餐厨垃圾厌氧生物转化预处理技术研究进展*

董成耀，顾 霞，赵 磊，周永泉，李 响

（1.东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620；2.维尔利环保科技集团股份有限公司，江苏常州 213125；3.上海环境卫生工程设计院有限公司，上海 200232）

1 引言

餐厨垃圾是餐饮垃圾和厨余垃圾的总称。餐饮垃圾是指餐馆、饭店、单位食堂等的饮食剩余物以及后厨的果蔬、肉食、油脂、面点等的加工过程废弃物；厨余垃圾指家庭日常生活中丢弃的果蔬及食物下脚料、剩菜剩饭、瓜果皮等易腐有机垃圾。餐厨垃圾具有较高的含水率，富含碳水化合物、脂质和蛋白质等大分子物质，资源化利用程度低，是城市有机固体废物的重要组成部分［1］。

2021 年，全国餐厨垃圾产生量为1.27×108t，同比增长5.8%［2-3］。未经处理的餐厨垃圾暴露于环境中会导致严重的环境污染问题，产生的渗滤液也会对土壤和地下水造成严重污染［4］。生态环境部2019 年印发《“无废城市”建设试点实施方案编制指南》和《“无废城市”建设指标体系（试行）》，提出垃圾再生资源回收与高值资源化利用的具体任务［5］。2021 年9 月，中共中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，要求以绿色、低碳发展为关键，加强资源综合高效利用［6］，因此实现餐厨垃圾高值资源化是处理城市有机固废的关键目标。目前，厌氧发酵和好氧堆肥工艺是较为成熟的餐厨垃圾资源化处理技术，厌氧发酵因其碳排放量低、二次污染少、建设运营成本低等优点［7］，逐渐成为我国餐厨垃圾资源化利用的主要途径。

厌氧发酵主要分为3 个阶段［8］：①水解酸化阶段，微生物在胞外水解酶的作用下将溶解性大分子有机物转化为小分子有机物。例如溶解性多糖转化为葡萄糖，蛋白质转化为氨基酸，脂质水解为长链脂肪酸（Long Chain Fatty Acids，LCFAs）和甘油。随后葡萄糖在糖酵解阶段转化为丙酮酸，氨基酸脱氨基后，进一步转化为乙酸和丁酸，LCFAs 遵循β氧化机理被降解为乙酸和氢气，甘油被分解成1，3-丙二醇、乳酸和乙醇等［9-11］；②产氢产乙酸阶段，产氢产乙酸菌在兼性或严格厌氧条件下，将酸化阶段产生的丙酸、丁酸、戊酸、乙醇等进一步分解为乙酸和氢气。与此同时，同型产乙酸菌利用氢气和二氧化碳合成乙酸；③产甲烷阶段，嗜酸产甲烷菌利用乙酸分解产生甲烷，嗜氢产甲烷菌通过二氧化碳和氢气合成甲烷［12］。

现阶段，厌氧发酵生产甲烷已经广泛应用于餐厨垃圾的处理工艺中，而发酵中的水解阶段是主要的限速步骤，这是因为餐厨垃圾中含有大量的纤维素、油脂等物质，这些大分子物质难以被发酵功能菌快速利用，使得水解酸化的产酸效率大幅降低［13］。因此，为了提高餐厨垃圾的发酵效能，通常采用预处理技术：一方面可以减固增溶，加快有机质的水解进程；另一方面也可以定向富集微生物提高菌群生物量，从而稳定系统发酵效能。

因此，本研究对目前应用于工程的预处理技术、研究成熟的水热处理技术、处于发展阶段的生化预处理工艺以及新兴的预处理方法进行总结，以期为餐厨垃圾发酵处理工艺的建设和改进提供参考。

2 餐厨垃圾预处理工程应用

现阶段餐厨垃圾预处理已经形成了完整的体系，能够实现工程化，其处理流程如图1 所示。

图1 餐厨垃圾预处理工程应用的工艺流程Figure 1 Food waste pretreatment process flow for engineering applications

