餐厨垃圾是指餐饮单位和家庭在日常生活过程中所产生的食品垃圾，是城市生活垃圾的重要组成部分.餐厨垃圾以淀粉、食物纤维类、蛋白质、油脂等为主要成分，极易腐败、霉变，需要单独处理和处置.餐厨垃圾具有高生物质组分、微量元素丰富(杜欣等，2010)的特点，是一种很好的干式厌氧发酵产沼气的基质(李俊涛等，2003；姜虎等，2010).

干式厌氧发酵是指以总固体(TS)含量在20%~40%的固体有机废弃物为原料进行厌氧发酵的一种工艺(方少辉，2012).干式厌氧发酵技术因其基建成本低、需水量小，节约能源和降低成本，产生的沼渣、滤液可作为土壤的改良剂或肥料等优势，正受到广泛的关注，逐渐成为中国处理有机固体废弃物及生产新能源的重要选择(马磊等，2007；郑晓伟等，2014).

餐厨垃圾还有较高的含油率(赵杰红等，2006)，且含油率随着地域饮食习惯的不同而有显著差异.餐厨垃圾中的油脂以多种形式存在，主要可分为可浮油、分散油、乳化油、溶解油、固相内部油脂等(王巧玲等，2012).

含油率的高低对餐厨垃圾厌氧消化产气有一定影响.任南琪等(2004)参照有机物厌氧消化转化为沼气的理论计算方法，计算得油脂发酵产生的沼气成分中 CH₄占 72%，明显高于糖和蛋白质(约为50%)，并且油脂转化为沼气(甲烷)的效率较高，理论为 1.44 L · g^-1(以VS计)(标准大气压，0 ℃)，糖和蛋白质分别为 0.75和0.98 L · g^-1(以VS计).因此，适宜的含油率能促进餐厨垃圾厌氧发酵产沼气.

但油脂在厌氧消化过程中的分解产物极易使系统过度酸化，除了长链脂肪酸(LCFA)的积累外，常常也表现为挥发性脂肪酸(VFA)的积累，尤其是中间产物乙酸的积累(Kim et al,2004)，从而打破了原有的代谢平衡，导致厌氧系统失去稳定性.有研究表明，油脂对厌氧发酵的抑制机制是高浓度的LCFA吸附在细胞膜表面阻止了物质的传递，未降解的油脂凝聚包裹着微生物，从而抑制了产酸和产甲烷菌的活性(周洪波等，2001).还有研究发现，虽然LCFA 对产甲烷微生物的抑制作用远高于对产酸微生物的影响(Pereira et al,2005；Mykhaylovin et al,2005；Lalman et al,2002)，但LCFA 对甲烷微生物和产酸微生物的抑制作用都是可逆的，甲烷微生物和产酸微生物的活性在受到抑制后并未出现破坏性死亡，厌氧系统可以在较短的时间恢复产甲烷(Pereira et al,2005).

目前对餐厨垃圾进行中温(35 ℃)厌氧发酵的研究较多，高温(55 ℃)发酵因热源受限而没有得到大规模应用，但高温发酵具有反应速度较快、产气较稳定、有机物降解彻底、沼渣中有害病菌含量较低等特点(马磊等，2009).鉴于两种发酵工艺各具有优缺点，应因地制宜选取相应的发酵工艺.因此，本研究将系统研究含油率对餐厨垃圾中温和高温干式厌氧发酵的影响，通过分析日产气量、累计产气量、发酵前后总固体(TS)和挥发性固体(VS)的去除率、沼气成分的变化，以期为研究含油率对餐厨垃圾干式厌氧发酵的影响提供数据参考.

餐厨垃圾取自北京工商大学东区食堂.取样时，先将食堂收集桶内的餐厨垃圾充分搅拌混匀，再取出约10 kg，手工分拣去除其中的杂质，如骨头、蛋壳等.然后用搅拌机将餐厨垃圾破碎形成粒度细的匀浆(粒径小于5 mm)，将其混匀于4 ℃冰箱中保存备用.

