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(dú)厭氧由于碳氮比失衡容易導(dǎo)致酸抑制，可通過生化污泥聯(lián)合厭氧來解決這一問題?！痉椒ā坷米灾髟O(shè)計(jì)的100 L立式錐底厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，研究餐廚垃圾渣料與生化污泥聯(lián)合厭氧的相關(guān)參數(shù)及產(chǎn)氣量。通過連續(xù)進(jìn)出料，前期進(jìn)行餐廚垃圾渣料單獨(dú)厭氧，后期進(jìn)行餐廚垃圾渣料與污泥聯(lián)合厭氧?！窘Y(jié)果】每日檢測相關(guān)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，前期餐廚垃圾單獨(dú)厭氧出現(xiàn)酸抑制后，加入污泥后揮發(fā)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(xiàn)先下降后上升的趨勢；加入污泥后每千克垃圾產(chǎn)氣量上升25.23%，有機(jī)質(zhì)的降解率由76.60%提高至79.07%。通過菌群檢測發(fā)現(xiàn)，加入污泥后細(xì)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?！窘Y(jié)論】加入污泥可減輕高負(fù)荷下餐廚垃圾單獨(dú)厭氧產(chǎn)生的酸抑制現(xiàn)象，并提高有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)氣率和降解率。研究揭示加入污泥前后菌群結(jié)構(gòu)的變化，為餐廚垃圾與污泥聯(lián)合厭氧提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：餐廚垃圾；污泥；厭氧共消化；酸抑制；菌群結(jié)構(gòu)

中圖分類號：X705? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市生活垃圾產(chǎn)生量與日俱增。2020年全國生活垃圾產(chǎn)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(xiàn)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(zhì)，極易發(fā)生腐爛，污染環(huán)境［3］。由于餐廚垃圾碳氮比較低，單獨(dú)厭氧極易發(fā)生酸抑制［4］。

根據(jù)《2020年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》，2020年地級以上城市污水處理廠的干污泥產(chǎn)量為1.163×107 t，2025年我國污泥產(chǎn)量將突破8×107 t［5］。餐廚垃圾和污泥的聯(lián)合厭氧可以促進(jìn)餐廚垃圾的消化，提高產(chǎn)氣率，是改良厭氧消化的一個重要手段。

嚴(yán)零陵等［6］通過餐廚垃圾與剩余污泥不同質(zhì)量比厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫試驗(yàn)表明，餐廚垃圾和剩余污泥質(zhì)量比為4∶1時，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效果最好，TS和VS的去除率最高。李華藩等［7］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)污泥與餐廚垃圾聯(lián)合厭氧發(fā)酵，餐廚垃圾占比10%時，產(chǎn)甲烷效率最佳。Prabhu等［8］通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，餐廚垃圾與剩余污泥比為1∶2時，產(chǎn)甲烷量最高。但是現(xiàn)有試驗(yàn)均為序批式發(fā)酵，往往聚焦于餐廚垃圾與剩余污泥厭氧最佳產(chǎn)氣比，無法考察污泥對餐廚垃圾高負(fù)荷下酸抑制的解除情況。

本試驗(yàn)通過利用藍(lán)德公司自主設(shè)計(jì)的100 L立式錐底厭氧發(fā)酵系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)進(jìn)料試驗(yàn)，前期進(jìn)料餐廚垃圾渣料，在高有機(jī)負(fù)荷下產(chǎn)生酸抑制后，通過與污泥聯(lián)合厭氧，監(jiān)測每日參數(shù)，考察污泥對調(diào)節(jié)高負(fù)荷下餐廚垃圾單獨(dú)厭氧產(chǎn)生的系統(tǒng)崩潰的積極作用，并比較加入污泥前后菌群結(jié)構(gòu)的變化，為餐廚垃圾與生化污泥聯(lián)合厭氧提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

餐廚垃圾渣料是由德州藍(lán)德再生資源有限公司收運(yùn)的餐廚垃圾進(jìn)行固液分離后產(chǎn)生的固相渣料。生化污泥取自德州藍(lán)德再生資源有限公司污水處理系統(tǒng)產(chǎn)生的脫水后的生化污泥。

1.2 試驗(yàn)裝置

針對現(xiàn)有對聯(lián)合厭氧消化的研究大多從批次研究中獲得、連續(xù)厭氧試驗(yàn)較少的問題，自主研發(fā)了100 L立式錐底厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)方法

通過藍(lán)德公司自主設(shè)計(jì)的100 L立式錐底厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，試驗(yàn)溫度為35 ℃，有效容積為80 L，前期只進(jìn)料餐廚垃圾渣料，有機(jī)負(fù)荷為7.68 g/（L·d）；運(yùn)行100 d后加入生化污泥，加入污泥的有機(jī)負(fù)荷為1.00 g/（L·d）。運(yùn)行200 d，每日檢測厭氧罐內(nèi)相關(guān)參數(shù)，沼氣產(chǎn)量由沼氣流量計(jì)記錄。

