一种餐厨垃圾与剩余污泥混合消化产甲烷的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种餐厨垃圾与剩余污泥混合消化产甲烷的方法，属于固体废弃物处 理控制、环保净化处理技术领域。
【背景技术】
[0002] 餐厨垃圾，俗称泔脚，是市政垃圾的主要组成成分之一，主要来源于餐饮和家庭生 活产生的食品废弃物。随着社会经济的快速发展，产生的数量日益增加，2012年高达12亿 吨。餐厨垃圾的主要成分以淀粉类、食物纤维类、动物脂肪类等有机物质为主，还含有无机 盐和各种金属元素。餐厨垃圾的成分复杂，具有含水率高、有机物含量高、易腐烂滋生病原 菌、难收集运输等特点。因此餐厨垃圾的妥善处理迫在眉睫。
[0003] 污泥处理一直是我国污水处理的难题之一，有关研宄表明虽然我国城市生活污水 处理率仅为77 %，但是每年污泥产生量达到3. OxKft (以含水率为80 %计），而且每年以 10%速度增长。大量的污泥需要妥善处理后才能进一步利用，但由于污泥处理费用通常占 污水处理厂运行费用的30%~50%，多数污水处理厂较难承担此项费用，同时污水处理过 程中排放的污泥含水率高（可高达99%以上）、易腐烂、有恶臭，同时含有大量的细菌、病 毒、寄生虫及重金属等有毒有害物质，易对环境造成二次污染等问题，因此我国城市污泥引 起的二次污染已成为严重的环境问题之一。
[0004] 混合厌氧发酵是指将两种或两种以上的底物共同厌氧消化产生沼气，能够稀释底 物单独发酵潜在的有毒化合物，提高可生物降解物质负荷，提升微生物的营养平衡，产生协 同效应，最终提高沼气产量。剩余污泥单独进行厌氧消化时，挥发性固体（VS)去除率和产 气量都很低，这主要是因为剩余活性污泥的细胞壁不容易破坏，蛋白质含量较高会造成氨 氮积累，水解过程是剩余活性污泥进行厌氧消化的限速步骤。而餐厨垃圾含有大量的营养 物质，是厌氧发酵制取甲烷的理想底物，但由于餐厨垃圾有机质含量高，单独厌氧消化过程 中容易发生酸抑制等现象，使得反应过程进行缓慢，甚至会导致运行的失败。
【发明内容】
[0005] 本发明所解决的问题是提供一种餐厨垃圾与剩余污泥混合消化产甲烷的方法，将 餐厨垃圾和剩余污泥混合作为混合底物，再接产甲烷污泥（即接种污泥），在厌氧环境中混 合消化产沼气。本发明集节能减排、可再生资源利用与污染治理于一体，具有重要的环境效 益与广阔的应用前景。
[0006] 所述产甲烷污泥是含有能够利用污泥中的物质转化生产甲烷的微生物的污泥。
[0007] 所述方法优选在35°C条件下，采用序批式厌氧发酵产沼气。
[0008] 所述餐厨垃圾、剩余污泥混合时控制VS (挥发性固体）含量比例为1:1。
[0009] 所述产甲烷污泥与底物混合时，底物与产甲烷污泥的VS比为1:1。
[0010] 在本发明的一种实施方式中，所述餐厨垃圾搅碎至直径为5~10_。
[0011] 在本发明的一种实施方式中，所述剩余污泥取自污水处理厂经过脱水后的污泥。
[0012] 餐厨垃圾单独进行厌氧消化时，有机质易在酸化过程中大量转化为VFAs(挥发性 脂肪酸）而导致PH急速降低，抑制甚至终止后续产甲烷过程；而剩余污泥进行单独厌氧消 化时，其可生物降解物质较难溶出且有毒成分含量较高，导致产沼气效率低下。
[0013] 将餐厨垃圾和剩余污泥混合消化，既可稀释污泥中的有毒成分，又能促进物料中 营养物质的平衡，从而提高消化效率。本发明将餐厨垃圾搅碎后与污水处理厂的剩余污泥 以一定比例混合接种产甲烷污泥，这种混合消化不是单独消化的简单叠加，而是产生了协 同作用，提高了消化效果；相比餐厨垃圾或剩余污泥单独消化，混合消化时，产甲烷菌群的 量得到提高，成为优势菌群；甲烷产量，相比餐厨垃圾与剩余污泥单独厌氧消化甲烷产量之 和的计算值（1989. 39mL)，提高了 17.4%。本发明的工艺简单，易控制，无需外加营养物质， 提高了有机质生物质能的回收，增加厌氧发酵的经济效益，且无二次污染。
【附图说明】
[0014] 图1产甲烷潜力测试仪
[0015] 图2有机质厌氧消化产沼气的代谢过程
[0016] 图3厌氧消化过程中累积甲烷量的变化
[0017] 图4厌氧消化过程中氨氮浓度的变化
[0018] 图5厌氧消化过程中碳水化合物（a)、蛋白质（b)的变化
[0019] 图6厌氧消化过程中淀粉酶（a)、蛋白酶（b)活性变化