接种污泥取自某污水处理厂剩余厌氧污泥，为黑色泥状.取适量污泥置于玻璃瓶密封静置，待分层后，取下层污泥作接种物，并对接种物进行驯化处理.驯化时，将污泥放入培养瓶水封，使瓶内呈厌氧状态，置于培养箱25 ℃培养3~4 d，每天按C ∶ N ∶ P=800 ∶ 5 ∶ 1的比例向其添加碳源(葡萄糖)、氮源(尿素)和磷源(磷酸氢二钠).驯化后，污泥呈黑色絮凝状，于培养箱内保存待用.此时，接种污泥的pH为7.35，TS为11.89%，VS为65.73%.

厌氧发酵装置主要由500 mL的广口发酵瓶、500 mL集气瓶和1 L量筒三部分组成.发酵瓶置于35、55 ℃的恒温水浴中，发酵过程产生的气体经聚乙烯管进入装有3%NaOH溶液的集气瓶，同时集气瓶内的3%NaOH溶液被压入到集水瓶，每天用量筒读取集水瓶内碱液体积数.气体经过集气瓶后，其中的CO₂、H₂S等酸性气体、NH₃和水蒸气均被吸收，排入量筒的液体体积即可视为发酵产生的氢气、甲烷体积(林云琴等，2012).

本实验采用直接加热法去除餐厨垃圾的油脂：在90 ℃下恒温加热餐厨垃圾30 min，除去上层油脂.撇除的餐厨垃圾上层油脂经高速离心机离心分离20 min后得到的油脂产物，用作调节含油率的原料.去油后餐厨垃圾的pH为6.47，TS为25.1%，VS为93.6%，溶解性化学需氧量(SCOD)为40.5 g · L^-1.

取两组(每组6个)发酵瓶，分别添加200 g含油率为0、2%、4%、6%、8%、10%的餐厨垃圾(添加的油脂为2.1.1节中餐厨垃圾的油脂经离心分离后的油脂产物，含油率为质量比)，按25%的接种率(接种率为湿基质质量比)接种污泥后，采用人工搅拌的方式，使接种污泥与餐厨垃圾混合均匀.接种后反应瓶中物料为固液混合态物质，其含固率(TS)为22.46%.将一组置于中温的水浴锅中，另一组置于高温的水浴锅中，进行为期30 d的厌氧发酵实验.在发酵过程中每天用碱液调节pH至7，调节pH的同时也对发酵液进行人工搅动，以混匀接种液，使排气均匀；每天记录排出液体的体积，并在阀门处抽取气体进行沼气成分分析；每次调节pH后均向发酵瓶中通入N₂以维持发酵瓶内的厌氧环境.结束时测定体系剩余TS、VS.每组实验重复3次.

TS采用重量法测定；VS采用马弗炉灼烧法测定；取在高速冷冻离心机(KDC-160HR，科大创新股份有限公司中佳分公司)以6000 r · min^-1的转速离心20 min的餐厨垃圾的上清液，经0.45 μm滤膜过滤后，测定SCOD和pH，其中，SCOD采用连华科技公司5B-1型COD快速分析仪(重铬酸钾法)测定，pH采用精密pH计测定；沼气体积由排水量得出.沼气成分由上海精科GC126气相色谱仪测出，色谱柱为10 m×Φ2 mm不锈钢色谱柱.甲烷检测条件：氮气分压为0.4 MPa，流速为100 mL · min^-1，进样口温度、柱温及检测器(TCD)温度分别为110、60、100 ℃，进样量为0.1 mL.氢气检测条件：以氮气为载气，流速为30 mL · min^-1，进样口温度、柱温及检测器(TCD)温度分别为40、40、90 ℃，进样量0.2 mL.

不同含油率的餐厨垃圾中温干式厌氧发酵的日产气情况见图 1.除含油率为0的餐厨垃圾，其他各组均有2个产气高峰.餐厨垃圾含油率为2%时，在第1 d达到第一个产气峰值268 mL，随后便开始下降，在第18 d出现第2个产气高峰89 mL.餐厨垃圾含油率为4%时，也在第1 d到达产气高峰为246 mL，随后迅速下降，在第18 d出现第2个产气高峰为157 mL.餐厨垃圾含油率为6%时，在第2 d出现产气高峰为250 mL，在第20 d出现第2个产气高峰为192 mL.含油率为8%时，在第2 d达产气高峰为240 mL，在第20 d出现第2个较高产气量为78 mL.含油率为10%时，在第3 d和第24 d分别达产气高峰219 mL和67mL，产气高峰值较低且滞后.