1.4 菌群結(jié)果檢測

取正在運(yùn)行100 d及200 d的沼液（加入污泥前后穩(wěn)定運(yùn)行的沼液），委托生工生物工程（上海）股份有限公司進(jìn)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(zhì) 氨氮的測定》）；pH值測定采用MettlerToledo Delta320型pH計(jì)測定；COD采用聯(lián)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(yàn)方法》）。

2 試驗(yàn)結(jié)果

揮發(fā)酸和COD隨時間變化如圖2所示。0～100 d只加入離心渣，揮發(fā)酸維持在10 000 mg/L以上，產(chǎn)氣率較低，COD維持在高位，沼液黏度增大，導(dǎo)致物料發(fā)生膨脹堵塞出氣管道，需要經(jīng)常加運(yùn)行項(xiàng)目的厭氧沼液才能維持正常運(yùn)行，100 d后開始維持離心渣量不變，加入污泥后揮發(fā)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(fā)酸轉(zhuǎn)化為沼氣的能力，降低揮發(fā)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(fā)酸的下降導(dǎo)致pH值上升至8.2左右。而氨氮在加入污泥后呈現(xiàn)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(jī)氮的形式存在［9］，后期由于有機(jī)氮的氨化作用轉(zhuǎn)化為氨氮導(dǎo)致氨氮上升，氨氮總體呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢。

由表1可知，餐廚垃圾單獨(dú)厭氧每千克垃圾產(chǎn)氣量為148.22 L/kg，每千克有機(jī)質(zhì)產(chǎn)氣量為817.29 L/kg。加入污泥后，餐廚垃圾與污泥聯(lián)合厭氧每千克垃圾產(chǎn)氣量為185.61 L/kg，比餐廚垃圾單獨(dú)厭氧提高了25.23%，每千克VS產(chǎn)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(jī)質(zhì)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(dú)厭氧相比，餐廚垃圾與污泥聯(lián)合厭氧每千克垃圾產(chǎn)氣量、TS降解率、VS降解率均有上升，說明加入污泥對厭氧發(fā)酵有機(jī)物分解有促進(jìn)作用。

一方面，與單獨(dú)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(zhì)的濃度，能夠有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)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(jī)物，污泥和餐廚垃圾進(jìn)行混合消化，不僅提供了更為豐富的菌群結(jié)構(gòu)，還為系統(tǒng)內(nèi)微生物提供了更為均衡的營養(yǎng)條件，因而更有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)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(jié)構(gòu)檢測

3.1 細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)組成分析

細(xì)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(jié)構(gòu)；A2為加入污泥后目水平上菌群結(jié)構(gòu)。

由圖4可知，細(xì)菌在門水平上，加入污泥前后的優(yōu)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(chǎn)酸菌之一［11］。這是因?yàn)閿M桿菌門（Bacteroidetes）在有機(jī)物降解過程中會產(chǎn)生各種裂解酶，從而對纖維素和半纖維素等復(fù)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(fā)酸的濃度有關(guān)。顯然，厭氧消化過程中擬桿菌門（Bacteroidetes）豐度的變化會導(dǎo)致體系中揮發(fā)酸濃度發(fā)生變化，因此添加污泥后揮發(fā)酸的下降與擬桿菌門（Bacteroidetes）豐度的變化有關(guān)。

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(fā)酵單糖產(chǎn)有機(jī)酸的功能。

3.2 產(chǎn)甲烷菌菌群結(jié)構(gòu)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(chǎn)甲烷菌，是唯一一種能通過三種途徑產(chǎn)生甲烷的菌種，既具有乙酸型產(chǎn)甲烷菌的能力，又具有氫型和甲基型產(chǎn)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(chǎn)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(fā)酸和有機(jī)負(fù)荷承載率，最高可耐受的揮發(fā)酸濃度為15 000 mg/L，高濃度的乙酸環(huán)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(jìn)而提高對揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）的降解率，促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)氣率和降解率。

4 結(jié)論

①相較于餐廚垃圾單獨(dú)厭氧，加入生化污泥后可解除餐廚垃圾單獨(dú)厭氧產(chǎn)生的酸抑制，降低揮發(fā)酸的濃度，提高厭氧系統(tǒng)中COD的轉(zhuǎn)化，降低COD的濃度，但對系統(tǒng)內(nèi)氨氮的降低效果不佳。

②相較于餐廚垃圾單獨(dú)厭氧，加入生化污泥后可大幅提高有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)氣率和降解率。

③加入生化污泥后細(xì)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(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“固廢資源化”專項(xiàng)（2018YFC1903002）。

作者簡介：王延凱（1989—），男，碩士，研究方向：固廢資源化利用。