污泥與其它基質共消化研究進展

宋歡，張光明，王洪臣，楊安琪，楊光（中國人民大學 環(huán)境學院，北京　100872）

污泥與其它基質共消化研究進展

宋歡，張光明，王洪臣，楊安琪，楊光
（中國人民大學 環(huán)境學院，北京100872）

厭氧消化是污泥處理的有效手段，但由于污泥碳氮比較低，易產生氨抑制，污泥單獨厭氧消化存在產氣量低，系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題。污泥與其它基質厭氧共消化可以提高甲烷產率與單位處理效率，有效解決系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。針對污泥厭氧共消化進行了系統(tǒng)的研究，總結了基質的主要來源，就不同基質共消化時體系運行參數(shù)、系統(tǒng)抑制與強化因子進行了分析，發(fā)現(xiàn)作為共消化基質的餐廚垃圾可以得到廣泛應用，油脂類或藻類物質的應用逐漸上升，污泥與基質投配比、溫度、反應器類型、預處理等均能影響共消化的效果。對污泥與其它基質共消化的發(fā)展方向提出了建議和展望。

污泥；基質；共消化；碳氮比

近年來，隨著我國污水處理廠不斷建成、投入使用，污泥產量大幅提升，到2014年，全國城鎮(zhèn)污水處理廠干污泥（80%含水率）產生量已達667.5萬t［1］。污泥厭氧消化可有效實現(xiàn)污泥減量化、無害化、資源化，已被廣泛運用到實際中。但污泥碳氮比較低，在中溫條件下產甲烷率最高只達150 mL/g［VSadded］［2］，且消化過程中的氨抑制等問題限制了污泥厭氧消化技術的進一步推廣［3］。

共消化指2種或多種基質同時進行厭氧消化，能有效提升產甲烷效率。在污泥厭氧共消化過程中，污泥與其它基質形成良性互補，在不同基質的協(xié)同作用和菌群多樣性、基質中有害成分（如重金屬、致病菌等）的稀釋作用下，消化過程變得更加穩(wěn)定，產氣量上升。污泥與其它基質共消化使生物質能輸出能力加強，提升污泥資源化能力。對于污水處理廠來說，可充分利用現(xiàn)有設備進行共消化，在提高厭氧消化池處理能力的同時，還可接收其它廢物并收取處理費用，提高經濟收益。污泥與其它基質共消化已成為污泥處理的有效方式。

1　厭氧共消化基質來源

基質是指經過厭氧菌消化可以產生甲烷的任何物質，其來源廣泛。從國內外近十多年的研究文獻分析，基質來源主要分為農業(yè)來源、工業(yè)來源與城市社區(qū)來源3類，其中城市社區(qū)來源研究最多，占68.4%，工業(yè)來源占16.2%，農業(yè)來源占12.8%。

共消化體系的碳氮比是決定消化過程穩(wěn)定性與產氣量的重要因素。共消化基質相比污泥具有較高的碳氮比。因此，污泥與其它基質共消化可有效緩解污泥厭氧消化中碳源不足的問題。典型污泥厭氧共消化基質的碳氮比如圖1所示。

2　農業(yè)來源

厭氧共消化基質的農業(yè)來源包括：畜牧業(yè)副產品、農作物剩余廢物與能源植物（包括藻類）等，其中藻類由于具有比陸生植物更強的產甲烷能力與效率而受到廣泛關注。

2.1畜牧業(yè)副產品

養(yǎng)殖場排放垃圾包括糞便、過期飼料等。牛糞與豬糞含有大量礦物質元素和豐富的營養(yǎng)物質，碳氮比為9.7～18.7，與污泥共消化可以提升產氣量與緩沖能力［4］。牛糞與豬糞還含有瘤胃微生物，可協(xié)助厭氧消化更快進行，縮短HRT，提高產氣效率［5］。

多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)動物糞便與污泥共消化最佳HRT多在20 d左右，隨著HRT的縮短和有機負荷（OLR）的提升，甲烷產量減少。這是因為在共消化系統(tǒng)中，有機成分及有機物降解程度對消化過程有著重要的影響。合理的投配比是厭氧共消化成功的必要條件，劉一威［6］研究發(fā)現(xiàn)污泥和動物糞便垃圾的TS投加比例應控制在40%以下。類似的結論也由Pitk等［7］得出，在體系中添加10%以上的畜牧副產品導致體系發(fā)泡現(xiàn)象嚴重，長鏈脂肪酸積累過多，游離氨產生過多。

