果蔬废弃物与剩余污泥协同厌氧消化特性研究

2022-01-23谢炎东蒋心茹闫志英刘杨吕青阳许力山陈静刘明刚张忠武宾石玉

可再生能源 2022年1期

谢炎东，蒋心茹，闫志英，刘杨，吕青阳，许力山，陈静，刘明刚，张忠武，宾石玉

（1.广西师范大学生命科学学院，广西桂林 541006；2.中国科学院成都生物研究所，四川成都 610041；3.中国科学院环境与应用微生物重点实验室，四川成都 610041；4.四川能投水务投资有限公司，四川成都 610041）

0 引言

据国家统计局数据显示，2018年我国剩余污泥（Sludge Waste，SW）产量达到3.1亿t，并以5%的速率逐年增长[1]。SW是混入城市污水和工业废水中的含有纤维、泥沙、有机质、各种胶体及被吸附的重金属元素、微生物、虫卵的综合固体物质[2]。若对SW处置不当，不仅会浪费大量可再回收利用资源，还会造成二次污染，对生态环境构成严重威胁。

厌氧消化是处理污泥的主要方式之一。但是我国污泥的碳氮比（C/N）较低，有机物含量少，含沙量高，导致污泥厌氧消化的效率较低。以单一污泥底物进行厌氧消化时，存在有机质转化率和产气量低，易产生氨氮抑制[3]和酸化[4]等问题。研究表明，通过不同底物协同厌氧消化可调节体系的C/N，从而提高厌氧消化体系的产气量。果蔬废弃物（Fruit and Vegetable Waste，FVW）含水率高、易腐烂，且含有易降解的有机物（糖类和半纤维素占75%，纤维素占10%，木质素占5%）[3]。当FVW单独厌氧消化时，其较高的C/N会导致体系在水解酸化时产生大量有机酸，使得体系的pH值迅速下降，厌氧菌产气效率降低[5]。因此，将污泥与果蔬废弃物进行协同厌氧消化，有利于调节体系的C/N，提升产气效果，同时实现废弃物的资源化利用。

协同厌氧消化不仅提高了底物的营养物质比例，有助于厌氧菌的吸收利用并增加底物降解率，还可以稀释有毒化合物，增加生物可降解的有机物负荷，提高产气量，提升体系的缓冲能力[6]，[7]。此外，协同厌氧消化还可以简化处理设施以节省处理和运行成本，避免传统处理方法带来的资源浪费，提高资源回收率[8]。有研究表明，当污泥与水果按照50:50的VS配比进行厌氧消化时，单位VS的产气量为141 mL/g[9]。Nansubuga I G[10]研究发现，当污泥与水果按照50:50的质量配比进行厌氧消化时，甲烷产量最高。Habiba L[11]发现，当污泥和果蔬废弃物按照30:70的VS配比进行厌氧消化时，VS去除率和单位VS的沼气产量分别达到了88%和0.63 L/g。

目前，国内对于污泥与果蔬废弃物协同厌氧消化的研究较少，缺乏完整的混合研究体系。此外，相比于国外的污泥，国内污泥的含沙率高、有机质含量低，导致国外的相关工艺无法指导国内的实际生产应用。因此，基于我国污泥现状，本文在温度为35℃，VS浓度为4%条件下，将FVW和SW按不同的VS比例复配，并进行协同厌氧消化产甲烷潜力（Biochemical Methane Potential，BMP）实验，系统研究了FVW和SW在不同配比下的协同厌氧消化过程，并通过测定厌氧消化过程的产气量、甲烷含量、pH值、氨氮和挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids，VFAs）浓度等参数的变化规律，筛选出了适用于协同厌氧消化的FVW和SW的最佳配比，研究结果能够为我国污泥厌氧处理工艺的规模化应用提供理论基础和科学指导。

1 材料与方法

1.1 实验材料

FVW取自成都市跳伞塔农贸市场，去除塑料和纸屑等杂质后，将水果和蔬菜废弃物按照1:1的质量比混合并破碎成1～2 mm的颗粒，于4℃保存；SW取自四川遂宁城南第一污水处理厂，于4℃保存；接种物取自成都市永安镇农户家庭，于常温密封保存。原料的理化指标如表1所示。由表1可以看出，果蔬废弃物的VS含量较高，而污泥的VS含量较低（国外污泥的有机质含量超过50%）。

