随着我国“垃圾分类”政策的实施和“无废城市”建设的推进，餐厨垃圾的收集、处置和管理已成为城市有机固废处理的重要部分[1-3]。目前我国城市餐厨垃圾的年产量约6 000万t，占城市生活垃圾总量的37%～57%[4]。餐厨垃圾具有含水率高，有机质含量高，易腐败和可生化性好等特点，采用厌氧消化技术不仅能处理餐厨垃圾，而且可产生沼气能源，实现餐厨垃圾的能源化处置[5]。但是高易腐有机质的特性[6]，使得餐厨垃圾在单独厌氧消化时水解酸化速率过快，往往出现酸化抑制的现象，影响产沼气效果[7]。研究发现协同厌氧消化技术可以调节底物碳氮比，平衡消化底物营养成分，稳定厌氧消化过程,缓解酸化抑制等问题，从而提高产气能力[8-9]。此外，在城市有机固废中，污水处理厂产生的剩余污泥的量越来越大，我国城市的湿污泥产生量约6 000万t，剩余污泥的处置问题是一项艰巨的任务[10]。剩余污泥中含有大量的有机质和N、P、K等营养元素，具有良好的厌氧发酵特性，但由于污泥自身碳氮比不平衡，细胞破壁难，胞内物质释放慢等限制，使得剩余污泥在单独发酵时存在水解速率慢，发酵反应时间长和产气率低等问题[11]。
研究表明餐厨垃圾和剩余污泥的协同共消化能使底物营养均衡，更适合微生物的生长，解决单独发酵时存在的问题，从而提高产沼气效率，同时解决餐厨垃圾和剩余污泥的资源化处置难题。LIU等[12]报道餐厨垃圾与剩余污泥比例为30%时，沼气产率达到254.4 mL/g VS，这是因为发酵底物组成得到了优化，提高了整体的发酵性能。LI等[13]发现餐厨垃圾和剩余污泥连续混合处理时，甲烷产率为407 mL/g VS，混合底物的水解速率大大提高，发酵过程中的碱度、挥发性脂肪酸(volatile fatty acids，VFA)和氨氮等更加稳定。王洋涛等[14]通过模型拟合表明餐厨垃圾和剩余污泥的最佳质量比为4∶6，总固体(total solids，TS)质量分数6%，接种量质量分数55%，产气性能得到了提高。由于餐厨垃圾和剩余污泥的来源、性质受到地区和季节等的影响，而且发酵运行方式不同，使得报道的研究结果有较大的差异，因此对餐厨垃圾和剩余污泥协同厌氧处置的最佳模式，包括混合比例，反应负荷，反应过程调控和酶活力变化等仍然需要进一步的深入研究。
本文在前期摇瓶实验的基础上[15]，对餐厨垃圾和剩余污泥进行连续式协同厌氧消化处理，研究了不同处理负荷情况下，反应过程中的沼气量、VFA、化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)、氨氮和酶活力等参数情况，同时分析了产气稳定周期内的动力学模型。该研究可为餐厨垃圾和剩余污泥协同厌氧消化的连续运行模式提供借鉴。
1 材料与方法
1.1 实验材料
餐厨垃圾取自江南大学食堂，将塑料、筷子和瓶盖等不可生化的杂物去除后，用食品粉碎机破碎到粒径为5 mm，放入冰箱保存待用。剩余污泥取自无锡某污水处理厂。接种污泥取自苏州某公司的污水处理系统，为厌氧絮状污泥，使用前进行活化。底物和接种物的性质见文献[15]。
1.2 实验装置
反应装置为CSTR厌氧反应器，总体积为5 L，有效容积为4 L。反应器顶部设进料口，罐壁有出料口，反应器上设导气管和搅拌口，利用水浴锅加热保温，反应温度为(37±2) ℃。反应器中的物料通过电动机械搅拌混合。
1.3 实验设计
根据前期研究结果，混合底物中餐厨垃圾和剩余污泥的比例设为1∶1[挥发性固体(volatile solid,VS)质量比]，混合底物与接种物的VS质量比为1∶1[15]。CSTR反应器运行启动阶段，添加接种污泥，同时加入底物和少量葡萄糖到反应器中，稳定一段时间后开始进料。加入混合底物的初始负荷为2.5 g VS/(L·d)，此后提高到5.0、7.5、10 g VS/(L·d) (表1)，每天进出料，对各项指标进行检测分析。
表1 实验不同反应阶段的工况
