厨余垃圾厌氧发酵启动的接种物试验研究及工程建议

林艺平

（厦门市联谊吉源环保工程有限公司，福建 厦门 361000）

1 引言

随着我国垃圾分类的持续推进，大部分城市逐渐实行垃圾分类和资源化利用制度，而厨余垃圾约占生活垃圾总量的一半，故对厨余垃圾的后端处理尤为重要［1］。厨余垃圾因其含有较高的有机质，故近年来采用厌氧发酵技术对厨余垃圾进行资源化利用、产生可回收生物质能源的沼气成为比较热门的研究领域［2-3］。

厌氧发酵按含固率可分为湿式、半干式和干式。目前我国湿式厌氧发酵应用较为成熟，干式厌氧发酵工程应用较少，但干式厌氧发酵具有容积产气率高、承受有机负荷高和原料预处理措施少等优势，正逐步受到实际工程的青睐［4］。厌氧发酵启动时对接种物的选择至关重要，良好的接种物和接种比例能大幅缩短启动时间和成本［5］。干式厌氧发酵启动时，往往由于其自身的原因对启动接种物有特殊的要求。国外一般采用干式项目的沼液为接种物；而在我国缺少同类干式项目的条件下，将可能考虑用湿式厌氧的消化污泥或脱水污泥作为接种物［6-7］，之后通过添加园林垃圾或厨余垃圾来提升消化罐的含固率。不管接种物如何选择，在规模化的消化罐启动过程中，接种物往往需要几天甚至十几天的累积才能达到所需量，此过程可能会影响到接种物的实际接种效果。

本研究以厦门市某餐厨垃圾处理厂（湿式厌氧发酵） 的消化污泥和脱水污泥作为接种物，研究其各自接种效果和放置处理（模拟工程启动时接种物的暂存过程） 对接种物的影响，并结合干式厌氧发酵启动的工程实例讨论干式厌氧工程中接种物对启动的影响，以期为我国以厨余垃圾为原料的干式厌氧发酵工程启动时，接种物的选择和使用提供参考。

2 材料及方法

2.1 试验装置

厨余垃圾的批式试验所用装置为带有丁基胶塞的1 000 mL 厌氧发酵瓶和集气装置。发酵瓶的丁基胶塞带有排气孔，发酵产生的气体通过排气孔收集到集气瓶中，集气装置使用排水法收集所产生的气体。发酵瓶放置于恒温水浴锅中，保持水浴锅中的水位高于发酵瓶内的污泥，以保证发酵污泥温度的稳定性。厌氧发酵反应装置见图1。

图1 厌氧发酵反应装置示意

2.2 试验材料

试验所用接种物有消化污泥和脱水污泥，消化污泥取自厦门市某餐厨垃圾处理厂的厌氧罐的发酵污泥；脱水污泥为该厂发酵污泥经脱水后所得的固相部分。接种物置于发酵瓶内，发酵瓶于38 ℃水浴锅中放置处理10 d。

发酵底物以厦门市厨余垃圾处理厂的进厂厨余垃圾为原料，经过设备和人工剔除塑料、玻璃及骨头等杂质，并通过粉碎获得粒径小于10 mm的易腐有机质作为发酵底物。接种物和发酵底物的特性如表1 所示。

表1 试验材料物化性质

2.3 试验方案

本试验分别采用消化污泥和脱水污泥作为接种物与厨余垃圾进行厌氧发酵，工况1～4 依照接种比RI/S=2（以接种物和底物的挥发性固体含量之比） 进行试验［8-9］，工况5～6 采用相同的接种质量（接种物占总质量的50%） 进行试验，各发酵试验组的发酵总质量均为500 g，发酵温度（38±1）℃，时间为17 d，每组试验设置两个平行样，每天手动摇晃厌氧发酵瓶1 次，每次5 min。每组试验设定空白对照，空白组只添加等量的接种污泥，补充去离子水至500 g 总质量。每组试验的产气量均为去除空白对照后的产气量。试验组的具体物料比例配置情况见表2。

