污泥与餐厨垃圾联合两相中温厌氧消化效果探析

王 磊

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

厌氧消化处理污水污泥是国外最常用的污泥稳定化方法之一。目前，美国有650 座集中厌氧消化设施，对污泥的处理量占污泥产量的58%;在整个欧洲共有超过36 000 座厌氧消化反应器，对污泥的处理量占欧洲总产泥量的40%～50%［1］。

然而，目前国内污泥厌氧消化技术在理论研究、工艺设计和运行管理等方面仍存在诸多问题，整体发展水平偏低。据不完全统计，我国目前有约63 座城市污水处理厂建有或在建污泥厌氧消化设施，其中仅29 家的污泥厌氧消化系统正在运行，沼气产量也普遍低于设计值。运行管理水平欠佳、沼气产率和经济效益偏低是导致我国厌氧消化工艺应用滞后的重要原因。我国污泥有机质含量往往偏低，沼气产率和利用率普遍不高，所产生的沼气在满足自身的加热和搅拌能量需求后所剩无几，这导致厌氧消化的能量回收优势并不明显。

将污水污泥与餐厨垃圾联合共消化可以克服污泥单独消化时有机质偏低、污泥可生化性差的问题，促进物料的营养平衡，获得更高的沼气产量和经济效益［2］。然而，目前有关污泥与餐厨垃圾联合厌氧消化的研究多集中于单相厌氧消化［3，4］，而采用两相厌氧消化的研究报道较少。本研究利用污泥与餐厨垃圾进行联合两相中温厌氧消化，考察了不同水力停留时间(HRT)条件下产酸相和产甲烷相运行效果，并对共消化效果及相分离效果进行了讨论分析，以期为实际工程应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置

两相产酸和产甲烷反应器均为带有水浴夹层的柱状发酵罐，其中产酸反应器总容积为10 L，有效容积为7 L;产甲烷反应器总容积为40 L，有效容积为30 L。厌氧反应器均采用机械搅拌，搅拌桨转速维持在80 r/min;采用水浴加热，通过水泵使恒温水箱与水浴夹层里的水处于不断循环状态，维持反应器内温度在(35 ±1)℃;采用湿式气体流量计测定产气体积，流量计后接集气袋，用以收集沼气测定组分。

1.2 试验材料

试验所用初沉污泥和剩余污泥均取自上海市某污水处理厂污泥浓缩泵房，餐厨垃圾取自污水处理厂食堂，经分拣、粉碎后添加自来水调节含水率至90%左右。试验中所用的餐厨垃圾、初沉污泥和剩余污泥均保存于4 ℃的冰箱中，其性质如表1 所示。

试验中初沉污泥和剩余污泥按照1 ∶1的体积比混合，然后餐厨垃圾与混合污泥再按总固体(TS)为1 ∶1混匀后作为产酸相进料，进料的含固率控制在5%左右，有机物比例达到66.1%，此为较理想的厌氧消化基质。

表1 底质理化性质Tab.1 Physical and Chemical properties of of Substrates

1.3 试验方案

试验分两个阶段进行，第一阶段为产酸试验(各反应器均稳定运行42 d)，将餐厨垃圾与混合污泥按TS 比为1 ∶1混合作为产酸基质，考察不同HRT(1、3、5 d)条件对产酸相有机物降解效果及挥发性脂肪酸(VFA)产量的影响，遴选出产酸相最佳的HRT。

第二阶段为两相产酸产甲烷试验(各反应器均稳定运行61 d)，产酸相HRT 为上一阶段所选出的最佳值，产酸相出泥作为产甲烷相进泥，考察4 种不同HRT(5、10、20、30 d)条件对产甲烷相沼气产量、有机物去除效果及运行稳定性。

1.4 分析方法

检测项目及其测定方法如表2 所示。其中SCOD 和碱度测定前，需先将样品在4 500 r/min 转速下离心15 min，然后取上清液进行测定。

表2 检测项目和方法Tab.2 Method and Equipment of Testing

2 结果与分析

2.1 产酸相分析

在产酸相中，进泥中的SCOD 和VS 水解溶出的SCOD(两者之和记作总SCOD)一部分转化成了VFA，还有一少部分转化成甲烷、二氧化碳等进入了气相，剩余的仍以水解产物的形式留在了污泥中。因此，产酸相酸化效果可以用VFA(折算成COD)占总SCOD 的比例(酸化率)来表示，酸化率越高，则可为后续产甲烷相提供越多的基质。在HRT 为1 ～5 d 的条件下，水解酸化产物分布情况，如图1 所示。VFA 占总SCOD 比例随着HRT 的增加而提高，当HRT 为5 d 时VFA 所占比例达到最大值55%。

