餐厨垃圾与生化污泥厌氧共消化研究

王延凯 何清玉 温宗国 乔如林 陈磊 薛心诚 苗文青

摘 要：【目的】厌氧处理工艺是餐厨垃圾处理最常用的方法之一，餐厨垃圾单独厌氧由于碳氮比失衡容易导致酸抑制，可通过生化污泥联合厌氧来解决这一问题。【方法】利用自主设计的100 L立式锥底厌氧发酵系统，研究餐厨垃圾渣料与生化污泥联合厌氧的相关参数及产气量。通过连续进出料，前期进行餐厨垃圾渣料单独厌氧，后期进行餐厨垃圾渣料与污泥联合厌氧。【结果】每日检测相关参数发现，前期餐厨垃圾单独厌氧出现酸抑制后，加入污泥后挥发酸和COD浓度迅速下降，pH值在加入污泥后上升，而氨氮在加入污泥后呈现先下降后上升的趋势；加入污泥后每千克垃圾产气量上升25.23%，有机质的降解率由76.60%提高至79.07%。通过菌群检测发现，加入污泥后细菌中的梭菌目（Clostridiales）与拟杆菌目（Bacteroidales）丰度上升，甲烷菌甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）丰度大幅上升。【结论】加入污泥可减轻高负荷下餐厨垃圾单独厌氧产生的酸抑制现象，并提高有机质的产气率和降解率。研究揭示加入污泥前后菌群结构的变化，为餐厨垃圾与污泥联合厌氧提供理论基础。

关键词：餐厨垃圾；污泥；厌氧共消化；酸抑制；菌群结构

中图分类号：X705        文献标志码：A        文章编号：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

随着经济的发展，城市生活垃圾产生量与日俱增。2020年全国生活垃圾产生量约为2.35×108 t，并以每年8%～10%的速度增长［1］。餐厨垃圾占城市生活垃圾总量的比重越来越高，现在约占其总量的37%～62%［2］。然而餐厨垃圾的含水率高，盐分含量高，富含脂肪和蛋白质，极易发生腐烂，污染环境［3］。由于餐厨垃圾碳氮比较低，单独厌氧极易发生酸抑制［4］。

根据《2020年城乡建设统计年鉴》，2020年地级以上城市污水处理厂的干污泥产量为1.163×107 t，2025年我国污泥产量将突破8×107 t［5］。餐厨垃圾和污泥的联合厌氧可以促进餐厨垃圾的消化，提高产气率，是改良厌氧消化的一个重要手段。

严零陵等［6］通过餐厨垃圾与剩余污泥不同质量比厌氧发酵产氢试验表明，餐厨垃圾和剩余污泥质量比为4∶1时，厌氧发酵产氢效果最好，TS和VS的去除率最高。李华藩等［7］发现，当污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵，餐厨垃圾占比10%时，产甲烷效率最佳。Prabhu等［8］通过试验发现，餐厨垃圾与剩余污泥比为1∶2时，产甲烷量最高。但是现有试验均为序批式发酵，往往聚焦于餐厨垃圾与剩余污泥厌氧最佳产气比，无法考察污泥对餐厨垃圾高负荷下酸抑制的解除情况。

本试验通过利用蓝德公司自主设计的100 L立式锥底厌氧发酵系统进行连续进料试验，前期进料餐厨垃圾渣料，在高有机负荷下产生酸抑制后，通过与污泥联合厌氧，监测每日参数，考察污泥对调节高负荷下餐厨垃圾单独厌氧产生的系统崩溃的积极作用，并比较加入污泥前后菌群结构的变化，为餐厨垃圾与生化污泥联合厌氧提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

餐厨垃圾渣料是由德州蓝德再生资源有限公司收运的餐厨垃圾进行固液分离后产生的固相渣料。生化污泥取自德州蓝德再生资源有限公司污水处理系统产生的脱水后的生化污泥。

1.2 试验装置

针对现有对联合厌氧消化的研究大多从批次研究中获得、连续厌氧试验较少的问题，自主研发了100 L立式锥底厌氧发酵系统，如图1所示。

1.3 试验方法

通过蓝德公司自主设计的100 L立式锥底厌氧发酵系统，试验温度为35 ℃，有效容积为80 L，前期只进料餐厨垃圾渣料，有机负荷为7.68 g/（L·d）；运行100 d后加入生化污泥，加入污泥的有机负荷为1.00 g/（L·d）。运行200 d，每日检测厌氧罐内相关参数，沼气产量由沼气流量计记录。

1.4 菌群结果检测

取正在运行100 d及200 d的沼液（加入污泥前后稳定运行的沼液），委托生工生物工程（上海）股份有限公司进行高通量测序，测序平台为Miseq 2x300bp。

1.5 检测方法

氨氮含量用纳氏试剂比色法测定（HJ 535—2009《水质 氨氮的测定》）；pH值测定采用MettlerToledo Delta320型pH计测定；COD采用联华科技COD快速测定仪测定；TS、VS采用重量法测定（CJ/T 211—2005《城市污水处理厂污泥检验方法》）。

