餐厨垃圾和家庭厨余垃圾共消化产沼的规律研究

摘要：试验设计5个组别，分别探究5种餐厨垃圾和家庭厨余垃圾混合比条件下厌氧共消化系统的产沼规律及微生物群落特征。其中，试验组1、试验组2、试验组3、试验组4和试验组5的餐厨垃圾和家庭厨余垃圾混合比分别为10∶0、7∶3、5∶5、3∶7和0∶10。结果表明，不同混合比条件下，累积沼气产量从高到低的排序依次为试验组3＞试验组4＞试验组2＞试验组5＞试验组1，混合比为5∶5时，沼气产量最高。相比Cone模型，改进的Gompertz模型更适合拟合餐厨垃圾和家庭厨余垃圾共消化产沼动力学规律。餐厨垃圾和家庭厨余垃圾共消化的协同效应主要发生在厌氧消化的前10 d，混合比为5∶5时协同作用最强。餐厨垃圾和家庭厨余垃圾共消化可促进化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）去除率的提高，但对碳水化合物和蛋白质的降解率影响较小。当混合比为5∶5时，互营单胞菌属的相对丰度较高，氢营养型产甲烷菌相对丰度最高，表明此时水解产酸菌和产甲烷菌更平衡，更有利于沼气的产生。

关键词：垃圾分类；餐厨垃圾；家庭厨余垃圾；共消化；产沼规律；微生物群落

中图分类号：X799.3 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）07-00-08

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.015

Study on the Law of Co-digestion of Restaurant Food Waste and Household Kitchen Waste to Produce Biogas

WU Yuefeng

（Shanghai Chengtou Laogang Base Management Co.， Ltd.， Shanghai 200000， China）

Abstract： The experiment designs 5 groups to explore the biogas production law and microbial community characteristics of anaerobic co-digestion systems under 5 different mixing ratios of restaurant food waste and household kitchen waste. Among them， the mixing ratios of restaurant food waste and household kitchen waste in experimental group 1， experimental group 2， experimental group 3， experimental group 4， and experimental group 5 are 10∶0， 7∶3， 5∶5， 3∶7， and 0∶10， respectively. The results show that under different mixing ratios， the order of cumulative biogas production from high to low is experimental group 3＞experimental group 4＞experimental group 2＞experimental group 5＞experimental group 1， when the mixing ratio is 5∶5， the biogas production is the highest. Compared to the Cone model， the improved Gompertz model is more suitable for fitting the kinetics of co-digestion and biogas production of restaurant food waste and household kitchen waste. The synergistic effect of co-digestion of restaurant food waste and household kitchen waste mainly occurs in the first 10 d of anaerobic digestion， and the synergistic effect is strongest when the mixing ratio is 5∶5. Co-digestion of restaurant food waste and household kitchen waste can promote the improvement of Chemical Oxygen Demand （COD） removal rate， but has little effect on the degradation rate of carbohydrates and proteins. When the mixing ratio is 5∶5， the relative abundance of Syntrophomonas is higher， and the relative abundance of Methanococcus is the highest， indicating that the hydrolysis acid producing bacteria and methane producing bacteria are more balanced and more conducive to biogas production.

Keywords： waste classification; restaurant food waste; household kitchen waste; co-digestion; law of biogas production; microbial community

根据《生活垃圾分类标志》（GB/T 19095—2019），厨余垃圾包括家庭厨余垃圾、餐厨垃圾和其他厨余垃圾。随着2019年全国地级及以上城市全面启动生活垃圾分类工作，家庭厨余垃圾分出量大幅增加。厌氧消化是餐厨垃圾处理的主流工艺。据统计，全国118座

