综述：用于屠宰场废弃物和废水的厌氧生物精炼技术：从工艺基础到资源回收

《ACS Engineering Au》：Anaerobic Biorefineries for Slaughterhouse Waste and Wastewater: From Process Fundamentals to Resource Recovery

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屠宰场废水是浓度最高、成分最复杂的工业废水之一，其脂肪、蛋白质和悬浮固体的含量变化极大。虽然传统上被视为难以处理的废物，但这些废水实际上是一种高价值的原料，可用于厌氧生物精炼过程，同时产生能源、可重复使用的水和富含营养的副产品。本文回顾了2021至2025年间在屠宰场废水厌氧消化工程方面的最新进展，重点关注反应器设计、工艺强化以及与循环生物能源系统的整合。文章系统地讨论了几种反应器配置，包括上流式厌氧污泥床反应器、厌氧序批反应器、连续搅拌罐反应器和厌氧膜生物反应器，并从运行性能和甲烷产率的角度进行了分析。此外，还探讨了包括热电联产和生物甲烷升级在内的能源回收途径。通过整合相关技术经济和环境分析，本文旨在确定能够最大化甲烷产量和整体资源利用效率的工艺方案。通过将分散的研究成果整合到一个统一的工程框架中，本文为设计适合屠宰场行业的厌氧生物精炼厂提供了指导，从而支持脱碳和循环经济目标。

1. 引言
人口快速增长加上工业活动的加剧显著加剧了全球水资源的退化。在此背景下，屠宰场和食品加工行业（包括乳制品厂、（1）啤酒厂、（2）制革厂以及（3）制药行业）产生的废水因其高污染潜力而备受关注。这些废水中通常含有高浓度的有机化合物、悬浮固体、油脂和营养物质，对人类健康和水生生态系统都有负面影响。特别是屠宰场废水，其有机负荷高且成分复杂，（5）反映了动物屠宰、肉类加工以及设备和设施的密集清洗和消毒过程中的多个环节。因此，每天会产生大量物理化学性质差异较大的废水，在排放或再利用之前实施有效的处理系统至关重要。预计全球肉类产量将继续增长，以满足不断增长的市场需求，到2031年预计将达到约3.77亿吨。（6）在这方面，巴西已成为家禽和牛肉国际贸易的主要参与者，得益于丰富的饲料谷物资源和有利的汇率条件。然而，肉类生产和工业加工活动的增加也导致了屠宰场废物的增加，从而加剧了废水管理、环境控制以及相关污染问题的挑战。表1总结了代表性屠宰场副产品的产量。

表1. 处理1,000公斤屠宰场副产品所产生的产量
- 原材料：蛋白质（kg）：278
- 矿物质（kg）：72
- 脂肪（kg）：236
- 水（kg）：69
- 屠宰场废物：180
- 骨头、血液和鬃毛：40
- 鸡类废物：124
- 渔业废物：280

历史上，对这些废水采用了多种处理方法，包括排入下水道系统、土地施用、物理化学处理和生物处理。然而，由于会产生难闻的气味、污染地表水和地下水体的风险以及释放可能对环境和公共健康有害的气体，（8）诸如土地散布或直接排入公共下水道系统的做法越来越受到限制。（8）同样，纯化学处理方法也存在显著局限性，因为它们需要大量试剂，增加运营成本，并产生化学污泥，其管理和最终处置带来额外的技术和经济挑战，从而影响整个系统的可行性。相比之下，生物处理方法已成为肉类加工行业废水处理的首选技术，与其他技术（如电凝聚、（9）膜分离或高级氧化工艺（AOPs）相比表现出更好的性能。（11）其中，厌氧消化因其高效的有机物去除能力、较低的过量污泥产生量、较低的能量需求以及在高有机负荷下的运行能力而脱颖而出，这些特点特别适用于富含蛋白质和脂肪的废水。（12）此外，较低的养分需求以及将有机物转化为富含甲烷的生物气的能力，使厌氧消化成为能源回收和循环经济实施中的战略技术。（13）它是一种成熟且成熟的废物增值技术，特别适合分散式系统和低收入农村地区。（14）尽管具有这些优势，厌氧处理也存在固有的局限性，包括较长的启动期、对温度波动和有机负荷冲击的敏感性、有限的养分去除能力，以及在许多情况下产生的废水质量无法满足日益严格的排放标准。（15,16）为应对这些挑战，人们广泛研究了结合厌氧和好氧处理的综合处理方案。（17,18）加入好氧后处理单元可以互补去除残留有机物和氮，同时提高最终废水质量。（19）此外，厌氧反应器产生的生物气的能量回收，无论是用于加热、蒸汽生产、发电还是直接在工业过程中使用，都进一步增强了这些系统的技术、经济和环境吸引力。（20?22）因此，基于厌氧消化并结合好氧后处理的生物处理过程构成了屠宰场和肉类加工行业二级处理系统的核心，代表了符合当代监管要求和能源转型目标的技术成熟、环境可持续的解决方案。

尽管取得了显著的技术进步，但目前关于废水特性、反应器性能、抑制现象和生物气利用的研究成果仍然分散。关键在于，仍缺乏一个将废水成分和变化性与反应器选择、在富含脂肪和氨的条件下系统的运行稳定性以及包括热电联产和生物甲烷升级在内的能源回收途径效率联系起来的综合工程框架。因此，报告的工艺性能难以进行基准测试并转化为可扩展的系统设计，限制了最佳反应器配置和工业应用操作策略的确定。这种分散性继续阻碍了从实验室规模示范向能够提供可靠废水处理、能源回收和循环资源增值的集成厌氧生物精炼厂的转变。因此，本文的目的是整合并批判性地审查2021至2025年间报告的进展，整合关于废物特性、工艺性能、生物气升级和资源回收策略的最新发现，考虑到屠宰场产生的副产品和废水。

