餐廚垃圾的微生物處理技術研究進展

1.餐廚垃圾的主要處理方法
在我國城市生活垃圾結構中，餐廚垃圾所占的比例為30%-50%，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。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是現階段規范化處理餐廚垃圾的主流工藝。我國餐廚垃圾規范化管理和處理尚處于起步階段，多數城市尚未建立餐廚垃圾收運監管體系和集中處置設施，部分餐廚垃圾被非法收運進入地下作坊，提煉地溝油的現象仍然存在。
餐廚垃圾混入生活垃圾中進入填埋場不僅占用大量的庫容，而且滲瀝液中產生的大量高濃度有機污染物，大大增加了填埋場滲瀝液處理的負荷和難度；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生二惡英等，造成環境的二次污染。另外，餐廚垃圾焚燒、填埋處理還會導致大量有機物的浪費，因此許多國家和地區（如美國、歐盟、韓國和日本等）已經出臺多項法律法規，嚴禁將餐廚垃圾作為普通生活垃圾進行填埋和焚燒處置。
餐廚垃圾中含有大量的營養元素和有機物質使其作為飼料具有一定的優勢，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。飼料化技術主要指將餐廚垃圾經物理法高溫消毒和烘干粉碎后制成動物飼料或經微生物發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，而經微生物發酵后雖然可以提高飼料的營養價值、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化，所以仍然可能存在蛋白同源性污染問題。因此飼料化技術處理餐廚垃圾的安全性問題是今后值得研究的課題。
根據餐廚垃圾有機質含量高和易生物降解的特點，采用生物處理技術進行堆肥或發酵產氣是實現餐廚垃圾減量化、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包括蚯蚓堆肥、好氧堆肥和厭氧發酵產氣，其中好氧堆肥和厭氧發酵是迄今為止技術較成熟且研究應用最廣泛的2種生物處理技術，餐廚垃圾經生物處理后可生產出有機肥和生物氣等高附加值的產品。
2.餐廚垃圾的微生物處理技術
2.1餐廚垃圾好氧堆肥技術
2.1.1好氧堆肥的原理及工藝系統
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質轉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性能。好氧堆肥技術降解有機質速度快、堆料分解徹底，同時能有效殺滅病原微生物，是處理高有機質固體廢物的一種有效手段。
好氧堆肥的工藝系統主要有條垛式、強制通風靜態垛式和反應器系統（也稱發酵倉）3類。反應器式系統是一種環境可控的堆肥方式，通過對物料封閉的容器控制通風和水分條件，使物料進行生物降解和轉化。其不同于前2種系統的最大特點在于相對于外部環境的獨立性，因此在實驗中反應器系統得到了廣泛的研究與應用，常用的反應器堆肥系統有固定床式、包裹倉式、旋轉倉式和攪動倉式等。
2.1.2好氧堆肥的影響因素及研究進展
好氧堆肥技術廣泛應用于城市生活垃圾、污泥和家禽糞便等高有機質固體廢物的處理。餐廚垃圾的有機物含量高，營養元素豐富，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。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、堆肥反應器的改進、工藝條件控制優化以及堆肥添加劑的應用等方面。
微生物種類和活性是影響堆肥熟化時間和堆肥質量最重要的因素。好氧微生物吸收利用有機物的能力取決于它們產生的可以分解底物酶的活性，堆肥底物越復雜，所需要的酶系統就越多且越綜合。好氧堆肥中有機底物的降解主要是以細菌、放線菌和真菌等為主的微生物共同作用的結果，在堆肥過程的不同階段存在不同的優勢菌群，在常溫期（<55℃）和高溫期（>55℃）微生物群落結構差別較大。通常影響微生物活性的生態因子，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因子，以使微生物對有機底質的分解處于最佳的水平。