处理规模50 t/d以上的餐厨垃圾处理项目中，厌氧消化工艺占比达到76.1%[1]。随着垃圾分类的实施，分出的大量家庭厨余垃圾将进入原有的餐厨垃圾厌氧消化设施，家庭厨余垃圾和餐厨垃圾特性存在差异，有必要探明这种差异对原来餐厨垃圾厌氧消化处理设施的影响，分析两者共消化是否存在协同作用，明确最佳混合比。试验在5种混合比条件下对餐厨垃圾和家庭厨余垃圾进行共消化处理，考察餐厨垃圾和家庭厨余垃圾共消化的最佳混合比，运用改进的Gompertz模型和Cone模型对产沼动力学进行拟合，解析共消化的协同作用，并阐明其中微生物群落变化规律，以期为垃圾分类实施后餐厨垃圾厌氧处理设施的高效运行提供重要指导。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验所用的餐厨垃圾（提油后）和家庭厨余垃圾（未提油）均来自上海市某湿垃圾处理厂，样品采集后置于温度4 ℃的冰箱中冷藏保存。接种污泥来自实验室长期稳定运行的卧式厌氧消化反应器，根据厌氧条件，水浴温度为35 ℃，每间隔15 min自动搅拌1 min，定期添加基质。厌氧消化试验开始前15 d，停止添加基质。餐厨垃圾、家庭厨余垃圾和接种污泥的理化特性如表1所示。挥发性固体（Volatile Solids，VS）是总固体（Total Solids，TS）的重要组分。主要评价指标有pH、含固率（以TS计）、挥发性固体含量（以VS/TS计，干基）、碳水化合物（以TS计）、蛋白质（以TS计）、油脂（以TS计）、粗纤维（以TS计）、化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）和电导率。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

试验选用容积为2 L的杜兰瓶，有效容积为1.6 L，底物浓度设为3 g VS/L，食微比为0.5，根据VS含量，餐厨垃圾和家庭厨余垃圾的添加比例分别设定为10∶0、7∶3、5∶5、3∶7和0∶10，使用浓度均为5 mol/L的盐酸和NaOH溶液调节pH至7.0±0.2，温度设定为35 ℃，转速为160 r/min，外接容积1 L的气袋，反应时间为30 d。每天同一时间测定沼气体积，在第0天、第2天、第6天、第17天、第30天取样进行测试分析。30 d试验结束时，取样分析微生物群落组成。试验装置如图1所示。

1.2.2 测定方法

TS和VS采用重量法测定，总化学需氧量（Total Chemical Oxygen Demand，TCOD）和溶解性化学需氧量（Soluble Chemical Oxygen Demand，SCOD）采用重铬酸钾法测定。其中，用于SCOD测定的物料需要经过高速离心机离心（转速10 000 r/min，时间7 min），

然后将上清液用孔径0.45 μm的聚醚砜膜过滤。同时，滤出液用于溶解性碳水化合物和蛋白质分析，其中碳水化合物采用苯酚-硫酸法测定，蛋白质采用福林酚试剂法测定。微生物群落委托上海美吉生物医药科技有限公司采用高通量测序方法进行分析，利用美吉生物云平台分析细菌和古菌的微生物群落组成及相对丰度变化。

1.2.3 数据分析

使用Origin 2021软件对沼气产量进行动力学拟合，拟合模型为改进的Gompertz模型[2]和Cone模型[3]。餐厨垃圾和家庭厨余垃圾共消化的理论沼气产量根据餐厨垃圾或家庭厨余垃圾单一消化的沼气产量及占比进行估算，协同指数为实际沼气产量与理论沼气产量的比值[4]。协同指数在1以下或1以上分别表示具有拮抗作用或协同作用。最后，采用Origin 2021软件对Gompertz模型和Cone模型线性拟合得到的理论沼气产量与相应的实测沼气量进行皮尔逊相关性分析。

2 结果与分析

首先分析不同混合比条件下餐厨垃圾和家庭厨余垃圾的累积沼气产量和动力学拟合特征，然后分析餐厨垃圾和家庭厨余垃圾共消化协同效应，最后分析有机物降解情况和微生物群落特征。

2.1 累积沼气产量和动力学拟合特征

2.1.1 累积沼气产量

不同混合比条件下，餐厨垃圾和家庭厨余垃圾的累积沼气产量如图2所示，两种模型预测沼气产量和实测沼气产量的相关性分析结果如图3所示。其中，试验组1、试验组2、试验组3、试验组4和试验组5的餐厨垃圾和家庭厨余垃圾混合比分别为10∶0、7∶3、5∶5、3∶7和0∶10。反应结束时，混合比分别为10∶0、7∶3、5∶5、3∶7和0∶10时，累积沼气产量分别为1 241.46 mL/g VS、1 658.63 mL/g VS、1 808.00 mL/g VS、1 690.90 mL/g VS和1 563.32 mL/g VS，均高于相关研究中餐厨垃圾、家庭厨余垃圾和果蔬垃圾单独厌氧消化的累积沼气产量[5]。不同混合比条件下，累积沼气产量从大到小的排序为试验组3＞试验组4＞试验组2＞试验组5＞试验组1，混合比为5∶5时，产气量最高，分别比餐厨垃圾和家庭厨余垃圾单一消化提高45.6%和15.6%，表明餐厨垃圾和家庭厨余垃圾共消化在提高沼气产量方面具有重要作用。LIN等[6]发现，果蔬垃圾和餐厨垃圾配比为1∶1时，共消化产气性能最佳，这与本研究的结果一致。

