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1引言
根據2008年中國環境狀況公報[1]，目前我國城鎮污水處理率已提高至66%，隨著我國城市污水產生量及其處理率的不斷提高，污水廠的污泥產量呈現不斷上升趨勢，大量污泥的處理與處置已成為污水處理廠面臨的重大挑戰。厭氧消化是一種常用的污泥處理方法，但污泥較低的生物可降解能力導致了污泥的低降解率和低產氣量。2010年全國對地溝油事件異常關注，而廚余垃圾是制作地溝油的重要原材料，廚余垃圾也是城市生活垃圾（MSW）中有機相的主要來源，以淀粉類、食物纖維類、動物脂肪類等有機物質為主要成分，具有高固體含量、高油脂、高鹽分以及易腐發臭、易生物降解等特點[2]。如果將污泥與廚余垃圾進行混合厭氧消化，不僅能夠提高進料的固體含量，有助于促進物料的營養平衡，而且能夠降低污泥中的重金屬離子濃度，提高降解能力。本文從可行性分析和工藝參數兩個方面對國內外城市污水廠污泥與廚余垃圾的混合厭氧消化研究進行了總結。
2城市污水廠污泥和廚余垃圾的厭氧消化技術
2.1污泥的厭氧消化
隨著生物法處理生活污水的廣泛應用，大量污泥由此產生，Appels[3]等認為污泥的處置費用將占污水廠運行費用的50%。厭氧消化在減少污泥體積和質量的同時，還可以以甲烷的形式回收污泥中的部分生物質能，是一種比較好的污泥穩定化和資源化的處理方法。但污泥中的有機物大部分是微生物的細胞物質，被細胞壁所包裹，不利于生物降解，所以將剩余活性污泥單獨進行厭氧消化時，揮發性固體（VS）的去除率和產氣量都很低。水解過程是剩余活性污泥進行厭氧消化的限速步驟，導致了污泥在厭氧消化過程中存在停留時間長、降解效率低等缺點[4]。為此很多學者采取了各種預處理方法以加速厭氧消化限制步驟的速率（即加速有機物的水解過程），目前普遍采用的方法有化學法、生物法和熱處理法等[3]，其中關于熱處理法的研究較多，Tanaka[5，6]等便研究了將熱處理作為污泥厭氧消化的一種預處理方法，以期提高污泥厭氧消化的效率，但這些方法均需提供額外的能量或試劑，增加了處理成本。
2.2廚余垃圾的厭氧消化
目前廚余垃圾的主要處理手段包括焚燒、填埋和生物轉化等。在美國城市生活垃圾中，廚余垃圾的比例約占12.7%，其中大部分以填埋方式處置[7]。而我國廚余垃圾約占城市生活垃圾的37%～62%[8]，目前除了少數城市將其單獨收集并進行資源化處理利用外，其他通常直接用于喂養牲畜或隨其他城市生活垃圾進行填埋處置。廚余垃圾具有較高含水率和生物降解能力，選擇填埋處理不僅會產生臭味，而且易生成大量滲濾液；選擇焚燒處理其高含水率將不利于焚燒裝置而且會造成大量熱量的損失。如果將未經處理的廚余垃圾直接用作飼料，食物鏈的短循環則可能帶來疾病感染風險[9]。
因此，相比于其他轉化技術（如填埋和焚燒），厭氧消化更加適合于廚余垃圾的處理[10]。但若單獨采用廚余垃圾作為厭氧發酵產甲烷的原料也會形成酸抑制，不能實現穩定的產甲烷過程，于是Stabnikova[11]等采用改進的兩相消化系統來處理廚余垃圾，其中一相用作廚余垃圾的水解和酸化，另一相用作實現乙酸化和甲烷化，另外也有很多學者嘗試通過廚余垃圾與其他有機物料進行混合厭氧消化，以期提高廚余垃圾的厭氧消化效率。
3城市污水廠污泥與廚余垃圾混合厭氧消化的可行性分析
如果將污泥與廚余垃圾進行混合厭氧消化，不僅可以稀釋污泥中的有毒成分，促進物料中營養物質的平衡，而且可以獲得更大的單位產氣量。在高溫條件下，還可以提高無害化的穩定性，加快厭氧消化速率[12]。文中主要通過初沉污泥和剩余活性污泥與廚余垃圾混合厭氧消化的研究分析其可行性。
3.1初沉污泥與廚余垃圾的混合厭氧消化
