1、引言
污水污泥成分復(fù)雜，不僅含有重金屬和持久性有機(jī)物等有毒有害物質(zhì)，還含有多種病原體，若不能妥善處理，則會對環(huán)境造成二次污染。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和污水處理量的持續(xù)增加，每年產(chǎn)生的污水污泥量也急劇增加。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)測算，2016年全國產(chǎn)生的城鎮(zhèn)濕污泥4083萬噸，2020年將達(dá)到5292萬噸。
同時，餐廚垃圾是城市生活垃圾的主要組成之一，其產(chǎn)生量也在逐年增加。由前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的統(tǒng)計數(shù)據(jù)得知，2015年全國產(chǎn)生餐廚垃圾9500萬噸，到2016年全國餐廚垃圾產(chǎn)生量增至9700萬噸，與污泥一樣，餐廚垃圾成為了影響環(huán)境衛(wèi)生和公眾健康，甚至是威脅食品安全的又一難題。
2、污泥與餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化難點(diǎn)
在廢棄物的處理處置與資源化方法中，厭氧消化既可以實(shí)現(xiàn)其減容減量，降低或消除廢棄物對環(huán)境的危害，又能獲得沼氣形式的清潔能源從而緩解當(dāng)今的能源供需壓力，此方法得到了國內(nèi)外的青睞。對污水污泥與餐廚垃圾來說，兩者均是常見的有機(jī)廢棄物，然而其單獨(dú)厭氧消化產(chǎn)沼氣效果卻并不十分理想。
污泥有機(jī)C含量較低，蛋白質(zhì)含量較高，相對于有機(jī)C而言，蛋白質(zhì)降解速率較慢，加之污泥中的大部分有機(jī)C為被細(xì)胞壁所包裹的微生物細(xì)胞物質(zhì)，可生物降解能力較低，所以污泥單獨(dú)厭氧消化時降解速度較慢，揮發(fā)性固體的去除率和產(chǎn)氣量一般也較低。同時，由于污泥的C/N較低，厭氧消化時含N物質(zhì)會較快地溶出而發(fā)生氨氮的積累，造成厭氧消化體系營養(yǎng)物質(zhì)的配比失衡，進(jìn)而導(dǎo)致厭氧消化進(jìn)程的抑制。同時，污泥厭氧消化系統(tǒng)能否可持續(xù)運(yùn)行還與其處理規(guī)模密切相關(guān)。這是因?yàn)槲勰鄥捬跸?xiàng)目投資大，運(yùn)行費(fèi)用高，在規(guī)模經(jīng)濟(jì)的作用下，大型污泥厭氧消化項(xiàng)目最有可能實(shí)現(xiàn)收益與投入的平衡，故停運(yùn)率較低，而小規(guī)模污泥厭氧項(xiàng)目的收益不足以平衡投資和運(yùn)行費(fèi)用。
餐廚垃圾的主要組成成分為水分、碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪和鹽分，并富含氮、磷、鈣、鉀等營養(yǎng)元素，其中有機(jī)成分在總固體中的含量很高，可高達(dá)95%以上。餐廚垃圾的C/N較高，易被生物降解，單獨(dú)厭氧消化時速度較快。但由于產(chǎn)甲烷菌生長過程相對較緩慢，因此可能引起揮發(fā)性有機(jī)酸等中間代謝產(chǎn)物的毒性抑制，甚至導(dǎo)致厭氧消化系統(tǒng)的酸化失效。此外，由于餐廚垃圾固體含量高，流動性差，不易與厭氧微生物實(shí)現(xiàn)充分的混合，進(jìn)而影響厭氧效果。
綜上所述，單獨(dú)對污泥和餐廚垃圾進(jìn)行厭氧消化時，產(chǎn)沼效率和效果均不理想。
3、聯(lián)合厭氧消化的可行性分析
為了較好解決兩者分別進(jìn)行單獨(dú)厭氧消化時的一些問題，出現(xiàn)了將餐廚垃圾和污泥進(jìn)行聯(lián)合厭氧工藝，并在國內(nèi)外引起了研究熱潮。在國內(nèi)，付勝濤、嚴(yán)曉菊和于水利，高瑞麗、嚴(yán)群以及趙云飛等都分別開展了分析研究，證實(shí)了污泥和餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化的可行性，主要體現(xiàn)在以下幾方面。