累积沼气产量随着家庭厨余垃圾添加比例的增大而增大，而当家庭厨余垃圾的添加比例高于50%时，沼气产量并没有进一步提高。这可能是因为家庭厨余垃圾中油脂和粗纤维等难降解的物质含量高，需要较长的水解消化时间，并且油脂浓度高会使水解产生的长链脂肪酸发生累积，进而对厌氧消化过程产生抑制作用。值得注意的是，本研究中，餐厨垃圾的累积沼气产量（1 241.46 mL/g VS）要低于家庭厨余垃圾（1 563.32 mL/g VS），这是因为虽然餐厨垃圾的碳水化合物含量（43.96%）高于家庭厨余垃圾（5.22%），但家庭厨余垃圾的油脂浓度（50.08%）明显高于餐厨垃圾的油脂浓度（16.9%），脂质的产气率（1 040 mL CH4/g VS）远高于碳水化合物（486 mL CH4/g VS）[7]，因此家庭厨余垃圾单一消化的沼气产量更高。

2.1.2 产沼动力学

采用两种动力学模型模拟餐厨垃圾和家庭厨余垃圾共消化产沼过程，动力学参数和预测结果如表2、表3所示。改进的Gompertz模型得到的预测沼气产量与实际产气结果相似，随着家庭厨余垃圾添加比例的增加，产气量呈先增加后下降的趋势，混合比为5∶5时，产气量达到最高值。Cone模型拟合结果表明，混合比为7∶3时，沼气产量最大，这与实际产气结果不同，表明基于Gompertz模型的拟合结果与实际产沼特征更为一致。与单独使用餐厨垃圾相比，家庭厨余垃圾的添加可降低滞后时间，这可能是由于当餐厨垃圾单独厌氧消化时，较快的水解速率可能导致厌氧系统受到酸化抑制，造成滞后时间延长，同时家庭厨余垃圾中纤维素等慢降解物质含量高，使产沼的启动时间延长。水解速率常数是反映底物可生化性和水解速率的重要指标。Cone模型拟合得到的水解速率常数与滞后时间的变化趋势相反，ZHEN等[8]同样观察到这一结果。水解速率常数随家庭厨余垃圾添加比例的增加而增加，当添加比例为70%时，水解速率常数最大（0.073 d-1）。

进一步对两种拟合模型的准确性和可靠性进行评估，结果如表2、表3所示。差异率可以反映实际沼气产量和预测沼气产量的差别，可采用式（1）计算。对于改进的Gompertz模型，实际沼气产量和预测沼气产量的相关系数介于0.971～0.992，普遍高于Cone模型的相关系数。另外，改进的Gompertz模型拟合得到各试验组的预测产气量与实际产气量的差异率为6.3%～22.8%，均小于Cone模型（7.6%～23.7%）。同时，改进的Gompertz模型（相关系数为0.936 0，显著性系数小于0.05）比Cone模型（相关系数为0.793 5，显著性系数大于0.05）具有更高的相关性，进一步表明改进的Gompertz模型更符合实际中餐厨垃圾和家庭厨余垃圾共消化产沼的演化规律。马佳莹[9]同样发现，改进的Gompertz模型对餐厨垃圾和果蔬垃圾产沼的拟合效果更好。

D=|Pm-Pp|/Pm×100%（1）

式中：D为实际沼气产量和预测沼气产量的差异率，%；Pm为实际沼气产量，mL/g VS；Pp为预测沼气产量，mL/g VS。

2.2 共消化协同效应

餐厨垃圾和家庭厨余垃圾共消化对沼气产量的协同作用如图4所示。混合比分别为7∶3、5∶5和3∶7时，实测累积沼气产量分别为1 658.63 mL/g VS、1 808.00 mL/g VS和1 690.90 mL/g VS，同时相应的理论沼气产量分别为1 338.02 mL/g VS、1 402.40 mL/g VS和1 466.77 mL/g VS，这表明实际产沼量比理论沼气产量分别提高24.0%、28.9%和15.3%，证明协同作用的存在，并且其对沼气产生具有促进作用，其中混合比为5∶5时，协同作用最强，这与Wang等[10]研究结果一致。Zhen等[8]通过微藻和餐厨垃圾共消化研究发现，当微藻与餐厨垃圾混合比为0.5∶0.5时，协同作用最强，产气量提高约54%。