Fu等[13]研究了初沉污泥和廚余垃圾混合中溫厭氧消化效果，進料中初沉污泥和垃圾按VS之比分別為3:1和1:1，水力停留時間（HRT）分別采用10d、13d、16d、20d。在這兩種進料條件下，相應的VS去除率分別為61.8%～66.4%和67.5%～70.4%，產甲烷率分別為0.441～0.447L/gVS和0.47～0.482L/gVS。各反應器系統中均未出現如pH降低、堿度不足、氨抑制和揮發性有機酸（VFAs）積累等現象。3.2剩余活性污泥與廚余垃圾的混合厭氧消化
付勝濤等[14]研究了混合比例和HRT對剩余活性污泥和廚余垃圾混合中溫厭氧消化過程的影響，混合進料按照總固體含量（TS）之比分別采用75%:25%、50%:50%和25%:75%，HRT分別為10d、15d和20d。在3種進料比例及3個HRT的運行條件下，各系統內pH值保持在7.18～7.52，堿度（CaCO3）在3125～4533mg/L之間，沒有發生VFAs積累和氨抑制現象，各系統均處于穩定運行狀態。
3.3污泥與MSW中有機組分的混合厭氧消化
Rintala[12，15，16]等研究了污泥（初沉污泥與剩余活性污泥組成的混合污泥）與MSW中有機組分（其中廚余垃圾所占比例達到65%以上）分別在中溫和高溫環境下進行混合厭氧消化時產甲烷的特性。通過混合厭氧消化，甲烷的產量均得到不同程度的提高，在實際規模的厭氧消化反應器中，甲烷產量能夠達到物料產甲烷潛力的90%，且其產甲烷速率和活性隨著進料方式和進料量的變化而變化。另外，在混合消化過程中也沒有出現丙酸和丁酸抑制乙酸甲烷化的現象，其混合處理的消化池中污泥的甲烷化活性要高于單獨處理的消化池中污泥活性；Sosnowski等[12]設計了5組對照實驗，其中單相反應器兩組（污泥對照組和混合反應組），兩相反應器3組（污泥、有機組分對照組和混合反應組），在各組實驗中其甲烷濃度均高于60%，生物產氣量的變化范圍為0.4～0.6dm3/gVSS，另外，兩相反應器的產甲烷效率明顯高于單相反應器。Cavinato等[16]研究了高溫和中溫環境下，剩余活性污泥和MSW中有機組分混合厭氧消化處理工藝，發現高溫不僅使得生物產氣量增加了50%，而且提高了出水的穩定性，并通過呼吸動力指數（DRI）得到消化后的產物不再需要二級處理（如堆肥）。
已有的針對各種污水廠污泥和廚余垃圾混合厭氧消化的研究結果顯示，污泥中添加廚余垃圾后其C/N值增加，可生物降解性相應提高，從而促進了厭氧消化過程?；旌蠀捬跸粌H可以避免污泥或廚余垃圾單獨厭氧消化時存在的VFAs積累、氨抑制等問題，而且在合適條件下可以提高VS去除率和甲烷產量，實現系統的穩定運行并達到較好的處理效果?，F有的污泥處理設施（如污泥消化池）可直接應用于混合厭氧消化工藝中。由此可見，污水廠污泥和廚余垃圾的混合厭氧消化從技術和設施上均是可行的。
4工藝參數對城市污水廠污泥與廚余垃圾混合厭氧消化的影響
影響城市污水廠污泥與廚余垃圾混合厭氧消化的工藝參數包括溫度、pH值、物料的混合比例、HRT、污泥停留時間（SRT）、VFAs、攪拌強度、金屬離子強度等。目前，國內外關于工藝參數對混合厭氧消化影響的研究報道尚且較少，以下主要討論了溫度、HRT和混合比例等工藝參數對混合厭氧消化效果的影響。
4.1溫度
溫度是影響水解酸化過程的一個重要因素，一般認為較高的溫度有利于提高混合消化的效率。Oleszkiewicz等[17]研究了紙類、廚余垃圾和污泥混合形成的高固體厭氧消化，認為高溫（55℃）工況在VS降解率和產氣率方面均優于中溫（35℃）工況，并得到當TS在30%～35%范圍內時系統運行最佳，TS和需氧量的去除率與停留時間和溫度成比例，另外通過中試還發現當負荷超過9kgTS/m3?d時系統仍可以正常運行。Lee等[18，19]研究了超高溫（70℃）條件下厭氧消化反應器的運行性能，并且采用了兩相厭氧消化系統，其中酸化反應器在超高溫條件下運行，甲烷化反應器分別在中溫（35℃）、高溫（55℃）和超高溫（65℃）條件下運行。當廚余垃圾和剩余污泥的體積添加比為20:80時，酸化發酵反應器的最佳運行工況為：反應器溫度為70℃、HRT為3.1天、SRT為4天。甲烷化反應器的最佳溫度條件為55℃，此時甲烷的平均轉化效率和VS的平均去除率分別為65%和64%，系統能夠維持較低的氨氮濃度和良好的穩定運行。超高溫厭氧消化系統適合處理含有高濃度的蛋白質、脂類和不可生物降解的固態物質。