2.2農業(yè)纖維素類廢物

農業(yè)纖維素類廢物包括谷物收獲后的剩余廢物與能源植物等。應用于污泥厭氧共消化的基質主要有秸稈、橄欖果渣、能源植物等。秸稈主要成分為纖維素，其碳氮比多在35以上，是補充污泥低碳氮比的良好基質。Kim等［8］發(fā)現(xiàn)污泥與秸稈厭氧共消化產氫的最佳碳氮比為25∶1。在袁海榮等［9］的研究中也有類似的發(fā)現(xiàn)，當碳氮比為25∶1時，秸稈與污泥混合基質產氣量最大。

不同的反應器對厭氧消化系統(tǒng)有較大影響。利用兩相反應器，將污泥與秸稈共消化的產氫階段與產甲烷階段分離，可提高37.9%的VS去除率和59.6%的總沼氣產量［10］，相似的結論也可在污泥與木薯臺厭氧共消化的研究中得到［11］。這是因為兩相反應器將不同階段分離，降低了菌群競爭。

2.3藻類

藻類具有較低的木質素、更易水解的糖分和蛋白質，在厭氧消化中有利于水解的進行，它同時具有較高的生長速度與適應性，可直接在污水處理廠投加并培養(yǎng)。與污泥進行厭氧共消化的藻類通常包括微藻、柵藻、小球藻、鈍頂螺旋藻等。

藻類與污泥厭氧共消化可有效提高VS去除率和水解速率。Olsson等［12］研究發(fā)現(xiàn)，在中溫條件下，微藻與污泥共消化產甲烷率可達到（408±16）cm3/g［VS］，高溫情況下未發(fā)現(xiàn)產氣量提升，可能是因為相關菌群在中溫條件下具有較高活性。Wang等［13］研究發(fā)現(xiàn)，柵藻和小球藻與污泥厭氧消化時，相比于污泥單獨消化甲烷產率并未提升。有些藻類與污泥共消化有利于提升污泥脫水性能，例如柵藻、鈍頂螺旋藻等，而小球藻對污泥脫水性能有輕微不良影響［14］。以上研究表明不同藻類與污泥厭氧共消化的效果存在一定差異，應在理論與試驗的基礎上選擇合適的藻種與污泥進行共消化。

2.4污泥與農業(yè)來源基質厭氧共消化主要運行參數(shù)及效果

圖1　典型污泥厭氧共消化基質的碳氮比

表1　污泥與農業(yè)來源基質厭氧共消化主要運行參數(shù)及效果Tab.1　Main operating parameters and effect of sludge and agricultural substrates anaerobic co-digestion

污泥與農業(yè)來源基質厭氧共消化主要運行參數(shù)及效果如表1所示。從表1可見，根據(jù)不同基質特性和污泥性質，基質和污泥有不同的投配比，多采用中溫與批次試驗方法，甲烷產率最高可提升5.7倍，VS降解率多在40%～60%之間。農業(yè)來源基質消化體系較為穩(wěn)定，較少產生系統(tǒng)抑制。

3　工業(yè)來源

工業(yè)基質包括生物柴油產業(yè)、食品加工業(yè)及其它工業(yè)有機廢物。生物柴油產業(yè)主要副產品為粗甘油；食品加工業(yè)包括肉類加工業(yè)、奶制品加工業(yè)、制酒工業(yè)、淀粉加工業(yè)、制糖工業(yè)等。

3.1粗甘油

粗甘油含碳量較高［17］，可作為碳源被消化菌吸收利用，因此可調節(jié)共消化體系的碳氮比，并稀釋有毒物質。中溫是粗甘油與污泥厭氧共消化的適宜溫度，Silvestre等［17］發(fā)現(xiàn)在高溫條件下系統(tǒng)pH值下降嚴重。

粗甘油與污泥共消化應嚴格控制粗甘油投加量。Fountoulakis等［18］發(fā)現(xiàn)投加甘油體積分數(shù)大于3%時會導致系統(tǒng)崩潰。Razaviarani等［19］也發(fā)現(xiàn)隨著甘油投加量的增加，VFA含量上升，而pH值、堿度和產氣量下降。Nartker等［20］發(fā)現(xiàn)通過控制投加速度與方式，細菌種群可及時調整適應，當OLR為70%時仍可保持系統(tǒng)穩(wěn)定。這表明在實際運行中采用合適的投加方式與速度可提高甘油的投配比，提高處理率。污泥與粗甘油厭氧共消化會降低污泥的脫水性能［17］。

