湿垃圾与剩余污泥共消化混合比对产甲烷特性研究*

王川 张亚宁 欧阳创

（1.上海环境卫生工程设计院有限公司，上海 200232；2.上海大学 环境与化学工程学院 有机复合污染控制工程教育部重点实验室，上海 200444）

0 引言

据世界银行统计，全世界每年生产大约13亿t固体废弃物，到2025年固体废弃物的产量预计会增加到22亿t，其中大约有三分之一是湿垃圾。然而，湿垃圾有机质含量高、容易腐烂［1-2］，若得不到及时有效的处理，将引起二次污染。

在众多湿垃圾处理技术中，厌氧消化技术不仅可以实现湿垃圾减量化，还可回收利用其中的生物能源甲烷［3］，从而受到广泛推广应用，目前已成为我国湿垃圾处理的主流工艺。然而，由于湿垃圾具有高易腐有机物、高蛋白、高油脂、高盐分、高粗纤维等特点，导致将其进行单独厌氧消化处理时容易出现酸化、氨抑制等问题［4］。将湿垃圾与其他固体废弃物进行联合厌氧消化，不仅可以稀释其中有毒物质浓度，促进营养物质平衡，而且能有效缓解厌氧消化过程中高盐分带来的抑制作用，以及高易腐有机物造成的酸化效应，从而进一步提升厌氧消化系统的稳定性能和处理效率，促进产甲烷过程［4］。

污水处理厂运行中产生的剩余污泥是另一类城市固体废弃物，其产量随着污水处理设施的不断完善而逐年攀升，据统计截至2019年我国城镇污水处理厂剩余污泥产量已超过6 000万t/a（含水率80%）。与湿垃圾相比，剩余污泥碱度高、缓冲性能好，将其与湿垃圾进行共消化，可显著提高湿垃圾厌氧消化系统的稳定性。

目前针对剩余污泥与餐厨垃圾联合厌氧消化研究相对较多，但是垃圾分类后产生的湿垃圾混合了餐饮垃圾、家庭厨余垃圾、菜场垃圾等不同种类易腐有机物，物料组分发生变化［4］，湿垃圾与剩余污泥联合厌氧消化的机制尚不清晰。因此，本研究探讨了湿垃圾和剩余污泥在不同混合比例条件下联合厌氧消化过程中有机物降解及产甲烷特征，以期为湿垃圾厌氧消化工艺优化提供技术支撑和科学指导。

1 材料与方法

1.1 实验材料

湿垃圾原料取自上海市松江湿垃圾厂餐饮垃圾和厨余垃圾的均质混合浆料，在4℃的冰箱内保存。剩余污泥取自上海市宝山区吴淞污水处理厂，而接种污泥取自于上海市松江湿垃圾处理厂的厌氧消化罐出料，这些物料的基本特征如表1所示。

表1 湿垃圾、剩余污泥和接种泥的基本理化特征

1.2 实验设计及理化指标分析

本研究中序批式厌氧消化实验在实际工作体积为400 mL的反应器中进行。首先向反应器中分别加入70 mL接种泥，然后加入20 mL不同体积比的剩余污泥与湿垃圾混合基质，5组剩余湿垃圾和污泥的体积比分别10∶0、8∶2、5∶5、2∶8和0∶10，接着调节基质pH值至7.20±0.02，然后加入蒸馏水补齐到400 mL。反应前充氮气5 min后密封，置于35±1℃气浴恒温振荡器中，进行反应。每隔24 h用针筒注射器测定生物沼气产量。每组设置3个平行实验，同时设置1组全部为接种污泥的反应器作为对照组。

取样分析湿垃圾和污泥混合物料厌氧消化前、后理化特性变化规律。样品使用0.45m聚醚砜（PES）膜过滤后，上清液用于测定溶解性化学需氧量（SCOD）、溶解性碳水化合物、溶解性蛋白质等指标。实验结束后分别在5组实验组中取10 mL加入无菌离心管中，放置于-20℃冰柜中保存，并于1周内开展微生物群落分析。检测过程主要包括DNA提取、PCR扩增、Illumina Miseq测序等环节。