实际沼气产量与理论沼气产量的比值为协同指数，若协同指数不小于1，则两种物料存在拮抗作用，反之，则两种物料存在协同作用。整体来看，共消化组厌氧消化前期（0～10 d）的协同指数多大于1，厌氧消化中期（10～20 d）的协同指数在1附近波动（1.00～2.97），厌氧消化后期（20～30 d）的协同指数小于1，说明共消化组协同作用主要发生在厌氧消化的前10 d，这与KIM等[4]的研究结果一致，同时协同指数高于先前相关研究的结果（1.163）[10]。厌氧消化前期（0～10 d），试验组3（混合比5∶5）的协同指数介于试验组2（混合比7∶3）和试验组4（混合比3∶7）之间，厌氧消化中期（10～20 d），试验组3的协同指数高于试验组2和试验组4，原因可能是油脂等慢降解有机质的水解和产沼达到平衡，导致产气速率加快。

2.3 有机物降解情况

厌氧消化前后TCOD和SCOD的浓度及去除率如图5所示。混合比分别为10∶0、7∶3、5∶5、3∶7和0∶10时，初始TCOD浓度相似，TCOD去除率分别为60.0%、63.2%、64.6%、60.5%和59.0%，与累积沼气产量变化趋势一致，但略低于其他研究中共消化的最大TCOD去除率（76.6%）[3]。共消化组TCOD去除率高于餐厨垃圾或家庭厨余垃圾单独厌氧消化，表明共消化可促进有机物的降解，其中餐厨垃圾和家庭厨余垃圾混合比为5∶5时，TCOD去除率最高。混合比分别为10∶0、7∶3、5∶5、3∶7和0∶10时，初始SCOD浓度相似，反应结束时，SCOD浓度分别为346.5 mg/L、313.5 mg/L、234.8 mg/L、

339.1 mg/L和382.6 mg/L，共消化组的SCOD浓度低于餐厨垃圾或家庭厨余垃圾单独厌氧消化，对应的SCOD去除率分别为91.6%、92.3%、94.6%、92.1%和92.1%，表明共消化可以促进有机物的水解，餐厨垃圾和家庭厨余垃圾混合比为5∶5时，SCOD去除率最高。

厌氧消化前后碳水化合物和蛋白质浓度、去除率的变化如图6所示。混合比分别为10∶0、7∶3、5∶5、3∶7和0∶10时，碳水化合物的初始浓度分别为1 567 mg/L、1 187 mg/L、1 045 mg/L、998 mg/L和924 mg/L，初始浓度随家庭厨余垃圾比例的增加而减少，这是因为餐厨垃圾的碳水化合物含量（43.96%）高于家庭厨余垃圾的含量（5.22%）。试验结束时，碳水化合物的去除率分别为63.6%、58.1%、46.7%、48.3%和36.7%，物料中碳水化合物的含量对溶出效果和去除率具有较大影响。各混合试验组的蛋白质初始浓度相似，试验结束时，去除率分别为26.3%、27.3%、20.4%、27.5%和22.5%，表明各组的蛋白质去除率差别不大。

2.4 微生物群落特征

试验结束时，各试验组细菌在门水平的相对丰度如图7所示。厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidota）、放线菌门（Actinobacteriota）、变形菌门（Proteobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）等是主要细菌门类，在厌氧消化过程中主要起水解发酵作用。各试验组厚壁菌门和拟杆菌门的总相对丰度介于56.9%～68.7%，混合比分别为10∶0、7∶3、5∶5、3∶7和0∶10时，厚壁菌门的相对丰度分别为56.7%、56.2%、45.4%、47.7%和53.2%，拟杆菌门的相对丰度分别为8.6%、12.5%、11.4%、20.6%和14.1%。厚壁菌门和拟杆菌门可以降解各种底物糖和木质纤维素[10]，同时拟杆菌门还可水解蛋白质[11]。变形菌门的主要功能是降解大量的有机物和消耗一些挥发性脂肪酸[12]。餐厨垃圾和家庭厨余垃圾的混合比为5∶5时，变形菌门的相对丰度为12.0%，分别是餐厨垃圾和家庭厨余垃圾单独厌氧消化的1.5倍和2.2倍，促进有机物的降解和甲烷的产生。放线菌门能够降解复杂的多糖，绿弯菌门可以降解各种复杂的大分子，并与蛋白质和碳水化合物的降解相关[13]。研究结果表明，细菌门类中存在多种水解降解菌。

