《Journal of Environmental Management》：Valorization of dairy industry waste streams via anaerobic digestion
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乳制品加工业产生多种高强度废物流，包括棕色污泥、溶解气浮（DAF）污泥、白色污泥、脂肪-油-油脂（FOG）废物和乳制品废水，如果管理不当，会带来显著的环境和经济挑战。厌氧消化（AD）为处理这些富含有机物的废物提供了一种可持续且能量正向的解决方案，同时回收生物甲
乳制品加工业产生多种高强度废物流，包括棕色污泥、溶解气浮（DAF）污泥、白色污泥、脂肪-油-油脂（FOG）废物和乳制品废水，如果管理不当，会带来显著的环境和经济挑战。厌氧消化（AD）为处理这些富含有机物的废物提供了一种可持续且能量正向的解决方案，同时回收生物甲烷作为可再生能源。本综述全面评估了不同乳制品衍生废物流的特性、处理挑战和生物甲烷潜力。特别关注预处理技术的最新进展，特别是水力空化（HC），该技术在增强污泥解体、溶解和微生物生物可利用性方面显示出前景。与传统的物理、化学和生物预处理相比，HC提供了一种节能、可扩展且环境友好的方法，特别是当整合到涉及DAF和棕色污泥的共消化策略中时。本综述还强调了技术经济考虑，证明了在应用优化的HC预处理时，甲烷产量显著提高和净能量增益。通过综合最新研究发现并识别研究空白，本研究强调了HC辅助AD对乳制品行业废物流资源化利用的变革潜力，并为未来节能废物管理的发展提供了基础。
**1. 引言**
乳制品工业在全球经济中占据重要地位，牛奶产量持续增长，但加工过程产生大量高有机负荷的废水和污泥。例如，每升加工牛奶可产生0.2至11升废水，以及大量污泥。这些废物若未经妥善处理，会造成严重污染。当前污泥处置常采用土地施用或堆肥，但面临法规和技术挑战。厌氧消化（AD）作为资源化利用途径，可将有机污泥转化为生物甲烷（CH
4），然而污泥中脂肪、油和油脂（FOG）不易生物降解，需通过预处理提高消化性能。水力空化（HC）作为一种物理化学预处理技术，通过空化泡溃灭产生的高剪切力和羟基自由基（OH·）增强污泥解体和溶解，提高可溶性化学需氧量（sCOD）和微生物可及性。其中，涡旋式HC设备具有节能、无堵塞和可扩展等优势。本综述旨在提供关于HC辅助AD用于乳制品废物流资源化利用的整合评估，重点关注乳制品污泥特性、HC性能、共消化策略及技术经济可行性。
**2. 乳制品行业废物流及其特性**
乳制品加工产生的废物包括乳制品废水（DE）和乳制品加工污泥（DPS），后者又包含棕色污泥、DAF污泥、白色污泥和FOG废物等。不同废物类型特性差异显著：DAF污泥富含FOG，化学需氧量（COD）高达171.68 g/L，总氮（TN）为6.47 g/L，铵态氮（NH
4+-N）为3.27 g/L；棕色污泥COD为136.77 g/L，总磷（TP）较高（5.77 g/L）；FOG废物COD极高（253.8 g/L），挥发性固体（VS）含量达134.6 g/L，能量潜力大。乳制品废水COD范围较宽（0.5–25 g/L），营养物浓度较低。这些特性表明，需根据废物组成选择合适的处理和资源化策略。
**2.1 DAF污泥**
DAF（溶解气浮）单元利用高压气泡去除FOG，产生的DAF污泥富含脂肪和油脂，难以脱水，且易产生恶臭。该污泥若与生物污泥或化学污泥混合，会影响后续处理效果，需单独储存和处置。DAF污泥虽具有高能量回收潜力，但FOG降解产物长链脂肪酸（LCFA）可能抑制AD微生物活性。
**2.2 棕色污泥**
棕色污泥主要来自好氧或厌氧生物处理过程。好氧处理产生大量高挥发性固体污泥，而厌氧处理污泥量较少且易脱水。污泥稳定性处理（如好氧或厌氧稳定）可减少体积30%–60%。脱水前常需添加无机絮凝剂或有机聚合物以提高效率。最终处置方式包括土地施用、社区消化池、动物饲料或焚烧。
**2.3 其他废物流**
除棕色和DAF污泥外，乳品加工还产生白色污泥（富含酪蛋白和乳固体）、乳清废水（高有机负荷）、CIP（就地清洗）废水（含化学品）以及过期产品等。这些废物可通过AD等途径实现资源回收。
**3. 乳制品废物流资源化利用的途径与挑战**
乳制品废物富含有机物，适合生物转化产甲烷和氢。然而，高氮、磷含量及FOG导致的抑制问题需加以管理。AD可有效减少病原体（减少高达99%），并实现能量回收。
