污泥与其它基质共消化研究进展

宋欢，张光明，王洪臣，杨安琪，杨光（中国人民大学 环境学院，北京　100872）

污泥与其它基质共消化研究进展

宋欢，张光明，王洪臣，杨安琪，杨光
（中国人民大学 环境学院，北京100872）

厌氧消化是污泥处理的有效手段，但由于污泥碳氮比较低，易产生氨抑制，污泥单独厌氧消化存在产气量低，系统不稳定等问题。污泥与其它基质厌氧共消化可以提高甲烷产率与单位处理效率，有效解决系统不稳定的问题。针对污泥厌氧共消化进行了系统的研究，总结了基质的主要来源，就不同基质共消化时体系运行参数、系统抑制与强化因子进行了分析，发现作为共消化基质的餐厨垃圾可以得到广泛应用，油脂类或藻类物质的应用逐渐上升，污泥与基质投配比、温度、反应器类型、预处理等均能影响共消化的效果。对污泥与其它基质共消化的发展方向提出了建议和展望。

污泥；基质；共消化；碳氮比

近年来，随着我国污水处理厂不断建成、投入使用，污泥产量大幅提升，到2014年，全国城镇污水处理厂干污泥（80%含水率）产生量已达667.5万t［1］。污泥厌氧消化可有效实现污泥减量化、无害化、资源化，已被广泛运用到实际中。但污泥碳氮比较低，在中温条件下产甲烷率最高只达150 mL/g［VSadded］［2］，且消化过程中的氨抑制等问题限制了污泥厌氧消化技术的进一步推广［3］。

共消化指2种或多种基质同时进行厌氧消化，能有效提升产甲烷效率。在污泥厌氧共消化过程中，污泥与其它基质形成良性互补，在不同基质的协同作用和菌群多样性、基质中有害成分（如重金属、致病菌等）的稀释作用下，消化过程变得更加稳定，产气量上升。污泥与其它基质共消化使生物质能输出能力加强，提升污泥资源化能力。对于污水处理厂来说，可充分利用现有设备进行共消化，在提高厌氧消化池处理能力的同时，还可接收其它废物并收取处理费用，提高经济收益。污泥与其它基质共消化已成为污泥处理的有效方式。

1　厌氧共消化基质来源

基质是指经过厌氧菌消化可以产生甲烷的任何物质，其来源广泛。从国内外近十多年的研究文献分析，基质来源主要分为农业来源、工业来源与城市社区来源3类，其中城市社区来源研究最多，占68.4%，工业来源占16.2%，农业来源占12.8%。

共消化体系的碳氮比是决定消化过程稳定性与产气量的重要因素。共消化基质相比污泥具有较高的碳氮比。因此，污泥与其它基质共消化可有效缓解污泥厌氧消化中碳源不足的问题。典型污泥厌氧共消化基质的碳氮比如图1所示。

2　农业来源

厌氧共消化基质的农业来源包括：畜牧业副产品、农作物剩余废物与能源植物（包括藻类）等，其中藻类由于具有比陆生植物更强的产甲烷能力与效率而受到广泛关注。

2.1畜牧业副产品

养殖场排放垃圾包括粪便、过期饲料等。牛粪与猪粪含有大量矿物质元素和丰富的营养物质，碳氮比为9.7～18.7，与污泥共消化可以提升产气量与缓冲能力［4］。牛粪与猪粪还含有瘤胃微生物，可协助厌氧消化更快进行，缩短HRT，提高产气效率［5］。

多数研究发现动物粪便与污泥共消化最佳HRT多在20 d左右，随着HRT的缩短和有机负荷（OLR）的提升，甲烷产量减少。这是因为在共消化系统中，有机成分及有机物降解程度对消化过程有着重要的影响。合理的投配比是厌氧共消化成功的必要条件，刘一威［6］研究发现污泥和动物粪便垃圾的TS投加比例应控制在40%以下。类似的结论也由Pitk等［7］得出，在体系中添加10%以上的畜牧副产品导致体系发泡现象严重，长链脂肪酸积累过多，游离氨产生过多。