Table 1 Operation condition in each experimental stage
时间/d有机负荷/[g VS·(L·d)-1]停留时间/d进料时间间隔/d餐厨垃圾量/g剩余污泥量/g1～262.5±0.340118.866.67527～585.0±0.333137.6133.3559～927.5±0.325156.4200.0393～12810.0±0.315175.2266.70
1.4 分析方法
TS、VS测定采用重量法[16]；VFA采用高效液相色谱法测定：紫外检测器波长210 nm，ZORBAX SB-A色谱柱(150 m×4.6 mm,5 μm)，柱温35 ℃，流动相是0.5%乙腈和99.5%的KH2PO4(0.02 mol/L)[17]；COD测定方法是重铬酸钾法[16]；氨氮采用水杨酸-次氯酸盐光度法[16]；沼气采用排水法测定，甲烷含量采用气相色谱法测定[17]；脱氢酶酶活力采用氯化三苯基四氮唑(2-3-5-triphenyltetrazolium chloride, TTC)比色法，脱氢酶催化底物使其还原反应后生成TTCH2-trifenyl-formazane(TF)红色产物，根据TF颜色变化测出对应的吸光度，计算脱氢酶活力[18]；蛋白酶活力采用KARDOS等[19]分析方法；淀粉酶采用ZHANG等[20]分析方法。
2 结果与讨论
2.1 CSTR反应器中pH及VFA变化情况
图1为不同反应负荷下pH和VFA的变化情况。由图1可知，当有机负荷为2.5 g VS/(L·d)时，厌氧发酵体系中的含氮物质降解形成NH4HCO3等物质[21]，缓冲发酵液中的酸性物质，使pH一直保持在7.41～7.56，系统相对稳定。但由于初始有机负荷较低，微生物降解混合底物产生的有机酸较少，产甲烷效率相对较低。有机负荷逐渐提高到5.0和7.5 g VS/(L·d)时，水解酸化速率与产甲烷速率达到平衡，产甲烷菌能及时降解有机酸生成沼气，pH维持在7.0～7.4，厌氧发酵状态稳定。但有机负荷提高到10 g VS/(L·d)时，由于体系中有大量的底物，产酸微生物代谢生成大量有机酸，产甲烷菌无法及时利用，使得有机酸积累，pH值呈下降趋势，影响反应器的正常运行，此时如果继续增大反应器的有机负荷，反应器处理有机物的效率将会下降。
图1 厌氧反应器运行过程pH和VFA变化情况
Fig.1 Variation of pH and VFA during the anaerobic reactor operation process
VFA是厌氧消化过程中微生物菌群降解底物产生的重要中间产物，产甲烷菌能将VFA降解转化成甲烷，但当反应器VFA累积量超过甲烷菌转化能力时，pH值下降，会产生抑制效应[22]。在有机负荷为2.5 g VS/(L·d)时，水解酸化占主导作用，VFA出现积累现象，其质量浓度从578 mg/L上升到10 11.5 mg/L，随着厌氧反应进入产甲烷阶段，VFA 的生成与降解速率达到平衡，12 d后趋于稳定，维持在750 mg/L左右。当有机负荷为5.0 g VS/(L·d)时，VFA先下降后上升，在41 d达到最大值。当有机负荷为7.5 g VS/(L·d)时，系统中VFA持续下降，产甲烷菌活性较强，利用有机酸的效率较高。当有机负荷为10 g VS/(L·d)时，从第110天开始，由于反应器的崩溃以及大量产甲烷菌随出料排出，产甲烷效率下降，酸化菌利用有机物生成的有机酸因不能及时被降解而呈上升趋势。这与葛亚娟等[23]在餐厨垃圾和秸秆混合处理时的情况类似，达到高负荷时出现了有机酸的积累现象。
2.2 CSTR反应器中COD及氨氮变化情况
