廚余垃圾是指在家庭日常生活中產生的食物下腳料、舍棄的瓜果蔬菜及剩飯菜。僅在中國，2020年廚余垃圾的產量就達到約1.2×108t，占生活垃圾總量的約70%。廚余垃圾水分和有機質含量高，容易腐敗變臭，滋生蚊蠅，傳播疾病。同時，廚余垃圾也是進行厭氧發酵的良好基質，能夠產生生物甲烷等清潔的可再生能源。廚余垃圾作為單一厭氧發酵原料，由于其碳氮比(C/N)較高，容易導致發酵系統酸化和產氣效率低下。因此，越來越多的學者將研究集中在混合發酵方面，即通過2種或多種底物共同發酵，以克服單一消化的缺點并提高經濟可行性，而選取合適的混合發酵底物是保證產甲烷效率的重要前提。
目前，有關廚余垃圾厭氧混合發酵的研究，大多采用動物糞便、市政污泥以及秸稈等木質纖維素類有機廢物作為混合發酵底物，均產生了一定的協同作用，但也不同程度存在系統酸化造成的產氣效率不高等問題。基于已有的研究成果，對共發酵有機質作進一步拓展探索，對于解決當前存在的問題以更好地實現有機廢物的資源化、減量化具有重要意義。
黑水由糞便、尿液以及沖廁水組成，是家庭生活產生的主要有機廢物流。據報道，1個成年人每年平均產生約800kg糞尿。直至2020年，我國依舊有70%以上的糞便污水(大多集中在農村地區)沒有經過及時處理就排入自然界，對水體造成嚴重污染。黑水中含有多種腸道致病菌和寄生蟲卵，是某些疾病的重要傳播源，同時，因其中含有多種有機質和氮、磷、鉀等元素，也被視為一種可資源化利用的廢物。通過厭氧發酵的方式處理黑水，是回收黑水中生物質能的重要途徑。然而，黑水單獨厭氧發酵易受到尿液中高氨氮抑制的影響，從而導致生化甲烷潛力降低。因此，將高C/N、高含固率的廚余垃圾與低C/N、低含固率的黑水進行混合發酵，有利于調節C/N和含固率，同時補充厭氧發酵所需的微量元素，緩解廚余垃圾厭氧發酵易酸化和黑水厭氧發酵易出現氨抑制的問題，改善厭氧發酵產氣效果。
由于廚余垃圾及黑水的特異性差異，目前有關2種有機廢物混合發酵的研究相對較少，主要集中于對低固體(總固體含量<10%)含量下混合配比以及不同發酵條件影響的探索，且已證明2者的協同發酵作用。但缺乏高固體(總固體含量≥10%)條件下黑水與廚余垃圾協同發酵產甲烷的研究，同時黑水的高氨氮特性可能對高固體發酵系統產生的正向調控或反向抑制作用相關的理論研究也相對較少。
因此，基于高固體厭氧發酵沼液產量低、能耗少和單位容積產氣效率高等優點，本研究在已有低固體混合發酵研究的基礎之上，開展了高固體條件下黑水添加對于廚余垃圾厭氧發酵影響作用的探究實驗，并對高負荷條件下可能出現的系統失穩的可調控性進行了探索，以期為廚余垃圾與黑水混合發酵的實際應用提供理論支撐，為2種家庭主要高濃度有機廢物的資源化處理提供方法借鑒。
1、材料與方法
1.1 底物和接種物
本研究中使用的廚余垃圾取自從北京科技大學食堂，由約60%已加工的剩飯菜和約40%未加工的余料組成，主要成分是米飯、面食、水果、蔬菜和肉類。將骨頭和塑料等雜質從收集的廚余垃圾中剔除，然后用破碎機將廚余垃圾粉碎成平均尺寸為1~2mm的顆粒，并在4℃的冰箱中儲存。黑水取自北京科技大學附近工地的簡易廁所，用50目的篩子過濾掉豆類和大塊衛生紙，避免實驗過程中出現堵塞，并在使用前4℃儲存。厭氧發酵所用的接種物為厭氧污泥，取自北京市高碑店污水處理廠的高固體厭氧發酵中試實驗裝置。厭氧污泥使用前在室溫下厭氧消化7d，以降低其中未完全發酵的有機物的影響，并通過添加少量葡萄糖檢測厭氧發酵微生物的活性。廚余垃圾、黑水和接種物的主要特性見表1。