餐厨垃圾进料通常分为厨余垃圾进料及餐饮垃圾进料，厨余垃圾经过破袋滚筒筛等机械筛选后，进入生物水解反应器进行预水解，经过挤压脱水机和除杂装置进一步除渣；餐饮垃圾通过蒸煮加热，保证油脂与其他浆液充分混合，混合液经过三相分离机进行提油、除渣、液相出料等操作，油脂进一步回收；两条线的滤液最后进入厌氧发酵罐进行发酵产沼，供产热和发电使用；整个过程中会产生大量固渣，包括筛上物、三相固渣、脱水固渣、除杂固渣、发酵沼渣等，这些固渣均外运至焚烧厂处置。

2.1 机械筛分

餐厨垃圾中不仅富含蛋白质、淀粉等大分子物质，还含有油分及较多的惰性固体残渣，如塑料、陶瓷、骨头等。这些物质在厌氧发酵过程中难以降解，影响机械设备正常进行，因此筛分预处理十分必要。Agyeman 等［14］通过机械研磨的方法将餐厨垃圾的平均粒径从0.843 mm 降低至0.391 mm，大分子溶解率增加30%。吴元等［15］利用大物质分选机+制浆分选机进行两级分选处理餐厨垃圾，可去除80.87%的杂物，提高了筛分效率。汤晓艳等［16］开发了一种餐厨垃圾分选制浆方法，即餐厨垃圾原料输送到大物质分选机内，其中的大件杂物被打散，惰性杂物从大料出口排出，分选后的粗浆液再经精细制浆机破碎，轻质碎片从出料口抛出；该方法对纸张、金属、骨头玻璃陶瓷类、木竹、织物和塑料的去除率共计84.5%，而食物垃圾和油脂去除率仅为6.6%和7.0%，实现了对大件杂物以及难降解惰性杂物的高效分离，并最大程度减少油脂和有机物损失。

2.2 三相提油

餐厨垃圾中的油脂含量因地域分布、生活饮食习惯等原因存在一定的差异。据统计，1 t 餐厨垃圾油脂含量为0.045～0.070 t［17］，因此油脂回收是餐厨垃圾处理不可缺少的工序。目前我国的主要提油工艺是物料在筛分之后加热，再泵入三相分离机进行提油工序［18］。李梦雅等［18］在130～135 ℃条件下对餐厨垃圾进行高温湿解提油，提油率达到2.58%～8.72%。

2.3 生物水解

餐厨垃圾厌氧发酵能够通过产沼气等方式回收碳和能量，但由于发酵系统缓冲能力较差，发酵过程中的水解和酸化阶段产生的大量短链脂肪酸会严重抑制后续发酵。因此通过两级处理工艺，先将餐厨垃圾进行生物预水解，再将浆液输送至下一级发酵系统，可以有效提高系统的缓冲性能并确保不同微生物群落的最佳生境，提高发酵效能[19]。García-Depraect 等[20]发现两阶段厌氧发酵处理工艺回收的生物能量（以VS 计，2 748 MJ·t-1·d-1）比单阶段厌氧发酵回收的能量（以VS 计，1 473.2 MJ·t-1·d-1）多1 倍，为厌氧发酵提供了新的研究思路。赵磊等[21]设计了一种卧式有机垃圾生物预水解反应器，在机械、生物菌种共同作用下将可生物降解的有机质水解融入液相，并使油脂随沥水及时排出，加速水解反应，提高后续处理器的发酵效能。何品晶等[22]设计了一种生物质垃圾预水解-机械破碎一体化均质工艺，利用酶调理过的滤液浇灌生物质垃圾进行预水解，提高水解程度，随后进行厌氧消化处理，沼气产量增加。Li 等［23］采用投加零价铁的方法，促进了餐厨垃圾的水解溶出，提高了D-乳酸的产率（是空白组的6.4 倍）。