2. 屠宰场废水的特性
屠宰场副产品的典型物理化学组成以氨基酸和含氮化合物为主，使其可用于生产动物饲料和肥料，以及作为生物气生产和某些医疗应用（如组织工程）的原料。（23,24）羽毛和血液是主要的蛋白质来源，而腿部和头部则含有大量的蛋白质和脂肪。（25）总体而言，可食用、不可食用和废弃的部分共同构成了动物的总重量；然而，由于各种原因，超过50%的这些副产品并未被人类消费。（26）量化蛋白质、矿物质、水分和脂质含量对于评估每种成分的环境、经济和健康影响至关重要。（7）此外，氨基酸组成突显了在集成生物精炼系统中生产高附加值副产品的潜力。（27,28）除了量化屠宰场副产品的宏观分子组成外，研究还报告了肉类加工行业产生的合成和实际废水成分，为设计、优化和比较处理技术提供了必要的基础信息。（29）典型的合成成分包括以下成分（g L–1）：肉提取物 – 3.3；尿素 – 0.9；K2HPO4 – 0.84；NaCl – 0.21；CaCl2·2H2O – 0.15；MgSO4·7H2O – 0.06。另一个使用实际废水的例子中，表2显示了用于冷却生鸡肉的冷却装置的废水物理参数。

表2. 实际废水的物理参数
| 参数 | 估计值 |
| ---- | ---- |
| pH | 7.5 ± 0.04 |
| 氧化还原电位（mV） | 896.8 ± 9.3 |
| 电导率（μS cm–1） | 60.6 ± 1.15 |
| 浊度（NTU） | 65.6 ± 1.09 |
| 氯离子（mg L–1） | 121.53 ± 0.1 |
| NO2– – N（μM） | 0.018 ± 0.5 |
| NO3– – N（μM） | 3.76 ± 0.5 |
| 磷酸盐（mg L–1） | 9.019 ± 0.7 |
| 硫酸盐（mg L–1） | 25.13 ± 0.5 |
| 总有机氮（μM） | 16.73 ± 0.43 |
| COD（mg L–1） | 368 ± 3.9 |
| 总有机碳（mg L–1） | 62.38 |
| 总碳（mg L–1） | 108.4 |
| 总无机碳（mg L–1） | 46.01 |

表3. 不同屠宰场来源废水的物理化学特性
| 参数 | 家禽屠宰场废水（33?35） | 屠宰场废水（36?38） |
| ---- | ---- |
| pH | 6.5–9.1 | 4.8–8.1 |
| 碱度（mg L–1） | 63.9 | 8,000–8,500 |
| COD（mg L–1） | 4,264–15,990 | 8,700–16,000 |
| BOD（mg L–1） | 972–6,125 | n.a. |
| 总悬浮固体（mg L–1） | 300–1,273 | 8,600 |
| 总凯氏氮（mg L–1） | 76–185 | 912.5 |
| 氨氮（NH3–N）（mg L–1） | 7.7–95 | 6,407 |
| 总磷（mg L–1） | 8–25 | 125 |

3. 屠宰场废物处理的传统方法和可持续替代方案的进展
传统的固体动物废物处理方法包括填埋、焚烧、堆肥和炼油。在发展中国家，填埋仍然是最简单且最具成本效益的选择；然而，它可能导致地下水和土壤污染以及气味问题。（39）焚烧在约850°C的温度下分解废物，并有助于减少土地使用需求。堆肥是一种低成本的替代方案，但需要足够的微生物多样性来降解有机物。该过程通常包括两个阶段：一个持续数周的嗜热阶段和一个持续数月的嗜温阶段。（40）停留时间必须足够长以确保病原菌的降解。（41）炼油通过热处理将固体动物废物转化为增值材料，其中热量和压力分离蛋白质和脂肪部分。（42）蛋白质部分可用于生产动物饲料蛋白粉或肥料，（43）而脂肪部分则作为肥皂、洗涤剂和生物柴油的原料。（44）然而，炼油技术耗能较高，且常伴随气味排放和病原体污染的风险。（45）屠宰过程中产生的固体动物副产品的有机组成因物种和废物类型而异。它们的挥发性固体含量、蛋白质和脂肪部分直接影响降解途径、甲烷潜力以及生物或热化学处理过程中的稳定性。表4展示了文献中报道的代表性组成范围。固体动物副产品的生化组成因动物种类和组织类型而异，直接影响降解途径和增值策略。

表4. 固体屠宰场副产品的组成特征
| 动物来源 | 废物类型 | 挥发性固体（%） | 蛋白质（% TS） | 脂质（% TS） | 主要有机组分 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 猪肉 | 血液 | 16.8 | 83.1 | 0.2 | 蛋白质丰富（46） |
| 脂肪 | 99.2 | 0 | 100 | 脂质丰富（47） |
| 毛发 | 35.8 | 7 | 4.4 | 10.0 | 结构蛋白（角蛋白） |
| 骨头 | 41.6 | 4 | 3.8 | 12.2 | 蛋白质-矿物质基质 |
| 家禽 | 羽毛 | 80 | 80 | 3 | 角蛋白丰富（47,48） |
| 血液 | 95 | 蛋白质丰富 | 78.4 | –90 | 43.7 | 62.7 |
| 软废物 | 78.4 | –90 | 4 | 18.0 | –28.2 | 混合蛋白质-脂肪 |
| 牛肉 | 软内脏 | 92.7 | 26.5 | 5 | 8.4 | 脂质主导（49,50） |
| 白内脏 | 29.4 | （TS） | 25.9 | 2 | 蛋白质丰富（49） |
| 红内脏 | 24.8 | （TS） | 18.5 | 4.9 | 蛋白质丰富（a） |