2.2农业纤维素类废物

农业纤维素类废物包括谷物收获后的剩余废物与能源植物等。应用于污泥厌氧共消化的基质主要有秸秆、橄榄果渣、能源植物等。秸秆主要成分为纤维素，其碳氮比多在35以上，是补充污泥低碳氮比的良好基质。Kim等［8］发现污泥与秸秆厌氧共消化产氢的最佳碳氮比为25∶1。在袁海荣等［9］的研究中也有类似的发现，当碳氮比为25∶1时，秸秆与污泥混合基质产气量最大。

不同的反应器对厌氧消化系统有较大影响。利用两相反应器，将污泥与秸秆共消化的产氢阶段与产甲烷阶段分离，可提高37.9%的VS去除率和59.6%的总沼气产量［10］，相似的结论也可在污泥与木薯台厌氧共消化的研究中得到［11］。这是因为两相反应器将不同阶段分离，降低了菌群竞争。

2.3藻类

藻类具有较低的木质素、更易水解的糖分和蛋白质，在厌氧消化中有利于水解的进行，它同时具有较高的生长速度与适应性，可直接在污水处理厂投加并培养。与污泥进行厌氧共消化的藻类通常包括微藻、栅藻、小球藻、钝顶螺旋藻等。

藻类与污泥厌氧共消化可有效提高VS去除率和水解速率。Olsson等［12］研究发现，在中温条件下，微藻与污泥共消化产甲烷率可达到（408±16）cm3/g［VS］，高温情况下未发现产气量提升，可能是因为相关菌群在中温条件下具有较高活性。Wang等［13］研究发现，栅藻和小球藻与污泥厌氧消化时，相比于污泥单独消化甲烷产率并未提升。有些藻类与污泥共消化有利于提升污泥脱水性能，例如栅藻、钝顶螺旋藻等，而小球藻对污泥脱水性能有轻微不良影响［14］。以上研究表明不同藻类与污泥厌氧共消化的效果存在一定差异，应在理论与试验的基础上选择合适的藻种与污泥进行共消化。

2.4污泥与农业来源基质厌氧共消化主要运行参数及效果

图1　典型污泥厌氧共消化基质的碳氮比

表1　污泥与农业来源基质厌氧共消化主要运行参数及效果Tab.1　Main operating parameters and effect of sludge and agricultural substrates anaerobic co-digestion

污泥与农业来源基质厌氧共消化主要运行参数及效果如表1所示。从表1可见，根据不同基质特性和污泥性质，基质和污泥有不同的投配比，多采用中温与批次试验方法，甲烷产率最高可提升5.7倍，VS降解率多在40%～60%之间。农业来源基质消化体系较为稳定，较少产生系统抑制。

3　工业来源

工业基质包括生物柴油产业、食品加工业及其它工业有机废物。生物柴油产业主要副产品为粗甘油；食品加工业包括肉类加工业、奶制品加工业、制酒工业、淀粉加工业、制糖工业等。

3.1粗甘油

粗甘油含碳量较高［17］，可作为碳源被消化菌吸收利用，因此可调节共消化体系的碳氮比，并稀释有毒物质。中温是粗甘油与污泥厌氧共消化的适宜温度，Silvestre等［17］发现在高温条件下系统pH值下降严重。

粗甘油与污泥共消化应严格控制粗甘油投加量。Fountoulakis等［18］发现投加甘油体积分数大于3%时会导致系统崩溃。Razaviarani等［19］也发现随着甘油投加量的增加，VFA含量上升，而pH值、碱度和产气量下降。Nartker等［20］发现通过控制投加速度与方式，细菌种群可及时调整适应，当OLR为70%时仍可保持系统稳定。这表明在实际运行中采用合适的投加方式与速度可提高甘油的投配比，提高处理率。污泥与粗甘油厌氧共消化会降低污泥的脱水性能［17］。