2 结果与讨论

2.1 不同湿垃圾和污泥配比条件下厌氧产沼情况

本研究中各组湿垃圾和污泥配比实验的日计和累积沼气如图1所示。随着污泥添加量的增加，各实验组的沼气产量均呈逐渐下降趋势，最高为100%湿垃圾组，累积沼气产量为1 287.5 mL，最低为100%污泥组，累积沼气产量为131.5 mL，仅为前者的10.2%，说明湿垃圾相对污泥可能具有更高的产沼气潜势。为进一步探讨污泥添加对湿垃圾厌氧产沼的影响，将3种湿垃圾和污泥混合组的实际沼气产量和理论沼气产量进行比较，其中理论沼气产量的计算方法为：理论沼气产量=湿垃圾单独厌氧消化的产气率×湿垃圾所占比率+污泥单独厌氧消化的产气率×污泥所占比率。

3种混合组的实际和理论沼气产量结果如图2所示。当污泥添加比率低于50%时，随着污泥添加比率的增加，实际沼气产量高于理论沼气产量，并且其差值呈逐渐增加的趋势，表明污泥的添加有利于提高湿垃圾厌氧产沼性能，这可能是因为污泥高碱度特性可显著缓解湿垃圾的酸化作用，从而协同改善湿垃圾的产沼性能。然而，当污泥添加比率高于50%时，实际沼气产量低于理论沼气产量，表明污泥添加比率过高时，不能促进湿垃圾厌氧产沼性能。这可能是当污泥添加比率过高时（超过50%），污泥中含有的无机质和重金属可能会与湿垃圾中有机质结合，从而不利于这些有机物的厌氧降解[5]，由此导致湿垃圾厌氧产沼性能的降低。

2.2 不同湿垃圾和污泥配比条件厌氧产沼前、后物料的理化特征变化

1）pH值和TDS。厌氧消化后各实验组沼液的pH值相对厌氧消化前均有所增加（图3），这可能与厌氧消化过程中挥发性脂肪酸的降解以及蛋白质矿化转化为氨氮有关［6］。随着污泥添加比率的增加，基质pH值呈逐渐增加的趋势，这表明污泥的添加有利于提高基质的pH值，从而缓解湿垃圾厌氧产沼系统的酸化。与厌氧消化前相比，厌氧消化后沼液的TDS均有所增加，这可能是因为厌氧消化过程有机物分解产生沼气被去除，从而导致无机盐释放积累。随着污泥添加比率的增加，基质的TDS含量均呈下降趋势，这表明污泥的添加有利于降低反应体系的无机盐溶解，从而可以缓解高盐分对湿垃圾厌氧消化过程造成的影响。

2）TCOD和SCOD。如图4所示，与厌氧消化前相比，厌氧消化后各实验组的TCOD和SCOD均有所下降，这表明厌氧消化过程中有机物被降解去除。随着污泥添加比率的增加，各实验组初始基质的TCOD和SCOD含量均呈下降趋势，且厌氧消化过程中减少比例也趋于减少，这可能是因为湿垃圾中可生物降解有机物含量均明显高于污泥基质，从而导致随着污泥添加比率的增加，各实验组的有机物降解有所下降，这是生物沼气产量的结果较为吻合（图1）。

3）碳水化合物和蛋白质。随着污泥添加比率的增加，厌氧消化初始基质的碳水化合物和蛋白质的含量均呈现下降趋势（图5），这可能与湿垃圾中有机物含量均明显高于污泥基质有关。与厌氧消化前相比，厌氧消化后各实验组的碳水化合物和蛋白质含量均有所减少，这与COD的变化规律较为一致（图4），表明厌氧消化过程中基质的主要有机物（碳水化合物和蛋白质）均被分解转化。

2.3 不同湿垃圾和污泥配比条件下微生物群落组成差异

微生物在湿垃圾和污泥有机物厌氧消化过程中扮演着至关重要的作用，其中细菌是水解和酸化的主要功能菌，而酸化产物的甲烷化是主要由产甲烷菌等古菌来完成的，因此，本研究采用高通量测序技术对各实验组中细菌和古菌群落组成进行了系统研究。