蛋白质丰富的组分在厌氧消化过程中释放氨的潜力较高，而脂肪主导的组分则可能抑制长链脂肪酸的产生。这些组成差异突显了定制消化策略和共底物平衡的重要性。除了生物转化途径外，屠宰场残余物的管理还包括旨在最大化资源回收的传统和新兴的增值策略。虽然传统技术为处理屠宰场废物提供了基础，但它们未能充分利用其能源潜力。因此，循环经济原则促使人们转向更可持续的资源利用方式。最近的战略强调回收蛋白质，用于制药、生物医学和化妆品行业。（45,51）例如，动物血液含有适用于食品相关产品的血浆蛋白和球蛋白。（44）热化学途径（如热解）在无氧环境中将废物转化为生物油、合成气和生物炭。生物油是一种可再生能源载体，合成气可用于供热和发电。生物炭作为一种农业土壤改良剂也得到了认可。然而，热解过程通常涉及较高的运营成本和技术复杂性，因为需要严格控制温度和反应条件以获得高产率和产品质量。（52）在这种情况下，肉类工业废物的厌氧消化已成为通过生产沼气实现大规模价值转化的技术可行途径。（46）从屠宰场废物中回收生物甲烷在发电方面具有巨大潜力，每头猪可产生多达2立方米的CH4，每头牛可产生4.7立方米的CH4。这些数值基于生化甲烷潜力（BMP），分别以m3 CH4 kg–1 VS（对于固体副产品）和m3 CH4 kg–1 COD（对于废水）表示。通过将粪便、血液、毛发/羽毛、内脏、肉组织、骨骼和废水部分在温和条件下的甲烷潜力相加，估算出每头动物的总甲烷产量。由于底物组成和消化效率的差异，预计存在约±20-30%的不确定性。这些数值分别相当于每头猪22.4千瓦时的电力和每头牛53.1千瓦时的电力，分别满足了屠宰操作所需电力的66%和32%。（53）尽管如此，原料的季节性以及这些废物中高含量的脂质和蛋白质可能会影响厌氧消化的效果。脂质可能导致起泡并促进微生物附着在浮油颗粒上，最终破坏反应器性能。（54）蛋白质可能导致氨浓度升高，从而抑制微生物群落的活动。因此，人们越来越多地研究共消化、预处理和微生物适应策略来提高厌氧消化系统的效率和稳定性。（7）表5总结了传统的和新兴的屠宰场废物管理方法，并指出了它们的主要优点和局限性。虽然没有一致的国家统计数据，但国际报告显示，油脂提取仍然是处理固体屠宰场副产品的主要方法，而在循环经济和脱碳政策的推动下，厌氧消化的应用正在逐渐扩大。在环境法规严格的地区，填埋和焚烧受到越来越多的限制。

表5. 根据处理方法的不同，屠宰场废物的优点、缺点和最终产品

处理方法 | 优点 | 缺点 | 最终产品
--- | --- | --- | ---
填埋 | 简单处理 | 环境问题 | 无产品 | 低中间成本 | 渗滤液和气味问题
焚烧 | 体积减少 | 能源密集型 | 可能的能量回收和灰分 | 病原体破坏 | 空气污染问题
油脂提取 | 回收脂肪和蛋白质粉 | 能源密集型 | 脂肪：生物柴油和肥皂 | 蛋白质：宠物食品
堆肥 | 营养回收 | 病原体破坏有限 | 堆肥
厌氧消化 | 生物能源生产 | 需要废物预处理 | 沼气：甲烷 | 消化物：肥料 | 可能的LCFAs和NH3抑制

4. 应用于屠宰场废物和废水的厌氧消化基础（重点在于生物能源生产）
厌氧消化是一种生物处理技术，其中微生物群落（细菌和古菌）在无氧条件下降解复杂的有机化合物。在这个共生过程中，一种微生物群的代谢产物常常成为另一种微生物群的底物。最终产物包括甲烷、二氧化碳（CO2）、铵、水和硫化氢（H2S）。（55）图1总结了这一降解过程，通常分为四个阶段：水解、酸生成、乙酸生成和甲烷生成。（56）

图1. 厌氧消化的关键生化步骤。高分辨率图片。下载MS PowerPoint幻灯片

在水解过程中，水解细菌分泌胞外酶，将颗粒状有机物转化为其他微生物群可以利用的可溶性化合物。（57）温度、颗粒大小和底物的生物降解性显著影响水解速率，这一步骤被认为是厌氧消化中的限速步骤。（58）水解产生的物质包括氨基酸、单糖、嘌呤、长链脂肪酸（LCFAs）和醇类。（59）在酸生成阶段，酸生成细菌进一步降解水解产物，将丁酸、丙酸和乙酸等中间体转化为挥发性脂肪酸（VFAs）。（60）这些VFAs的积累会降低pH值并负面影响甲烷的产生。此外还会形成H2、CO2、氨、甲醇和乙醇等代谢产物。乙酸生成过程涉及VFAs转化为乙酸和氢气，这些物质随后为甲烷生成菌群提供养分。最后，甲烷生成是最终步骤，其中乙酸和氢气由两类功能菌群转化为甲烷：（1）乙酸营养型甲烷生成古菌（AMA）和（2）氢营养型甲烷生成古菌（HMA）。乙酸营养型甲烷生成菌占甲烷产量的大部分（约72%），（61）尽管它们的生长速率相对较慢。AMA主要由Methanosarcina和Methanosaeta属代表。在Methanosaeta中，乙酸是甲烷形成的主要底物，而Methanosarcina物种可以利用更广泛的化合物，包括H2、CO、CO2、甲基胺和甲醇。（62）

通过厌氧消化产生的沼气主要用于直接供热、热电联产（CHP），或者经过提纯后注入天然气管网或作为车辆燃料。这些途径由于其技术成熟度和经济可行性而成为成熟的工业实践。除了这些传统方法外，通过Sabatier反应催化CO2甲烷化也成为一种有前景的电力转化为气体的策略，尤其是在有可再生氢的情况下。该策略涉及高温高压催化转化（300–400°C），（14）如方程式1所示：

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O ΔH298K = ?165 kJ/mol CO2（1）

在这些甲烷化条件下，甲烷产量可提高80%，促进当地经济发展并减少对集中能源的依赖。（63）然而，必须在前端去除硅氧烷、H2S和有机硫化合物等杂质，以防止催化剂失活。（64）尽管基于CO2的甲烷化在经济上更有优势，但在杂质管理、反应器工程和系统集成方面仍存在挑战。利用甲烷化过程中释放的热量可以进一步提高整个热化学过程的效率。（65）