2.4 餐厨垃圾预处理面临的挑战

餐厨垃圾处理工艺依然存在两大主要挑战：①现阶段沼气回收经济价值有限，依靠电价补贴才能实现商业运行，而餐厨垃圾预处理单元的废油脂回收，经济价值更高［24］，因此，拓展餐厨垃圾的高值资源化是实现有机固废中“碳中和”的重要战略目标。如在发酵液中调控生物定向发酵，制备的醇类、乳酸、短链脂肪酸（Volatile Fatty Acids，VFA）和中链脂肪酸（Medium-chain Fatty Acids，MCFA）等高附加值碳产品［25］；②现阶段餐厨垃圾处理工艺产生大量预处理固渣及发酵沼渣。陈福仲等[24]对青岛某垃圾处理基地厌氧发酵处理餐厨垃圾进行物料平衡分析，筛上残渣及沼渣产生量约为垃圾总量的33%，且固渣的后期处置成本在运行成本中占比最高。因此，提高固体残渣的溶出效率，开拓沼渣资源化渠道，也是亟待解决的问题。

为解决上述问题，环保科研人员主要围绕利用成熟的水热处理技术、微生物调控方法以及新型预处理技术（图2），对餐厨垃圾预处理工艺进行定向调控，强化生物水解提高餐厨垃圾资源化效果；同时，促进餐厨垃圾减固增溶，实现“废渣”减量化。

图2 餐厨垃圾预处理技术的改进方向Figure 2 Improved direction of food waste pre-treatment technology

3 水热预处理技术研究进展

3.1 水热预处理对发酵的调控作用

水热预处理技术是指将物料置于密闭容器中，在110～350 ℃的条件下，湿生物质通过一系列反应（水解、脱水、脱羧、缩合等），转化为结构更简单的化合物，如葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和氨等［26］，利于微生物的利用，从而达到有效调控厌氧发酵效率的作用，同时也可以改善物料脱水，实现废物减量。水热预处理技术对发酵的促进效果如表1 所示。

表1 水热预处理对发酵的促进效果Table 1 The promotion effect of hydrothermal pretreatment on fermentation

Li 等［27］在探究水热处理餐厨垃圾对乳酸发酵的影响实验中，发现在140 ℃和170 ℃热预处理的餐厨垃圾体系中，乳酸产率相比于空白组分别提高9.9%和7.5%，并且提前2 d 达到最大产量。热预处理促进了有机质水解，该发酵体系强化了发酵体系产乳酸功能菌的富集。王雪婷等[28]发现180 ℃水热预处理能够调控餐厨垃圾底物的醇酸比，实现戊酸的定向发酵（较空白组提高了3.66 倍），产戊酸菌相对丰度分别提升了13.77% （接种酒曲组）、9.53%（接种污泥组）。岳良辰［29］以餐厨垃圾中的典型油脂（甘油三油酸酯）作为发酵原料，通过水热稀碱预处理后，氢气、甲烷产率随预处理温度的上升（160～220 ℃）而逐渐提高，分别达到23.25、877.47 mL/g（以TVS 计），能量转化率达到66.21%。可见水热稀碱预处理能够有效促进油脂的降解，提高甲烷产率。

3.2 水热预处理产物对发酵的影响

水热预处理能促进固体有机物溶解，但随着水热温度升高（＞180 ℃），水热液中的酚类、酮类及芳香族类化合物含量显著增高，该类溶解性有机物（DOM）具有一定的生物毒性［36］；另一方面，水热反应会促进羰基及氨基聚合形成美拉德产物，如类黑素（Melanoidins），该类物质对微生物的代谢也具有抑制作用［37］。因此，餐厨垃圾水热预处理的优化目标是既能提高溶解效率，又能减少生物毒性物质的形成。Liu 等［37］发现处理温度超过140 ℃时，类黑素的浓度升高，有机物的增溶效果反而下降；通过RSM（Response Surface Methodology）优化水热温度为132 ℃，反应时间为27 min，pH 为5.6，VFA 的产量达到最大，较对照组提高了22.1%。Hao 等［38］发现180 ℃条件下制备的水热炭没有毒性作用，而330 ℃条件下制备的水热炭会释放高浓度的酚类、有机酸，毒性显著增加。