图1 HRT 对水解酸化产物分布的影响Fig.1 Effect of HRT on Metabolic Production Distribution in Acidogenic Phase

在酸化阶段，水解过程产生的小分子溶解性有机物在产酸菌细胞内被转化为以乙酸、丙酸、丁酸等挥发酸为主的末端产物。在HRT 为1 ～5 d 的条件下，产酸相中VFA 产量及组分比例如表3 所示，HRT 越多产酸反应器出泥中VFA 含量越高，当HRT 为5 d 时出泥中VFA 浓度最高为5 979 mg/L。在HRT 为1、3 和5 d 的条件下，乙酸、丙酸和丁酸含量分别为27.9% ～31.8%、27.0% ～33.4% 和20.6%～23.8%，各种挥发酸组分所占比例均没有超过50%，产酸相没有呈现出明显占优的发酵产物，产酸发酵类型为混合型发酵。

表3 产酸相VFA 产量及组分比例Tab.3 VFA Production and Distribution in Acidogenic Phase

产甲烷菌代谢速率受基质的种类影响，乙酸能够直接被产甲烷菌利用，乙醇和丁酸能够很快被产氢产乙酸菌转化为乙酸以供产甲烷菌利用，而丙酸被产甲烷菌利用的速率则较慢，在有机负荷较大时会在产甲烷相中积累，降低产甲烷系统的pH 甚至导致系统崩溃。因此，产酸相工艺参数的选择应以产酸相的挥发酸产量高且挥发酸组分有利于产甲烷菌的转化利用为原则。在HRT 为1 ～5 d 条件下，产酸相HRT 为5 d 时VFA 产量最高、酸化效果最佳且挥发酸中丙酸含量较小。因此，选择产酸相HRT为5 d，并利用产酸相出泥作为产甲烷相进泥进行后续产甲烷试验。

东北航线经俄罗斯北部海域，由太平洋进入白令海峡，依次途经楚科奇海、东西伯利亚海、拉普捷夫海、喀拉海、巴伦支海至摩尔曼斯克港[8]，因航线环境和破冰船的限制，目前适航船舶主要是阿芙拉船型。海冰是影响东北航线通航的重要因素。

2.2 产甲烷相分析

2.2.1 沼气产量

在HRT 为5 ～30 d 的条件下，产甲烷相沼气产量如表4 所示。随着HRT 的增加，有机负荷逐步减小，产甲烷速率也相应降低，单位体积进料产沼气量却逐步提高，这是由于HRT 增加后，进料降解更加充分，有机物去除更加彻底的缘故。在餐厨垃圾与污水污泥TS 比为1 ∶1的条件下，HRT 由5 d 逐步增加至30 d，产甲烷速率由2.1 降至0.5 L/L·d，单位体积进料产沼气量由14.3 逐步提高至22.0 L/L。由表4 可知甲烷含量高达69.7%～73.4%。

表4 产甲烷相沼气产量Tab.4 Biogas Production in Methanogenic Phase

在HRT 为5 ～30 d 的条件下，两相系统有机负荷为1.0 ～3.6 g VS/L·d，甲烷产率达到0.58 ～0.70 L/g VS去除。付胜涛等［4］利用污水污泥和厨余垃圾(TS 比为1 ∶1)单相中温厌氧共消化，进料有机负荷为1.4 ～4.1 g VS/L·d 与本研究相近，甲烷产率却仅有0.41 ～0.46 L /g VS去除，低于本研究所得的甲烷产率，这表示与单相厌氧消化系统相比，两相系统具有更高的产甲烷效率。