图 1(Fig. 1)

图 1 含油率对餐厨垃圾中温干式厌氧发酵日产气量的影响 Fig. 1 Effect of oil content on daily biogas yields of dry anaerobic digestion for restaurant garbage at mesophilic condition

不同含油率的餐厨垃圾中温干式厌氧发酵的累计产气量情况见图 2.由图可知，各组产气量都呈先快速增加后稳定的趋势.通过对比发现，当垃圾中含油率为0时，产气周期最短，累计产气量最小，为995.5 mL.当含油率为2%时，产气量有所增长，最终产气量为1067.9 mL.继续增加含油率，当增加到4%时，产气量有明显增长，最终产气量为1218.2 mL.当含油率增加到6%时，虽然第1个产气高峰比2%和4%时低，但第2个产气高峰最高，且产气总量较高，最终产气量为1391.2 mL.但含油率继续增加，产气总量呈下降趋势.当含油率为8%和10%时，累计产气量分别为1139.5 mL和1110 mL.王巧玲等(2012)研究表明，含油率为0~5%时，含油率越大，累计产气量越大，但发酵速率慢，发酵周期长.本研究得到“低促高抑”的结果，这其中的原因是脂肪的水解产物LCFA会吸附在产甲烷菌的细胞壁或细胞膜上，干扰其运输或防御功能，从而抑制细胞对其它物质的吸引和消化，所以含油率高时产气量下降(Rinzema et al,1994；Hwu et al,1998)

图 2(Fig. 2)

图 2 含油率对餐厨垃圾中温干式厌氧发酵累计产气量的影响 Fig. 2 Effect of oil content on cumulative biogas yields of dry anaerobic digestion for restaurant garbage at mesophilic condition

如图 3所示，含油率为0、2%、4%、6%、8%、10%时TS去除率分别为17.6%、20.4%、25.0%、29.4%、24.3%、22.0%，相应的VS去除率分别为23.9%、26.1%、28.9%、33.9%、28.1%、27.0%.含油率为6%时TS、VS的去除率最高，而此时的累计产气量也最高.

图 3(Fig. 3)

图 3 餐厨垃圾中温干式厌氧发酵TS、VS的去除率 Fig. 3 The removal rates of TS and VS for dry anaerobic fermentation of restaurant garbage at mesophilic condition

图 4显示了不同含油率餐厨垃圾高温干式厌氧发酵过程中日产气量的变化情况.由图 4可知，餐厨垃圾含油率为0时，在第1 d达到产气高峰405 mL，随后便开始迅速下降，第16 d出现第2个高峰为153 mL，第24 d产气过程基本结束，产气周期较短.含油率为2%时在第2 d达到产气高峰382 mL，随后开始迅速下降，直至第16 d达第2个产气高峰117 mL.含油率为4%和6%时，均在第2 d到达产气高峰，分别为368 mL和432mL，第17 d达第2个产气高峰129 mL和260 mL.含油率为8%时在第2 d达产气高峰值365 mL，在第18 d达第2个产气高峰196.5 mL.含油率为10%时在第2 d达产气高峰347 mL，在第19 d达第2产气高峰123.5 mL.

图 4(Fig. 4)

图 4 含油率对餐厨垃圾高温干式厌氧发酵日产气量的影响 Fig. 4 Effect of oil content on daily biogas yields of dry anaerobic digestion for restaurant garbage at thermophilic condition

不同含油率餐厨垃圾高温干式厌氧发酵累计产气量情况如图 5所示.当餐厨垃圾中含油率为0时，最终产气量为1785.5 mL;当含油率增加为2%、4%时，产气量有所增长，最终产气量为1821 mL和1830 mL.当含油率增加到6%时，产气总量达最大值，累计产气量为2165.9 mL.但含油率继续增加，产气总量反而呈下降趋势.当含油率为8%和10%时，对产气抑制影响较大，产气总量分别为1749.1 mL和1476 mL.

