通过底物协同作用优化纸浆和造纸污泥的厌氧共消化过程，以提高甲烷产量并减少污泥量

《Process Biochemistry》：Optimizing Anaerobic Co-Digestion for Pulp and Paper Sludge for Enhancing Methane Yield and Sludge Reduction through Substrate Synergy

纸浆污泥通过共消化工艺与食品污泥、粪便及食品残渣协同处理，优化配比（30%纸浆污泥、50%食品污泥、10%粪便、10%食品残渣）、总固体浓度（15%）及食微比（0.28），显著提升产气率及COD去除效率，验证了多基质共消化在复杂有机质处理中的有效性。

　　

陈宗雄|卢明春

国立中兴大学环境工程系，台湾台中市40227

摘要

造纸工业是一个耗水量极大的行业，在废水处理过程中会产生大量污泥。厌氧消化（AD）通过将有机底物转化为沼气，为减少污泥和回收资源提供了一种可行的解决方案。然而，富含木质素和纤维素的造纸污泥（PPS）不易通过厌氧消化进行降解。厌氧共消化（ACoD）通过结合多种底物来创造一个有利于厌氧微生物生长的平衡环境，从而优化污泥性质并提高厌氧消化的性能，克服了这一限制。这使得厌氧共消化特别适合处理PPS。本研究旨在通过将PPS与食品工业污泥（FIS）、粪便和食物废弃物（FW）进行共消化，设计一种用于减少PPS的ACoD工艺。研究重点关注了最佳底物混合比例、总固体（TS）浓度以及食物与微生物（F/M）比例的确定。通过分析挥发性脂肪酸（VFA）浓度、可溶性化学需氧量（sCOD）、pH值、甲烷产量和甲烷纯度等指标来评估消化效果。

引言

自从人类工业活动开始以来，工业废水和生活污水一直带来持续的挑战，需要有效的处理技术。活性污泥法被发明并成为广泛使用的生物处理方法[1]、[2]。在活性污泥处理过程中会产生大量的污泥。为了防止污泥造成的二次污染，污泥处置成为一个重要问题。已经提出了多种污泥管理方法，包括直接将污泥用于建筑材料[3]、提取并重新利用为产品[4]，以及减少污泥量，后者在废水处理中得到广泛应用。

污泥减少技术大致可分为两类：物理化学方法，如热碱处理、臭氧处理和氯化处理；以及生物降解方法，这些方法可以提高水解效率、延长曝气时间并采用厌氧消化[5]、[6]。其中，厌氧消化经过数十年的发展变得越来越成熟。该方法通过将有机物转化为沼气（其中约60-70%为甲烷）来有效减少废物体积[7]。近年来，厌氧生物反应器设计的进步，如减小反应器体积、降低能耗和减少维护频率，使得高容量厌氧消化技术受到了广泛关注[8]。

厌氧消化利用厌氧微生物水解、酸化并产生甲烷，从而将废水和固体中的有机物转化为沼气以实现废水处理[9]。与好氧微生物相比，厌氧微生物获取的能量较少，导致其生长速度较慢、产气时间较长。因此，厌氧过程需要较长的水力停留时间（HRT）和较大的反应器体积。由于水中的有机物主要转化为甲烷、硫化氢和二氧化碳，厌氧微生物必须代谢更多的有机物以达到相当的能量水平，从而实现更高的污泥减少效率[10]。厌氧消化被广泛用于处理工业过程中产生的有机污泥，包括污水污泥。然而，污泥的具体成分取决于相关行业的废水特性。例如，造纸行业的污泥主要含有难降解的碳水化合物，含有少量的淀粉和蛋白质。相比之下，食品加工业的污泥富含碳水化合物、蛋白质和脂类，具有较高的可溶性化学需氧量（sCOD）[11]、[12]。我们注意到，加热、微波和加压等物理方法常被用作预处理手段以提高厌氧消化效率。例如，De Crescenzo等人报告称，增加反应器压力可以提高气体传质系数；在20巴的压力下，H?、CH?和CO?的传质系数分别达到0.098、0.085和0.085 L/s[13]。

随着工业生产的增加，出现了各种类型的污泥，包括生活污水污泥、畜牧业产生的畜禽粪便污泥以及制造业产生的有机和无机污泥。考虑到厌氧消化设施的资本投入和运营成本，污泥处理需求较低的生产者通常会将处理外包给配备有厌氧消化系统的设施[14]。这些系统通常处理来自多个来源的污泥，从而产生了共消化的概念。这种方法利用底物成分的互补性为厌氧微生物提供最佳生长条件，从而减少了对额外化学添加剂的需求。在高效率厌氧消化下，还可以降低消化成本。本研究中的造纸污泥含有大量的有机物，主要由纤维素、半纤维素和木质素等碳水化合物组成。然而，单独消化这些成分可能会限制水解反应[15]。通过将这些污泥与富含碳水化合物、蛋白质和其他营养物质的氮源废水污泥或食物废弃物进行共消化，ACoD可以实现成分的互补平衡，从而提高消化效率并增加沼气产量[16]、[17]。