表2 试验设计方案

2.4 监测指标及分析方法

总固体（TS） 和挥发性固体（VS） 分别采用105、600 ℃烘干，差重法测定；pH 采用玻璃电极法（雷磁pHS-3C 型pH 计） 进行测定；甲烷体积分数，采用便携式沼气分析仪（Geotech BIOGAS 5000） 进行测定；气体体积，采用排水法测定。

3 试验结果与讨论

3.1 产气量变化

产气速率是衡量厌氧消化的一个重要指标，产气高峰出现时间和最大产气速率，是厌氧发酵启动的接种物选择的重要参考因素之一［10］。6 种工况的日产气量和累计产气量如图2 所示。

图2 发酵过程中沼气日产气量和累计产气量的变化

3.1.1 两种接种物的产气区别

当接种比都为2 时，新鲜消化污泥和新鲜脱水污泥的产气情况如图2 工况1 和工况2 所示。新鲜消化污泥组和新鲜脱水污泥组的累计产气量分别为498 和436 mL/g，两种工况都在发酵第1天即出现产气高峰，新鲜消化污泥组的最大产气速率（246 mL·g-1·d-1） 是新鲜脱水污泥组的2.3倍。由于消化污泥组的接种物外界环境几乎无变化，而脱水污泥受后端离心脱水处理和接种环境变化而影响其微生物活性和数量，故当接种相同质量VS 的接种物，新鲜消化污泥组发酵起始产气速率高于新鲜脱水污泥，但两者累计产气量相差不大，两种接种物都可以作为厌氧发酵启动时的接种物。

3.1.2 放置处理对接种物产气的影响

消化污泥的新鲜组和放置处理组的产气情况如图2 工况1 和工况3 所示，脱水污泥的新鲜组和放置组如图2 工况2 与工况4 所示。新鲜和放置处理的消化污泥组分别在发酵第1 天和第3 天出现产气高峰，累计产气两者比较接近，最大产气速率分别为246、60 mL/（g·d），放置处理对消化污泥组的最大产气速率影响较大，降低了约75%。消化污泥新鲜组和放置组在发酵前4 d 的累计产气量分别占各自总累计产气量的85%和43%，新鲜组能较早结束发酵产气。由此看来放置处理对消化污泥的接种效果影响甚大。可能是由于消化污泥在10 d的放置处理过程中，甲烷菌消耗残留的挥发性有机酸产气，同时营养物质随之减少，甲烷菌竞争营养物质，部分甲烷菌进入休眠或消亡状态，导致产气速率降低。而批次发酵的新鲜消化污泥组起始有机负荷仅为6.4 kg/m3，工厂湿式发酵罐稳定运行的日添加负荷为3～4 kg/（m3·d），批次发酵试验组的有机负荷增加的幅度不大，甲烷菌群仍处于最佳发酵状态，故有较高的产气速率。放置处理对脱水污泥同样有抑制效果，产气高峰的出现时间从发酵第1 天推迟至第3 天，最大产气速率由105 mL/（g·d）下降至92 mL/（g·d），最大产气速率降低了约13%。放置处理会推迟两种接种物的产气高峰出现时间，并降低两种接种物的最大产气速率。陈柳萌等［11］研究接种物在4 ℃长时间冷藏保存会出现甲烷菌基因条带的缺失，菌种活性和产甲烷速率下降。本试验中的中温放置处理会导致接种物内部营养物质匮乏，可能也会引起甲烷菌量减少而进入衰亡期，从而影响菌种活性和接种效果。