4.1. 厌氧消化过程中的重要因素
厌氧消化可以在多种生物反应器配置、进料策略、温度范围和微生物群落下进行，包括单独培养和混合接种。因此，在工艺设计和运营决策过程中必须考虑多个因素，以最大化生物转化效率、提高有机物去除率和增加生物能源产量。对这些参数的详细分析强调了它们在优化系统性能方面的相关性，特别是在沼气生产方面。（66）表S1总结了主要因素及其各自的重要性。

屠宰场废水的特点是含有高浓度的蛋白质和氮化合物，这些化合物来自屠宰和清洁过程中产生的血液、组织和其他有机残留物。在厌氧消化过程中，这些富含蛋白质的底物的降解会导致氨的释放，氨在微生物过程中起着双重作用。低浓度下，氨对微生物生长至关重要；然而，过量氨会通过两种主要机制抑制厌氧消化：首先，铵离子可能直接抑制细胞内的酶促反应；其次，非离子形式的氨（NH3）是一种疏水分子，可以穿过微生物细胞膜，导致细胞内质子失衡和钾缺乏。（68）进入甲烷生成细胞后，氨分子通过吸收氢离子（H+）被质子化形成铵。为了维持细胞内pH平衡，细胞必须调节离子运输，这通常涉及钾（K+），而这种调节可能会干扰特定的酶促反应。（69）

除了氨的抑制作用外，屠宰场废水的厌氧消化还可能因含硫氨基酸的降解而在产生的沼气中产生大量H2S。来自牲畜和屠宰场废物的富硫底物产生的沼气中H2S浓度可高达10,000 ppmv。（70）H2S具有毒性，其燃烧过程中会形成二氧化硫（SO2）和三氧化硫（SO3），这些化合物对管道、仪器和发动机部件具有高度腐蚀性。即使在微量水平下，H2S也可能损坏用于发电的燃料电池中的离子交换膜。因此，在利用沼气之前通常需要去除H2S。（71）

可以在过程的不同阶段实施减少H2S形成的策略。预处理方法旨在通过沉淀FeS化合物和胶体硫来减少进入厌氧消化器的硫含量，去除效率通常低于75%。在厌氧消化过程中，过程控制策略可以针对硫酸盐还原菌进行抑制，并促进FeS在反应器内的沉淀，去除效率可超过95%。（70）作为后处理步骤，产生的沼气可以通过生物过滤（72）或物理化学洗涤过程（73）进一步净化，这两种方法都能去除超过95%的H2S。

氨对甲烷生成活性的抑制还会导致系统中氢气的积累，这会负面影响LCFAs的降解。结果，LCFAs的β-氧化变得更加困难，导致其在反应器中的积累。（74）因此，氨和LCFAs的联合抑制作用会损害厌氧消化的稳定性：氨减缓甲烷生成，而LCFAs的积累进一步抑制微生物活性并降低整体过程效率。（75,76）为了减轻屠宰场废水中高氮和脂质浓度带来的抑制效应，广泛研究了与互补底物的共消化。（77,78）选择合适的共底物可以改变消化环境，特别是通过改善反应器内的碳氮（C/N）比率，从而提高过程稳定性和整体性能。（79）然而，结合不同底物也会引入操作挑战，特别是在平衡具有不同生化组成和能量潜力的材料方面。（80?82）在这种情况下，特别是富含血液和蛋白质的屠宰场残渣，其C/N比率较低，有利于氨的积累和微生物抑制。与富含碳的底物（包括生活废物、食物废物和水果蔬菜残渣）共消化可以将C/N比率调整到最佳范围（20–30），从而提高微生物活性和沼气产量。（80,81）这种有针对性的调整提高了系统的整体稳健性，表明共消化是优化屠宰场废物厌氧处理的策略。（83,84）

4.2. 生物能源生成的关键参数
屠宰场废物和废水具有巨大的生物能源生成潜力；然而，必须仔细监测几个关键参数以优化沼气生产。（85）关键因素包括氨和氮的水平、（86）硫化物浓度、（87）起泡、（88）VFAs、（89）浆料管理和（90）病原体的存在。（91）图2说明了这些参数的影响，并概述了缓解不利影响的潜在策略。

图2. 生物能源生成和通过厌氧消化处理屠宰场废物和废水的关键参数、影响及解决方案。高分辨率图片。下载MS PowerPoint幻灯片

氨的积累是屠宰场废物厌氧消化中最关键的抑制因素之一，主要是由于其中的高蛋白质含量。在蛋白质水解和随后的脱氨过程中，有机氮被转化为铵（NH4+），铵与游离氨处于平衡状态。非离子形式的氨容易穿过微生物膜，对乙酸裂解型甲烷生成菌具有很强的抑制作用，（92）破坏细胞内的pH平衡、酶活性和整体代谢功能。高浓度的氨可能导致代谢方向从乙酸裂解型转变为氢营养型甲烷生成，通常伴随着甲烷产量的降低和过程稳定性的下降。（93）同样，VFAs的过量积累，尤其是丙酸和丁酸，表明酸生成菌群和甲烷生成菌群之间的不平衡。VFAs水平的升高会降低系统pH值并削弱碱度缓冲能力，可能导致反应器酸化，在严重情况下甚至导致过程失败。（94）

硫化物的形成主要来自硫酸盐还原或含硫氨基酸的降解，给操作带来额外限制。H2S不仅降低沼气质量和热值，还会加速气体处理基础设施和热电联产系统的腐蚀。（70）在高浓度下，硫化物还可能抑制敏感的微生物种群。在富含脂质的底物中，起泡事件是另一个常见问题；（95）LCFAs的积累会改变界面性质，促进生物质浮选，并干扰气液分离，从而降低有效反应器体积并增加生物质冲出的风险。（96）

除了技术性能外，生物安全性也是回收动物源废物的关键限制因素。屠宰场废物可能携带病原体和人畜共通微生物，虽然厌氧消化可以降低微生物负荷，但其杀菌效果取决于工艺条件。（41）特别是中温系统可能无法保证完全灭活病原体。因此，当消化物或处理后的废水用于土地应用或再利用时，可能需要进一步稳定或处理以满足健康和环境标准。