1.2 實驗裝置
本實驗采用批次實驗裝置，由發酵瓶、集氣袋和水浴鍋3個主要單元組成。其中，發酵瓶為容積500mL的血清瓶，有效容積為300mL，瓶蓋設有雙孔，一孔由橡膠管連接至集氣袋，另一孔作為取樣口；集氣袋容積為1L，為雙閥門式，分別作為進氣和出氣孔。水浴鍋為數顯型水浴鍋，有效容積21.6L，加熱功率1800W，實驗溫度控制在(37±1)℃。實驗裝置示意圖如圖1所示。
1.3 實驗方案
1)黑水添加比例對于混合發酵的影響。設置4組實驗，KW∶BW的TS比依次為1∶0、10∶1、5∶1和3∶1，探究高固體條件下黑水添加比例對混合發酵的影響。發酵系統的TS保持在12%，接種比I/S=1(VS)，在(37±1)℃條件下進行厭氧發酵。此外，設置1組空白實驗，僅添加實驗用接種污泥，以計算發酵過程中接種物產生的氣體量，并根據添加比例從4組試驗組中去除，獲得基質的凈產氣量。發酵瓶有效容積為300mL，各物質的添加量如表2所示。
包括試驗組和空白組在內的實驗均設置3組平行實驗，分別測定相關指標后取平均值以減輕實驗中產生的誤差。實驗發酵瓶每天手動搖勻2次，每次持續1min。集氣袋收集沼氣，測量沼氣體積。定期取樣測定發酵液的pH、氨氮等物化指標。實驗過程中通過pH和產氣量的變化來判斷發酵系統是否出現了酸化，如果pH值低于6.0且產氣急劇下降甚至停止產氣時，判斷系統出現嚴重的酸化。此時觀察發酵系統能否由自我調控能力在2~5d內逐步恢復至正常狀態，如果系統無法恢復，則通過2mol·L−1的NaOH溶液將發酵系統的pH值調節至7.3~7.5，隨后添加3g的NaHCO3粉末溶解于發酵液中，為后續的發酵實驗提供一定的緩沖能力。
2)接種比對厭氧發酵的影響。
在已有實驗基礎上，另外增設了2組實驗，KW∶BW分別為1∶0和3∶1，接種比I/S均為0.5，探索更低的接種比條件下，黑水的添加是否會對廚余垃圾的厭氧發酵產生更加明顯的影響，以及發酵系統失穩的可恢復性。各組實驗的發酵瓶有效容積為300mL，在(37±1)℃下發酵至不再產生沼氣。各物質的添加量如表3所示。
1.4 分析方法
TS和VS采用烘干法和灼燒法測定，其中，TS于(105±5)℃的真空干燥箱(DZF，上海坤天試驗儀器有限公司)中24h烘干至恒重，VS于(550±10)℃的馬弗爐(MF-1100C，貝意克)中灼燒3h；C、H、O、N元素通過元素分析儀(varioELcube，Elemental,Germany)進行測定，根據元素含量計算碳氮比(C/N)；發酵液在6000r·min−1條件下離心20min，測定上清液中pH、NH3-N、COD、VFA濃度，其中pH使用pH計(HQ30d，HACH)檢測；NH3-N和COD利用便攜式分光光度計(HachDR2800，HACH)進行檢測；VFA利用用氣相色譜(GC-8600，北京北分天普儀器技術有限公司)分析法進行測定；沼氣產量利用200mL注射器抽取集氣袋內的沼氣，記錄沼氣體積；沼氣中甲烷百分含量利用便攜式沼氣分析儀(Geotechnical(UK)producerLtd.,Gloucester,UK)測定，沼氣體積與沼氣中甲烷百分含量的乘積為甲烷產量。游離氨(FAN)濃度根據pH值和NH3-N濃度，利用式(1)進行計算。
