污泥與餐廚垃圾聯(lián)合厭氧技術(shù)的研究及應(yīng)用

李琳

（北京京城環(huán)保股份有限公司，北京 100027）

1 引言

污水污泥成分復(fù)雜，不僅含有重金屬和持久性有機(jī)物等有毒有害物質(zhì)，還含有多種病原體，若不能妥善處理，則會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和污水處理量的持續(xù)增加，每年產(chǎn)生的污水污泥量也急劇增加。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)測(cè)算，2016年全國(guó)產(chǎn)生的城鎮(zhèn)濕污泥4083萬(wàn)噸，2020年將達(dá)到5292萬(wàn)噸[1]。

同時(shí)，餐廚垃圾是城市生活垃圾的主要組成之一，其產(chǎn)生量也在逐年增加。由前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得知[2]，2015年全國(guó)產(chǎn)生餐廚垃圾9500萬(wàn)噸，到2016年全國(guó)餐廚垃圾產(chǎn)生量增至9700萬(wàn)噸，與污泥一樣，餐廚垃圾成為了影響環(huán)境衛(wèi)生和公眾健康，甚至是威脅食品安全的又一難題。

2 污泥與餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化難點(diǎn)

在廢棄物的處理處置與資源化方法中，厭氧消化既可以實(shí)現(xiàn)其減容減量，降低或消除廢棄物對(duì)環(huán)境的危害，又能獲得沼氣形式的清潔能源從而緩解當(dāng)今的能源供需壓力，此方法得到了國(guó)內(nèi)外的青睞。對(duì)污水污泥與餐廚垃圾來(lái)說(shuō)，兩者均是常見(jiàn)的有機(jī)廢棄物，然而其單獨(dú)厭氧消化產(chǎn)沼氣效果卻并不十分理想。

污泥有機(jī)C含量較低，蛋白質(zhì)含量較高，相對(duì)于有機(jī)C而言，蛋白質(zhì)降解速率較慢，加之污泥中的大部分有機(jī)C為被細(xì)胞壁所包裹的微生物細(xì)胞物質(zhì)，可生物降解能力較低，所以污泥單獨(dú)厭氧消化時(shí)降解速度較慢，揮發(fā)性固體的去除率和產(chǎn)氣量一般也較低。同時(shí)，由于污泥的C/N較低，厭氧消化時(shí)含N物質(zhì)會(huì)較快地溶出而發(fā)生氨氮的積累，造成厭氧消化體系營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的配比失衡，進(jìn)而導(dǎo)致厭氧消化進(jìn)程的抑制。同時(shí)，污泥厭氧消化系統(tǒng)能否可持續(xù)運(yùn)行還與其處理規(guī)模密切相關(guān)。這是因?yàn)槲勰鄥捬跸?xiàng)目投資大，運(yùn)行費(fèi)用高，在規(guī)模經(jīng)濟(jì)的作用下，大型污泥厭氧消化項(xiàng)目最有可能實(shí)現(xiàn)收益與投入的平衡，故停運(yùn)率較低，而小規(guī)模污泥厭氧項(xiàng)目的收益不足以平衡投資和運(yùn)行費(fèi)用。

餐廚垃圾的主要組成成分為水分、碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪和鹽分，并富含氮、磷、鈣、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，其中有機(jī)成分在總固體中的含量很高，可高達(dá)95%以上[3]。餐廚垃圾的C/N較高，易被生物降解，單獨(dú)厭氧消化時(shí)速度較快。但由于產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)過(guò)程相對(duì)較緩慢，因此可能引起揮發(fā)性有機(jī)酸等中間代謝產(chǎn)物的毒性抑制，甚至導(dǎo)致厭氧消化系統(tǒng)的酸化失效。此外，由于餐廚垃圾固體含量高，流動(dòng)性差，不易與厭氧微生物實(shí)現(xiàn)充分的混合，進(jìn)而影響厭氧效果。