由图2可知，当CSTR运行的有机负荷为2.5 g VS/(L·d)时，混合底物被大量降解，但是VFA和甲烷的产量较低，COD基本维持在8 000 mg/L。但随着反应的进行，从第14天到26天微生物降解有机物的能力逐渐增强，体系中COD质量浓度下降到5 280 mg/L；当提高有机负荷到5.0 g VS/(L·d)时，COD质量浓度呈迅速上升趋势，上升6 d后逐渐稳定。COD从反应的第49天开始下降，第56天下降到最低值后又上升。这是因为反应器中油脂较多，形成了一层厚厚的油层，气体无法及时排出，导致污泥上浮，堵住排气孔，采用人工刮除的方法进行处理，部分厌氧污泥被同时排出。实验添加少量接种物来补充流失的污泥，经过5 d的运行后呈现稳定状态。而有机负荷为7.5 g VS/(L·d)时，从第59天到82天处于相对稳定状态，此后呈现下降趋势。当有机负荷为10 g VS/(L·d)时，微生物无法耐受高负荷，有机酸的利用下降，COD快速上升到13 640 mg/L，同时厌氧反应器中污泥开始膨胀，出现上浮现象，产生大量白色泡沫。随着每天混合底物的加入，污泥膨胀速度加快，上层污泥的厚度达到10 cm左右，导致排气孔堵塞，故加大搅拌速率，同时暂停投加混合底物2 d，等反应器稳定后将转速调回。从第102到107天，第110到113天，COD质量浓度在5 500和6 400 mg/L范围内，但均出现上述状况，采取人工排除上浮污泥，停止投加底物3 d，从第117天开始采取隔天投加方式，COD质量浓度维持在3 600 mg/L，但产气量和甲烷量大幅降低，污泥仍然出现上浮。
图2 厌氧反应器运行过程中COD和氨氮变化情况
Fig.2 Variation of COD and ammonia nitrogen during the anaerobic reactor operation process
从图2可知，当有机负荷为2.5和5.0 g VS/(L·d)时，氨氮质量浓度一直保持在1 224～1 857 mg/L，这与朱英东等[24]报道的餐厨垃圾和剩余污泥混合处理过程的氨氮含量相一致。但随着发酵的进行，厌氧微生物活性逐渐提高，需要更多的氨氮来供微生物利用，从有机负荷7.5 g VS/(L·d)开始，氨氮质量浓度呈下降趋势，这可能是混合底物中餐厨垃圾本身碳氮比较高，餐厨垃圾的蛋白质含量比剩余污泥低，并且含有大量易降解物质，使得发酵微生物能够保持较高的活性，氨氮被微生物利用。但在反应负荷为10 g VS/(L·d)时，由于厌氧污泥的流失，对含氮有机物的降解能力降低，氨氮质量浓度大幅下降。
2.3 CSTR反应体系中酶活力变化情况
蛋白酶和淀粉酶酶活力对反应器中蛋白质与碳水化合物的降解情况可起到指示作用[25]。由图3可知，蛋白酶酶活力在有机负荷力2.5 g VS/(L·d)时呈上升趋势，维持较高的酶活力。而有机负荷为7.5和10 g VS/(L·d)时，蛋白酶酶活力呈快速下降趋势。当投加进料为2.5 g VS/(L·d)时，淀粉酶酶活力迅速增加，由初始的0.78 mg/(mL·min)提高到2.13 mg/(mL·min)，这主要是由于混合底物中含有大量的淀粉，淀粉的降解促进了酶活力的提高。
图3 不同有机负荷条件下蛋白酶、淀粉酶和 脱氢酶变化情况
Fig.3 Change of protease,amylase and dehydrogenase activities under different organic loading rate
脱氢酶是一类催化物质氧化还原反应的酶，其酶活力可以反映体系中微生物的活性变化[18]。脱氢酶在有机负荷为2.5 g VS/(L·d)时变化较明显，前4 d呈上升趋势，最大值为453.8 TF μg/(mL·h)；随着反应的进行，微生物浓度的增加，大量有机物被降解，脱氢酶酶活力逐渐降低。有机负荷提高到5.0 g VS/(L·d)时，脱氢酶酶活力又开始上升，维持在435 TF μg/(mL·h)左右。当有机负荷为7.5 g VS/(L·d)时，由于蛋白质和碳水化合物被大量降解，反应器中剩余有机物质量浓度较低，脱氢酶酶活力呈现下降趋势，为346.95 TF μg/(mL·h)左右。当有机负荷为10 g VS/(L·d)时，体系中有大量的蛋白质和碳水化合物未被降解，微生物为了适应底物变化产生更多的脱氢酶，这与前期的研究结果相一致[26]。