在共消化过程中，碳氮比（C/N）起着关键作用。不同底物的混合比例、营养补充、pH值、抑制剂以及可降解物质的比例和浓度都是相互关联的因素。优化这些参数不仅可以提高沼气产量，还能稳定厌氧发酵过程[18]。Lafitte等人进行了一项研究，分析了糖果工厂有机废弃物与活性污泥的共消化情况，比较了单级消化器（SSD）和双级消化器（DD）[19]。结果表明，双级消化器的性能明显优于单级消化器。在微生物适应期之前，单级消化器产生的沼气中甲烷浓度仅为66%，适应期后提高到76%；而双级消化器在适应期前后甲烷浓度始终保持在70%以上，平均甲烷浓度为82%，在12天的水力停留时间下达到87%的峰值。Lin等人研究了PPS和食物废弃物的共消化情况，发现这些底物的互补性不仅提高了甲烷产量，还增加了氢气产量。此外，还评估了营养补充对气体产量的影响。研究发现，PPS和食物废弃物的最佳混合比例为1:1，此时甲烷产量为400 mL/g-VS，氢气产量为60 mL/g-VS[20]。Zhang等人研究了食物废弃物与牛粪的共消化，解决了高脂质浓度和低碳氮比的问题[21]。在批次厌氧消化过程中分析了甲烷产量和沼气产量。研究表明，纯食物废弃物消化（有机负荷率（OLR）= 8 g-VS/L）的甲烷产量为410 mL/g-VS，而纯牛粪消化即使在较低的OLR（2 g-VS/L）下也难以实现甲烷产量；然而，食物废弃物与牛粪按2:1的重量比例共消化后，总OLR达到48 g-VS/L/D，甲烷产量为450-500 mL/g-VS。

造纸工业是一个耗水量大的行业，其生产过程中的废水需要经过多个处理阶段，包括好氧曝气（活性污泥法）。然而，好氧曝气会产生大量污泥。为了减少曝气时间和污泥产量，许多造纸厂实施了厌氧处理系统来共同处理废水。本研究旨在通过设计一种厌氧消化系统来减少造纸行业的污泥。由于多底物系统的控制难度大于单底物消化，大多数现有研究仅关注两种底物的组合。相比之下，我们的研究使用了PPS与三种不同的底物，形成了一个高度复杂的ACoD底物矩阵。这种策略不仅提高了沼气产量和污泥减少效果，还在高度异质的条件下证明了系统的稳定性，展示了当前文献中很少报道的高复杂性ACoD设计的创新性和实用价值。

通过将造纸厂污泥与其他行业的污泥进行共消化，可以提高沼气产量和污泥减少效率，从而产生清洁能源并促进可持续的资源回收。

部分摘录

化学物质

所有试剂均为实验室级，未经进一步纯化直接使用。超纯水用于溶解试剂和清洗固体。厌氧细菌由台湾北部的一家造纸工业提供。微生物群落由该行业基于厌氧生物的废水处理过程中驯化的厌氧细菌组成。重铬酸钾（99.5%）、硫酸（98.0%）和硫酸银（99.5%）用于COD分析。

单基质厌氧消化实验

在本节中，分别对造纸污泥（PPS）、食品工业污泥（FIS）、粪便和食物废弃物（FW）进行了厌氧消化实验。所用原料种类多样且具有代表性，包括来自多个机构和工业来源的食物废弃物、造纸污泥、生活污水和厨房废弃物。这些底物为研究全规模厌氧消化系统处理废物提供了全面而具有代表性的基础。

结论

本研究通过使用不同的底物特性和操作条件评估了共消化实验，以确定纯造纸污泥降解的最佳共消化混合物、总固体浓度和F/M比例。结果表明，纸浆污泥（30%）、食品污泥（50%）、粪便（10%）和食物废弃物（10%）以15%的总固体浓度和0.28的F/M比例混合时，在ACoD中表现出最佳的整体性能。

作者贡献声明

陈宗雄：撰写初稿、方法论设计、数据分析。卢明春：数据可视化、项目监督、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了台湾教育部高等教育Sprout项目下的可持续农业创新与发展中心的资助。