餐厨垃圾厌氧发酵产沼气工艺优化与效能分析

摘要：餐厨垃圾作为城市有机固体废物的主要组成部分，具有含水率高、有机物含量丰富、易降解等特点，通过厌氧发酵技术回收沼气能源是实现其资源化利用的有效途径。本文针对餐厨垃圾厌氧发酵过程中存在的酸化抑制、产气效率低、发酵周期长等问题，从预处理技术、发酵参数调控、接种物优化三个核心维度开展工艺优化研究，并通过产气量、甲烷体积分数、有机物去除率等指标进行效能评价。实验结果表明：采用热预处理（100℃，30min）结合超声辅助（功率 300W，时间 20min）可使餐厨垃圾有机物降解率提升 23.6%；在中温（37±1℃）、初始 pH 值 7.0~7.5、碳氮比（C/N）25:1、接种率（VS）30% 的优化条件下，累计产气量达到 528.4mL/g-VS，甲烷体积分数稳定在 60%~65%，较未优化组分别提高 41.2% 和 12.8%；通过接种物驯化与复合菌群添加，可有效缓解酸化抑制，缩短发酵周期至 28 天。本研究为餐厨垃圾厌氧发酵产沼气工艺的工程化应用提供了技术参考与理论支撑。

关键词：餐厨垃圾；厌氧发酵；工艺优化；产沼气效能；酸化抑制

一、引言

随着城市化进程的加快和居民生活水平的提高，我国餐厨垃圾年产量已超过 1 亿吨，且以每年 10% 的速度增长 [1]。餐厨垃圾若随意丢弃或填埋，不仅占用土地资源，还会因有机物腐败产生渗滤液和恶臭气体，对土壤、水体和大气环境造成严重污染。厌氧发酵技术作为一种环境友好型的资源化处理技术，可将餐厨垃圾中的有机物转化为沼气（主要成分为甲烷和二氧化碳），实现 “减量化、无害化、资源化” 的处理目标 [2]。然而，餐厨垃圾中蛋白质、脂肪含量较高，发酵过程中易产生挥发性脂肪酸（VFA）累积，导致系统酸化，进而抑制产甲烷菌活性，降低产气效率 [3]。此外，发酵参数不合理、接种物性能不佳等问题也制约了工艺的稳定运行。因此，开展餐厨垃圾厌氧发酵产沼气工艺优化研究，对提升技术可行性和工程应用价值具有重要意义。

二、材料与方法

（一）实验材料

餐厨垃圾：取自某高校食堂，主要成分包括米饭、蔬菜、肉类、油脂等。预处理去除骨头、塑料等杂质后，粉碎至粒径小于 5mm，置于 4℃冰箱冷藏备用。其基本性质为：含水率 78.5%，挥发性固体（VS）含量 215.6g/kg，总固体（TS）含量 242.3g/kg，C/N 比 18.3:1，pH 值 5.8。

接种物：取自某污水处理厂厌氧消化池，经驯化培养后使用。驯化过程：将接种物与餐厨垃圾按 VS 比 2:1 混合，在 37℃下连续发酵 3 个周期，每个周期 15 天，以适应餐厨垃圾底物特性。驯化后接种物的基本性质为：含水率 82.1%，VS 含量 128.4g/kg，pH 值 7.6，甲烷菌活性 0.32mL-CH₄/(g-VS・d)。

（二）实验装置

采用 500mL 血清瓶作为批次发酵反应器，有效容积 400mL。反应器顶部设有密封橡胶塞和排气口，排气口通过软管连接气体收集袋，用于收集和计量沼气产量。实验过程中，反应器置于恒温水浴摇床中，控制温度和搅拌速度。

（三）实验设计

预处理工艺优化：设置对照组（无预处理）、热预处理组（80℃、100℃、120℃，分别处理 30min）、超声预处理组（功率 200W、300W、400W，分别处理 20min）、热 - 超声联合预处理组（100℃热预处理 30min 后，分别采用 200W、300W、400W 超声处理 20min），探究不同预处理方式对餐厨垃圾厌氧发酵产沼气效能的影响。