**3.1 乳制品废物流的当前处理方法**
处理方法包括物理（格栅、沉淀、离心、膜过滤）、化学（混凝-絮凝、氧化、吸附）和生物（好氧活性污泥、厌氧消化）技术。好氧系统能耗高且产生多余污泥，而AD则能量正向并产生生物甲烷。目前许多乳品厂依赖好氧工艺，AD应用不足。爱尔兰EPA调查显示，仅约5%的乳品废水处理厂采用AD作为二级处理。
**3.2 增强资源化潜力的途径**
乳制品废物可通过多种生物精炼途径转化为生物表面活性剂、生物乙醇、生物塑料、生物电力和生物甲烷等产品。例如，从乳清中可产5.72 g/L生物表面活性剂，从乳清渗透液可产0.32 g/g生物乙醇，以及从FOG和污泥混合中可产高达1020 mL/gVS生物甲烷。这些研究表明，AD是资源化利用的核心技术之一。
**4. 乳制品污泥的厌氧消化**
乳制品加工污泥（DPS）的高有机负荷使其适合AD，但高脂肪含量可能抑制微生物。预处理可提高基质生物降解性。相比好氧系统，AD能耗低、污泥产量少且产生可再生生物甲烷。
**4.1 影响AD性能的因素及乳制品污泥处理挑战**
AD性能受底物特性（总固体TS、VS、COD、sCOD、C/N比等）和操作参数（pH、温度、水力停留时间HRT等）影响。乳制品污泥常含有高浓度FOG，其降解产生LCFA，可能抑制产甲烷菌并导致酸化和浮渣层问题。此外，腐殖质可降低水解效率高达40%。缓解策略包括连续混合、稀释和共消化，但仍需先进预处理。
**4.2 提高乳制品废物消化速率和程度的预处理策略**
预处理方法分为物理、化学、生物和物理化学四类。理想的预处理应成本低、可扩展且环境友好。化学法可能产生抑制物并需中和；生物法缓慢；物理法对高水分底物效果有限；物理化学法如蒸汽爆炸能耗高。水力空化（HC）作为新兴方法，通过空化作用破坏污泥结构，提高溶解性和可及性，尤其适用于FOG丰富的DAF污泥。涡旋式HC设备相比其他空化装置（孔板、文丘里管、转子-定子）具有能耗低、不易堵塞和腐蚀等优势。
**4.3 基于水力空化的乳制品废物流AD预处理**
HC预处理通过空化泡溃灭产生的局部高温、高剪切和羟基自由基（OH·）破坏污泥絮体和胞外聚合物（EPS），释放结合有机物，增加sCOD，增强水解。对于FOG丰富的污泥，HC还能破碎脂肪颗粒增大面积，促进脂质降解并减少LCFA抑制。优化操作参数（压降、循环次数）至关重要。研究显示，涡旋式HC处理棕色污泥使甲烷产率提高38.7%，DAF污泥提高37.2%，共消化（棕色与DAF污泥1:1）提高27.7%，与初级消化液共消化提高61%。
**4.4 从乳制品废物中产生生物甲烷**
生物甲烷潜力（BMP）因底物不同差异显著：FOG与市政污泥共消化可达1020 mL/gVS，DAF污泥为551–776 mL/gVS，棕色污泥为271–376 mL/gVS。共消化策略可产生协同效应，如棕色与DAF污泥混合后BMP达343–717 mL/gVS。但研究间差异大，受接种物、底物接种比（S/I）、粒径和操作条件影响，需标准化测试和连续规模验证。
**4.5 消化液的资源化利用**
AD后的消化液富含氮、磷、钾和有机质，可制成堆肥、液体生物肥料，或通过鸟粪石沉淀回收营养物。新兴途径包括生物炭生产、聚羟基脂肪酸酯（PHA）合成、微藻培养和膜分离等。不同技术成熟度不同：堆肥和液体肥料已完全商业化（技术就绪指数TRL 9），营养回收（TRL 7–8）和热化学转化（TRL 5–7）尚需优化。消化液应用需注意氨挥发、磷流失和病原体等风险。
**4.6 乳制品废物流资源化利用的技术经济可行性**
技术经济分析（TEA）评估了HC预处理的经济性。能量消耗主要来自泵送，计算公式为E
pretreatment = (ΔP·n)/(3600·ρ·η) kWh/吨污泥。实验室尺度下，HC预处理棕色和DAF污泥的净能量增益分别为38 kWh/吨和103 kWh/吨，共消化（1:1 VS比）净增益达423 kWh/吨。经济指标显示，甲烷产量提高15%–20%时，投资回收期降至1.7–2.5年，净现值（NPV）和内部收益率（IRR）显著改善（例如20%增强下NPV达645,551 �，IRR 58%）。但规模化受设备成本、操作稳定性和底物变化影响，需进一步验证。
**5. 当前状态总结与展望**
乳制品加工工业产生多种有机废物流，AD是资源化利用的核心技术，但FOG和难降解固体限制了其广泛应用。HC预处理显示出提高污泥解体、溶解和甲烷产量的潜力，尤其结合共消化策略。技术经济分析表明，甲烷产量提高15%–20%时，HC预处理具有良好商业可行性。未来研究需聚焦：过程优化与标准化、底物特定机制理解、放大与反应器设计、系统集成、以及全面的技术经济与生命周期评估。最终实现从乳制品废物中最大化能量和营养回收，推动可持续废物管理。