綜上所述，單獨(dú)對(duì)污泥和餐廚垃圾進(jìn)行厭氧消化時(shí)，產(chǎn)沼效率和效果均不理想。

3 聯(lián)合厭氧消化的可行性分析

為了較好解決兩者分別進(jìn)行單獨(dú)厭氧消化時(shí)的一些問(wèn)題，出現(xiàn)了將餐廚垃圾和污泥進(jìn)行聯(lián)合厭氧工藝，并在國(guó)內(nèi)外引起了研究熱潮。在國(guó)內(nèi)，付勝濤、嚴(yán)曉菊和于水利[4、5]，高瑞麗、嚴(yán)群[6]以及趙云飛[7]等都分別開(kāi)展了分析研究，證實(shí)了污泥和餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化的可行性，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）污泥C/N比較低，降解速率慢，污泥單獨(dú)厭氧發(fā)酵時(shí)易產(chǎn)生氨氮的抑制，而餐廚垃圾C/N則比較高，卻會(huì)因餐廚垃圾厭氧消化速度與產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)速度不均衡而引起揮發(fā)性有機(jī)酸等中間代謝產(chǎn)物積累，甚至引起系統(tǒng)酸化。故兩者聯(lián)合厭氧，即可以調(diào)節(jié)C/N，提高厭氧系統(tǒng)的生物降解性，從而改善污泥的降解速率，又可以使產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)酸與氨氮等中間代謝產(chǎn)物進(jìn)行部分中和反應(yīng)，避免揮發(fā)性有機(jī)酸等中間代謝產(chǎn)物的積累，調(diào)節(jié)厭氧過(guò)程中的pH值，防止厭氧消化系統(tǒng)的酸化失效，維持厭氧系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）污泥中含有大量微生物，適合作為厭氧消化的菌種來(lái)源，而餐廚垃圾含有豐富的可溶醣，可生物降解性較好，非常適合作為厭氧消化的底物，故兩者聯(lián)合厭氧可以促進(jìn)厭氧消化優(yōu)勢(shì)菌種的形成，有助于混合底物厭氧消化過(guò)程的進(jìn)行，以縮短厭氧消化時(shí)間。

（3）餐廚垃圾和污泥進(jìn)行聯(lián)合厭氧消化可以補(bǔ)充各自成分中缺少的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使厭氧消化底物中的營(yíng)養(yǎng)成分達(dá)到較好的平衡。

（4）餐廚垃圾和污泥聯(lián)合厭氧消化可直接采用現(xiàn)有的污泥消化池，有利于降低成本，并為通過(guò)在污泥消化池中添加餐廚垃圾來(lái)擴(kuò)大處理規(guī)模提供了便利條件，有利于促進(jìn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)現(xiàn)。而且根據(jù)已有研究成果，在聯(lián)合厭氧消化工藝中，兩種廢棄物的厭氧消化性能得到了明顯改善，沼氣產(chǎn)量也得到了不同程度的提高，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

4 聯(lián)合厭氧消化技術(shù)研究及應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了一些污泥和餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化技術(shù)的研究，但總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)報(bào)道并不多，且已有的研究主要集中在污泥和餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與工程可行性，以及pH值、溫度、混合比例等工藝參數(shù)對(duì)聯(lián)合厭氧消化反應(yīng)過(guò)程的影響分析方面，而對(duì)聯(lián)合厭氧消化的協(xié)同反應(yīng)機(jī)理以及其中有機(jī)質(zhì)降解調(diào)控機(jī)制尚缺乏深入系統(tǒng)的研究。尤其是在我國(guó)，重復(fù)性研究較多，而對(duì)擁有自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、具有技術(shù)突破性的相關(guān)技術(shù)和設(shè)備研發(fā)力度不足。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有污泥和餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化專(zhuān)利信息的查詢信息，目前國(guó)內(nèi)聯(lián)合厭氧消化相關(guān)專(zhuān)利僅有60余項(xiàng)，可見(jiàn)目前國(guó)內(nèi)擁有相關(guān)自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)量還很有限，特別是與相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)數(shù)量位居前列的日本、韓國(guó)和美國(guó)相比，更是存在較大差距。

在應(yīng)用方面，一般認(rèn)為現(xiàn)有的污泥處理設(shè)施（如污泥消化池）可直接應(yīng)用于聯(lián)合厭氧消化工藝，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備共享。因此，污泥和餐廚垃圾的聯(lián)合厭氧消化從技術(shù)和設(shè)施上可行。但整體而言，該技術(shù)目前主要限于實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模運(yùn)行，缺乏大規(guī)模應(yīng)用的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，遠(yuǎn)未達(dá)到市場(chǎng)普遍應(yīng)用的程度，表1中列舉了一些我國(guó)在近些年已建或在建的污泥和餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化項(xiàng)目。

5 研究熱點(diǎn)及方向

5.1 影響聯(lián)合厭氧消化的參數(shù)