表1 原料理化指标Table 1 Physical and chemical indexes of raw materials

所用试剂均为分析纯，其中氢氧化钠、碘化钾、酒石酸钾钠和甲酸购于西陇科学股份有限公司，碘化汞和无水乙酸钠购于铜仁银湖化工有限公司化学试剂厂。

所用仪器:202-00AB型台式电热干燥箱、SY-5型果蔬破碎机、SX-5-12型马弗炉、TU-1810SPC型紫外可见光光度计、AS3120型超声波洁洗器、5424R型离心机、TGL-16MS型高速冷冻离心机、1 mL一次性无菌注射器、聚醚砜针头过滤器、PHS-3E型pH仪、BSA124S型分析天平、789A型和689N型气相色谱仪、NLG400型电磁炉、BCD-648WDBE型冰箱、SPX-328型生化培养箱和MDF-86V340型E医用低温保存箱。

1.2 实验方法

1.2.1 实验设计

在体系总VS浓度为4%的条件下，将FVW与SW按照0:10，1:9，2:8，3:7，4:6，5:5，6:4，7:3，8:2，9:1和10:0的VS比混合，组成11个实验组进行BMP实验，每组3个平行，实验结果取平均值。不同配比的C/N如表2所示。

表2 各配比的C/NTable 2 C/N of each ratio

1.2.2 实验装置

图1为厌氧消化装置示意图。反应瓶的容积1 L，有效容积为瓶容积的70%，接种物添加量占反应器有效容积的40%，实验温度为35℃。不同配比的底物装瓶后，通入N2使其形成一个厌氧环境。每天2次定时将反应瓶摇晃30 s，使底物充分混合，每隔两天取摇匀后的液体样测量pH值、氨氮和VFAs浓度，并在每天固定时间检测产气量和甲烷含量。

图1 厌氧消化装置示意图Fig.1 Schematic diagram of anaerobic digestion unit

1.2.3 分析方法

2) 使用行星轮作为铁钻工回转机构的传动轮系，具有结构简单，保证旋转过程的稳定性，是铁钻工回转机构设计时可优先选择的方案。

TS和VS含量采用标准方法进行测量；产气量采用排水法进行测量；气体成分采用安捷伦7890A型气相色谱仪进行测定；TAN浓度采用纳氏试剂法进行测量；VFAs浓度采用安捷伦6890N型气相色谱仪进行测定；pH值采用雷磁pH计进行测量。

1.2.4 计算方法

甲烷日产量Pd的计算式为

式中:M为甲烷累积产量，mL；t为发酵时间，d；P为单位VS理论甲烷产率，mL/g；Rm为单位VS最大日产甲烷量，mL/（g·d）；λ为产甲烷延滞期，d；e为常数。

2 结果与分析

2.1 甲烷含量和甲烷日产量的变化

不同FVW和SW配比下，甲烷含量和甲烷日产量的变化情况（当FVW和SW的配比分别为1:9，2:8，8:2和9:1时，相较于污泥对照组，这4组的产气量无显著提升，故不展示这4组的数据）如图2所示。从图2（a）可以看出，当FVW和SW的配比分别为3:7，4:6，5:5，6:4，7:3和0:10时，甲烷含量分别在第8，8，8，10，9，11天达到了60%以上，并各自维持了12，13，15，8，9，1 d。较高的甲烷含量表明体系中的甲烷菌进入了活跃期，能快速将前期分解的各种挥发酸等底物转化成甲烷和二氧化碳等气体，提升甲烷含量和产气量。4:6组在第9天的甲烷含量最高，为76.02%，比纯FVW与纯SW组的最大值分别提高了377%和22.32%。在整个厌氧消化过程中，纯FVW组的甲烷含量都在16%以下，这是由于体系过度酸化，使得细菌酸中毒从而无法产气。除了纯FVW组，各组的甲烷含量均维持在40%以上，直到反应结束。

