餐廚垃圾與生化污泥厭氧共消化研究

王延凱 何清玉 溫宗國 喬如林 陳磊 薛心誠 苗文青

摘 要：【目的】厭氧處理工藝是餐廚垃圾處理最常用的方法之一，餐廚垃圾單獨厭氧由于碳氮比失衡容易導致酸抑制，可通過生化污泥聯合厭氧來解決這一問題。【方法】利用自主設計的100 L立式錐底厭氧發酵系統，研究餐廚垃圾渣料與生化污泥聯合厭氧的相關參數及產氣量。通過連續進出料，前期進行餐廚垃圾渣料單獨厭氧，后期進行餐廚垃圾渣料與污泥聯合厭氧。【結果】每日檢測相關參數發現，前期餐廚垃圾單獨厭氧出現酸抑制后，加入污泥后揮發酸和COD濃度迅速下降，pH值在加入污泥后上升，而氨氮在加入污泥后呈現先下降后上升的趨勢；加入污泥后每千克垃圾產氣量上升25.23%，有機質的降解率由76.60%提高至79.07%。通過菌群檢測發現，加入污泥后細菌中的梭菌目（Clostridiales）與擬桿菌目（Bacteroidales）豐度上升，甲烷菌甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）豐度大幅上升。【結論】加入污泥可減輕高負荷下餐廚垃圾單獨厭氧產生的酸抑制現象，并提高有機質的產氣率和降解率。研究揭示加入污泥前后菌群結構的變化，為餐廚垃圾與污泥聯合厭氧提供理論基礎。

關鍵詞：餐廚垃圾；污泥；厭氧共消化；酸抑制；菌群結構

中圖分類號：X705? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）10-0092-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.019

Abstract： [Purposes] Anaerobic treatment process is one of the most commonly used methods for food waste treatment， and the single anaerobic treatment of food waste is easy to lead to acid inhibition due to the imbalance of carbon nitrogen ratio. It is a research hotspot to solve this problem by using biochemical sludge combined with anaerobic treatment. [Methods] Using a 100 L vertical cone bottom anaerobic fermentation system designed independently， the relevant parameters and biogas production of combined anaerobic digestion of kitchen waste residue and biochemical sludge were studied. Through continuous feeding and discharging， separate anaerobic treatment of kitchen waste residue was carried out in the early stage， and combined anaerobic treatment of kitchen waste residue and sludge was carried out in the later stage. [Findings] The daily inspection of relevant parameters showed that after the acid inhibition of separate anaerobic digestion of kitchen waste in the early stage，the concentrations of volatile acid and COD decreased rapidly after adding sludge， pH increased after adding sludge， and ammonia nitrogen decreased first and then increased after adding sludge; After adding sludge， the gas production per kg of garbage increased by 25.23%， and the degradation rate of organic matter increased from 76.60% to 79.07%. Through microbial community detection， it was found that the abundance of Clostridiales and Bacteroidales in the bacteria increased after adding sludge， and the abundance of methanogen， Methano? sarcina， increased significantly. [Conclusions] This study shows that adding sludge can reduce the acid inhibition phenomenon produced by kitchen waste under high load， improve the gas production rate and degradation rate of organic matter， reveal the changes of microbial community structure before and after adding sludge， and provide a theoretical basis for the combined anaerobic treatment of kitchen waste and sludge.

Keywords： food waste; sludge; anaerobic co-digestion; acid inhibition; flora structure

0 引言

隨著經濟的發展，城市生活垃圾產生量與日俱增。2020年全國生活垃圾產生量約為2.35×108 t，并以每年8%～10%的速度增長［1］。餐廚垃圾占城市生活垃圾總量的比重越來越高，現在約占其總量的37%～62%［2］。然而餐廚垃圾的含水率高，鹽分含量高，富含脂肪和蛋白質，極易發生腐爛，污染環境［3］。由于餐廚垃圾碳氮比較低，單獨厭氧極易發生酸抑制［4］。

根據《2020年城鄉建設統計年鑒》，2020年地級以上城市污水處理廠的干污泥產量為1.163×107 t，2025年我國污泥產量將突破8×107 t［5］。餐廚垃圾和污泥的聯合厭氧可以促進餐廚垃圾的消化，提高產氣率，是改良厭氧消化的一個重要手段。