2.4 不同反应负荷下产沼气性能比较
由图4可知，在CSTR启动阶段，水解产酸占主导优势，每日产沼气量较低。
图4 厌氧反应器运行过程中沼气和甲烷变化情况
Fig.4 Variation of biogas and methane during the anaerobic reactor operation process
发酵的第1天，总沼气量仅为730 mL，甲烷量为183.96 mL。随着新鲜混合底物的添加，沼气量和甲烷产量逐渐上升，从第10天后沼气量和甲烷量趋于稳定，每天的产气量分别为6 400和3 168 mL左右，这是由于每天向反应器中投加餐厨垃圾和剩余污泥，提高了反应器里营养元素含量，厌氧微生物快速生长。提高有机负荷到5.0 g VS/(L·d)时，反应系统的稳定性较好，沼气和甲烷日产量迅速提高，分别为13 800和6 458 mL/d 左右。当有机负荷为7.5 g VS/(L·d)时，沼气量和甲烷量分别是18 000和9 200 mL/d左右，比前2个负荷有明显的提高。随着有机负荷的继续提升，前4 d沼气量和甲烷产量提高，但此后产气量开始波动，在第7天反应器产生大量泡沫，造成出气口堵塞，故停止进料2 d，第9天恢复正常，但此时产气量明显低于开始阶段，后期间隙性出现上述状况，沼气量和甲烷量越来越低。沼气产量随着有机负荷的升高反而下降的原因是有机负荷越高，每日进出料的量就越大，污泥停留时间逐渐缩短，产甲烷菌随着出料被大量排出反应器。
CSTR反应器一共运行了128 d，当有机负荷分别为2.5、5.0、7.5和10 g VS/(L·d)时，沼气量分别是71 670、311 180、361 840和362 610 mL，其中甲烷的平均体积分数分别是48.79%、49.90%、54.01%和33.06%。数据表明在有机负荷为7.5 g VS/(L·d)时，甲烷的体积分数和总产量都最高，而有机负荷为10 g VS/(L·d)时，甲烷的体积分数和总产量下降的原因可能是反应器出现崩溃，大量产甲烷菌被排出，从而使协同厌氧反应中产甲烷菌受到了抑制。
2.5 不同反应负荷产气稳定运行周期内甲烷产量拟合动力学
图5为CSTR反应过程中，不同有机负荷产甲烷稳定期一个周期内的甲烷累积情况。由图5可知，每个发酵周期开始后，甲烷产量逐渐累积，经过24 h或者48 h的反应，4个负荷条件下的甲烷产率分别达到334.5、332.1、344.8和221.4 mL/g VS。图5-a是有机负荷为2.5 g VS/(L·d)，反应时间为24 h，此时累积甲烷量呈线性增长，方程为：
Y1=14.318x1-15.157 (R2=0.997 6)
(1)
式中：Y1，在时间x1(0<x<24)时的甲烷累积量，mL/g VS。
图5-b为有机负荷5.0 g VS/(L·d)，反应时间为24 h，累积甲烷量呈线性增长，方程为：
Y2=14.159x2-13.482 (R2=0.997 8)
(2)
式中：Y2,在时间x2(0<x<24)时的甲烷累积量,mL/g VS。
图5-c为有机负荷7.5 g VS/(L·d)，反应时间为24 h，累积甲烷量呈线性增长，方程为：
Y3=14.634x3-4.988 (R2=0.999 6)
(3)
式中：Y3，在时间x3(0<x<24)时的甲烷累积量，mL/g VS。
图5-d为有机负荷10 g VS/(L·d)，反应时间为48 h，此时累积甲烷量可以分成2个阶段，第1阶段是前24 h，方程为：
Y4=6.41x4-6.787 (R2=0.997 6)
(4)
式中：Y4，在时间x4(0<x<24)时的甲烷累积量，mL/g VS。
第2阶段为第24～48 h，甲烷累积量为：
Y5=305×[1-e(-0.028x5)] (R2=0.983 5)
(5)