3.2食品加工業(yè)廢物

食品加工業(yè)廢物的碳氮比在17.2～39.1之間。脂肪酸的積累對產甲烷菌的毒害作用、系統(tǒng)pH值下降、過高的OLR與過低的HRT是共消化系統(tǒng)的主要抑制因素。

Neves等［21］在研究污泥和咖啡加工廢物厭氧共消化過程中，發(fā)現(xiàn)水解速率常數(shù)與甲烷產率呈逆相關，原因可能是水解中間產物對產甲烷菌具有毒害作用。Li等［22］發(fā)現(xiàn)可向咖啡加工廢物與污泥共消化系統(tǒng)中添加硫酸鹽以調節(jié)丙酸降解細菌的菌群活性，可增加甲烷產量。Fernández等［23］在研究污泥與乳清共消化時發(fā)現(xiàn)，高溫下產氣速率較高，但甲烷總產率較中溫降低。Koupaie等［24］對污泥與果汁生產廢物厭氧共消化進行成本效益分析，發(fā)現(xiàn)相比于2個單獨的消化器，采用共消化可節(jié)省總成本27.6%。

3.3污泥與工業(yè)來源基質厭氧共消化主要運行參數(shù)及效果

污泥與工業(yè)來源基質厭氧共消化主要運行參數(shù)及效果如表2所示。與其它基質相比，工業(yè)基質與污泥厭氧共消化更容易產生系統(tǒng)抑制，具體表現(xiàn)為OLR過高、揮發(fā)性脂肪酸積累、系統(tǒng)pH值下降等。粗甘油與污泥厭氧共消化應嚴格控制投加量，多采用中溫CSTR反應器，HRT為18～24 d，甲烷產率可提升83%～148%，VS降解率在50%以上。同時，食品加工業(yè)廢物也多采用中溫消化，甲烷產率最高可提升 1.87倍［25］，VS降解率在23.4%～91.0%之間。工業(yè)基質來源廣泛，投配比應根據(jù)不同基質進行調整。

4　城市社區(qū)來源

與污泥進行厭氧共消化的基質中，城市社區(qū)來源最為廣泛。具體可分為有機城市垃圾、隔油池廢物與其它廢物。有機城市垃圾包括餐廚與果蔬垃圾、庭院垃圾與其它城市固體廢棄物等。隔油池廢物主要來自食品服務行業(yè)與水廠浮選設施，具有較高油脂含量，可生化性強。其它城市社區(qū)來源廢物包括垃圾瀝出液、水廠泡沫浮渣等。

表2　污泥與工業(yè)來源基質厭氧共消化主要運行參數(shù)及效果Tab.2　Main operating parameters and effect of sludge and industrial substrates anaerobic co-digestion

4.1有機城市垃圾

城市垃圾有機成分具有良好的生物可降解性，但污泥與城市垃圾有機成分厭氧共消化系統(tǒng)需要較復雜的調控機制，且往往需要對城市垃圾進行預處理。有機城市垃圾與污泥共消化體系預處理方法主要包括熱處理［28］、超熱預處理［29］、微波處理［30］等。

餐廚垃圾是目前的研究熱點，其產量大，具有較好的生物可降解性。餐廚垃圾與污泥厭氧共消化可最高為污水處理廠提供50%以上的能量，是污泥單獨厭氧消化的2倍［31］，在實際運行中具有重大意義。投配比是影響系統(tǒng)表現(xiàn)的重要因素，Jang等［32］發(fā)現(xiàn)有機物去除率隨餐廚垃圾瀝出液投加比例增加而線性升高，但在瀝出液單獨厭氧消化時下降，這顯示出污泥與餐廚垃圾共消化具有明顯的協(xié)同作用。

4.2隔油池廢物

隔油池廢物可分為3層，包括上層的油脂類物質、中間層食品廢水、下層的食物殘渣部分。隔油池廢物含高油脂，在與污泥共厭氧消化時油脂類物質投配比過高，易造成廢水系統(tǒng)管道堵塞與腐蝕。共消化系統(tǒng)中，過高的有機負荷不利于厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定進行，會造成長鏈脂肪酸或揮發(fā)性脂肪酸的積累，導致系統(tǒng)酸化。因此，嚴格控制有機負荷是十分必要的。

整理、統(tǒng)計相關文獻中停留時間在20 d左右的CSTR或半連續(xù)流反應器，考察中溫條件下共消化隔油池廢物負荷與甲烷產率的關系，擬合后的結果如圖2所示。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，隔油池廢物負荷在1.5 g［VS］/（L·d）左右時甲烷產率較高。