5. 废物到沼气的生物转化反应器
厌氧消化包括多种反应器配置，每种配置都旨在优化生物质保留、底物转化和过程稳定性。尽管厌氧过滤器和厌氧池在废水处理中仍然具有相关性，特别是在分散式或低成本应用中，但它们的性能通常受到较低体积生产率和有限工艺强化程度的限制。在废物转化为生物气的过程中，高速系统能够更好地控制水力停留时间、有机负荷和微生物分层。因此，以下部分将重点介绍专门设计用于提高生物气产量的反应器配置：厌氧序批反应器、连续搅拌罐反应器、上流式厌氧污泥床反应器和厌氧膜生物反应器。

5.1 厌氧序批反应器
厌氧序批反应器（ASBR）是一种单罐系统，处理和发酵在同一腔室内进行。它非常适合低流量应用，并能够处理高浓度的废水。与连续流活性污泥系统不同，ASBR通过时间上的分离而不是空间上的分离来运行，在同一容器内循环进行均衡、反应和沉淀步骤。ASBR设计可以适应广泛的进水体积，而连续流反应器则需要固定的水力负荷条件。操作简单性、改进的出水质量控制和低运营需求是这种配置的主要优势。然而，ASBR也存在一些局限性。低生物量自固定性和生物气泡附着在污泥颗粒上可能会影响沉淀效果。因此，研究混合策略以增强颗粒化生物体内的底物传递，从而提高厌氧降解效率，对于深入理解机制和优化系统性能至关重要。

从操作角度来看，已经评估了用于处理屠宰场废水的ASBR系统在各种负荷和停留时间条件下的表现。据报道，氧化负荷率（OLR）从低至0.3 kg COD m–3 d–1到大约9.8 kg COD m–3 d–1不等，具体取决于系统配置和处理目标。水力停留时间（HRT）从强化系统中的12小时到半连续或试验规模配置中的长达15天不等。在半连续操作下，总固体浓度相对稳定，随着HRT从15天逐渐减少到3天，浓度变化在3.4 ± 0.9至3.7 ± 0.4 kg m–3之间。此外，甲烷产量也根据负荷情况而变化，在半连续操作中体积产量可达0.55 ± 0.02 L CH4 d–1。这些发现展示了ASBR配置的广泛操作灵活性，同时也强调了工艺稳定性和甲烷产量对负荷率和停留时间的强烈依赖性。

Basheer等人（98）报告了一种高度与直径比为10的柱式ASBR用于处理屠宰场废水的情况。该系统在气体和液体循环下运行，甲烷产量稳定在4.5至8 L day–1，甲烷含量约为60%至70%。高高度与直径比有助于保持密集的污泥并促进生物气的生成。基于16S rRNA基因的微生物群落分析显示Methanosaetaceae占主导地位（23.07%）。据作者称，这种配置相对于其他生物反应器设计可以节省能源，因为生物气被限制在反应器内。在另一项研究中，Aziz等人（99）使用序贯厌氧和好氧反应器（ASBR + ISBR）在365天的运行期间处理屠宰场废水。ASBR配置平均每天产生17.3 L的生物气，足以满足52%的电力需求。如果扩大到全规模，这种性能每天可节省103美元。对于组合的ASBR + ISBR系统，在12小时的水力停留时间下，COD、总悬浮固体、油脂、总氮和PO43––P的去除效率分别达到98.8%、96.4%、98.7%、93.4%和86.6%，符合排放标准。微生物分析进一步表明Methanosaeta（21.56%）和Methanosarcina（6.48%）是生物甲烷生产的主要贡献者。

还有其他有效的屠宰场废物处理策略也被报道。（100）热预处理后进行离心处理显著降低了废水的有机负荷。此外，共消化技术使去除效率达到76%。在半连续ASBR中的运行产生了0.23 L Ldigestor–1 d–1的甲烷产量，表现出与其他厌氧技术相当的性能。在一项试验规模研究中，Tsegaye和Leta（101）报告了两个连续连接的40 L厌氧批式生物反应器用于生产生物气以及去除屠宰场废水中的有机物、总氮和总磷。生物气产量达到189.45 mL day–1，甲烷含量为67.7%，二氧化碳含量为29.9%。尽管在减少有机物方面效率很高，但最终出水浓度仍超过法规排放限值，表明需要额外的精处理步骤。

5.2 连续搅拌罐反应器
连续搅拌罐反应器（CSTR）是最早开发的高速厌氧消化系统。其配置使其能够处理含有高浓度悬浮固体的废水，特别适合处理液态动物粪便和有机残留物。在这种系统中，微生物悬浮在消化器内，强烈的混合确保了底物与生物质的有效接触。然而，其局限性包括中等的质量传递阻力以及相对较高的能源和劳动力需求。由于操作简单性和较低的资本要求，通常更倾向于使用两阶段设计。尽管如此，操作模式仍然是微生物保留的关键限制因素，因为在连续运行过程中部分微生物群可能会随废水被冲出。此外，连续混合和搅拌可能会促进VFAs的积累，从而抑制厌氧消化。

近年来，关于CSTR配置用于废水和屠宰场废物的研究相对较少。Mozhiarasi等人（78）研究了屠宰场废物与蔬菜、水果和花卉残渣（VFFR）的批式和连续厌氧共消化。在批式模式下，当屠宰场废物与VFFR的比例为1:3时，甲烷产量达到最大值354.9 mLN g–1干有机物。在15 L实验室规模反应器中，使用挤压废物进行连续操作，在不同的氧化负荷率下，最大能量潜力为12.2 MJ kg–1干物质，甲烷产量为618.5 mLN g–1干有机物，甲烷含量为62.3%。该研究强调了共消化在从批发市场残渣和屠宰场废物中生成可再生能源方面的协同效益。