4 生化预处理技术研究进展

生化预处理技术是指通过人为的手段，富集系统中的功能微生物菌群以提高某些性能的方法［39］，包括酸碱处理法、电发酵法、菌剂法、联合发酵法和生物酶法等。

4.1 酸碱处理法

酸碱处理法是指向底物中加入酸性或碱性物质, 破坏大分子有机物结构，释放小分子可溶性有机物，增加底物的生物可降解性［40］。Saha 等［41］发现稀乙酸处理餐厨垃圾能够显著提高微生物的附着性和基质可利用性，增强产甲烷菌的活性，甲烷产量（以VS 计）较对照组提高了10%（55.58 mL/g）。Zhu 等［42］利用稀硫酸处理餐厨垃圾发酵产乳酸，乳酸产量达到60.3 g/L，较对照组提高了11%。Chen等［43］研究表明Ca2+可以破坏化学键，提高复杂化合物分解成可溶性蛋白、单体糖和其他简单化合物的能力。在CaO 浓度为1%时，VFAs 产量较空白组提高了67.29%。Elalami 等［44］发现以每100 g 含5 g TS 的剂量投加KOH 可以提高餐厨垃圾与污泥的发酵效能，沼气产量较空白组提高了40%，同时增加了沼渣中氮和磷的回收率。酸碱预处理是较为常见的预处理方式，但对于pH 和设备的防腐蚀要求较高，所以实际应用中也受到一定限制。

4.2 电发酵法

电发酵是在厌氧发酵的基础上增加微电压以提供电刺激，形成微小电场，从而加速功能菌群增殖，增加微生物代谢活性［45］。周涛等［46］考察了外加电刺激对餐厨垃圾-污泥共发酵产酸的影响，发现0.5 V 电刺激可以增强体系中的微生物活性；在发酵第144 小时VFA 浓度为24 342 mg/L，较空白组提高了30.8%。王蜜儿等［45］发现，电刺激使得发酵体系中的pH 下降速度快于传统厌氧发酵，提高了C2～C6 多种脂肪酸的产量，增加碳的回收率。Xue 等[47]探究电极刺激对发酵的影响，发现阴极电极可以产生足够的电子供微生物利用，促进丙酮酸向乳酸的转化，乳酸产率在-100 mV 环境下达到最高（0.657 8 g·L-1·h-1）。Wu 等［48］发现0.6 V 的电压环境能够为碳链延长微生物创造更加有利的条件，促进其将乙酸盐转化为丙酸、丁酸和己酸等中长链脂肪酸。电发酵法通过对发酵体系输入外源电子，施加电刺激，可提高相关酶的活性，定向调节系统中的微生物功能。

4.3 菌剂法

菌剂法是指直接投加相关功能细菌的微生物强化方法，相比于改良微生物生长环境等间接方法，菌剂法缩短了土著功能微生物的驯化时间［49］。胡致远等［49］对比不同剂量的丙酸产甲烷菌对餐厨垃圾批式发酵的影响，发现菌剂与餐厨垃圾的VS 质量比为0.15 时，单位菌剂甲烷产量（以VS 计）最大（1 706 mL/g）；在生物负荷比（F/M）相同的条件下，菌剂添加量为35%时产气性能最佳（较空白组提高2.97 倍）。江俊锋［50］探究了不同剂量产甲烷菌对餐厨垃圾厌氧发酵系统的影响，发现菌剂添加量为0.25 g/L、频率为3 d 时，系统容积产气率最高（3.31 L·L-1·d-1）。Gantina 等［51］向蔬菜垃圾中分别添加了EffectiveMicroorgaism-4（EM-4）、GreenPhosko-7（GP-7）微生物发酵剂，反应进行到第45 天时，投加GP-7 发酵剂的罐中甲烷体积分数可以达到38.32%，且高于EM-4 发酵剂（22.5%）。投加特定的微生物，可以有针对性地增加目标菌群的丰度，缩短微生物对环境的适应时间，实现定向发酵。