(1)污泥C/N比較低，降解速率慢，污泥單獨(dú)厭氧發(fā)酵時易產(chǎn)生氨氮的抑制，而餐廚垃圾C/N則比較高，卻會因餐廚垃圾厭氧消化速度與產(chǎn)甲烷菌生長速度不均衡而引起揮發(fā)性有機(jī)酸等中間代謝產(chǎn)物積累，甚至引起系統(tǒng)酸化。故兩者聯(lián)合厭氧，即可以調(diào)節(jié)C/N，提高厭氧系統(tǒng)的生物降解性，從而改善污泥的降解速率，又可以使產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)酸與氨氮等中間代謝產(chǎn)物進(jìn)行部分中和反應(yīng)，避免揮發(fā)性有機(jī)酸等中間代謝產(chǎn)物的積累，調(diào)節(jié)厭氧過程中的pH值，防止厭氧消化系統(tǒng)的酸化失效，維持厭氧系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
(2)污泥中含有大量微生物，適合作為厭氧消化的菌種 >
(3)餐廚垃圾和污泥進(jìn)行聯(lián)合厭氧消化可以補(bǔ)充各自成分中缺少的營養(yǎng)物質(zhì)，使厭氧消化底物中的營養(yǎng)成分達(dá)到較好的平衡。
(4)餐廚垃圾和污泥聯(lián)合厭氧消化可直接采用現(xiàn)有的污泥消化池，有利于降低成本，并為通過在污泥消化池中添加餐廚垃圾來擴(kuò)大處理規(guī)模提供了便利條件，有利于促進(jìn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)現(xiàn)。而且根據(jù)已有研究成果，在聯(lián)合厭氧消化工藝中，兩種廢棄物的厭氧消化性能得到了明顯改善，沼氣產(chǎn)量也得到了不同程度的提高，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。
4、聯(lián)合厭氧消化技術(shù)研究及應(yīng)用
目前國內(nèi)外已開展了一些污泥和餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化技術(shù)的研究，但總體來看，國內(nèi)外的相關(guān)報道并不多，且已有的研究主要集中在污泥和餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與工程可行性，以及pH值、溫度、混合比例等工藝參數(shù)對聯(lián)合厭氧消化反應(yīng)過程的影響分析方面，而對聯(lián)合厭氧消化的協(xié)同反應(yīng)機(jī)理以及其中有機(jī)質(zhì)降解調(diào)控機(jī)制尚缺乏深入系統(tǒng)的研究。尤其是在我國，重復(fù)性研究較多，而對擁有自有知識產(chǎn)權(quán)的、具有技術(shù)突破性的相關(guān)技術(shù)和設(shè)備研發(fā)力度不足。通過對國內(nèi)外現(xiàn)有污泥和餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化專利信息的查詢信息，目前國內(nèi)聯(lián)合厭氧消化相關(guān)專利僅有60余項(xiàng)，可見目前國內(nèi)擁有相關(guān)自有知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)量還很有限，特別是與相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)數(shù)量位居前列的日本、韓國和美國相比，更是存在較大差距。