发酵参数优化：在最佳预处理条件基础上，采用单因素实验法，分别考察温度（中温 37℃、高温 55℃）、初始 pH 值（6.0、6.5、7.0、7.5、8.0）、C/N 比（15:1、20:1、25:1、30:1、35:1）、接种率（VS 比 10%、20%、30%、40%、50%）对产气量、甲烷体积分数和有机物去除率的影响，确定最优发酵参数组合。

接种物优化：设置对照组（未驯化接种物）、驯化接种物组、驯化接种物 + 复合菌群组（复合菌群由产酸菌和产甲烷菌按 1:2 比例混合，添加量为接种物干重的 5%），探究接种物优化对发酵系统稳定性和产气效能的提升作用。

（四）检测指标与方法

产气量：采用排水法每日计量沼气产量，累计计算总产气量。

甲烷体积分数：采用气相色谱仪（GC-9790Ⅱ）测定，检测器为热导检测器（TCD），载气为氮气，柱温 50℃，检测器温度 80℃。

理化指标：TS、VS 采用重量法测定；pH 值采用 pH 计（PHS-3C）测定；VFA 含量采用高效液相色谱仪（HPLC）测定；C、N 含量采用元素分析仪（Vario EL Ⅲ）测定。

有机物去除率：根据发酵前后 VS 含量计算，公式为：有机物去除率（%）=（初始 VS 质量 - 发酵后 VS 质量）/ 初始 VS 质量 ×100%。

三、预处理工艺优化结果

不同预处理方式对餐厨垃圾厌氧发酵产沼气效能的影响，单一预处理方式中，热预处理和超声预处理均能提升产气效能，且随着温度升高和超声功率增加，产气量呈先增后减趋势。当热预处理温度为 100℃、超声功率为 300W 时，累计产气量分别达到 426.8mL/g-VS 和 435.2mL/g-VS，较对照组（374.2mL/g-VS）分别提高 14.1% 和 16.3%。热 - 超声联合预处理效果优于单一预处理，当 100℃热预处理 30min 后，采用 300W 超声处理 20min 时，累计产气量达到 482.5mL/g-VS，有机物去除率达到 68.9%，较对照组分别提高 28.9% 和 23.6%。这是因为热预处理可破坏餐厨垃圾的细胞壁结构，促进有机物释放，超声预处理可进一步细化底物颗粒，增大微生物与底物的接触面积，二者协同作用显著提升了底物降解效率 [4]。

四、结语

本文通过系统研究预处理技术、发酵参数和接种物对餐厨垃圾厌氧发酵产沼气工艺的影响，得出以下结论：

最佳预处理方式为热 - 超声联合预处理（100℃热预处理 30min+300W 超声预处理 20min），可使有机物去除率提升 23.6%，为后续发酵提供良好底物条件。

最优发酵参数组合为：中温（37±1℃）、初始 pH 值 7.0~7.5、C/N 比 25:1、接种率（VS）30%，在此条件下，累计产气量达到 528.4mL/g-VS，甲烷体积分数稳定在 60%~65%，较未优化组分别提高 41.2% 和 12.8%。

采用驯化接种物与复合菌群联合添加，可有效缓解酸化抑制，缩短发酵周期至 28 天，提升系统运行稳定性。

参考文献

[1] 张绪坤，方彩霞，崔春红，等。我国餐厨垃圾处理技术现状与发展趋势 [J]. 环境工程学报，2020, 14 (5): 1139-1152.

[2] 王爱杰，任南琪，马放。厌氧生物技术原理与应用 [M]. 北京：化学工业出版社，2018: 126-138.

[3] 李金娟，刘荣厚，沈飞，等。餐厨垃圾厌氧发酵酸化抑制及调控技术研究进展 [J]. 农业工程学报，2019, 35 (12): 210-219.

[4] 赵立欣，孟海波，姚宗路，等。超声 - 热联合预处理对玉米秸秆厌氧发酵产沼气性能的影响 [J]. 农业环境科学学报，2018, 37 (8): 1756-1763.