图2 甲烷含量和甲烷日产量的变化情况Fig.2 Methane content and daily methane production

从图2（b）可以看出:除了纯FVW和纯SW组，各组的变化趋势相近；3:7组、4:6组、5:5组、6:4组和7:3组出现第1个峰的时间均在第1天，产气峰值分别为137.1，124.8，70.9，291.0，43.7 mL，此阶段为水解酸化阶段，细菌将大分子有机物转化为小分子有机酸，并产生大量二氧化碳；3:7组、4:6组、5:5组、6:4组和7:3组出现第2个峰的时间分别为第8，10，13，10，10天，峰值分别为358.0，532.8，369，269.3，237.6 mL，此阶段为产甲烷阶段，产甲烷菌利用体系中的乙酸产生沼气；3:7组、4:6组、5:5组、6:4组和7:3组出现第3个峰的时间分别为第18，18，19，14，15天，峰值分别为166.0，129.8，96.4，683.3，461.7 mL；纯SW组出现第1，2个峰的时间分别为第10，12天，峰值分别为109.4，42.1 mL，此阶段是体系中的同型转乙酸菌将体系中的其他酸转化为乙酸供甲烷菌使用[12]。

2.2 累积产甲烷量的变化

累积产甲烷量是衡量厌氧消化效果最直观的指标。不同FVW和SW配比下，单位VS累积产甲烷量及其拟合曲线的变化如图3所示。从图3可以看出，除了纯FVW组，各实验组的单位VS累积产甲烷量由高到低依次为6:4组（127.34 mL/g），5:5组（120.82 mL/g），4:6组（109.52 mL/g），3:7组（94.96 mL/g），7:3组（88.8 mL/g）和纯SW组（20.62 mL/g），且各组间的差异显著（F=27.792，P＜0.001）。这说明在FVW与SW的协同厌氧消化中，FVW具有明显的提升产气作用；随着FVW所占比例的增大，单位VS产甲烷量呈现出先增长后降低的变化趋势。6:4组、5:5组、4:6组、3:7组和7:3组的单位VS累积产甲烷量分别比纯SW组提高了516%，485%，430%，360%，330%和291%。

图3 单位VS累积产甲烷量及其拟合曲线Fig.3 The cumulative methane production of different groups and modified Gompertz equation fit curves

Gomperzt修正方程的拟合参数如表3所示。由表3可以看出:除了纯FVW组，各实验组的单位VS理论甲烷产率和单位VS最大日产甲烷量均比纯SW组高；6:4组的单位VS理论甲烷产率和单位VS最大日产甲烷量均最高，分别为114.05 mL/g和14.61 mL/（g·d），分别比纯SW组提高了422%和353%；除了3:7组，其他各组的延滞期显著高于SW组，且随着FVW所占比例的增大，λ随之增大，这是因为FVW中含有较多的纤维素等较难分解的有机物。由此可见，FVW的加入提升了体系的碳含量和挥发酸含量，使协同厌氧消化体系的营养更均衡，进而提升了体系的产气能力。