2.2.2 有机物去除效果

考虑到产酸相和产甲烷相对有机物均有一定的分解代谢作用，本研究综合产酸和产甲烷两过程，统筹分析两相系统的有机物去除效果。在产酸相HRT 为5 d、产甲烷相HRT 为5 ～30 d 的条件下，两相厌氧消化系统的有机物去除效果如表5 所示。当两相系统HRT 由10 d 逐步增加至25 d 时，TCOD 去除率由46. 5% 逐步提高至60. 8%，VS 去除率由54.9%提高至64. 7%。不同工况下产甲烷相对SCOD 的降解都比较彻底，出泥SCOD 仅为0. 8 ～1.2 g/L，SCOD 去除率达到89.8%～93.4%。

表5 两相厌氧消化系统有机物去除效果Tab.5 Organic Pollutants Removal Effect of the Two-phase Anaerobic Digestion System

2.2.3 运行稳定性

虽然产酸相出泥pH 低至4.6 ～5.5，但产甲烷过程中随着VFA 的消耗pH 有所回升，不同HRT条件下4 个产甲烷反应器的pH 为7.3 ～7.4，无需任何酸碱试剂调节即可维持在理想的产甲烷范围内。碱度可以缓冲厌氧消化系统pH 的波动，维持产甲烷相的稳定运行，理想的碱度(以CaCO3计)范围是2 000 ～5 000 mg/L［5］。在HRT 为5 ～30 d的条件下，各产甲烷系统的碱度均大于3 000 mg/L，表明各产甲烷反应器缓冲能力良好。VFA/碱度是评价厌氧消化系统稳定性的重要指标，当VFA /碱度＜0.3 ～0. 4 时，系统酸化风险较小，稳定性高［6］。不同工况下各产甲烷反应器的VFA /碱度值仅为0.12 ～0.20，具体如表6 所示，均呈现出良好的稳定性，且随着HRT 的增长，系统稳定性逐渐增强。

表6 产甲烷相VFA 和碱度Tab.6 VFA and Alkalinity in Methanogenic Phase

在HRT 为20 和30 d 的条件下，产甲烷反应器有机物去除率和甲烷产量相差不大，且均远高于其他HRT(5、10 d)时。较短的HRT 意味着更高的处理效果、更小的反应器体积及更好的经济性。因此，在产酸相HRT 为5 d 的条件下，产甲烷相最佳HRT为20 d。

2.3 污泥与餐厨垃圾共消化效果分析

在沼气产量方面，本研究中利用污泥与餐厨垃圾共消化产沼气，进料含水率为95%～96%，当两相系统HRT 为25 ～35 d 时，单位体积进料产沼气量高达18.1～22.0 L/L。而污水污泥(含水率96%)单独厌氧消化时，产生的沼气量一般为8 ～12 倍污泥量［7］。污泥与餐厨垃圾联合厌氧消化可以显著提高沼气产量，获取更高的经济效益。

在有机物去除效果方面，本研究中利用污泥与餐厨垃圾共消化，两相系统VS 去除率达到54.9%～64.7%，而污水污泥单独厌氧消化VS 去除率一般为40%左右［8，9］。污泥与餐厨垃圾共消化时VS 去除率与污泥单独厌氧消化相比明显提高，这可能是由于污泥中所添加的餐厨垃圾更易于降解的缘故。然而，所观察到的现象并不能说明与单独厌氧消化相比，共消化时污泥自身有机质降解效果是否有提高。因此，有必要分别对餐厨垃圾和污水污泥进行单独厌氧消化，并将消化效果与共消化进行对比，以探讨共消化对污泥自身有机质降解效果的影响。

在系统稳定性方面，本研究中利用污泥与餐厨垃圾共消化，获得了稳定的运行效果，两相均无需外加试剂调节pH。而餐厨垃圾由于有机物含量高，单独厌氧消化容易发生酸积累和代谢产物反馈抑制现象。Beno 等［10］对厨余垃圾和蔬菜垃圾进行单独厌氧消化，出现了明显的酸积累现象，气体产量很低，其中甲烷含量仅有5%。污泥与餐厨垃圾共消化，可以克服餐厨垃圾单独消化所存在的问题，降低厌氧消化系统控制复杂性。

本研究中污泥与餐厨垃圾直接混合后作为产酸相进泥，当产酸相HRT 为5 d 时挥发酸产量和酸化率最高，但5 d 的HRT 对产酸相来说偏长，在实际工程中可能导致产酸罐体积偏大，制约经济效益。污水污泥有机质含量低，酸化效果可能不明显;此外，有分析认为污泥与餐厨垃圾两者厌氧消化产沼气的高峰并不一致，餐厨垃圾的产气高峰可能滞后，因此在产酸相可仅对餐厨垃圾进行单独预酸化，再将酸化产物与污泥混合进入产甲烷相进行共消化，以降低产酸反应器体积，其技术可行性和工艺控制参数有待进一步探究。