式中：TAN為總氨氮的濃度；NH3(FAN)為游離氨的濃度；T(K)表示K氏溫度。
2、結果與討論
2.1 黑水添加量對混合發酵的影響
1)產甲烷特性。
如圖2(a)所示，混合比為1∶0、10∶1、5∶1、3∶1的實驗組，前期甲烷產量接近于零，直至第25d才進入快速產氣階段，分別在第54、57、51和60d基本達到平衡。65d的累計甲烷產量分別為262.7、265.5、278.0、140.1mL·g−1VS，與廚余垃圾單獨發酵相比，添加少量黑水的實驗組累計甲烷產量基本無變化，進一步提高黑水的添加比例至KW∶BW=5∶1時，累計產甲烷量最高，相比廚余垃圾單獨發酵提高了5.8%，而當KW∶BW=3∶1時，累計產甲烷量下降了46.7%。
由圖2(b)各組實驗平均甲烷含量隨時間的變化可以看出，第7d之前產生的沼氣甲烷含量較低，均不超過20%，第7d對發酵系統進行調節之后，各組實驗的甲烷含量開始呈現緩慢增加的趨勢，在第20d時接近40%，在30d以后逐漸接近峰值，各組均超過60%。KW∶BW=1∶0、10∶1、5∶1、3∶1實驗組的最高甲烷含量分別為76.7%、77.8%、79.9%和69.7%，平均甲烷含量分別為37.4%、37.1%、41.6%和34.7%，其中3∶1實驗組的甲烷含量明顯低于其他實驗組。
2)pH變化。
pH值是厭氧發酵過程中非常重要的指標。有研究認為，厭氧發酵最佳的pH范圍為6.8~7.2，也有學者認為產甲烷菌活性最高的pH范圍為6.5~8.2。可見不同的發酵條件下pH的最佳范圍存在一定的區別，尤其是產甲烷菌，對pH非常敏感，過低和過高都可能會抑制產甲烷菌的活性。
由圖3可以看出，由于接種污泥的添加，4組實驗的初始pH值均在7.1~7.3之間，實驗開始后pH迅速下降，第7d時各組pH值均下降至6.0以下，第7d通過人為調節，各組實驗的pH整體呈逐步增加的趨勢，第27d時，各組的pH值均接近于8.0，第40d時，各組pH值均高于8.2。
3)氨氮濃度變化。
氨氮濃度是影響厭氧發酵的重要因素，一定濃度的氨氮可以為發酵系統提供緩沖能力，有利于抵抗酸化造成的抑制，而氨氮濃度過高時會對產甲烷菌產生抑制，造成產氣效率的下降。由圖4可以看出，KW∶BW=1∶0、10∶1、5∶1、3∶1實驗組的初始氨氮濃度分別為995、1180、1845、2245mg·L−1。實驗初期除黑水含量較高的實驗組氨氮濃度有所下降外，幾組實驗的氨氮濃度呈逐漸增加的趨勢，在第27d時4組實驗氨氮濃度均達到較高的水平，分別為1595、1950、2130、2360mg·L−1，此后3∶1實驗組的氨氮濃度繼續呈增長趨勢，37d時達到2615mg·L−1，而其余3組實驗基本保持穩定。
4)討論。