结果表明各实验组的细菌和古菌测序数分别为45 282～58 235和61 772～147 593，平均序列长度分别为410～420和429.2～429.9。各样品的稀释曲线如图6所示，表明随着测序数量的增加，各实验组的sobs指数整体呈先上升、后趋于平稳的趋势，表明各实验样品的测序数足够，能够反映各实验组中细菌和古菌的微生物群落组成。

1）细菌。如图7所示，各实验组的微生物主要有Firmicutes（14.3%～59.8%）、Bacteroidota（12.8%～65.1%）、Synergistota（1.5%～12.6%）、Cloacimonadota（2.3%～14.2%）、Patescibacteria（1.6%～4.8%），这5类菌占比达到78.8%～94.9%，其余微生物还包括Chloroflexi（0.7%～3.6%）、Proteobacteria（0.6%～3.3%）等。随着污泥添加比率的增加，微生物群落的OUT数量呈增加趋势，表明微生物多样性趋于增加，其中Firmicutes、Synergistota和Cloacimonadota呈下降趋势，而Bacteroidota和Chloroflexi呈增加趋势，表明污泥添加对湿垃圾厌氧产沼系统的细菌群落具有显著影响。研究表明Firmicutes可以降解各种底物糖和木质纤维素[7]，Bacteroidetes是一种蛋白质水解菌，能够降解各类含碳物质[8]，而Chloroflexi可以降解各种复杂的大分子，并与蛋白质和碳水化合物的降解相关[9]。这些细菌相对丰度的变化，表明其中蛋白质和碳水化合物的水解酸化过程也发生显著改变。5组实验样品的聚类分析和主成分分析如图8所示，证实各实验组细菌群落组成与湿垃圾和污泥配比比例具有显著相关性，进一步说明污泥的添加会显著改善湿垃圾的细菌群落组成。

2）古菌。产甲烷菌主要有乙酰型、氢营养型和甲基营养型3种类型。大部分CH4是由前两种类型产生的[7]。Methanosaeta物种是唯一已知的专门的乙酰型产甲烷菌［10］；Methanobacterium是AD过程中最常见的氢养产甲烷菌；Methanocina是主要的甲烷菌，它既是乙酰分解菌，也是氢营养产甲烷菌。如图9所示，这3种细菌的相对丰度分别为13.8%～46.1%、12.7%～41.6%和18.1%～56.9%，总占比达到79.9%～92.4%，表明它们在产甲烷过程中扮演着主要作用。随着污泥添加比率的增加，Methanosaeta呈先增加、后减少的趋势，湿垃圾与污泥的配比为5∶5时，达到最高，而Methanocina则相反，呈先减少、后增加趋势，湿垃圾与污泥的配比为5∶5时，达到最高；Methanobacterium整体呈下降趋势，这表明污泥的添加也会影响湿垃圾厌氧消化系统的产甲烷途径。由图2可知，湿垃圾与污泥配比为5∶5时，厌氧消化系统产沼的协同效应最为明显，这可能与产甲烷过程主要以Methanosaeta参与乙酰型途径为主有关，这不同于纯湿垃圾实验组以Methanobacterium参与氢营养型产甲烷为主，而纯污泥实验组以Methanocina参与乙酰型和氢营养型途径为主。如图10所示，聚类分析和主成分分析也表明各实验组古菌群落组成与湿垃圾和污泥的配比具有显著相关性，表明污泥的添加也会显著改善湿垃圾的古菌群落组成。

3 结论

污泥的添加会导致湿垃圾厌氧消化系统沼气总产量的减少，但其对湿垃圾厌氧产沼性能的改善作用呈先增加、后减少的趋势，最优值发现在湿垃圾与污泥配比5∶5时。经厌氧消化处理后，湿垃圾的pH值和TDS呈增加趋势，而碳水化合物和蛋白质等有机含量呈下降趋势，且随着污泥添加比例的增加，变化程度呈下降趋势，这与生物沼气产量结果较为一致。微生物群落分析表明污泥的添加会显著改善湿垃圾厌氧消化系统中细菌和古菌群落组成，其中湿垃圾与污泥配比为5∶5的实验组，产甲烷途径以Methanosaeta参与的乙酰型路径为主，不同于纯湿垃圾实验组和纯污泥实验组，这可能是5∶5配比实验比改善效果最为明显的原因之一。