專家學者對影響餐廚垃圾好氧堆肥過程的工藝條件進行了大量的研究和優化。J.I.Chang等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4d內完成，堆肥過程分為2個階段，第1階段發生在8-12h，最高溫度為48-52℃，第2階段發生在5565h，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系。韓濤等在討論單一因素對餐廚垃圾堆肥進程影響的基礎上，對餐廚垃圾好氧堆肥的工藝條件進行優化，通過實驗得出的最佳堆肥條件為環境溫度40℃、含水率50%、粒徑30mm、通風量4L/min，其中環境溫度對堆肥過程影響最為明顯。席北斗等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，同時加速氧和有機物的傳輸速率，改善好氧堆肥的微環境。楊延梅等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，結果表明：與廚余堆肥相比，潛腳堆肥具有初始水溶性高、堆肥pH低、高溫持續時間長、CO2釋放率高、氮素損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點是處理方法簡單、堆肥產品中能保留較多的氮，可用于農業或制作動物飼料，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的堆肥效果和質量。
今后應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品質量的影響，同時加快研究開發自動化和機械化程度較高的好氧堆肥生化反應器，通過改進堆肥反應器和優化工藝條件縮短堆肥周期，提高堆肥產品質量，同時減小堆肥過程中的臭氣對環境的影響。
2.2餐廚垃圾厭氧發酵技術
2.2.1厭氧發酵對有機質的降解機理
厭氧發酵是一個多步驟、多種微生物參與的過程。厭氧發酵被普遍認為是一個3階段的復雜反應過程，即水解階段、產氫產乙酸階段和產甲烷階段。在整個厭氧發酵過程中，通過3大類菌群（發酵性細菌、產氫產乙酸菌和產甲烷菌）的相互協同作用，最終使復雜的有機物降解為CH4、H2和CO2等氣體。
厭氧發酵過程中有機質的降解機理主要包括丁酸型、丙酸型和乙醇型3種類型。可溶性碳水化合物（如糖類和淀粉等）的發酵類型以丁酸型為主，發酵的主要末端產物為丁酸、乙酸、H2、CO2和少量的丙酸；含氮有機化合物主要以丙酸型發酵為主，其特點是氣體的產生量很少；乙醇型發酵的末端發酵產物以乙酸、乙醇為主，發酵液中含有大量的H+，對產氫和產甲烷都有優勢。
2.2.2厭氧發酵的影響因素及研究進展
目前餐廚垃圾的厭氧發酵技術研究主要集中在水解酸化工藝及反應器的設計、產氫和產甲烷菌種的選擇與分離、發酵過程工藝條件的優化以及兩相法產氫和產甲烷等方面。
對于餐廚垃圾這種大分子有機物來說，蛋白質、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率，水解酸化程度的好壞除了與操作條件有關外，還與反應器的設計構造有關。史紅鉆等對酸化反應器做了改進，實現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生的酸化液及時地提取出來，而未消化的固體物料則繼續留在酸化反應器進行酸化，達到了對未消化物料的徹底酸化。B.Zhang等研究了兩相法中pH對餐廚垃圾酸化過程的影響，結果表明在pH=7時，86%的總有機碳（TOD）處于溶解性狀態，大多數蛋白質可被降解形成氨氮，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，同時酸化產物中乳酸的濃度相對更低，這給后續的產甲烷階段創造了良好的條件。