3.2食品加工业废物

食品加工业废物的碳氮比在17.2～39.1之间。脂肪酸的积累对产甲烷菌的毒害作用、系统pH值下降、过高的OLR与过低的HRT是共消化系统的主要抑制因素。

Neves等［21］在研究污泥和咖啡加工废物厌氧共消化过程中，发现水解速率常数与甲烷产率呈逆相关，原因可能是水解中间产物对产甲烷菌具有毒害作用。Li等［22］发现可向咖啡加工废物与污泥共消化系统中添加硫酸盐以调节丙酸降解细菌的菌群活性，可增加甲烷产量。Fernández等［23］在研究污泥与乳清共消化时发现，高温下产气速率较高，但甲烷总产率较中温降低。Koupaie等［24］对污泥与果汁生产废物厌氧共消化进行成本效益分析，发现相比于2个单独的消化器，采用共消化可节省总成本27.6%。

3.3污泥与工业来源基质厌氧共消化主要运行参数及效果

污泥与工业来源基质厌氧共消化主要运行参数及效果如表2所示。与其它基质相比，工业基质与污泥厌氧共消化更容易产生系统抑制，具体表现为OLR过高、挥发性脂肪酸积累、系统pH值下降等。粗甘油与污泥厌氧共消化应严格控制投加量，多采用中温CSTR反应器，HRT为18～24 d，甲烷产率可提升83%～148%，VS降解率在50%以上。同时，食品加工业废物也多采用中温消化，甲烷产率最高可提升 1.87倍［25］，VS降解率在23.4%～91.0%之间。工业基质来源广泛，投配比应根据不同基质进行调整。

4　城市社区来源

与污泥进行厌氧共消化的基质中，城市社区来源最为广泛。具体可分为有机城市垃圾、隔油池废物与其它废物。有机城市垃圾包括餐厨与果蔬垃圾、庭院垃圾与其它城市固体废弃物等。隔油池废物主要来自食品服务行业与水厂浮选设施，具有较高油脂含量，可生化性强。其它城市社区来源废物包括垃圾沥出液、水厂泡沫浮渣等。

表2　污泥与工业来源基质厌氧共消化主要运行参数及效果Tab.2　Main operating parameters and effect of sludge and industrial substrates anaerobic co-digestion

4.1有机城市垃圾

城市垃圾有机成分具有良好的生物可降解性，但污泥与城市垃圾有机成分厌氧共消化系统需要较复杂的调控机制，且往往需要对城市垃圾进行预处理。有机城市垃圾与污泥共消化体系预处理方法主要包括热处理［28］、超热预处理［29］、微波处理［30］等。

餐厨垃圾是目前的研究热点，其产量大，具有较好的生物可降解性。餐厨垃圾与污泥厌氧共消化可最高为污水处理厂提供50%以上的能量，是污泥单独厌氧消化的2倍［31］，在实际运行中具有重大意义。投配比是影响系统表现的重要因素，Jang等［32］发现有机物去除率随餐厨垃圾沥出液投加比例增加而线性升高，但在沥出液单独厌氧消化时下降，这显示出污泥与餐厨垃圾共消化具有明显的协同作用。

4.2隔油池废物

隔油池废物可分为3层，包括上层的油脂类物质、中间层食品废水、下层的食物残渣部分。隔油池废物含高油脂，在与污泥共厌氧消化时油脂类物质投配比过高，易造成废水系统管道堵塞与腐蚀。共消化系统中，过高的有机负荷不利于厌氧消化系统的稳定进行，会造成长链脂肪酸或挥发性脂肪酸的积累，导致系统酸化。因此，严格控制有机负荷是十分必要的。

整理、统计相关文献中停留时间在20 d左右的CSTR或半连续流反应器，考察中温条件下共消化隔油池废物负荷与甲烷产率的关系，拟合后的结果如图2所示。由图2可以发现，隔油池废物负荷在1.5 g［VS］/（L·d）左右时甲烷产率较高。