在應(yīng)用方面，一般認(rèn)為現(xiàn)有的污泥處理設(shè)施(如污泥消化池)可直接應(yīng)用于聯(lián)合厭氧消化工藝，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備共享。因此，污泥和餐廚垃圾的聯(lián)合厭氧消化從技術(shù)和設(shè)施上可行。但整體而言，該技術(shù)目前主要限于實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模運(yùn)行，缺乏大規(guī)模應(yīng)用的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，遠(yuǎn)未達(dá)到市場普遍應(yīng)用的程度。
5、研究熱點(diǎn)及方向
5.1 影響聯(lián)合厭氧消化的參數(shù)
目前，國內(nèi)外關(guān)于工藝參數(shù)對聯(lián)合厭氧消化影響的研究報道還較少，并且主要集中在混合比例、水力停留時間、溫度、pH值這4項(xiàng)參數(shù)上，而對固體停留時間、攪拌強(qiáng)度等其他重要參數(shù)研究較少。
5.1.1 混合比例
污泥和餐廚垃圾的混合比例不同會導(dǎo)致碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪含量的不同，進(jìn)而對底物的消化過程、聯(lián)合厭氧消化效率、沼氣產(chǎn)量和甲烷含量產(chǎn)生重要影響。
Beno等通過對餐廚垃圾、蔬菜垃圾與污水污泥在不同混合比例條件下消化效果的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)餐廚垃圾和蔬菜垃圾進(jìn)行單獨(dú)厭氧消化時的沼氣產(chǎn)量很低，且沼氣中的甲烷含量也不高，只有5%左右;而添加一定量的污泥后，沼氣產(chǎn)量明顯增多，將兩者分別與污泥按照77:23的比例混合時，酸抑制得以完全解除，沼氣中的甲烷含量也上升至49%。在段妮娜等對脫水污泥、餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化以及濕重混合比例分別為4:1、3:2和2:3條件下的五種厭氧消化系統(tǒng)進(jìn)行了研究，考察了半連續(xù)干法厭氧消化的產(chǎn)氣性能、有機(jī)質(zhì)降解性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性。結(jié)果表明，固體停留時間為20d時，隨著進(jìn)料中餐廚垃圾所占比例的增大，混合物料的水解速率常數(shù)也隨之增大，降解率隨之提高，產(chǎn)氣率和甲烷產(chǎn)率亦呈現(xiàn)上升趨勢，同時系統(tǒng)內(nèi)pH值、總堿度、總氨氮和游離氨氮呈下降趨勢。
國內(nèi)外同時對兩者的最佳混合比例開展了實(shí)驗(yàn)研究。NamHyoHeo等通過模擬食品廢物和活性污泥混合物料的單級厭氧消化過程發(fā)現(xiàn)，在兩種有機(jī)物混合比例為1:1、水力停留時間為10d的反應(yīng)條件下，揮發(fā)性固體去除率達(dá)到最高，為53.7%，COD也達(dá)到了最佳去除效果，去除率可達(dá)53.6%。付勝濤等對剩余活性污泥與餐廚垃圾的聯(lián)合厭氧消化系統(tǒng)開展了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)剩余活性污泥與餐廚垃圾進(jìn)料總固體含量比為1:1時，pH值、堿度和氨氮要高于總固體含量比分別為3:1和1:3，而且在同一水力停留時間下運(yùn)行，具有最大的緩沖能力，穩(wěn)定性和處理效果都比較理想。此外，趙云飛、李靖也同樣得到了1:1的最佳混合比例結(jié)論，但是也有一些研究人員卻得出不同的最佳混合比例結(jié)論。高瑞麗等通過對35℃下厭氧消化系統(tǒng)的試驗(yàn)研究得出結(jié)論，即當(dāng)剩余污泥與餐廚垃圾質(zhì)量比為2:1時，沼氣產(chǎn)量和甲烷含量均達(dá)到最大值，分別比剩余污泥單獨(dú)厭氧消化時的產(chǎn)氣量提高了5倍和1.5倍。
從以上研究結(jié)果看，得出的污泥與餐廚垃圾最佳混合比例存在差異，這主要是由作為研究對象的污泥與餐廚垃圾 >
5.1.2 水力停留時間