分析實驗現象可知，實驗前期各組產氣基本處于停滯狀態，主要由于廚余垃圾的比例較高，快速的水解酸化導致了VFA的積累，此時發酵系統的緩沖能力較弱，無法通過自身的調節恢復至正常狀態。進行人為調節pH值并加入緩沖劑后，短時間內各組的甲烷產量增加不大，說明前期的酸化已經嚴重抑制了產甲烷菌的活性，產甲烷菌無法及時恢復活性，存在一定的延滯期。楊紫怡等有關廚余垃圾厭氧發酵的研究也表明，VFA積累會使產甲烷過程受到一定程度抑制而出現產甲烷延滯期。實驗第27d時，各組的pH值均接近于8.0，但產甲烷速率均處于較高的水平，此時的產甲烷菌活性較高，與研究認為高固體厭氧發酵系統中pH值在8.0左右同樣適宜于產甲烷菌生長的結論相符。雖然40d以后各實驗組的pH值均高于8.2，但產甲烷過程正常進行，景二丹等有關廚余垃圾厭氧發酵的實驗也表明，pH值在7.0~8.5時，產甲烷效率較高。
整個發酵過程中，黑水添加量較高的實驗組累計甲烷產量遠低于其他實驗組，而氨氮濃度始終顯著高于其他實驗組，主要由于黑水添加超過一定的比例時，發酵系統中較高的氨氮濃度在高pH條件下轉化為游離氨，可能造成氨抑制，對產甲烷過程產生不利影響。徐家英等進行廚余垃圾的厭氧發酵實驗表明，當氨氮達到一定濃度時，會引起丙酸積累，影響發酵產氣效果。Wang等進行低固體條件下(TS=6%)廚余垃圾與黑水混合發酵的實驗，也得出了黑水添加量較高時會導致產氣量下降的相似結論。
綜上可以看出，高固體條件下，黑水與廚余垃圾混合發酵初期酸化嚴重，黑水無法對酸化問題起到明顯的調控作用，而通過人為添加緩沖劑能夠解決系統酸化問題，恢復產甲烷過程。同時，黑水的添加無法明顯提升廚余垃圾混合發酵的產甲烷性能，當添加量較高時會造成累計甲烷產量大幅降低。因此，在高固體條件下廚余垃圾發酵未發生酸化時黑水不適宜作為協同基質。
2.2 接種比對于混合發酵的影響
1)產甲烷特性。
由圖5(a)可以看出4組實驗的單位VS累計甲烷產量差別較大，廚余垃圾單獨發酵且接種比為1時的累計甲烷產量最高，為262.7mL·g−1VS，接種比為0.5時累計甲烷產量只有162.1mL·g−1VS，相比接種比為1時降低了38.3%。廚余垃圾與黑水的混合比為3∶1且接種比為1時，累計甲烷產量為140.1mL·g−1VS，接種比為0.5時，累計甲烷產量只有37.5mL·g−1VS，相比接種比為1時降低了73.2%。由圖5(b)可以看出，接種比為1時廚余垃圾單獨發酵及混合發酵實驗組的平均甲烷含量明顯高于0.5時，分別提升了14.9%和34.1%；而接種比為1和0.5條件下廚余垃圾單獨發酵組相比添加黑水組的平均甲烷含量則分別提升了12.2%和30.9%。
2)pH變化。
由圖6可以看出，4組實驗的初始pH值都在7.0以上，第4d時，接種比為0.5的2組實驗pH值均降至4.5以下，接種比為1的2組實驗pH值下降至5.2左右，此時各組發酵系統已經嚴重酸化，產甲烷菌活性幾乎完全受到抑制。第7d調節pH后，添加黑水的實驗組pH整體緩慢增加，而廚余垃圾單獨發酵組pH先降低后再緩慢增加。第27d時接種比為1的2組實驗pH處于7.6~8.1之間，接種比為0.5的pH處于7.1~7.5之間，此后各組實驗pH基本保持穩定。
3)氨氮濃度變化。