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于工藝參數(shù)對(duì)聯(lián)合厭氧消化影響的研究報(bào)道還較少，并且主要集中在混合比例、水力停留時(shí)間、溫度、pH值這4項(xiàng)參數(shù)上，而對(duì)固體停留時(shí)間、攪拌強(qiáng)度等其他重要參數(shù)研究較少。

5.1.1 混合比例

污泥和餐廚垃圾的混合比例不同會(huì)導(dǎo)致碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪含量的不同，進(jìn)而對(duì)底物的消化過(guò)程、聯(lián)合厭氧消化效率、沼氣產(chǎn)量和甲烷含量產(chǎn)生重要影響。

Beno等[8]通過(guò)對(duì)餐廚垃圾、蔬菜垃圾與污水污泥在不同混合比例條件下消化效果的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)餐廚垃圾和蔬菜垃圾進(jìn)行單獨(dú)厭氧消化時(shí)的沼氣產(chǎn)量很低，且沼氣中的甲烷含量也不高，只有5%左右；而添加一定量的污泥后，沼氣產(chǎn)量明顯增多，將兩者分別與污泥按照77∶23的比例混合時(shí)，酸抑制得以完全解除，沼氣中的甲烷含量也上升至49%。在段妮娜等[9]對(duì)脫水污泥、餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化以及濕重混合比例分別為4∶1、3∶2和2∶3條件下的五種厭氧消化系統(tǒng)進(jìn)行了研究，考察了半連續(xù)干法厭氧消化的產(chǎn)氣性能、有機(jī)質(zhì)降解性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性。結(jié)果表明，固體停留時(shí)間為20d時(shí)，隨著進(jìn)料中餐廚垃圾所占比例的增大，混合物料的水解速率常數(shù)也隨之增大，降解率隨之提高，產(chǎn)氣率和甲烷產(chǎn)率亦呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)pH值、總堿度、總氨氮和游離氨氮呈下降趨勢(shì)。

表1 國(guó)內(nèi)部分污泥和餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化項(xiàng)目列表

國(guó)內(nèi)外同時(shí)對(duì)兩者的最佳混合比例開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。Nam Hyo Heo等[10]通過(guò)模擬食品廢物和活性污泥混合物料的單級(jí)厭氧消化過(guò)程發(fā)現(xiàn)，在兩種有機(jī)物混合比例為1∶1、水力停留時(shí)間為10d的反應(yīng)條件下，揮發(fā)性固體去除率達(dá)到最高，為53.7%，COD也達(dá)到了最佳去除效果，去除率可達(dá)53.6%。付勝濤等[4、5]對(duì)剩余活性污泥與餐廚垃圾的聯(lián)合厭氧消化系統(tǒng)開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)剩余活性污泥與餐廚垃圾進(jìn)料總固體含量比為1∶1時(shí)，pH值、堿度和氨氮要高于總固體含量比分別為3∶1和1∶3，而且在同一水力停留時(shí)間下運(yùn)行，具有最大的緩沖能力，穩(wěn)定性和處理效果都比較理想。此外，趙云飛[7]、李靖[11]也同樣得到了1∶1的最佳混合比例結(jié)論，但是也有一些研究人員卻得出不同的最佳混合比例結(jié)論。高瑞麗等[6]通過(guò)對(duì)35℃下厭氧消化系統(tǒng)的試驗(yàn)研究得出結(jié)論，即當(dāng)剩余污泥與餐廚垃圾質(zhì)量比為2∶1時(shí)，沼氣產(chǎn)量和甲烷含量均達(dá)到最大值，分別比剩余污泥單獨(dú)厭氧消化時(shí)的產(chǎn)氣量提高了5倍和1.5倍。

從以上研究結(jié)果看，得出的污泥與餐廚垃圾最佳混合比例存在差異，這主要是由作為研究對(duì)象的污泥與餐廚垃圾來(lái)源不同，其各自的C/N也不同，加之實(shí)驗(yàn)條件不同而造成的。

5.1.2 水力停留時(shí)間

國(guó)內(nèi)外還對(duì)水力停留時(shí)間進(jìn)行了研究，得到的結(jié)果基本一致，即隨著水力停留時(shí)間的增大，聯(lián)合厭氧反應(yīng)更加徹底，系統(tǒng)運(yùn)行更加趨于穩(wěn)定，從而使揮發(fā)性固體去除率和產(chǎn)甲烷率也更高。