嚴零陵等［6］通過餐廚垃圾與剩余污泥不同質量比厭氧發酵產氫試驗表明，餐廚垃圾和剩余污泥質量比為4∶1時，厭氧發酵產氫效果最好，TS和VS的去除率最高。李華藩等［7］發現，當污泥與餐廚垃圾聯合厭氧發酵，餐廚垃圾占比10%時，產甲烷效率最佳。Prabhu等［8］通過試驗發現，餐廚垃圾與剩余污泥比為1∶2時，產甲烷量最高。但是現有試驗均為序批式發酵，往往聚焦于餐廚垃圾與剩余污泥厭氧最佳產氣比，無法考察污泥對餐廚垃圾高負荷下酸抑制的解除情況。

本試驗通過利用藍德公司自主設計的100 L立式錐底厭氧發酵系統進行連續進料試驗，前期進料餐廚垃圾渣料，在高有機負荷下產生酸抑制后，通過與污泥聯合厭氧，監測每日參數，考察污泥對調節高負荷下餐廚垃圾單獨厭氧產生的系統崩潰的積極作用，并比較加入污泥前后菌群結構的變化，為餐廚垃圾與生化污泥聯合厭氧提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

餐廚垃圾渣料是由德州藍德再生資源有限公司收運的餐廚垃圾進行固液分離后產生的固相渣料。生化污泥取自德州藍德再生資源有限公司污水處理系統產生的脫水后的生化污泥。

1.2 試驗裝置

針對現有對聯合厭氧消化的研究大多從批次研究中獲得、連續厭氧試驗較少的問題，自主研發了100 L立式錐底厭氧發酵系統，如圖1所示。

1.3 試驗方法

通過藍德公司自主設計的100 L立式錐底厭氧發酵系統，試驗溫度為35 ℃，有效容積為80 L，前期只進料餐廚垃圾渣料，有機負荷為7.68 g/（L·d）；運行100 d后加入生化污泥，加入污泥的有機負荷為1.00 g/（L·d）。運行200 d，每日檢測厭氧罐內相關參數，沼氣產量由沼氣流量計記錄。

1.4 菌群結果檢測

取正在運行100 d及200 d的沼液（加入污泥前后穩定運行的沼液），委托生工生物工程（上海）股份有限公司進行高通量測序，測序平臺為Miseq 2x300bp。

1.5 檢測方法

氨氮含量用納氏試劑比色法測定（HJ 535—2009《水質 氨氮的測定》）；pH值測定采用MettlerToledo Delta320型pH計測定；COD采用聯華科技COD快速測定儀測定；TS、VS采用重量法測定（CJ/T 211—2005《城市污水處理廠污泥檢驗方法》）。

2 試驗結果

揮發酸和COD隨時間變化如圖2所示。0～100 d只加入離心渣，揮發酸維持在10 000 mg/L以上，產氣率較低，COD維持在高位，沼液黏度增大，導致物料發生膨脹堵塞出氣管道，需要經常加運行項目的厭氧沼液才能維持正常運行，100 d后開始維持離心渣量不變，加入污泥后揮發酸迅速下降，維持在8 000 mg/L左右，說明加入污泥后能提高揮發酸轉化為沼氣的能力，降低揮發酸的積累。只加入離心渣COD維持在60 000 mg/L左右，加入污泥后COD下降至45 000 mg/L左右，說明加入污泥后提高了COD降解的能力。pH值與氨氮隨時間變化如圖3所示。加入污泥前pH值維持在7.8～7.9，加入污泥后，可能由于揮發酸的下降導致pH值上升至8.2左右。而氨氮在加入污泥后呈現先下降后上升的趨勢，可能由于前期生化污泥氮元素以有機氮的形式存在［9］，后期由于有機氮的氨化作用轉化為氨氮導致氨氮上升，氨氮總體呈現先下降后升高的趨勢。

由表1可知，餐廚垃圾單獨厭氧每千克垃圾產氣量為148.22 L/kg，每千克有機質產氣量為817.29 L/kg。加入污泥后，餐廚垃圾與污泥聯合厭氧每千克垃圾產氣量為185.61 L/kg，比餐廚垃圾單獨厭氧提高了25.23%，每千克VS產氣量提高至881.43 L/kg，提高了7.85%。加入污泥后每千克總固體的降解率由加入污泥前的67.56%提高至72.46%，有機質的降解率由加入污泥前的76.60%提高至79.07%。