表3 Gomperzt修正方程的拟合参数Table 3 The parameters of modified Gompertz equation

2.3 氨氮浓度的变化

图4 氨氮浓度的变化情况Fig.4 The change of ammonia nitrogen concentration

2.4 pH值和VFAs浓度的变化

2.4.1 pH值

pH值是评价水解酸化和产甲烷平衡的重要指标，体系的VFAs浓度越高，pH值越低，两者呈反比关系。不同FVW和SW配比下，厌氧消化过程中的pH值变化如图5所示。由图5可以看出:除了纯SW组的初始pH值为7.60，其余各组的初始pH值均为6.6；4:6组、6:4组和纯SW组的pH值在第2天下降到了最低值，分别为6.53，6.15和7.55；5:5组和7:3组的pH值在第4天下降到了最低值，分别为6.53和6.06；纯FVW组的pH值在第8天下降到了最低值5.06。厌氧反应前期为水解酸化阶段，水解酸化菌将大分子底物分解成VFAs等可利用的物质，因此，在反应前期，各组的pH值会有一定程度的下降。在反应的4天后，除纯FVW组外，其余各组的pH值均开始缓慢上升，因为厌氧消化进入中后期，体系中的VFAs等酸性物质被产甲烷菌逐渐消耗，体系的pH值会缓慢上升。纯FVW组的pH值在第4天后继续下降的原因可能是底物的C/N较高，水解酸化菌能分解产生更多的酸，出现了酸累积现象，导致体系的pH值持续走低。纯SW组的pH值在整个厌氧消化过程中没有太大的变化，原因是底物的有机质含量和C/N较低，分解产生的VFAs较少，再加上生成的氨氮较多，使得体系的pH值维持在高水平。除了纯FVW组和纯SW组，其余各组的pH值均在第4～18天快速上升，并在第22天趋于稳定，最终稳定在8.0左右，而纯FVW组的pH值一直维持在5.1上下直到反应结束。

图5 pH值的变化情况Fig.5 The change of pH value

2.4.2 VFAs浓度

VFAs是厌氧消化过程中的中间产物，是嗜乙酸产甲烷菌产甲烷的重要底物。不同FVW和SW配比下，厌氧消化过程中的VFAs浓度变化如图6所示。由图6可以看出:3:7组、4:6组、5:5组、6:4组、7:3组、纯FVW组和纯SW组的初始VFAs浓度分别为3 610.77，3 608.31，3 683.76，2 108.92，2 139.46，2 693.18，2 098.34 mg/L；随着发酵的进行，3:7组、4:6组、5:5组、6:4组和7:3组的VFAs浓度均在第4天达到最高，最高值分别为10 732.1，10 709.9，11 675.2，12 936.6，15 571.5 mg/L，此阶段为水解酸化阶段，细菌开始将大分子有机物转化为小分子酸性物质，使得VFAs浓度迅速上升；各混合组的VFAs浓度均在第4～16天快速下降，因为产甲烷菌进入了活跃期，开始利用VFAs产生甲烷等气体，体系的产气量随之上升，此阶段会维持10～16 d；6:4组的VFAs浓度在第12～16天快速下降，对应着图2（b）中的产气高峰期；各混合组和纯SW组的VFAs浓度在第28天下降到了0；纯FVW组的VFAs浓度在第8天达到峰值，为26 014.1 mg/L，过高的VFAs浓度会导致体系的pH值迅速下降，造成酸累积，最终导致体系崩溃。纯SW组的VFAs浓度先略微上升然后逐渐下降，整个发酵过程都维持在较低水平，原因是污泥的有机质含量和C/N较低，使得酸化水解菌无法分解产生足够多的VFAs，导致体系产气率低。由此可以看出，在单一底物进行厌氧消化时，会面临着VFAs浓度过低或过高，而协同厌氧消化可以平衡体系中的酸，使体系的VFAs浓度和pH值均处于合适的范围，从而增强体系的产气潜力。

图6 VFAs浓度的变化情况Fig.6 The change of VFAs concentration

2.5 理化指标与累积产甲烷量的相关性分析

果蔬废弃物与市政污泥协同厌氧消化产甲烷的特性与VFAs、氨氮等中间代谢产物以及pH值密切相关。将实验数据进行相关性分析，可以探究不同指标之间的相关性，从而进一步优化协同厌氧消化工艺。不同指标之间的相关系数如表4所示。由表4可以看出:VFAs浓度与pH值呈极显著负相关，与氨氮浓度呈显著负相关；pH值与氨氮浓度和累积产甲烷量呈极显著正相关；氨氮浓度和累积产甲烷量呈显著正相关。由此可见，在协同厌氧消化体系中，pH值的高低与体系的缓冲能力和产气量有着密切的联系。在体系进入产甲烷阶段后，氨氮浓度会上升到抑制甲烷菌的浓度，pH值也会上升到8.0左右，不利于体系产气潜力的提高。而果蔬废弃物的加入，使得体系中的VFAs种类更加丰富，不可降解的氨氮转化成了可降解的有机氮，并产生了更多的乙酸，从而提高了体系的产气潜力。