Fu等[12]研究在不同混合比例和水力停留時(shí)間條件下初沉污泥和餐廚垃圾的混合中溫厭氧消化效果，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初沉污泥和垃圾按照揮發(fā)性固體之比為3∶1和1∶1時(shí)，在水力停留時(shí)間分別為10d、13d、16d、20d的條件下，揮發(fā)性固體去除率和產(chǎn)甲烷率隨著水力停留時(shí)間的增大而提高，各厭氧消化系統(tǒng)中均未出現(xiàn)pH值降低、堿度不足、氨抑制和揮發(fā)性有機(jī)酸積累等現(xiàn)象。

Oleszkiewicz等[13]研究了紙類(lèi)、餐廚垃圾和污泥混合形成的高固體厭氧消化，研究結(jié)果顯示，聯(lián)合厭氧消化系統(tǒng)隨著水力停留時(shí)間的增加，總固體含量和需氧量的去除率也隨之提高。

付勝濤等[4、5]通過(guò)對(duì)剩余活性污泥和餐廚垃圾的混合中溫厭氧消化過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，按照剩余活性污泥和餐廚垃圾總固體含量之比分別為3∶1、1∶1、1∶3的進(jìn)料比例，水力停留時(shí)間分別設(shè)定為10d、15d和20d，當(dāng)餐廚垃圾的總固體含量所占比例提高時(shí)，揮發(fā)性有機(jī)酸隨著水力停留時(shí)間的增大而提高，但總體來(lái)說(shuō)揮發(fā)性有機(jī)酸相差并不明顯，各厭氧消化系統(tǒng)pH值在7.18～7.52范圍內(nèi)浮動(dòng)，均未出現(xiàn)揮發(fā)性有機(jī)酸積累和氨抑制現(xiàn)象，運(yùn)行穩(wěn)定。另外，同一進(jìn)料比例在不同水力停留時(shí)間條件下，氨氮濃度會(huì)隨水力停留時(shí)間的增大而提高，但單位揮發(fā)性固體甲烷產(chǎn)率和氣體產(chǎn)率差異不大。

5.1.3 pH值

pH值作為厭氧消化過(guò)程中重要的控制因素，影響著產(chǎn)甲烷菌的活性和底物的水解效率，若pH值＜6.3，會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌對(duì)揮發(fā)性有機(jī)酸的利用，導(dǎo)致?lián)]發(fā)性有機(jī)酸的積累，這樣會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致pH值的下降，從而形成惡性循環(huán)。而根據(jù)Yadvika S等[14]的研究，若pH值＞7.8，又會(huì)造成NH4+向NH3的轉(zhuǎn)化，對(duì)厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)生毒性抑制。可見(jiàn)，pH值過(guò)高或過(guò)低時(shí)，都不利于聯(lián)合厭氧消化的進(jìn)行。

為了保證厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)有足夠濃度的厭氧菌并保持其具有足夠的生物活性，pH值通常應(yīng)維持在7.0～7.5，以提供厭氧菌最佳的生長(zhǎng)代謝環(huán)境。

5.1.4 溫度

溫度也是影響污泥和餐廚垃圾混合物料聯(lián)合厭氧消化過(guò)程的一個(gè)重要因素，一般認(rèn)為較高的溫度有利于促進(jìn)厭氧消化的反應(yīng)進(jìn)程，提高聯(lián)合厭氧消化效率，同時(shí)也有利于混合物料中總固體含量和需氧量的去除率。

Oleszkiewicz等[13]以紙類(lèi)、餐廚垃圾和污泥三者混合的高固體厭氧消化系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：相對(duì)于35℃的厭氧反應(yīng)溫度，厭氧消化系統(tǒng)在55℃條件下的揮發(fā)性固體降解率和產(chǎn)氣率均較高，并且在此溫度范圍內(nèi)，總固體含量和需氧量的去除率亦隨溫度的提高而提高。

5.2 物料的預(yù)處理

5.2.1 污泥的預(yù)處理

采用污泥預(yù)處理技術(shù)有助于破壞污泥中的顆粒成分，使厭氧菌所需的有機(jī)質(zhì)釋放出來(lái)，從而有效加快厭氧消化過(guò)程，增加產(chǎn)氣量。污泥預(yù)處理技術(shù)有很多，其中堿處理法和熱處理法工藝簡(jiǎn)單，已具備工程應(yīng)用條件，且基建投資、運(yùn)行成本相對(duì)較低；超聲波處理法和臭氧氧化法的預(yù)處理效果顯著，但需繼續(xù)進(jìn)行工藝優(yōu)化和配套設(shè)備的開(kāi)發(fā)工作；與以上四項(xiàng)污泥預(yù)處理方法相比，其他技術(shù)屬于新興技術(shù)，還需要開(kāi)展進(jìn)一步探討和研究。此外，選擇兩種或兩種以上預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，如熱處理法與堿處理法結(jié)合應(yīng)用，可以達(dá)到更好的污泥預(yù)處理和后續(xù)厭氧消化效果。