圖2　污泥與隔油池廢物厭氧共消化中隔油池廢物有機負荷與甲烷產率的關系

很多研究者發(fā)現(xiàn)利用未脫水隔油池廢物與污泥進行厭氧共消化［33］，可減少系統(tǒng)抑制的發(fā)生，主要原因是隔油池廢物稀釋了污泥中的有害成分。緩慢加入隔油池廢物可有效提升脂質的降解，有利于相應菌群適應長鏈脂肪酸含量逐漸升高，從而減少長鏈脂肪酸的積累，提高隔油池廢物閾值與相應的產氣量。Martínez等［34］發(fā)現(xiàn)脂質的吸附作用可能阻礙了基質的降解，可通過向系統(tǒng)中添加脂肪酶，促進脂質降解［35］。利用兩相反應器可提升產氣量，且可節(jié)省建設與運行費用。此外，高溫條件下隔油池廢物與污泥厭氧共消化可減少H2S的產生，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定［36］。

4.3污泥與城市社區(qū)來源基質厭氧共消化主要運行參數(shù)及效果

污泥與城市社區(qū)來源基質厭氧共消化主要運行參數(shù)及效果如表3所示。有機城市垃圾與污泥厭氧共消化可提升甲烷產率27%～169%，VS降解率在34%～95%之間。投配比與消化器根據(jù)不同基質有較大區(qū)別，多采用中溫條件，HRT為20 d左右。隔油池廢物與污泥共消化多采用中溫連續(xù)或半連續(xù)消化，HRT為15～25 d時，VS降解率在60%左右。

表3　污泥與城市社區(qū)來源垃圾厭氧共消化主要運行參數(shù)及效果Tab.3　Main operating parameters and effect of sludge and community garbage anaerobic co-digestion

5　結論

由于協(xié)同效應與稀釋作用，污泥與其它基質厭氧共消化能有效緩解厭氧消化中的不良影響，穩(wěn)定消化系統(tǒng)，提高甲烷產率。

污泥與基質投配比應根據(jù)其性質嚴格控制，避免過載而導致系統(tǒng)抑制。污泥厭氧共消化多采用中溫消化，系統(tǒng)較高溫穩(wěn)定，且實際運行中能耗較少。采用兩相反應器（溫度兩相分離反應器或產酸-產甲烷相分離反應器）較單相反應器有更好表現(xiàn)。

共基質的預處理往往能提高共消化系統(tǒng)甲烷產量，但應進一步分析多產生的甲烷生物質能是否可以彌補預處理所耗能量。其它強化手段例如投加微量元素或相關酶是未來污泥厭氧共消化的研究方向之一。

采用污水廠自身產生的油脂、藻類物質共消化，或與其它基質共消化，形成污泥減量化、無害化、資源化的產業(yè)鏈條，在提高環(huán)保效益的同時，實現(xiàn)經濟收益應是今后努力的方向。

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Research progress of co-digestion of sludge and other substrates

SONG Huan，ZHANG Guang-ming，WANG Hong-chen，Yang An-qi，YANG Guang
（School of Environment and Natural Resources，Renmin University of China，Beijing 100872，China）

Anerobic digestion is an effective method for sludge treatment.However，ammonia inhibition is a common problem due to the low C/N ratio of sludge.Many problems such as low biogas production and unstable operation are existed during the single anaerobic digestion of the sludge.Co-digestion of sludge and other substrates is an effective solution to increase the methane yield and the treatment efficiency and eliminate the system instability.The co-digestion of anaerobic sludge was studied systematically and the source of substrates was summarized；besides，the operating parameters，system inhibition，and strengthening factors during the co-digestion with different substrates were analyzed.It was found that，kitchen waste was the most common co-digestion substrates，while the application of fats，oil，grease and algae were increasing in recent years.Sludge and substrates mixing ratio，temperature，reactor type，pretreatment and some other factors could affect the performance of co-digestion.Finally，the development tendency of co-digestion of sludge and other substrates was proposed and prospected.

sludge；substrate；co-digestion；C/N ratio

X703.1

A

1009-2455（2016）04-0001-06

國家自然科學基金項目（51278489）

宋歡（1995-），女，天津人，本科，研究方向為污泥減量化與資源化，（電子信箱）songhuan199510@163.com；通訊作者：張光明（1973-），女，湖南永州人，教授，研究生，研究方向為水與廢水處理，（電子信箱）zgm@ruc.edu.com。

2016-04-25（修回稿）