式中：Y5，在时间x5(24<x<48)时甲烷积累量，mL/g VS。根据方程式，在第 24小时，甲烷产量是149.8 mL/g VS，占总甲烷量的67.66%，这说明甲烷大部分在第1天产生，但对于高负荷厌氧发酵，2 d的进料时间间隔优于1 d。
由公式(1)、(2)、(3)和(4)可知，有机负荷在2.5、5.0、7.5和10 g VS/(L·d)前24 h的甲烷产量符合零级反应模型，此时的VFA一直处于积累状态，但由于反应器含有较高的氨氮和碱度，可维持反应器稳定性，缓解VFA的影响。根据公式1、2、3和4，有机负荷为2.5、5.0、7.5和10 g VS/(L·d) 时，CSTR反应器积累产甲烷量可以表示为：
CH4(x1)=Y1×2.5=35.795x1-37.892 5
(6)
dCH4(x1)/dx1=35.795
(7)
式中：CH4(x1)，甲烷在时间x1下的累积量，mL/g VS；dCH4(x1)/dx1，24 h内厌氧反应器的甲烷生成率,mL/(L·h)。
CH4(x2)=Y2×5=70.795x1-67.41
(8)
dCH4(x1)/dx1=70.795
(9)
式中：CH4(x2)，甲烷在时间x2下的累积量，mL/g VS；dCH4(x2)/dx2,24 h内厌氧反应器的甲烷生成率,mL/(L·h)。
CH4(x3)=Y3×7.5=109.755x3-37.41
(10)
dCH4(x3)/dx3=109.755
(11)
式中：CH4(x3)，甲烷在时间x3下的累积量，mL/g VS；dCH4(x3)/dx3,24 h内厌氧反应器的甲烷生成率,mL/(L·h)。
CH4(x4)=Y4×10=64.1x4-67.87
(12)
dCH4(x4)/dx4=64.1
(13)
式中：CH4(x4)，甲烷在时间x4下的累积量，mL/g VS；dCH4(x4)/dx4，24 h内厌氧反应器的甲烷生成率,mL/(L·h)。
VEEKEN等[27]研究表明VFA没有累积时可以用产甲烷速率代表水解速率。在反应的第 24～48小时内，厌氧反应器没有出现VFA累积现象，甲烷产量符合一级动力学(式5)，甲烷产量可表示为：
CH4(x5)=Y5×10=3 050×[1-e(-0.028x5)]
(14)
dCH4(x5)/dx5=85.4×[e(-0.028x5)]
(15)
式中：CH4(x5)，甲烷在时间x5下的累积量，mL/g VS；dCH4(x5)/dx5，24～48 h内厌氧反应器的甲烷生成率,mL/(L·h)。
由式(14)可知，产甲烷速率在第24～48小时内呈下降趋势，在48 h已经下降到53 mL/(L·h)，可知厌氧反应器里的大部分有机物已经降解，可以进行下一批次进料，姜立等[28]研究表明采用合适的底物浓度，可以有效提高产气效率。由图5中10 g VS/(L·d)负荷下2个表达式的R2均大于0.98可知，实际的产甲烷曲线可以采用一级动力学拟合。
a-2.5 g VS/(L·d);b-5.0 g VS/(L·d);c-7.5 g VS/(L·d);d-10 g VS/(L·d)
图5 产气稳定一个周期内甲烷累积情况
Fig.5 Cumulative methane production in a stable cycle
3 结论
在餐厨垃圾和剩余污泥混合质量比为1∶1条件下，采用CSTR反应器进行连续式厌氧协同处理，运行时间为128 d。结果表明，随着有机负荷的提高，沼气产量呈现上升的趋势，在不同有机负荷下各个反应参数有较大的差异，在各个有机负荷稳定运行的前24 h内甲烷产量符合零级反应动力学，CSTR反应器在有机负荷为7.5 g VS/(L·d)时系统稳定性最好。针对混合底物厌氧处理的协同效应分析，混合发酵过程中微生物菌群的变化等需要在后续的研究中进行深入分析。
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