5.2.2 餐廚垃圾的預(yù)處理

餐廚垃圾中富含大量油分，油脂降解性差，會(huì)對(duì)微生物生長(zhǎng)代謝產(chǎn)生不利影響，所以應(yīng)進(jìn)行除油處理。分離出去的油脂可通過(guò)制肥皂或生物柴油等途徑實(shí)現(xiàn)資源再利用，而剩余固體部分再與污泥聯(lián)合厭氧消化。目前餐廚垃圾除油技術(shù)可歸納為四大類(lèi)，見(jiàn)表2。

表2 餐廚垃圾油水分離技術(shù)類(lèi)別

同時(shí)，餐廚垃圾鹽分含量也很高，同樣會(huì)對(duì)后續(xù)厭氧消化過(guò)程產(chǎn)生不良影響，也應(yīng)在預(yù)處理階段加以去除，可以采用水沖洗的方式，使餐廚垃圾得到稀釋?zhuān)瑥亩档秃}率，也可以研發(fā)專(zhuān)門(mén)適用于高鹽分底物的厭氧消化技術(shù)，在這方面，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了一些工作，如彭緒亞等[15]高鹽分餐廚垃圾濕式單級(jí)厭氧消化研究。

此外，餐廚垃圾尺寸較大，品種較雜，應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行分選、破碎處理，以減小其顆粒粒徑，從而提高可生物降解程度。

5.3 工藝的優(yōu)化

5.3.1 消化液回流

Delia等[16]通過(guò)研究和分析認(rèn)為，將消化流出物回流可減少微生物流失，促進(jìn)底物的充分降解，從而提高沼氣產(chǎn)量。在國(guó)內(nèi)，王星等[17]以餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化系統(tǒng)為研究對(duì)象，探討了消化液回流比與有機(jī)負(fù)荷率對(duì)厭氧消化反應(yīng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)抑制作用時(shí)，將消化液回流可有助于緩解此抑制作用。但對(duì)于污泥和餐廚垃圾的聯(lián)合厭氧消化產(chǎn)沼系統(tǒng)，消化液回流是否會(huì)產(chǎn)生影響以及產(chǎn)生何種影響還未見(jiàn)相關(guān)研究報(bào)道。

5.3.2 增加中間脫氮除硫環(huán)節(jié)

污泥與餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化產(chǎn)甲烷過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氨氮、S2-，從而對(duì)產(chǎn)甲烷階段有抑制作用。為了解決這一問(wèn)題，李勇等[18]提出，在厭氧消化過(guò)程產(chǎn)酸階段揮發(fā)性有機(jī)酸和氨氮濃度相對(duì)較高時(shí)可增加中間脫氮除硫環(huán)節(jié)，并通過(guò)正交優(yōu)化試驗(yàn)提出了最佳脫氮除硫的工藝條件，而加入此脫氮除硫環(huán)節(jié)后，氨氮去除率為87.6%，不僅能有效減輕氨氮、S2-對(duì)厭氧消化過(guò)程產(chǎn)甲烷階段的抑制作用，還有利于后期H2S處理的成本控制。

5.3.3 先產(chǎn)氫再產(chǎn)甲烷工藝

在先產(chǎn)氫再產(chǎn)甲烷工藝方面，Wang C C等[19]開(kāi)展了一定的研究，經(jīng)過(guò)研究證明，先產(chǎn)氫再產(chǎn)甲烷工藝可提高甲烷化階段H2和CO2的產(chǎn)生比例，使厭氧消化過(guò)程產(chǎn)生充足的H2與CO2化合，與不產(chǎn)氫而直接產(chǎn)甲烷的工藝相比，甲烷產(chǎn)量可得到大幅提高。

6 結(jié)語(yǔ)

餐廚垃圾與污泥聯(lián)合厭氧消化產(chǎn)沼技術(shù)可使兩種廢物更好地達(dá)到“減量化、無(wú)害化和資源化”目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)廢物處理的雙贏，降低其對(duì)生態(tài)環(huán)境發(fā)生污染的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)我國(guó)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。而且該技術(shù)符合國(guó)家環(huán)保產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，具有巨大的市場(chǎng)潛力，將成為我國(guó)今后重要的研究課題之一。