图 5(Fig. 5)

图 5 含油率对餐厨垃圾高温干式厌氧发酵累计产气量的影响 Fig. 5 Effect of oil content on cumulative biogas yields of dry anaerobic digestion for restaurant garbage at thermophilic condition

从中温干式厌氧发酵和高温干式厌氧发酵累计产气量的比较情况来看，高温时的累计产气量均高于相同含油率的中温时的累计产气量，而且第2产气高峰提前.原因是高温菌对有机物的降解效率高于中温菌，在高温条件下有利于缩短发酵周期，提高产气速率(王延昌等，2009；吴满昌等，2005).LCFA 抑制厌氧系统后，因高温下代谢速率较快，因此，系统恢复速度也较快(Hwu et al,1997).中温和高温情况下均得到含油率对餐厨垃圾干法厌氧发酵的结果是“低促高抑”，含油率为6%时餐厨垃圾的累计产气量均最高，且发酵周期较短.

如图 6所示，含油率为0、2%、4%、6%、8%、10%的餐厨垃圾TS去除率分别为24.8%、30.9%、32.4%、33.2%、31.5%、28.8%，VS去除率分别为30.0%、35.6%、37.2%、38.0%、36.4%、33.0%.与中温干式厌氧发酵结果相似，含油率为6%时TS、VS的去除率最高，而此时的累计产气量也最高.

图 6(Fig. 6)

图 6 餐厨垃圾高温干式厌氧发酵TS、VS的去除率 Fig. 6 The removal rates of TS and VS for dry anaerobic fermentation of restaurant garbage at thermophilic condition

实验得到的可燃气主要成分为氢气和甲烷，氢气的体积分数为单位1减去甲烷的体积分数，不同含油率的餐厨垃圾中温和高温干式厌氧发酵日产可燃气中甲烷体积分数的变化情况如图 7所示.从各组实验的整个周期来看，发酵前期产生的气体大部分是氢气，甲烷含量较低，随着发酵的进行，甲烷在发酵产生的可燃气中所占比重逐渐加大.这可能是因为动植物油脂虽然属易降解的化学物质，但经常滞后于糖和蛋白质，在自然界较为稳定，微生物对其吸收利用的速度比较缓慢(王暾，2008).在中温厌氧发酵条件下，含油率为10%的餐厨垃圾发酵进行到26 d左右时，甲烷在发酵产生的可燃气中的体积分数最高，为80.5%.在高温厌氧发酵条件下，含油率为10%的餐厨垃圾发酵进行到23 d左右时，甲烷在发酵产生的可燃气中的体积分数最高，为84.2%.可见，含油率越高，可燃气中的甲烷含量升高.这与任南琪等(2004)的研究结果一致：油脂发酵产生的气体中 CH₄量明显高于糖和蛋白质，并且油脂转化为甲烷的效率较高.通过对比餐厨垃圾中温和高温条件下厌氧发酵发现，高温时所产可燃气中甲烷体积分数高于中温，这与Fernández-Rodríguez等(2013)的研究结果一致.

图 7(Fig. 7)

图 7 含油率对餐厨垃圾中温(a)和高温(b)干式厌氧发酵产生的可燃气中甲烷体积分数的影响 Fig. 7 Effect of oil content on daily CH4 content of the combustible gas from dry anaerobic digestion at mesophilic(a) and thermophilic(b)condition

1)在中温和高温条件下，当含油率为6%时，餐厨垃圾(200 g)干式厌氧发酵累计产气量均达最大值，分别为1391.6 mL和2165.9 mL.高温时的累计产气量均高于相同含油率中温时的累计产气量，而且第2产气高峰提前.

2)含油率为6%时TS、VS的去除率最高，中温时的去除率分别为29.4%和33.9%，高温时的去除率分别为33.2%和38.0%.

3)在中温厌氧发酵条件下，含油率为10%的餐厨垃圾发酵进行到26 d左右时，甲烷在发酵产生的可燃气中的体积分数最高，为80.5%.在高温干式厌氧发酵条件下，含油率为10%的餐厨垃圾发酵进行到23 d左右时，甲烷在发酵产生的可燃气中的体积分数最高，为84.2%.