3.1.3 不同接种比的产气区别

消化污泥的接种比为2（图2 工况3） 和1（图2 工况5），发酵结束后其挥发性有机酸（VFAs） 扣除对照组后分别为251 和630 mg/L，累计产气量分别为530、407 mL/g·d，工况3 比工况5 的累计产气量高约30%。在发酵过程中接种比为2 的试验组由于相应地含有更多甲烷菌量，其耗酸速度与产酸速度能保持大致平衡，不发生酸抑制，较彻底利用底物产气，而接种比为1 的耗酸产气速度较慢，导致VFAs 累积、总产气量低［12］。当脱水污泥的接种比为4（图2 工况6） 和2（图2 工况4） 时，发酵结束后的VFAs 分别为122、317 mg/L，工况6 比工况4 的累计产气量高36.5%，最大产气速率高出78%。因此在一定的范围内适当地提高接种比，加大接种物的生物量，能减少VFAs 的剩余量，增加累计产气量和产气速率。

而工程应用上，一般以接种量为主要的成本考虑因素，故对比相同接种量的发酵效果。当接种物的质量占整个体系的50%时，消化污泥和脱水污泥的产气具有明显差异。脱水污泥组（图2 工况6） 的累计产气量为643 mL/g，高于消化污泥组（图2 工况5） 的407 mL/g。脱水污泥组的产气高峰提前1 d 出现，且其最大产气速率（164 mL·g-1·d-1）为消化污泥组的2.6 倍。在相同接种量的情况下，由于两种接种物的含固率不同，脱水污泥组和消化污泥组的接种比分别为4 和1。接种比高的脱水污泥组相应地含有更多微生物量，能快速消耗底物产气，消化污泥组则因甲烷菌量少，产酸速度高于耗酸产气速度，且还需要营养物料来繁殖微生物，而导致累计产气量和产气速率都较低。

3.2 各种工况的指标变化

厌氧消化过程可根据沼气中甲烷气体含量判断出在消化过程中占优势的菌群是产酸菌还是产甲烷菌，当产甲烷菌占优势时，所产气体中甲烷的体积分数一般高于50%。甲烷含量变化具体数据见图3。

新鲜消化污泥和脱水污泥（图3 工况1 和工况2） 甲烷含量均在发酵第2 天达到50%，放置处理的消化污泥和脱水污泥（图3 工况3 和4） 分别在发酵第6 天和第5 天甲烷含量达到50%，相同接种量的消化污泥和脱水污泥（图3 工况5 和工况6） 甲烷含量分别在发酵第5 天和第3 天达到50%，之后6 个试验组产气气体的甲烷含量都保持在50%以上。当接种比相同时，两种新鲜接种物能同时进入产甲烷菌占优势阶段，但接种物的放置处理会推迟进入产甲烷阶段的时间。当接种相同质量时，由于脱水污泥组接种比高，含有的相应生物量多，故能较快进入产甲烷阶段。

发酵结束后消化污泥组（图3 工况1、3 和5）整体的pH 比脱水污泥（图3 工况2、4 和6） 高。pH 随接种比增加而略微升高，如工况3（接种比为2） 的pH 高于工况5（接种比为1），工况6（接种比为4） 的pH 高于工况4（接种比为2），但各工况组在发酵结束后都能保持在弱碱性环境，pH 均在7.0 以上。发酵结束后的剩余VFAs（扣除对照组后） 与累计产气量具有一定负相关性，剩余VFAs 低，累计产气量高，具体数据见表3。

图3 发酵过程甲烷体积分数的变化

表3 发酵结束后各工况的检测指标

4 工程上接种物的选择建议

4.1 厦门厨余垃圾处理厂项目启动情况

厌氧发酵工程的启动过程中，接种物数量一般需要积累到一定数值后才开始进料发酵底物，由此凭借着接种物的数量优势，达到顺利启动的目的。实际工程上往往由于接种物来源量受限制或运输条件等原因，接种物从来源地运输至项目现场及接种物数量积累过程的时间，可能需要耗费十几天甚至更长时间。通过上述试验可知接种物的长时间放置会给接种物的接种效果带来负面影响。微生物的生长阶段有稳定期和衰亡期，而接种物来源于稳定运行的湿式消化罐，其微生物处于稳定期状态，若长时间放置会导致接种物中微生物由于营养物料的匮乏而进入衰亡期。从另一角度考虑，在接种物放置期间添加一定量的底物，为微生物提供营养物质以延长稳定期，从而保持微生物良好的运行状态，避免进入衰亡期［13］。因此，工程上项目发酵启动的关键是保持接种物中微生物的高活性和良好的接种效果。