餐廚垃圾厭氧產氫通常和水解酸化在同一個反應器內完成.產氫效率受產氫菌種、生態因子（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。通常利用產氫菌比產甲烷菌能耐受更寬的pH，產氫發酵細菌的生長速度比產甲烷菌快的特點，通過改變pH和水力停留時間等參數來實現對產氫細菌和產甲烷細菌動態分離.提高反應器的產氫能力。任南琪等在高效產氫菌的分離、產氫菌的生態因子優化方面做了大量的研究工作。而在餐廚垃圾產氫的實驗研究中，產氫菌源則主要來自污泥，張振宏等分別研究了活性污泥、礦化污泥和礦化垃圾作為產氫菌源對餐廚垃圾產氫的影響，結果發現活性污泥的產氫效果最好，其氫氣濃度和產氫量分別為47.1%和100mL/g。J.J.Lay等利用活性污泥作為發酵產氫菌源，利用不同化學組成的餐廚垃圾在反應器中進行了發酵產氫，結果表明富含糖類垃圾的產氫能力是脂類和蛋白質類垃圾的20倍。Z.K.Lee等對廚余垃圾厭氧發酵產氫過程的研究表明，在發酵溫度為55℃，pH在6.0-7.0時，發酵反應速率最快，pH對發酵過程影響較小，COD的產氫率為0.48mmol/g。楊占春等利用高溫預處理過的活性污泥作為種泥，對餐廚垃圾厭氧發酵制氫的工藝條件進行了優化，最終得到的氣體中氫氣的體積可達60%，氫氣的產生速率為5.49m3/（m3?d）。產氫和產甲烷是一個相互競爭的過程，特別是產甲烷菌對pH的依賴性較強，水解酸化階段形成的酸性物質可能抑制產甲烷菌的活性，因此實驗研究中比較常見的是將產酸和產甲烷2個階段分開在不同的消化反應器中進行（兩相法）以提高底物的利用和產甲烷速率。兩相法產甲烷的研究主要集中在水解酸化反應器的設計改進以及運行工藝參數的優化方面。S.Ghosh等用試驗規模的單相反應器和兩相反應器處理餐廚垃圾，結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，但在工業應用方面，歐洲城市有機垃圾單相發酵占了絕對優勢，兩相發酵僅占10.6%，這可能是由于現有的兩相厭氧發酵工藝在消化時間和處理效果方面未表現出比單相明顯的優勢，而在系統操作和維護方面卻比單相更加復雜的緣故。
兩相法也可以將產氫和產甲烷結合起來，即在第1反應器酸化產氫，產氫殘渣經調節后在第2反應器進行產甲烷。肖本益等設計了1種餐廚垃圾兩相法厭氧消化產氫產甲烷的技術，即將餐廚垃圾經預處理后，進入第1發酵罐進行厭氧產氫發酵，發酵后沼渣再進入第2發酵罐進行厭氧產甲烷，從而使餐廚垃圾中的有機質得到充分利用。陳迪明也對棍廚垃圾產氫后的殘渣進行了產甲烷研究，結果表明在污泥接種量為60%時，產氫殘渣進行靜態發酵獲得最高甲烷產率為441mL/g，產氫殘渣動態發酵最大負荷為60kg/（L?d），此時獲得甲烷平均產率為370mL/g。
2.2.3厭氧發酵存在的問題及研究方向
厭氧發酵技術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，同時發酵后的殘渣和沼液也可以作為肥料應用于農業生產。餐廚垃圾厭氧產甲烷的工藝已比較成熟，在國外的工程應用實例也較多，但由于餐廚垃圾有機質含量高，厭氧處理過程中易酸化，酸化液會對產甲烷菌的活性產生明顯的抑制作用。而厭氧產氫仍處于實驗研究階段，雖然餐廚垃圾等混合底物厭氧產氫過程可行，但影響因素復雜，系統不穩定，同時產氫菌的產氫能力不高成為限制該技術發展的重要因素。
因此，在現有餐廚垃圾厭氧發酵研究的基礎上，以餐廚垃圾厭氧發酵工程化應用為目的，同時結合有機垃圾的厭氧發酵處理工藝，進一步分析餐廚垃圾厭氧發酵的機理并對厭氧發酵過程的相關工藝條件進行優化，通過選育培養高效產氣菌種和調控優勢菌種的微生物生態因子提高產氣速率和生物氣濃度，同時進一步開展兩相法產氫產甲烷的研究，通過改進發酵反應器和優化工藝條件提高底物的利用率。
3結束語
餐廚垃圾是一類高有機質、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，還應注重研究和推動小型餐廚垃圾處理設備，逐步實現家庭餐廚垃圾的“三化”處理，只有將大型集中式和小型分散式處理方式結合起來，才能從根本上解決我國餐廚垃圾的污染問題。
參考文獻略