與上階段餐廚垃圾單獨厭氧相比，餐廚垃圾與污泥聯合厭氧每千克垃圾產氣量、TS降解率、VS降解率均有上升，說明加入污泥對厭氧發酵有機物分解有促進作用。

一方面，與單獨厭氧消化相比，混合厭氧消化降低了單一物料中抑制性物質的濃度，能夠有效提高系統的穩定性；另一方面，污泥的主要組成部分是微生物殘體，餐廚垃圾則含有更多易降解的有機物，污泥和餐廚垃圾進行混合消化，不僅提供了更為豐富的菌群結構，還為系統內微生物提供了更為均衡的營養條件，因而更有利于提高系統的穩定性。這種作用在其他物料的混合消化中也有報道［10］。

3 菌群結構檢測

3.1 細菌菌群結構組成分析

細菌門水平的相對豐度如圖4所示，其中A1為加入污泥前目水平上菌群結構；A2為加入污泥后目水平上菌群結構。

由圖4可知，細菌在門水平上，加入污泥前后的優勢菌群均為厚壁菌門（Firmicutes）和擬桿菌門（Bacteroidetes），擬桿菌門（Bacteroidetes）豐度由加入污泥之前的20.04%提高至30.63%。擬桿菌門（Bacteroidetes）是厭氧消化體系中的主要產酸菌之一［11］。這是因為擬桿菌門（Bacteroidetes）在有機物降解過程中會產生各種裂解酶，從而對纖維素和半纖維素等復雜碳化合物具有降解作用［12］，這也表明擬桿菌門（Bacteroidetes）的分布與揮發酸的濃度有關。顯然，厭氧消化過程中擬桿菌門（Bacteroidetes）豐度的變化會導致體系中揮發酸濃度發生變化，因此添加污泥后揮發酸的下降與擬桿菌門（Bacteroidetes）豐度的變化有關。

厚壁菌門（Firmicutes）由加入污泥之前的67.46%下降至61.34%，然而在目水平上屬于厚壁菌門（Firmicutes）的梭菌目（Clostridiales）由44.71%上升至加入污泥后的54.64%。

由圖5可知，加入污泥前，梭菌目（Clostridiales）與擬桿菌目（Bacteroidales）由44.71%和19.82%上升至加入污泥后的54.64%和29.44%。梭菌目（Bacteroidales）是典型的纖維素分解菌［13］，同時也能有效分解半纖維素，并具有發酵單糖產有機酸的功能。

3.2 產甲烷菌菌群結構組成分析

由圖6可知，甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）由加入污泥前的13.67%上升至加入污泥后的41.15%。甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）屬于多功能的產甲烷菌，是唯一一種能通過三種途徑產生甲烷的菌種，既具有乙酸型產甲烷菌的能力，又具有氫型和甲基型產甲烷菌的能力［14-15］。甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）能利用乙酸、甲醇、甲胺、二甲胺和H2/CO2產生甲烷［16］。同時，有研究表明甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）能夠承受較高的揮發酸和有機負荷承載率，最高可耐受的揮發酸濃度為15 000 mg/L，高濃度的乙酸環境適合甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）生長，而低濃度乙酸適合甲烷鬃菌屬（Methanosaeta）生長［17］。說明加入污泥主要提高了甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）的豐度，進而提高對揮發性脂肪酸（VFAs）的降解率，促進了有機質的產氣率和降解率。

4 結論

①相較于餐廚垃圾單獨厭氧，加入生化污泥后可解除餐廚垃圾單獨厭氧產生的酸抑制，降低揮發酸的濃度，提高厭氧系統中COD的轉化，降低COD的濃度，但對系統內氨氮的降低效果不佳。

②相較于餐廚垃圾單獨厭氧，加入生化污泥后可大幅提高有機質的產氣率和降解率。

③加入生化污泥后細菌中的梭菌目（Clostridiales）與擬桿菌目（Bacteroidales）豐度上升，甲烷菌甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）豐度大幅上升。

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收稿日期：2023-01-06

基金項目：國家重點研發計劃“固廢資源化”專項（2018YFC1903002）。

作者簡介：王延凱（1989—），男，碩士，研究方向：固廢資源化利用。