【具体实施方式】
[0020] 实验装置采用产沼气潜力仪（AMPTS)(图1)，反应温度为35°C，气体体积由AMPTS v5.0软件统计。产甲烷过程中，对沼气中甲烷含量，发酵液中氨氮、蛋白酶、淀粉酶、蛋白质、 碳水化合物等指标均采用国家标准方法分析（表1)。
[0021 ] 表1分析项目及方法
[0024] 实施例1混合厌氧消化
[0025] 在如图1所示的反应器中，接种餐厨垃圾、剩余污泥作为底物，并接种污泥，作为 混合消化组。仅以餐厨垃圾或剩余污泥作为底物的，分别作为餐厨垃圾组、剩余污泥组。每 天取样进行指标分析。
[0026] I、产甲烷情况
[0027] 在整个运行期间，混合消化组除了能缩短餐厨垃圾单独厌氧消化的产甲烷时间， 还能够提高产甲烷效率，其总甲烷产量为2333. 94mL，比餐厨垃圾与剩余污泥单独厌氧消化 计算值 1989. 39mL，提高了 17. 4%。
[0028] 餐厨垃圾与剩余污泥混合消化过程中累积甲烷量变化如图3。由图3可知，前7天 餐厨垃圾组的累积甲烷量最大，其第1天的产甲烷量为457. 5mL，分别比剩余污泥和混合消 化组大332. 06mL和117. 58mL。而混合消化组在7~15天，累积甲烷量明显大于其他两组， 在第8天最大值为279. 3mL。同时在7~15天这个时间段，明显可以看出餐厨垃圾组的累积 甲烷量几乎保持不变，产甲烷过程处于延滞期。餐厨垃圾组在20~32天高于其他两组。剩 余污泥组在整个厌氧反应过程中产气量一直低于其他两组，累积产甲烷量仅为1122. 38mL， 餐厨垃圾组的产甲烷量最高，为2852. 4mL，比混合消化组累积甲烷量高22. 21%。
[0029] 按照混合底物的混合比例计算出的甲烷产量为甲烷产量计算值，即0.5X餐厨垃 圾实际测量值+〇. 5X剩余污泥实际测量值=混合消化组的计算值，可知混合消化组的计 算值为1987. 39mL。混合消化组实际测量甲烷产量比计算值提高了 17. 44%，这一结果表 明，餐厨垃圾和剩余污泥混合消化不仅仅是简单的厌氧消化相叠加，而是有相互促进的效 果，使营养物质更加平衡，存在协同作用，这主要是一方面剩余污泥有较强的缓冲能力，既 可以维持适宜的pH值，也可以缓解剩余污泥单独厌氧消化由于氨氮积累而产生的抑制作 用；另一方面混合物中的营养元素比例更加均衡，提高了有机负荷，促进产气量的增加，从 而提高了厌氧消化效率。
[0030] 2、氨氮、蛋白质、碳水化合物、胞外蛋白酶、淀粉酶的变化情况
[0031] 混合消化系统中，氨氮浓度维持在较佳范围内，最大值953. 5mg/L，未出现氨氮抑 制现象；蛋白质、碳水化合物浓度均维持在较合适的范围内，在第2天均达到最大值；胞外 蛋白酶、淀粉酶活性能够反映不同组别的生物降解活性。
[0032] 氨氮是由底物中作为氮源的物质转化而来，主要是蛋白质或者氨基酸分解产生 的。微生物的生长和再生需要基质提供的氨来形成细胞原生质，然而如果氨氮含量过高，将 导致系统PH值的急剧下降，抑制甲烷化过程。氨氮主要是含氮有机物例如蛋白质或氨基酸 分解产生，它以NH 4+和NH 3这2种形式存在，都有抑制性，但是浓度明显不同，厌氧工艺中主 要以离子形式存在。从图4可以看出氨氮的含量均未超过1700mg吨'处于安全范围内，尚 未出现氨抑制现象。由图4可知，随着原料中蛋白质组分的分解，氨氮浓度开始升高增加， 由于产甲烷菌的大量生长繁殖消耗氨氮作为氮源，氨氮浓度缓慢增加；当产甲烷菌体生长 到稳定期以后，对氮源需求减少，而此时原料的水解仍在进行，因此氨氮的浓度继续升高。 餐厨垃圾单独消化由于其碳含量较高，反应过程中含有的氨氮浓度最低，为491mg/L ;而剩 余污泥由于其C/N比餐厨垃圾低，N含量较高，而且因为自身含有较高的蛋白质，故在整个 反应期剩余污泥的氨氮量最高，最大值达到1292mg/L，混合消化组的氨氮浓度介于两者之 间，最大值是953. 8mg/L，可见餐厨垃圾的加入对剩余污泥起到了稀释氨氮的作用，使厌氧 消化效率提高。
[0033] 污泥和餐厨垃圾主要有机成分为蛋白质和碳水化合物。在胞外水解酶催化作用 下，有机质不断被水解：蛋白质水解生成多肽、二肽、氨基酸，氨基酸进一步通过脱氨作用水 解成低分子有机酸、氨及二氧化碳；碳水化合物水解为小分子的多糖甚至单糖。碳水化合物 浓度的变化趋势如图5a，在前8天餐厨垃圾组