由圖7可以看出，實驗過程中各組的氨氮濃度整體呈增加的趨勢，這是由于厭氧發酵過程中含氮有機物的分解提高了系統中的氨氮濃度。廚余垃圾單獨發酵的實驗組初始氨氮濃度均在1200mg·L−1以下，整個發酵過程中氨氮濃度基本保持低于1800mg·L−1。而添加了黑水的實驗組初始氨氮濃度約為2200mg·L−1，實驗第4d下降至2000mg·L−1以下，此后逐漸增加，第27d時達到2200mg·L−1，在第37d時達到2500~2900mg·L−1，其中接種比較低的混合發酵實驗組由于黑水的添加量較高，氨氮濃度明顯高于接種比較高的實驗組。
4)討論。
接種比較低時，無論是廚余垃圾單獨發酵還是混合發酵的產甲烷量和平均甲烷含量都相對較低，原因是低接種比條件下發酵系統中產甲烷微生物的量較少，缺乏足夠的緩沖能力，無法對pH產生有效調節，發酵系統抵抗氨抑制的能力較弱，導致產甲烷效率較低。甄月月等、王佳君等分別在蔬菜和餐廚垃圾的厭氧發酵實驗中同樣得出了接種比越高越有利于產甲烷的結論。此外，對比相同接種比下不同混合比例的實驗組產氣狀況可以發現，添加了黑水的混合發酵組的累計產甲烷量和平均甲烷含量明顯低于廚余垃圾單獨發酵組，原因是黑水的添加對廚余垃圾產甲烷過程產生了消極影響。
實驗過程中廚余垃圾單獨發酵的2組實驗氨氮濃度基本保持在1800mg·L−1以下，并未對產甲烷菌產生明顯的影響，這與蔣建國等認為廚余垃圾在高固體單獨發酵狀態下，當總氨氮濃度低于1700mg·L−1時系統不會處于氨抑制狀態的研究結論相符。而混合發酵組由于黑水的添加對厭氧發酵系統的氨氮濃度產生了明顯的影響，加上高固體厭氧發酵系統的含水率相對較低，氨氮濃度得不到有效稀釋，此時發酵系統的pH值又較高，導致系統的游離氨濃度處于較高的水平，對產甲烷菌產生了抑制作用。特別是接種比較低時，氨抑制現象更為明顯，鄭曉偉等、劉丹等在餐廚垃圾的厭氧發酵實驗中證明了接種比對于避免發酵系統產生氨抑制的重要作用。許智等有關人糞尿高固體厭氧發酵的研究，同樣證明了適當黑水添加比例對發酵系統的重要性。
綜上可以看出，接種比較低時，發酵系統的產甲烷性能明顯下降，保證較高的接種比對于改善發酵系統的pH和產甲烷效率具有重要意義。而一定黑水的添加，雖然能夠在一定程度上為發酵系統提供緩沖性能，但添加量過多時，可能對發酵系統造成氨抑制等不利影響，導致產甲烷效率較低。可見，保證一定的接種比，同時控制黑水的添加量，對于降低高固體發酵系統有機負荷，避免氨氮抑制具有重要作用。
3、結論
1)高固體條件下，黑水與廚余垃圾混合發酵初期酸化嚴重，調節pH和添加緩沖劑能夠解決系統酸化失穩問題，調控后經歷短暫的延滯期后，產甲烷過程基本恢復正常。
2)接種比為1的高固體條件下，黑水的添加無法明顯提升廚余垃圾混合發酵系統甲烷產量，當添加量較高時發酵系統易產生氨抑制，造成累計甲烷產量大幅降低，因此在高固體條件下廚余垃圾發酵未發生酸化時黑水不適宜作為協同基質。
3)接種比由1下降至0.5時，高固體厭氧發酵系統有機負荷過大，導致發酵實驗組累計甲烷產量和平均甲烷含量均明顯下降，保證一定的接種比具有重要意義。（來源：黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南省農村水環境治理工程技術研究中心，北京科技大學能源與環境工程學院）