5.3 上流式厌氧污泥床反应器
上流式厌氧污泥床（UASB）反应器底部有一层污泥层，使进水与生物质有效接触。这种配置需要较小的体积和占地面积，同时允许更高的水力通过量和增加的生物气产量。与基于絮状污泥床的系统相比，它还能维持更高的氧化负荷率。UASB反应器不需要废水循环，因为进水与生物质之间的充分接触时间消除了这一需求。通过形成密集的细菌颗粒，微生物在反应器内得以保留，这些颗粒作为过滤基质，防止生物质被冲出，同时提供更大的生物膜发育表面积和增强甲烷生成。然而，UASB反应器通常需要较长的启动期，并且在初始运行阶段容易发生污泥冲出。据报道，改进的反应器配置可以缓解这些限制。（102,103）

Hernández-Fydrych研究了一种装有天然沸石的混合UASB反应器，用于处理最初用市政废水稀释的屠宰场废水。（104）在14.4 kg COD m–3 day–1的有机负荷率下，COD去除率达到67.7%。沸石填充的过滤器分别减少了NH4+–N和PO43––P浓度32.8%和35%。在最高有机负荷率14.4 kg COD m–3 day–1下，生物气产量达到8.1 L day–1，表明产酸菌群和产甲烷菌群之间达到了平衡。污泥适应可以提升系统性能并支持高去除效率。Marzuki等人（105）比较了两个UASB反应器：UASB 1使用合成废水，UASB 2使用经过30天适应的污泥处理合成废水。在应用有机负荷的稳态阶段，UASB 2的COD去除效率超过80%。此外，UASB 2对冲击负荷具有更好的抵抗力，最大生物气产量为10 L day–1。在实验室规模下，能量回收率为0.056 kWh；在商业规模下为790.49 kWh，支持建造一个60 m3的全规模反应器来处理现场每天产生的20.49 m3鸡肉屠宰场废水。

UASB反应器还包括变体，如微滤膜生物反应器（UASB MF-OMBR），它源自厌氧膜生物反应器（AnOMBR）技术。Hasanoglu等人（106）使用合成和实际屠宰场废水报告了这两种配置的长期性能，重点关注膜行为和污染情况。UASB MF-OMBR表现出更好的性能，COD去除率为70%，甲烷产量为0.24 L g–1 COD去除量，并且由于膜污染减少，水通量更高。在另一项研究中，Hasanoglu等人（107）应用纳滤和反渗透从UASB MF-OMBR和AnOMBR反应器处理的微滤渗透液中回收水和营养物质。作者指出，只有反渗透产生的渗透液适合灌溉。从1 L反渗透浓缩液中回收了11.9 g的鸟粪石。成本分析表明，纳滤（0.12–2.30 US$ m–3）略低于反渗透（0.43–2.64 US$ m–3）。

5.4 厌氧膜生物反应器
厌氧膜生物反应器（AnMBRs）将厌氧消化与膜过滤结合在一起。这种配置防止了产甲烷菌群的冲出，并产生适合下游处理和潜在再利用的无颗粒渗透液。（108,109）最成熟的设计采用外部交叉流膜模块，在2–3 m s–1的流速下减少污染。然而，超过这个范围的流速会产生剪切应力，对微生物活性产生不利影响。（109）与传统消化器相比，AnMBRs产生的厌氧污泥量显著减少，从而降低了处理残余固体的成本。据报道，这种反应器配置可节省高达49%的能源。（111）尽管如此，AnMBRs仍面临持续的挑战，包括膜污染、较高的能源需求和溶解甲烷损失。（112）多项研究已将AnMBRs应用于屠宰场废水的处理。（113?115）需要注意的是，屠宰场操作可能与肉类加工单元不同，导致废水特性不同。肉类加工废水通常含有较低的血液和蛋白质浓度，但含有更多的来自烹饪活动的脂质，以及盐分和各种添加剂。（116）

6. 屠宰场废水的其他处理技术
物理化学处理被归类为主要处理方法，旨在去除油脂和脂肪。常用方法包括絮凝、沉淀和混凝。然而，这些方法不足以消除微生物污染物带来的毒性。因此，随后应用生物处理（二次处理），可以减少生化需氧量（BOD）高达90%。（117）生物处理包括好氧和厌氧过程。好氧反应器能有效去除病原体，但需要大量的氧气输入、较长的停留时间和较高的维护成本，通常在厌氧处理之后实施。

由于二次处理可能无法去除不可生物降解的有机化合物和持久性病原体，因此采用高级氧化工艺（AOPs）作为三级处理。它们依赖于高活性羟基自由基和其他氧化剂的生成。（118）这些技术具有高的污染物去除率，可以使用阳光或紫外线照射进行操作。此外，AOPs能够矿化顽固污染物。最常用的AOPs包括光芬顿、光催化、UV/H2O2和臭氧氧化。（119）