4.2HRT
付勝濤等[14]研究了混合比例和HRT對混合中溫厭氧消化過程的影響，發現當廚余垃圾的TS所占比例為25%和50%時不同HRT條件下VFAs相差不大，但當其比例提高至75%時，VFAs隨著HRT的提高而提高的，但均未出現酸抑制現象。另外，同一進料比例在不同HRT條件下，氨氮的濃度是隨著HRT的提高而提高的，但單位VS甲烷產率和氣體產率相差并不明顯。
4.3混合比例
混合比例對混合厭氧消化的效率有著重要影響。Beno等[20]研究了污水廠污泥與廚余垃圾和蔬菜垃圾的混合消化，并設計了3組實驗，第一組分別對廚余垃圾和蔬菜垃圾進行單獨厭氧消化，結果發現氣體產量很低，其甲烷含量也只有5%，這可能是由于酸抑制作用；第二組實驗將廚余垃圾、蔬菜垃圾和污泥按照一定比例（分別為48%:26%:26%）進行混合，結果發現氣體產量明顯增多，但其甲烷含量仍然維持較低的水平（只有3%），這可能是因為添加一定量的污泥雖然提高了其余兩種組分的水解效率，但產甲烷菌未能成為優勢菌種，進而導致甲烷含量較低；第三組實驗將廚余垃圾和蔬菜垃圾分別與污泥進行混合（污泥與廚余垃圾和污泥與蔬菜垃圾比例均為77%:23%），此時甲烷含量急劇升高至49%，本組實驗中酸抑制得到了完全解除且產甲烷菌成為了優勢菌種。付勝濤等發現當剩余活性污泥與廚余垃圾進料TS比為50%:50%時，pH值、堿度和氨氮相應地要高于其他2個階段（TS比分別為75%:25%和25%:75%）在同一HRT下的運行結果，具有最大的緩沖能力，穩定性和處理效果都比較理想?？梢钥闯?，不同的HRT和混合比例對混合厭氧消化的影響很大，Beno和付勝濤等的研究結果對城市污水廠污泥和廚余垃圾混合厭氧消化工藝參數的選擇具有一定的指導意義。除溫度、HRT和混合比例外，其他重要的工藝參數目前研究較少，如pH值、攪拌強度等，這些問題的確定還需要進一步的研究。
5展望
我國2009年城鎮污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術政策[21]鼓勵城鎮污水處理廠采用污泥厭氧消化工藝，產生的沼氣可綜合利用，但厭氧消化后污泥在園林綠化、農業利用前，應按要求進行無害化處理。2010年6月，由國家環境保護部等部門聯合擬定了《關于加強生活垃圾處理和污染綜合治理工作的意見（征求意見稿）》[22]，其中明確指出需要加強餐廚垃圾管理。要求到2015年年底前，全國36個大城市實現餐飲行業餐廚垃圾集中收集和處理，各城市應制定規劃，合理布局，建設餐廚垃圾集中處理設施。因此，通過厭氧消化處理污水廠污泥和廚余垃圾對于該類有機廢物的減量化和資源化有著重要意義。但各自進行單獨厭氧消化處理又存在一定的弊端，若將兩者進行混合厭氧消化，直接利用現有的污泥處理設施（如污泥消化池），有望增加厭氧消化工藝的穩定性，提高甲烷產量和甲烷效率。兩種有機廢物混合厭氧消化的優越性已經得到相關研究的證實。目前，國內外關于城市污水廠污泥和廚余垃圾的混合厭氧消化研究報道尚且不多，已有的研究則集中于污泥與MSW中有機組分的混合消化以及溫度、混合比例、HRT等工藝參數對混合厭氧消化的影響。除此之外，污泥和廚余垃圾混合厭氧消化中尚存很多問題值得進一步探討，如混合厭氧消化存在哪些不足、如何確定最佳工況條件下各工藝參數（如溫度、混合比例、pH值、攪拌強度等）、污泥消化池的設計是否需要調整等等。
參考文獻：略