4.4 联合发酵法

为解决单一底物厌氧发酵营养不均衡、微生物数量少等问题，将几种底物混合后联合发酵，可以创造利于微生物生长的环境，有效提高厌氧发酵的效果。郝鑫等［52］发现餐厨垃圾与秸秆、污泥按照1 ∶1 ∶1（以VS 计）的配比进行联合发酵，产气量（以VS 计）最大可达373 mL/g。吉诗敏等［53］研究了不同比例的淘米水和花生渣混合发酵的产酸效果，发现投加淘米水可以提高体系碳水化合物的降解速率，从而提高VFA 的产量（较空白组提高了36%）。Vidal-Antich 等［54］探究了餐厨垃圾与剩余污泥投加比对发酵的影响，发现随着污泥比例由10%增加到50%，VFA 产量提高了1.79 倍。刘新媛等［55］将鸡粪和餐厨垃圾分别按照2 ∶1、1 ∶1 和1 ∶2 混合（以VS 计）发酵，发现混合比例为2 ∶1时，甲烷产率最大可以达到3.65 mL/h。谷士艳等［56］以猪粪和餐厨废弃物为原料，比较了原料配比、pH 和TS 浓度对产气量的影响，发现猪粪∶餐厨废弃物= 1 ∶1、pH 为7.11、TS 为10.08%时，产气量最大（30 459.5 mL）。Xu 等［57］发现颗粒污泥能够形成稳定细胞内pH 以维持微生物群落的功能，减少产物对发酵的抑制效果，产生更多的乳酸。通过向餐厨垃圾中投加颗粒污泥进行联合发酵，乳酸产量（以COD 计，52.7 g/L）明显高于投加剩余污泥组（以COD 计，40.0 g/L）；微生物群落分析表明：颗粒污泥中的芽孢杆菌、乳杆菌和双歧杆菌等乳酸菌群含量达到81%，远高于普通污泥的48%。相比单一底物发酵的局限性，联合发酵技术可以充分利用各组分的性质特点，提高系统的缓冲容量，实现性质互补。

4.5 生物酶法

生物酶预处理法具有处理效果好、特异性强、无二次污染等优点，对溶解固体有机物和提高氢气、甲烷的产量有着良好的促进效果。生物酶处理法可以基于餐厨垃圾的组分分成不同的作用模式，比如淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶可以分别将大分子淀粉、蛋白质和脂质分解为葡萄糖、游离氨基酸（Free Amino Acids，FAA）和长链脂肪酸（LCFA）［58］。马超男［59］发现餐厨垃圾经过酶预处理后，TCOD 的去除率达97.0%（较空白组提高14.6%），甲烷产量提高了28.6%。Kiran 等［60］将富含水解酶的真菌醪液投入餐厨垃圾处理24 h 后，生物甲烷产量和产率分别较空白组提高2.3 倍和3.5 倍。生物酶作为一种天然制剂，既能高效促进水解，又能减少化学产品污染，但由于酶的生产成本过高，且对环境的适应性较差，并没有广泛应用于厌氧发酵工艺。

5 新兴预处理技术研究进展

5.1 微波法

微波法因其具有加热快、能耗低、无二次污染等优点受到高度关注，其不仅可以产生热效应，还可以产生生物效应、电效应等非热效应［61］。目前许多研究表明，微波预处理可以选择性地加热极性更大的部分，形成“热点”，实现颗粒之间的“爆炸”效应，破坏大分子有机物的结构，促进生物酶的水解作用，提高厌氧发酵性能［62］。Sondhi 等［63］利用微波法预处理餐厨垃圾，提高了乙醇的产量（较对照组提高52.2%）。Simonetti 等［64］研究微波处理餐厨垃圾对生产短链有机脂肪酸和乙醇的影响，发现预处理显著提高了SCOD 和碳水化合物，预处理组中的短链有机酸（如乳酸）的占比（80.9%）明显高于空白组（66.1%）。微波虽然具有处理速度快、效率高的优点，但由于目前对生物效应的机理研究不足，且微波法单独处理有机废物效率低，对设备要求高、投资量大，因此距离应用尚需优化［62］。