7. 屠宰场废水和消化物的资源回收与再利用
废水再利用是水资源管理中的有效策略。然而，不符合质量标准的废水排放或再利用可能导致严重的环境污染。（120）再利用应用包括饮用（人类消费）和非饮用用途，如农业灌溉、景观灌溉、工业应用、非饮用城市和娱乐用途、环境改善等。（121）农业部门是全球最大的水资源消费者，这得益于近几十年来食品生产的扩张。废水再利用的主要好处包括改善养分管理、支持干旱地区的发展，以及在长期干旱地区提供替代水源。(122) 将处理过的屠宰场废水重新用作农业生产的营养和水源已成为动物蛋白行业循环管理的基石。最近的农学评估表明，富含氮和钾的屠宰场废水可以完全替代用于灌溉大豆（Glycine max）和高粱（Sorghum bicolor）等战略作物的自来水，同时保持甚至提高产量，且没有明显的毒性迹象。(123) 例如，结合施用Bradyrhizobium spp.的灌溉显示出协同效益，优化了豆科作物的生物量积累和养分利用效率。(124) 除了传统的土壤施用方法外，创新的低成本技术如石灰沉淀和大气碳化可以生产出适合水培栽培芳香植物（如Pennyroyal和Chocolate Peppermint）的废水，有效地将氮循环利用为高价值生物质。(125) 此外，综合处理方法证明，回收的屠宰场废水能够保持与农业再利用系统兼容的物理化学特性，支持植物生长而不会产生毒性。先进技术的应用正在推动屠宰场向能够内部再利用水资源和能源的设施转型。使用膜生物反应器的长期试点研究验证了基于超滤的系统在符合食品行业废水再利用法规要求的同时，能够可靠地回收适合再利用的水。(126) 为了进一步提高膜的稳定性和处理性能，开发了含有聚合物和银纳米粒子的改性超滤膜，显示出更好的抗污染性能和更高的污染物去除率。(127) 这些先进系统能够有效去除悬浮固体、有机物和微生物污染物，从而生产出适合非饮用工业应用的再生水。最终，遵守特定法规框架（如西班牙RD 1085/2024或巴西CONAMA决议503/2021）确保了这些先进处理配置能够稳定且安全地供应再生水用于工业再利用。(126) 总而言之，这些研究表明，屠宰场废水的再利用越来越多地融入了结合先进处理技术、资源回收和环境保护的循环水管理策略中。屠宰场废水中通常含有高浓度的有机物和养分，BOD5/COD比率经常超过0.4，表明其具有很强的生物降解性，适合在再利用前进行生物处理。(128) 经过适当处理后，这些废水可以用于农业系统或工业过程，有助于节约水资源和养分循环利用。已经提出了先进的处理技术来提高废水质量并扩大再利用机会，包括能够高效去除有机物、养分和病原体的集成电化学系统，同时还能将产生的污泥转化为建筑材料，从而支持循环经济方法。(129) 同时，基于膜的精处理过程和集成处理流程证明了生产高质量再生水的能力，显著减少了大型屠宰场对淡水的需求。(130) 此外，最近的环境工程研究表明，结合物理化学和生物过程的混合处理配置可以实现稳定的污染物去除和符合再利用应用的废水质量。(131) 这些方法与新兴的资源回收策略一起，加强了屠宰场向水和资源回收设施的转型，在这种转型中，废水被视为宝贵的水资源、养分和可重复利用材料的来源，而不仅仅是需要处理的废物。(132) 除了再生水之外，屠宰场残渣的厌氧消化还能产生富含养分的消化物，这也是资源回收的重要途径。固体成分（如粪便、血液残渣、内脏和肉组织）含有大量的有机物、氮和磷，在消化过程中部分稳定下来。因此，这些消化物可以作为土壤改良剂或生物肥料进行利用，(133) 有助于养分循环利用并减少对合成肥料的依赖。与液体废水相比，来自固体基质的消化物通常具有更高的养分密度和有机物含量，增强了其农学价值。然而，其安全应用取决于适当的稳定化、病原体减少以及控制残余有机负荷，以防止土壤或地下水污染。(134) 将固体消化物管理纳入再利用策略对于确保屠宰场废物全面循环利用至关重要。通过将养分回收和消化物增值途径整合到厌氧生物精炼系统中，可以增强屠宰场废水的资源回收潜力。特别是，通过struvite沉淀回收氮和磷已被证明是将厌氧处理后的废水转化为高价值肥料的有效策略，并已证明其在循环经济模型中的技术可行性和整合性。(135?137) 此外，厌氧处理后的废水仍含有大量的氮和磷，使得后续回收过程（如气体渗透膜用于氮的回收和基于镁的沉淀用于磷的回收）成为可能。(14,118) 除了养分回收之外，消化物的后处理还提供了额外的能源和材料生成途径。热化学过程（如热解和气化）可以将固体残渣转化为生物油、合成气和稳定的碳质材料，而堆肥是一种低成本的农业改良剂生产方法。(138?140) 此外，厌氧消化过程中的氨气剥离已被提出用于直接从过程中回收氮，有助于提高系统稳定性并闭合养分循环。(141) 卫生安全是屠宰场废物增值的关键限制因素，因为这些废水可能含有致病微生物（如沙门氏菌属和耶尔森菌属）和寄生虫（如蛔虫属、鞭虫属和弓形虫属），对公共健康构成潜在风险。(142) 已证明，特别是嗜热厌氧消化能够显著增强病原体的灭活效果并提高消化物的卫生质量。(142,143) 不同温度条件下的比较评估表明，嗜热条件有利于更有效地去除粪便大肠菌群和沙门氏菌，同时还能改善某些新兴污染物的降解。尽管如此，观察到嗜热操作并不一定能确保更好地去除抗生素抗性基因，有时甚至可能增加其相对丰度。(143) 尽管存在这些考虑因素，即使是中温消化也证明了能够生产出不含可检测病原体和活寄生虫卵的消化物，从而支持其在农业中的安全应用。(142) 鉴于屠宰场废物带来的健康和环境风险，如嗜热消化等处理策略对于防止疾病传播、保护公共健康和确保环境友好的资源回收至关重要。(144) 在此背景下，必须密切关注可能仍然对环境或公共健康构成风险的有毒污染物和致病微生物的浓度。例如，使用家禽屠宰场再生废水评估莴苣种子发芽率的毒性试验显示，处理后发芽率从22.35%增加到64.65%。(145) 处理后的废水没有表现出植物毒性效应，并符合排放到污水系统的当地标准。尽管废水再利用已被广泛采用，但在发展中国家，适当的处理仍然至关重要。(146) 此外，再利用的监管框架和监测指南需要全球范围内的进步，以防止相关的环境和健康影响。