餐厨垃圾与污泥共发酵的资源回收利用：反硝化效能与沼气产能的平衡优化研究

《Journal of Environmental Management》：Integrated resource recovery from co-fermentation of food waste and sludge: Balancing denitrification potential and biogas recovery

本研究针对污水处理厂（WWTP）为满足严格氮排放标准而依赖化石碳源的问题，探讨了利用餐厨垃圾（FW）与初沉污泥（PS）共发酵生产挥发性脂肪酸（VFA）和乳酸作为可持续反硝化碳源的可行性。研究通过中试规模试验比较了不同FW/PS配比（100:0, 50:50, 25:75, 0:100）在无需pH控制的中温（34°C）条件下的发酵效果，评估了发酵液的sCOD、VFA产量、反硝化速率及剩余固体组分的沼气潜力。结果表明，共发酵能有效产生高质量碳源，反硝化速率稳定（7–9 mg NO3?-N/g VSS?h），且添加25% FW即可显著降低碳源需求体积（比纯PS发酵减少8倍），同时平衡了沼气回收。该研究为WWTPs实现氮达标、降低碳排放及提升资源循环提供了重要技术路径。

　　

随着全球气候变化加剧和环保法规日益严格，污水处理厂（WWTPs）正面临着前所未有的脱氮除磷压力。欧盟最新指令要求大型污水处理厂出水总氮（TN）浓度低于8 mg/L，部分瑞典工厂甚至需达到6 mg/L的严苛标准。传统的生物脱氮工艺依赖反硝化过程，而这一过程需要充足的有机碳源作为电子供体。然而，城市污水中固有的可生物降解有机物往往不足以支撑深度脱氮需求，导致许多污水处理厂不得不投加外部碳源。

过去几十年间，甲醇因其成本低廉、易于获取而成为最常用的外加碳源。但近年来，其价格飙升250%，且作为化石燃料衍生品，其生产过程伴随大量二氧化碳排放，与碳中和目标背道而驰。面对这一困境，科研人员将目光投向各种可持续的替代碳源，其中，挥发性脂肪酸（VFAs）因其结构简单、反硝化速率高、中间产物积累少等优点而备受青睐。VFAs可通过有机废弃物的厌氧发酵产生，这为污水处理厂实现"以废治废"的循环经济模式提供了可能。

餐厨垃圾（FW）富含有机质，是生产VFAs的理想原料。然而，在实际应用中，单纯利用餐厨垃圾面临收集难、运输成本高、成分波动大等挑战。另一方面，污水处理厂自身产生的初沉污泥（PS）虽然来源稳定，但有机质含量较低，单独发酵产酸效率不理想。将两者混合共发酵能否扬长避短？发酵产生的VFAs作为碳源的反硝化效果如何？提取VFAs后剩余的固体残渣又会对沼气产量产生什么影响？这些问题的答案对于评估该技术的实际应用可行性至关重要。

发表于《Journal of Environmental Management》的这项研究，正是针对上述问题展开的系统性探索。研究人员在瑞典斯德哥尔摩的Henriksdal污水处理厂进行了中试试验，旨在通过餐厨垃圾与初沉污泥的共发酵，平衡反硝化碳源生产与沼气能源回收之间的矛盾。

关键技术方法概述

研究采用两台2立方米的中试发酵罐，在34°C中温条件下运行，水力停留时间（HRT）为4天。测试了四种FW与PS的体积混合比（100:0、50:50、25:75、0:100），全程不控制pH。对发酵液进行了全面的理化分析，包括sCOD（可溶性化学需氧量）、VFA（采用HPLC分析C1-C6脂肪酸及乳酸）、营养成分等。通过16S rRNA基因扩增子测序分析了微生物群落结构。利用批量反硝化试验评估了发酵液作为碳源的性能，并通过生化甲烷潜能（BMP）测试评估了固相残渣的产沼气潜力。

研究结果

3.1. 有机物溶解/水解

不同底物配比的发酵试验产生了差异显著的溶解效果。纯餐厨垃圾（Test A）的发酵液sCOD浓度最高（82 ± 8 g/L），但净碳溶解率最低（11 ± 152 g sCOD/kg VS_in）。随着PS比例增加，sCOD浓度下降但单位挥发性固体的溶解产率升高，纯PS（Test D）的溶解产率最高（450 g sCOD/kg VS_in）。pH是影响溶解的关键因素，较低pH（Test A为3.9）限制了有机物的溶解，尤其是蛋白质的水解。底物组成也显著影响大分子降解程度，FW富含碳水化合物和脂质，而PS则以蛋白质和碳水化合物为主。