厦门厨余垃圾处理厂的干式厌氧消化罐就是以湿式厌氧发酵的脱水污泥作为接种物而成功启动的。该项目在接种期尽力缩短接种物积累时间，在较短时间内将接种物积累到计划质量，另外向接种物中添加少量经分选后的厨余垃圾，一方面可提供营养物质供内部微生物的正常生长繁殖，防止长时间放置导致接种效果变差；另一方面有助于接种物的驯化，使其提前适应新的底物。最后有效地缩短了项目发酵启动时间，使发酵罐快速进入产甲烷阶段并保持稳定高效运行。

4.2 接种物的选择建议

厌氧发酵工程项目中接种物的选择是一个复杂的筛选过程，需要考虑接种物获取难易程度、交通运输距离长短、接种物活性强弱及暂存过程安全风险等诸多问题。而干式厌氧发酵项目的接种物选择会更加困难，因其还需额外考虑发酵接种物含固率对后续发酵启动的影响问题。各个项目应该结合自身特点，充分考虑各项影响因素的限制情况，选择符合项目特点的接种物。

通过上述试验结果可知，虽然餐厨垃圾湿式厌氧消化污泥和脱水污泥在试验条件下都可以作为厌氧发酵启动的接种物，但实际工程上以脱水污泥作为接种物更有优势，脱水污泥相对消化污泥具有以下优点：①运输成本低，启动所需接种量少；②便于调节启动时罐内污泥的含固率。脱水污泥的含固率为15%～30%，而干式厌氧发酵的含固率一般为20%～30%，使用脱水污泥有利于罐内污泥含固率的升高，防止进料垃圾后就出现物料分层现象；③在接种相同质量VS 下脱水污泥接种效果与消化污泥相差不大，但工程上以接种量为优先考虑。在相同接种量情况下，由于高含固率接种物含有更多生物量，使其接种效果优于低含固率接种物［14］。本试验在接种物和底物的接种比为1～4 时都能顺利启动，但从启动时间和成本上考虑建议接种比为2～5 较为合适。

此外，为了保证接种物的厌氧微生物活性，在项目启动接种过程中还应注意：①尽量保证接种物的新鲜程度，减少接种物中间运输及暂存时间；②在接种物接种过程可投加适量的发酵底物，维持接种物的半饥饿状态；③条件允许时应尽力控制接种物的温度稳定，持续保持接种物在最佳活性温度范围内，避免较大的温度波动；④尽可能减少空气与接种物的直接接触，以防厌氧微生物受氧气毒害而死亡；⑤选择与待接种项目发酵物料近似甚至相同的发酵项目的接种物，有利于接种物更快速适应待接种项目的发酵物料。

5 结论

1） 批次发酵试验条件下，以厨余垃圾为底物，消化污泥和脱水污泥都可作为厌氧发酵启动的接种物。但接种相同质量时，高含固率的脱水污泥（其接种比高） 作为干式发酵的接种物具有明显优势。

2） 当接种比相同时，消化污泥和脱水污泥的累计产气量接近，但新鲜消化污泥比新鲜脱水污泥具有更高产气速率；在一定范围内，随着接种比的提高，累计产气量和产气速率会随之提高。

3） 放置处理对消化污泥和脱水污泥作为接种物有明显的负面影响，会推迟产气高峰出现时间，降低产气速率。

4） 工程上厨余垃圾的干式厌氧启动可以考虑采用湿式厌氧脱水污泥作为接种物，应尽量缩短接种物积累时间，接种过程可添加适量底物，有利于厌氧发酵启动的顺利进行。