图2　污泥与隔油池废物厌氧共消化中隔油池废物有机负荷与甲烷产率的关系

很多研究者发现利用未脱水隔油池废物与污泥进行厌氧共消化［33］，可减少系统抑制的发生，主要原因是隔油池废物稀释了污泥中的有害成分。缓慢加入隔油池废物可有效提升脂质的降解，有利于相应菌群适应长链脂肪酸含量逐渐升高，从而减少长链脂肪酸的积累，提高隔油池废物阈值与相应的产气量。Martínez等［34］发现脂质的吸附作用可能阻碍了基质的降解，可通过向系统中添加脂肪酶，促进脂质降解［35］。利用两相反应器可提升产气量，且可节省建设与运行费用。此外，高温条件下隔油池废物与污泥厌氧共消化可减少H2S的产生，有利于系统稳定［36］。

4.3污泥与城市社区来源基质厌氧共消化主要运行参数及效果

污泥与城市社区来源基质厌氧共消化主要运行参数及效果如表3所示。有机城市垃圾与污泥厌氧共消化可提升甲烷产率27%～169%，VS降解率在34%～95%之间。投配比与消化器根据不同基质有较大区别，多采用中温条件，HRT为20 d左右。隔油池废物与污泥共消化多采用中温连续或半连续消化，HRT为15～25 d时，VS降解率在60%左右。

表3　污泥与城市社区来源垃圾厌氧共消化主要运行参数及效果Tab.3　Main operating parameters and effect of sludge and community garbage anaerobic co-digestion

5　结论

由于协同效应与稀释作用，污泥与其它基质厌氧共消化能有效缓解厌氧消化中的不良影响，稳定消化系统，提高甲烷产率。

污泥与基质投配比应根据其性质严格控制，避免过载而导致系统抑制。污泥厌氧共消化多采用中温消化，系统较高温稳定，且实际运行中能耗较少。采用两相反应器（温度两相分离反应器或产酸-产甲烷相分离反应器）较单相反应器有更好表现。

共基质的预处理往往能提高共消化系统甲烷产量，但应进一步分析多产生的甲烷生物质能是否可以弥补预处理所耗能量。其它强化手段例如投加微量元素或相关酶是未来污泥厌氧共消化的研究方向之一。

采用污水厂自身产生的油脂、藻类物质共消化，或与其它基质共消化，形成污泥减量化、无害化、资源化的产业链条，在提高环保效益的同时，实现经济收益应是今后努力的方向。

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Research progress of co-digestion of sludge and other substrates

SONG Huan，ZHANG Guang-ming，WANG Hong-chen，Yang An-qi，YANG Guang
（School of Environment and Natural Resources，Renmin University of China，Beijing 100872，China）

Anerobic digestion is an effective method for sludge treatment.However，ammonia inhibition is a common problem due to the low C/N ratio of sludge.Many problems such as low biogas production and unstable operation are existed during the single anaerobic digestion of the sludge.Co-digestion of sludge and other substrates is an effective solution to increase the methane yield and the treatment efficiency and eliminate the system instability.The co-digestion of anaerobic sludge was studied systematically and the source of substrates was summarized；besides，the operating parameters，system inhibition，and strengthening factors during the co-digestion with different substrates were analyzed.It was found that，kitchen waste was the most common co-digestion substrates，while the application of fats，oil，grease and algae were increasing in recent years.Sludge and substrates mixing ratio，temperature，reactor type，pretreatment and some other factors could affect the performance of co-digestion.Finally，the development tendency of co-digestion of sludge and other substrates was proposed and prospected.

sludge；substrate；co-digestion；C/N ratio

X703.1

A

1009-2455（2016）04-0001-06

国家自然科学基金项目（51278489）

宋欢（1995-），女，天津人，本科，研究方向为污泥减量化与资源化，（电子信箱）songhuan199510@163.com；通讯作者：张光明（1973-），女，湖南永州人，教授，研究生，研究方向为水与废水处理，（电子信箱）zgm@ruc.edu.com。

2016-04-25（修回稿）