國內(nèi)外還對水力停留時間進(jìn)行了研究，得到的結(jié)果基本一致，即隨著水力停留時間的增大，聯(lián)合厭氧反應(yīng)更加徹底，系統(tǒng)運(yùn)行更加趨于穩(wěn)定，從而使揮發(fā)性固體去除率和產(chǎn)甲烷率也更高。
Fu等研究在不同混合比例和水力停留時間條件下初沉污泥和餐廚垃圾的混合中溫厭氧消化效果，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初沉污泥和垃圾按照揮發(fā)性固體之比為3:1和1:1時，在水力停留時間分別為10d、13d、16d、20d的條件下，揮發(fā)性固體去除率和產(chǎn)甲烷率隨著水力停留時間的增大而提高，各厭氧消化系統(tǒng)中均未出現(xiàn)pH值降低、堿度不足、氨抑制和揮發(fā)性有機(jī)酸積累等現(xiàn)象。
Oleszkiewicz等研究了紙類、餐廚垃圾和污泥混合形成的高固體厭氧消化，研究結(jié)果顯示，聯(lián)合厭氧消化系統(tǒng)隨著水力停留時間的增加，總固體含量和需氧量的去除率也隨之提高。
付勝濤等通過對剩余活性污泥和餐廚垃圾的混合中溫厭氧消化過程的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，按照剩余活性污泥和餐廚垃圾總固體含量之比分別為3:1、1:1、1:3的進(jìn)料比例，水力停留時間分別設(shè)定為10d、15d和20d，當(dāng)餐廚垃圾的總固體含量所占比例提高時，揮發(fā)性有機(jī)酸隨著水力停留時間的增大而提高，但總體來說揮發(fā)性有機(jī)酸相差并不明顯，各厭氧消化系統(tǒng)pH值在7.18～7.52范圍內(nèi)浮動，均未出現(xiàn)揮發(fā)性有機(jī)酸積累和氨抑制現(xiàn)象，運(yùn)行穩(wěn)定。另外，同一進(jìn)料比例在不同水力停留時間條件下，氨氮濃度會隨水力停留時間的增大而提高，但單位揮發(fā)性固體甲烷產(chǎn)率和氣體產(chǎn)率差異不大。
5.1.3 pH值
pH值作為厭氧消化過程中重要的控制因素，影響著產(chǎn)甲烷菌的活性和底物的水解效率，若pH值<6.3，會抑制產(chǎn)甲烷菌對揮發(fā)性有機(jī)酸的利用，導(dǎo)致?lián)]發(fā)性有機(jī)酸的積累，這樣會進(jìn)一步導(dǎo)致pH值的下降，從而形成惡性循環(huán)。而根據(jù)YadvikaS等的研究，若pH值>7.8，又會造成NH4+向NH3的轉(zhuǎn)化，對厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)生毒性抑制。可見，pH值過高或過低時，都不利于聯(lián)合厭氧消化的進(jìn)行。
為了保證厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)有足夠濃度的厭氧菌并保持其具有足夠的生物活性，pH值通常應(yīng)維持在7.0～7.5，以提供厭氧菌最佳的生長代謝環(huán)境。
5.1.4 溫度
溫度也是影響污泥和餐廚垃圾混合物料聯(lián)合厭氧消化過程的一個重要因素，一般認(rèn)為較高的溫度有利于促進(jìn)厭氧消化的反應(yīng)進(jìn)程，提高聯(lián)合厭氧消化效率，同時也有利于混合物料中總固體含量和需氧量的去除率。
Oleszkiewicz等以紙類、餐廚垃圾和污泥三者混合的高固體厭氧消化系統(tǒng)為對象進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：相對于35℃的厭氧反應(yīng)溫度，厭氧消化系統(tǒng)在55℃條件下的揮發(fā)性固體降解率和產(chǎn)氣率均較高，并且在此溫度范圍內(nèi)，總固體含量和需氧量的去除率亦隨溫度的提高而提高。
5.2 物料的預(yù)處理
5.2.1 污泥的預(yù)處理