5.2 超声法

超声波是一种新兴的清洁技术，利用超声在液体介质中产生空穴气泡。空化气泡振荡并坍塌，产生高剪切力，使大分子有机质分解成易于被生物利用的小分子［65］。吴清莲［66］用超声预处理的方式对餐厨垃圾进行破解，VFA 产量（以VS 计）提高至976.12 mg/g，较空白组提高了8 倍。张月［67］发现超声预处理可以提高餐厨垃圾与污泥混合物的SCOD 溶出率，处理后的底物发酵VFA 产量最大值较空白组提高了13.4%。Pau 等［68］用超声预处理餐厨垃圾30 min，增加了SCOD 的浓度（15%），提高了乙醇的产量。Ma 等［69］将超声预处理30 min后的餐厨垃圾糖化残渣底物进行发酵，得到的己酸产量（以VS 计）为207.8 mg/g，是对照组的两倍；微生物群落分析发现超声可以促进产VFAs 优势菌向产己酸优势菌转化，这进一步证实了超声预处理不仅可以提高底物的可利用性，还能实现厌氧发酵过程中优势菌群的定向富集。

5.3 高级氧化法

高级氧化法，主要是利用活性高能氧原子，通常用于处理例如废水和固体废物等COD 浓度高的物料，具有破解率高、能耗低的优点。Zhu 等［70］向餐厨垃圾中投加CaO2和磁铁矿进行预处理，水解酸化酶活性显著增强，甲烷产率（以VS 计）达到423.4 mL/g（较对照组提高26.8%）。Cesaro 等[71]发现臭氧预处理能够提高城市固体有机废物的可降解性，提高发酵的沼气产量（较对照组提高2.5 倍）；而较高剂量的臭氧（以TVS 计，0.034～0.202 g/g）会氧化餐厨垃圾中的生物质还原糖，抑制发酵的进行。Yue 等［72］发现臭氧预处理能够减轻餐厨垃圾中脂质对微生物的包覆，促进基质的降解，提高甲烷回收率和能量转换效率。通过增加臭氧的浓度（以TVS 计，0.02～0.80 g/g），氢气和甲烷的产率（以TVS 计）逐渐提高，最高可达22.6 mL/g 和946.5 mL/g。Wright 等［73］利用DBD 等离子体对玉米生物质进行预处理，发酵沼气产率较空白组提高18%。高级氧化法具有操作简单、无二次污染等优点，但其使用成本高，降低高级氧化预处理技术的经济成本和优化工艺是未来研究的主要方向。

6 结论

随着我国经济进入高质量发展阶段，垃圾循环再利用已经成为生态文明建设的重要内容。在“双碳”国家战略目标下，亟需发展高效的餐厨垃圾处理资源化工艺。厌氧发酵技术是目前常用的处理技术，其可以将餐厨固体废物转化成有机酸、氢气、甲烷等生物能源。而强化增溶、促进生物水解是餐厨垃圾发酵过程中的两大重要步骤，通过传统的机械预处理、水热预处理以及生物强化的方法，达到促进餐厨垃圾水解、提高发酵效率的目的。今后可以进一步加强基础理论研究，结合不同的处理方法特点进行多工艺联合预处理，并将其应用于规模化餐厨垃圾发酵资源化工艺体系。同时，深入研究餐厨垃圾发酵系统的微生物菌群关系，从机理上阐明不同预处理方式对发酵产物的影响，实现餐厨垃圾的高效高值资源化。