2 试验结果

挥发酸和COD随时间变化如图2所示。0～100 d只加入离心渣，挥发酸维持在10 000 mg/L以上，产气率较低，COD维持在高位，沼液黏度增大，导致物料发生膨胀堵塞出气管道，需要经常加运行项目的厌氧沼液才能维持正常运行，100 d后开始维持离心渣量不变，加入污泥后挥发酸迅速下降，维持在8 000 mg/L左右，说明加入污泥后能提高挥发酸转化为沼气的能力，降低挥发酸的积累。只加入离心渣COD维持在60 000 mg/L左右，加入污泥后COD下降至45 000 mg/L左右，说明加入污泥后提高了COD降解的能力。pH值与氨氮随时间变化如图3所示。加入污泥前pH值维持在7.8～7.9，加入污泥后，可能由于挥发酸的下降导致pH值上升至8.2左右。而氨氮在加入污泥后呈现先下降后上升的趋势，可能由于前期生化污泥氮元素以有机氮的形式存在［9］，后期由于有机氮的氨化作用转化为氨氮导致氨氮上升，氨氮总体呈现先下降后升高的趋势。

由表1可知，餐厨垃圾单独厌氧每千克垃圾产气量为148.22 L/kg，每千克有机质产气量为817.29 L/kg。加入污泥后，餐厨垃圾与污泥联合厌氧每千克垃圾产气量为185.61 L/kg，比餐厨垃圾单独厌氧提高了25.23%，每千克VS產气量提高至881.43 L/kg，提高了7.85%。加入污泥后每千克总固体的降解率由加入污泥前的67.56%提高至72.46%，有机质的降解率由加入污泥前的76.60%提高至79.07%。

与上阶段餐厨垃圾单独厌氧相比，餐厨垃圾与污泥联合厌氧每千克垃圾产气量、TS降解率、VS降解率均有上升，说明加入污泥对厌氧发酵有机物分解有促进作用。

一方面，与单独厌氧消化相比，混合厌氧消化降低了单一物料中抑制性物质的浓度，能够有效提高系统的稳定性；另一方面，污泥的主要组成部分是微生物残体，餐厨垃圾则含有更多易降解的有机物，污泥和餐厨垃圾进行混合消化，不仅提供了更为丰富的菌群结构，还为系统内微生物提供了更为均衡的营养条件，因而更有利于提高系统的稳定性。这种作用在其他物料的混合消化中也有报道［10］。

3 菌群结构检测

3.1 细菌菌群结构组成分析

细菌门水平的相对丰度如图4所示，其中A1为加入污泥前目水平上菌群结构；A2为加入污泥后目水平上菌群结构。

由图4可知，细菌在门水平上，加入污泥前后的优势菌群均为厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes），拟杆菌门（Bacteroidetes）丰度由加入污泥之前的20.04%提高至30.63%。拟杆菌门（Bacteroidetes）是厌氧消化体系中的主要产酸菌之一［11］。这是因为拟杆菌门（Bacteroidetes）在有机物降解过程中会产生各种裂解酶，从而对纤维素和半纤维素等复杂碳化合物具有降解作用［12］，这也表明拟杆菌门（Bacteroidetes）的分布与挥发酸的浓度有关。显然，厌氧消化过程中拟杆菌门（Bacteroidetes）丰度的变化会导致体系中挥发酸浓度发生变化，因此添加污泥后挥发酸的下降与拟杆菌门（Bacteroidetes）丰度的变化有关。

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

由图5可知，加入污泥前，梭菌目（Clostridiales）与拟杆菌目（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）是典型的纤维素分解菌［13］，同时也能有效分解半纤维素，并具有发酵单糖产有机酸的功能。

3.2 产甲烷菌菌群结构组成分析

由图6可知，甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）由加入污泥前的13.67%上升至加入污泥后的41.15%。甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）属于多功能的产甲烷菌，是唯一一种能通过三种途径产生甲烷的菌种，既具有乙酸型产甲烷菌的能力，又具有氢型和甲基型产甲烷菌的能力［14-15］。甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）能利用乙酸、甲醇、甲胺、二甲胺和H2/CO2产生甲烷［16］。同时，有研究表明甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）能够承受较高的挥发酸和有机负荷承载率，最高可耐受的挥发酸浓度为15 000 mg/L，高浓度的乙酸环境适合甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）生长，而低浓度乙酸适合甲烷鬃菌属（Methanosaeta）生长［17］。说明加入污泥主要提高了甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）的丰度，进而提高对挥发性脂肪酸（VFAs）的降解率，促进了有机质的产气率和降解率。

4 结论

①相较于餐厨垃圾单独厌氧，加入生化污泥后可解除餐厨垃圾单独厌氧产生的酸抑制，降低挥发酸的浓度，提高厌氧系统中COD的转化，降低COD的浓度，但对系统内氨氮的降低效果不佳。

②相较于餐厨垃圾单独厌氧，加入生化污泥后可大幅提高有机质的产气率和降解率。

③加入生化污泥后细菌中的梭菌目（Clostridiales）与拟杆菌目（Bacteroidales）豐度上升，甲烷菌甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）丰度大幅上升。

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收稿日期：2023-01-06

基金项目：国家重点研发计划“固废资源化”专项（2018YFC1903002）。

作者简介：王延凯（1989—），男，硕士，研究方向：固废资源化利用。