采用污泥預(yù)處理技術(shù)有助于破壞污泥中的顆粒成分，使厭氧菌所需的有機(jī)質(zhì)釋放出來，從而有效加快厭氧消化過程，增加產(chǎn)氣量。污泥預(yù)處理技術(shù)有很多，其中堿處理法和熱處理法工藝簡單，已具備工程應(yīng)用條件，且基建投資、運(yùn)行成本相對較低;超聲波處理法和臭氧氧化法的預(yù)處理效果顯著，但需繼續(xù)進(jìn)行工藝優(yōu)化和配套設(shè)備的開發(fā)工作;與以上四項(xiàng)污泥預(yù)處理方法相比，其他技術(shù)屬于新興技術(shù)，還需要開展進(jìn)一步探討和研究。此外，選擇兩種或兩種以上預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，如熱處理法與堿處理法結(jié)合應(yīng)用，可以達(dá)到更好的污泥預(yù)處理和后續(xù)厭氧消化效果。
5.2.2 餐廚垃圾的預(yù)處理
餐廚垃圾中富含大量油分，油脂降解性差，會對微生物生長代謝產(chǎn)生不利影響，所以應(yīng)進(jìn)行除油處理。分離出去的油脂可通過制肥皂或生物柴油等途徑實(shí)現(xiàn)資源再利用，而剩余固體部分再與污泥聯(lián)合厭氧消化。目前餐廚垃圾除油技術(shù)可歸納為四大類，見表。
同時，餐廚垃圾鹽分含量也很高，同樣會對后續(xù)厭氧消化過程產(chǎn)生不良影響，也應(yīng)在預(yù)處理階段加以去除，可以采用水沖洗的方式，使餐廚垃圾得到稀釋，從而降低含鹽率，也可以研發(fā)專門適用于高鹽分底物的厭氧消化技術(shù)，在這方面，國內(nèi)外已開展了一些工作，如彭緒亞等高鹽分餐廚垃圾濕式單級厭氧消化研究。
此外，餐廚垃圾尺寸較大，品種較雜，應(yīng)先對其進(jìn)行分選、破碎處理，以減小其顆粒粒徑，從而提高可生物降解程度。
5.3 工藝的優(yōu)化
5.3.1 消化液回流
Delia等通過研究和分析認(rèn)為，將消化流出物回流可減少微生物流失，促進(jìn)底物的充分降解，從而提高沼氣產(chǎn)量。在國內(nèi)，王星等以餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化系統(tǒng)為研究對象，探討了消化液回流比與有機(jī)負(fù)荷率對厭氧消化反應(yīng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)抑制作用時，將消化液回流可有助于緩解此抑制作用。但對于污泥和餐廚垃圾的聯(lián)合厭氧消化產(chǎn)沼系統(tǒng)，消化液回流是否會產(chǎn)生影響以及產(chǎn)生何種影響還未見相關(guān)研究報道。
5.3.2 增加中間脫氮除硫環(huán)節(jié)
污泥與餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化產(chǎn)甲烷過程中會產(chǎn)生氨氮、S2-，從而對產(chǎn)甲烷階段有抑制作用。為了解決這一問題，李勇等提出，在厭氧消化過程產(chǎn)酸階段揮發(fā)性有機(jī)酸和氨氮濃度相對較高時可增加中間脫氮除硫環(huán)節(jié)，并通過正交優(yōu)化試驗(yàn)提出了最佳脫氮除硫的工藝條件，而加入此脫氮除硫環(huán)節(jié)后，氨氮去除率為87.6%，不僅能有效減輕氨氮、S2-對厭氧消化過程產(chǎn)甲烷階段的抑制作用，還有利于后期H2S處理的成本控制。
5.3.3 先產(chǎn)氫再產(chǎn)甲烷工藝
在先產(chǎn)氫再產(chǎn)甲烷工藝方面，WangCC等開展了一定的研究，經(jīng)過研究證明，先產(chǎn)氫再產(chǎn)甲烷工藝可提高甲烷化階段H2和CO2的產(chǎn)生比例，使厭氧消化過程產(chǎn)生充足的H2與CO2化合，與不產(chǎn)氫而直接產(chǎn)甲烷的工藝相比，甲烷產(chǎn)量可得到大幅提高。
6、結(jié)語
餐廚垃圾與污泥聯(lián)合厭氧消化產(chǎn)沼技術(shù)可使兩種廢物更好地達(dá)到“減量化、無害化和資源化”目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)廢物處理的雙贏，降低其對生態(tài)環(huán)境發(fā)生污染的風(fēng)險。( >
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