试验结束时，各试验组细菌在属水平的相对丰度如图8所示。Wang等[13]发现，在高浓度油脂厌氧消化体系中，互营单胞菌属（Syntrophomonas）的相对丰度与长链脂肪酸的去除率高度相关。混合比分别为10∶0、7∶3、5∶5、3∶7和0∶10时，互营单胞菌属的相对丰度分别为3.9%、6.7%、7.2%、10.8%和7.7%，可见其相对丰度随家庭厨余垃圾添加比例的增大而增大，而当家庭厨余垃圾单独厌氧消化时，互营单胞菌属的相对丰度下降，这可能是因为此时体系中油脂浓度过高而限制互营单胞菌属的生长，导致长链脂肪酸的积累，进而影响反应前期沼气的产生。

试验结束时，各试验组古菌在属水平上的相对丰度如图9所示。产甲烷菌有3种类型，即乙酰型、氢营养型和甲基营养型，大部分甲烷是由前两种类型产生的[11]。甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）是主要的产甲烷菌，它既是乙酰型分解菌，也是氢营养型产甲烷菌；甲烷杆菌属（Methanobacterium）是厌氧消化过程中最常见的氢营养型产甲烷菌；鬃毛甲烷菌属（Methanosaeta）是唯一已知的专性乙酰型产甲烷菌[14]。甲烷短杆菌属（Methanobrevibacter）和甲烷粒菌属（Methanocorpusculum）同样为氢营养型产甲烷菌。甲烷八叠球菌属、甲烷杆菌属、甲烷短杆菌属和甲烷粒菌属均可以以H2、CO2为底物生产甲烷，在各试验组中的相对丰度均超过90%，在混合比为5∶5的试验组中，相对丰度高达97.6%，这是因为在厌氧消化体系中，油脂水解产生的长链脂肪酸通过β氧化途径可以降解为乙酸和H2，从而导致以H2为底物的产甲烷菌增多。Wang等[13]发现，在高浓度油脂体系中，更易通过氢营养途径产甲烷而不是乙酰型，此时甲烷粒菌属是主要的产甲烷群体。而在本研究中，混合比分别为7∶3、5∶5和3∶7时，甲烷粒菌属相对丰度分别为0.36%、6.01%和0.12%，混合比为5∶5时，相对丰度最高，大于其他混合比的试验组，表明混合比为5∶5时，厌氧消化系统的水解酸化细菌和产甲烷菌更平衡，更有利于甲烷的产生。

3 结论

餐厨垃圾和家庭厨余垃圾混合比分别为10∶0、7∶3、5∶5、3∶7和0∶10时，累积沼气产量分别为1 241.46 mL/g VS、1 658.63 mL/g VS、1 808.00 mL/g VS、1 690.90 mL/g VS和1 563.32 mL/g VS，其中，混合比为5∶5时，沼气产量最高。相比Cone模型，改进的Gompertz模型更适合分析餐厨垃圾和家庭厨余垃圾共消化过程的产沼动力学。混合比分别为7∶3、5∶5和3∶7时，实际沼气产量分别比理论沼气产量提高19.3%、22.4%和13.3%，表明混合比为5∶5的试验组协同作用最强，同时协同作用主要发生在厌氧消化的前10 d。混合比分别为10∶0、7∶3、5∶5、3∶7和0∶10时，TCOD去除率分别为60.0%、63.2%、64.6%、60.5%和59.0%，同时SCOD去除率分别为91.6%、92.3%、94.6%、92.1%和92.1%，表明共消化促进有机物降解转化。碳水化合物去除率随家庭厨余垃圾添加比例的增加而减少，而蛋白质去除率则差别不大。混合比为5∶5的试验组互营单胞菌属相对丰度较高，同时氢营养型产甲烷菌相对丰度最高，表明此时厌氧消化系统的水解酸化细菌和产甲烷菌更平衡，更有利于甲烷的产生。

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