3.2. VFA种类和乳酸产量

总VFA（tVFA，包含乳酸）浓度随FW比例增加而升高。Test A的发酵液tVFA浓度达55.7 g VFA_COD/L。未发酵的FW本身已含有高浓度乳酸（占tVFA的51%）。发酵后，FW中的乳酸部分转化为丙酸和乙酸。在所有试验中，丙酸成为优势VFA（除乳酸外），这与通常认为低温酸性条件下乙酸占主导的文献报道不同。VFA产率（g VFA_COD/kg VS_in）在各反应器间无显著差异，但PS比例高的试验（B、C、D）平均值略高。

3.3. 微生物群落组成

微生物群落结构强烈依赖于底物组成。FW及其高比例发酵液（Tests A, B, C）中以乳酸菌科（Lactobacillaceae）为绝对优势菌群，其中一种与Lactobacillus acetotolerans高度相似。随着PS比例增加，普雷沃菌科（Prevotellaceae）、链球菌科（Streptococcaceae）和伯克霍尔德菌科（Burkholderiaceae）等菌群的相对丰度上升。微生物群落的变化与观测到的VFA谱变化相一致。

3.4. 反硝化速率 – 碳源性能

所有发酵液作为碳源均表现出良好的反硝化效果，反硝化速率在7.11至9.31 mg NO₃^?-N/g VSS?h之间，无显著统计学差异。Test A（100% FW）的速率最高。反硝化速率与VFA/sCOD比值呈正相关（R2 = 0.77），但微生物群落功能冗余使得系统能够有效利用不同的VFA谱。碳氮消耗比（g sCOD/g NO₃^?-N_removed）在5.70至7.11之间，Test D（100% PS）的比值最低，但因其sCOD浓度低，实际所需碳源体积最大。总氮（TN）去除效率在Test D中最低（71.51%），其他试验均超过83%。

3.5. 碳源中的NH₄⁺-N和PO₄-P

发酵液中含有源自底物降解的氮磷营养物质。PS及其发酵液（Test D）的sCOD/NH₄⁺-N比值极低（<50），这意味着将其用作碳源时会向系统引入大量额外氮负荷，可能影响深度脱氮效果。FW及其发酵液的该比值较高（>130）。sCOD/PO₄-P比值在所有样品中均高于150，影响相对较小。

3.6. 生化甲烷潜能（BMP）测试

对发酵并提取VFA后的固体残渣进行BMP测试。结果表明，FW比例越高，固体残渣的甲烷产率越高。Test A残渣的甲烷产率（382 N L CH₄/kg VS）甚至略高于未发酵的FW。这是因为FW中难降解的碳水化合物和脂质在低pH发酵条件下未被充分水解，保留了产甲烷潜力。相反，PS比例高的Test D，其固体残渣的甲烷产率比未发酵PS降低了约50%。

3.7. WWTP层面的营养物去除与沼气生产

研究从污水处理厂整体运行角度进行了评估。计算表明，为去除100 kg NO₃-N/天，所需甲醇体积仅为0.42 m3/天，而使用Tests A, B, C, D的发酵液则分别需要7.9, 8.4, 11.7和97 m3/天。共发酵显著减少了碳源需求体积，添加25%和50%的FW可使体积需求比纯PS发酵分别降低8倍和12倍。在沼气产量方面，如果污水处理厂原本不处理FW，引入FW进行VFA回收（Tests A, B, C）可增加沼气产量（+19% 至 +5%）。如果原本已处理FW，则将其部分用于产VFA（Test A）会导致沼气产量小幅下降（约6%）。

结论与意义

本研究证实，餐厨垃圾与初沉污泥共发酵生产反硝化碳源在技术上是可行的。pH和底物组成是决定发酵产物VFA谱和微生物群落结构的关键因素。尽管不同配比发酵液的VFA组成差异显著，但它们作为碳源的反硝化速率却相对稳定，展现了功能微生物群落利用不同碳源的能力。

最重要的发现在于，即使添加少量（25%）餐厨垃圾与初沉污泥共发酵，也能在反硝化碳源产量、质量和后续沼气回收之间取得良好平衡。这种策略能极大降低对外部化石碳源的依赖，减少碳排放，同时充分利用了现有机组（发酵罐、消化池），提升了污水处理厂的资源循环水平和运行经济性。

然而，研究也指出了实际应用中需考虑的挑战，如餐厨垃圾成分的季节性波动、发酵液固液分离效果、以及富含氮磷的碳源对水处理主线可能造成的额外营养负荷。未来研究可聚焦于优化发酵过程控制（如pH调节）以提高产物一致性和产率，并开发高效的营养回收工艺，从而最大化资源回收效益，推动污水处理厂向能源中和、资源回收的绿色基础设施转型。