中溫條件不僅能夠加速底物的水解，還能夠有效地促進發(fā)酵液中微生物的生長、繁殖，提高揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)率[26]。

5.4 原料種類

底物特性是影響揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量和產(chǎn)物組成的重要因素之一。有學者研究了不同底物的發(fā)酵類型，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵液中揮發(fā)性脂肪酸的分布和產(chǎn)量受到原料中有機物組成的顯著影響。有研究表明，具有較高蛋白質(zhì)的底物可使丙酸的占比增加，而在另一項研究中，蛋白質(zhì)的底物過高，限制了丙酸的生成。這可能與厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程中的微生物群落和功能酶有關(guān)[27]。例如，在高蛋白底物中添加碳水化合物可促進變形菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidetes）等優(yōu)勢微生物通過丙酸型代謝途徑產(chǎn)生丙酸[28]。在揮發(fā)性脂肪酸生產(chǎn)中，不同底物的產(chǎn)酸類型也存在差異，如植物蛋白（豆腐）的發(fā)酵類型是乙酸型發(fā)酵，動物蛋白（雞蛋）的發(fā)酵類型是混合酸型發(fā)酵。研究發(fā)現(xiàn)，以富含纖維素、半纖維素類物質(zhì)和富含單糖類物質(zhì)分別為基質(zhì)進行厭氧發(fā)酵，后者揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)率較大[29]。

6 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟水平和人們生活質(zhì)量的提高，蔬菜廢棄物的產(chǎn)量日益增加，其資源化、穩(wěn)定化、無害化處理已經(jīng)迫在眉睫。由于蔬菜廢棄物中含水率高，焚燒處理方式并不適合，其他一些處理方式，例如直接填埋會造成蔬菜廢棄物中有機物大量損失，并且會對地下水源造成污染。目前，厭氧發(fā)酵可實現(xiàn)蔬菜廢棄物的資源化，是一種環(huán)境友好、經(jīng)濟可行的技術(shù)。同時，影響蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵的因素有很多，需要進行更深入的探索，闡明其影響機理，使蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵的效率得到提升。