现有的监管框架，如世界卫生组织（WHO）关于废水安全使用的指南和欧盟2020/741号法规，已经建立了质量和监测标准；然而，全球协调和执行仍然有限。(8. 屠宰场废物增值的技术经济和环境可持续性) 尽管通过厌氧消化处理屠宰场废物的多重优势已被广泛讨论，但其整合到工业系统中的可行性取决于几个相互依赖的因素，包括(i) 基质的物理化学特性，(ii) 操作条件（如有机负荷率、HRT和温度），以及(iii) 成本结构（包括能源、废物处理、设备和维护费用）。(147) 在此背景下，技术经济分析提供了评估成本、收入和风险的定量框架，有助于确定经济上可行的工艺配置并最大化沼气生产和资源回收的回报。常用的财务指标（如净现值（NPV）、内部收益率（IRR）和最低吸引率（MARR）用于评估不同废水流的基于沼气的能源回收项目的经济可行性。然而，此类评估必须明确考虑厌氧反应器的性能以及影响沼气生产和利用的区域、操作和行业特定条件。尽管厌氧消化在屠宰场中的应用具有重要意义，但相关的技术经济评估仍然较少。Menezes Lima等人(148)评估了在巴西的猪、牛和家禽屠宰场实施厌氧消化的技术经济可行性。利用文献数据和在30至38°C下运行的UASB反应器的沼气生成预测模型，作者证明该工艺在最大HRT为48小时时具有经济可行性，消化器的投资成本为4323万美元/立方米，发电机的成本为287.80美元/千瓦时。同样，Sánchez等人(147)评估了实验室规模中温管式反应器中屠宰场废水的厌氧消化的技术和经济性能，考虑了用于沼气利用的锅炉和热电联产（CHP）单元。该系统在体积有机负荷率（OLR）在0.28至1.5千克VS立方米/天之间时具有技术可行性。当COD负荷≥1.0千克VS立方米/天时，锅炉集成是有利的，而CHP操作在整个负荷范围内都具有经济可行性，并且对成本波动具有鲁棒性。其实施每立方米处理废水可节省2.2至9.4千瓦时的电力和0.4至2.6立方米的天然气。然而，作者强调，工厂建设和扩建的土地购置可能会大幅增加资本支出（CAPEX），从而可能限制经济吸引力。除了废水处理外，固体屠宰场副产品的厌氧消化还引入了不同的技术经济考虑因素。固体基质通常比稀释废水具有更高的有机负荷潜力和单位体积的甲烷产量，从而提高了能源回收前景并增加了每单位原料处理的潜在收入。然而，这些优势被更高的CAPEX所抵消，特别是与预处理单元、尺寸减小、混合系统强化和固体进料基础设施相关的成本。由于搅拌和加热所需的能量增加以及更复杂的消化物处理和后处理要求，运营支出（OPEX）也可能增加。从经济角度来看，固体进料系统中的CAPEX和OPEX相对分布倾向于比仅处理液体的配置有更高的前期投资。因此，财务指标（如回收期和平准化能源成本（LCOE）对工厂规模、有机负荷率、沼气升级策略和政策激励（如上网电价或碳信用）非常敏感。虽然提高的甲烷产量可以在优化条件下缩短回收期并降低LCOE，但劣质的原料物流或不足的规模可能会抵消这些收益。因此，固体废物消化的经济可行性取决于在更高的能源密度与增加的基础设施复杂性和运营需求之间的平衡。(149) Awafo和Amenorfe(149)使用文献分析、屠宰场运营数据和能源需求评估，评估了在加纳库马西屠宰场安装沼气厂的可行性。该设施每天产生约9吨固体废物和170吨废水，相应的沼气潜力为846立方米/天，低于估计的1,448立方米/天的需求。即使在优化的能源效率情景下，最大产量也只能达到1,250立方米/天。用沼气替代液化石油气进行烧毛被认为是最具经济吸引力的选择，成本为0.46美元/立方米，而发电则可产生0.10至0.18美元/千瓦时的收入。尽管敏感性分析揭示了包括高资本投资、沼气产量减少和设备寿命缩短在内的重大风险，作者仍建议建设沼气设施。(9. 剩余挑战和未来研究方向) 尽管在利用厌氧消化处理屠宰场废水和固体残渣方面取得了实质性进展，但多种技术、操作和系统限制继续限制其大规模应用。最关键的挑战之一是废水组成的显著变异性，这源于动物种类、屠宰实践、清洁协议和季节性生产模式的差异。这种变异性会导致氧化还原电位（ORLs）、脂质和蛋白质浓度以及营养水平的波动，从而可能破坏厌氧反应器的稳定性并降低甲烷产量。屠宰场废水中的高脂质和蛋白质含量进一步增加了处理的复杂性。脂质水解过程中产生的短链脂肪酸（LCFAs）会抑制甲烷生成活性并促进污泥浮选，而过度的蛋白质降解会导致氨的积累，这对关键的微生物群落具有毒性。尽管共消化、原料稀释和逐步适应生物质等策略已显示出缓解这些抑制作用的潜力，但仍需要系统的研究来确定能够在工业相关条件下维持长期稳定性的操作窗口。从技术角度来看，先进的反应器配置，特别是厌氧膜生物反应器（AnMBRs），能够提高生物质保留率并改善出水质量。然而，其更广泛的应用受到膜污染、能源需求增加以及溶解甲烷损失的限制。同样，虽然升流式厌氧污泥床（UASB）反应器已经得到广泛应用，但较长的启动时间、对有机冲击负荷的敏感性以及有限的营养物去除能力仍然是其推广的主要障碍。因此，未来的研究应优先考虑过程强化策略，包括优化流体力学和混合效果、分阶段或混合反应器配置，以及将厌氧消化与营养物回收途径（如鸟粪石沉淀和基于Anammox的氮去除）相结合。同时，数字工具（包括实时监测、数据驱动控制和数字孪生框架）的部署可以提高过程稳定性和能源回收效率。最后，全面的技术经济性和生命周期评估对于在不同监管和区域背景下选择合适的处理技术至关重要，以确保厌氧消化系统在屠宰行业中既能带来环境效益，又能实现经济上的可持续性。

10. 结论
本综述对过去五年内屠宰场废水和固体废弃物处理的最新进展进行了批判性和综合性的评估，特别强调了厌氧消化作为有机物去除、生物能源生产和资源回收的核心技术。高速厌氧反应器在将有机物转化为沼气方面具有巨大潜力，尤其是在适当的预处理、共消化和优化过程控制条件下。与好氧后处理和三级处理技术的结合对于满足日益严格的环境法规和实现水回用至关重要。此外，通过热能应用、电力生产和生物甲烷生产对沼气的进一步利用进一步强化了厌氧消化在当前能源转型中的战略作用。然而，重大的技术、经济和监管障碍仍然限制了其大规模应用。因此，结合技术经济评估、环境可持续性和过程创新的综合方法对于指导投资决策和推进屠宰行业可持续厌氧生物精炼厂的发展是不可或缺的。