2.4 相分离效果分析

产酸菌世代周期短，适宜在酸性条件下生存代谢;而产甲烷菌世代周期较长，适宜在pH 为6.8 ～7.4 范围内生存代谢。把产酸相和产甲烷相分离，可以分别为产酸菌和产甲烷菌创造最佳的生存环境。两相分离常用的方法是将动力学控制法和物理化学法中的pH 调节法相结合，即控制产酸相在较短的HRT 条件下运行的同时，调节其pH 在酸性(4.0 ～6.5)范围内。本研究中利用污泥与餐厨垃圾两相厌氧共消化，产酸相HRT 为1 ～5 d，产甲烷相HRT 为5 ～30 d，在无需任何外加酸碱试剂调节的情况下，产酸相和产甲烷相pH 就能分别维持在4.6 ～5.5 和7.3 ～7.4，基本实现了产酸相和产甲烷相的分离。

然而，通过动力学控制实现相分离并不意味着产酸发酵菌群与产甲烷菌群的安全分离，产酸相中仍有可能存在产甲烷菌。本研究中，不同HRT(1、3和5 d)的条件下产酸相产生的气体中均有甲烷检出，甲烷含量为4.5%～11.5%，即使HRT 缩短至1 d，产酸相产生的气体中甲烷含量仍然达到4.5%。然而，两相系统仍取得了高效的消化效果，最大VS去除率和沼气产率分别达到64.70%和0.98 L /g VS去除。高廷耀等［11］以污泥为基质研究两相系统运行效果也观察到了类似的现象，这表明在产酸相存在轻微的产甲烷作用并不影响有机物的水解和发酵，同样也不影响两相系统的运行性能，把抑制产酸相产甲烷菌活性作为两相系统运行成功与否标志的做法有待商榷。

张录等［12］研究发现(如表7)，即使两相系统并未实现彻底的相分离，产甲烷相中产甲烷菌的数量仍然要比产酸相多一个数量级，而产酸相中同型产乙酸菌和丁酸产乙酸菌则明显多于产甲烷相，蛋白质分解菌、淀粉分解菌及纤维素分解菌等菌群数量则相差不大。这表明相分离并没有将产酸微生物与产甲烷微生物截然分开，只是通过对运行参数的控制，限制了产酸相中产甲烷菌的增殖、强化了产酸菌群功能，同时增加了产甲烷相中产甲烷菌的数量。

表7 产甲烷罐和产酸罐各菌群数量Tab.7 Bacterium Population of Methanogenic and Acidogenic Reactors

值得注意的是，产甲烷相中由丙酸产氢产乙酸菌的菌群数量也要比产酸相多一个数量级，这表明产甲烷相中较低的氢分压环境有利于丙酸的转化降解，这也解释了两相系统可以在一定程度上克服丙酸积累的原因。本研究中产酸相出泥丙酸含量虽然高达27.0%～33.4%，但后续产甲烷相对丙酸的转化利用均比较彻底，不同HRT 的条件下产甲烷相pH 都稳定在7.1 ～7.2，出泥中VFA 含量均不超过600 mg/L，没有发现丙酸积累现象。

3 结论

(1)当产酸相HRT 为5 d 时，产酸反应器挥发酸产量最高，且丙酸含量较小，产酸效果最优。

(2)当产甲烷相HRT 为20 d 时，产甲烷反应器运行效果较佳，单位体积进泥(96%含水率)产沼气量达到20.4 L/L、沼气产率为0.69 L/g VS去除、甲烷含量为71.3%、VS 去除率为64.7%。

(3)与餐厨垃圾和污水污泥分别单独厌氧消化相比，两者联合厌氧消化沼气产量、有机物去除效果及运行稳定性均有显著提高。

(4)本研究采用动力学控制方法即可基本实现产酸相和产甲烷相的分离，虽然产酸相仍存在轻微的产甲烷作用，但并不影响有机物的水解和酸化，也不影响两相系统的运行效果。

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