猪粪浆与屠宰场废水厌氧共消化的多准则评估：平衡能量回收、卫生化与可持续性

《Environmental Technology & Innovation》：A multi-criteria assessment of pig slurry and slaughterhouse wastewater anaerobic co-digestion: Balancing energy recovery, hygienization and sustainability

　　

摘要：本研究开发了一个多准则框架用于评估厌氧共消化（ACoD）性能。技术、能量、卫生化和可持续性指标被联合评估。水力停留时间（HRT）为10天时，在工艺效率与稳定性之间取得了最佳整体平衡。中温运行有利于能量回收和可持续性，而高温消化则改善了卫生化效果。研究人员将猪粪浆（PS）与屠宰场废水（SWW）按体积比50:50混合，在中温（35°C）和高温（55°C）条件下，于五个水力停留时间（HRT：20、15、10、8和5天）下运行半连续搅拌釜反应器。结果表明，甲烷产量（YCH4）随HRT缩短而降低，高温反应器在较长HRT（≥10天）下产率更高，但在较短HRT（≤8天）下迅速恶化。中温运行表现出更好的工艺稳定性，挥发性脂肪酸（VFA）积累更少且pH值更稳定。高温条件实现了超过99%的大肠杆菌（Escherichia coli）去除率，而中温条件则不足以达到卫生化标准。能量回收评估显示，中温反应器在HRT为10天时净能量产出最高，而高温反应器的能量需求更高，尤其在短HRT下。温室气体（GHG）减排潜力方面，中温反应器在较长HRT下表现更优，而高温反应器在HRT为10天时达到最大减排量。综合多准则分析表明，HRT为10天的中温运行在工艺效率、稳定性、能量回收和可持续性之间提供了最佳平衡。然而，若卫生化是优先目标，则需采用高温条件。

猪粪浆与屠宰场废水厌氧共消化的多准则评估：平衡能量回收、卫生化与可持续性

一、研究背景与科学问题

农业工业废弃物的管理已成为日益突出的环境问题，其高有机负荷对土壤和水体造成污染风险，同时伴随温室气体（GHG）排放。厌氧消化（AD）作为一种有效的废弃物处理与资源化技术，能够实现有机物稳定化并产生沼气作为可再生能源。厌氧共消化（ACoD）通过同时消化两种或多种底物，可改善底物互补性和工艺性能。猪粪浆（PS）与屠宰场废水（SWW）因其高有机负荷和生物降解性，成为特别相关的底物。然而，PS通常具有高氮含量和低碳氮比，易导致氨抑制；SWW富含易生物降解有机物，可能引发快速酸化和挥发性脂肪酸（VFA）积累。现有研究大多侧重于甲烷产量和有机物去除，而对工艺稳定性、病原体削减、能量回收、GHG减排和可持续性的综合评估较少。此外，不同温度模式下的多维度性能权衡尚未在同一实验框架内得到系统比较。因此，本研究旨在建立一个整合多准则评估框架，综合评价PS与SWW共消化在中温（35°C）和高温（55°C）条件下的甲烷产量、工艺稳定性、病原体去除、能量回收潜力和GHG减排效益。

二、主要技术方法概述

本研究采用两个平行运行的连续搅拌釜反应器（CSTR），总容积3 L，工作容积2.7 L，分别控制在中温35°C和高温55°C，机械搅拌转速设定为30 rpm。底物为猪粪浆（PS）和屠宰场废水（SWW），按体积比50:50混合，接种物来自实验室规模半连续厌氧消化器，接种比为80:20（体积比）。系统在五个水力停留时间（HRT：20、15、10、8、5天）下运行，每个条件维持至少三倍HRT以达到稳态。分析方法包括化学需氧量（COD）、总固体（TS）、挥发性固体（VS）、VFA的气相色谱定量、沼气产量和甲烷含量的红外分析，以及微生物学分析（总大肠菌群、大肠杆菌、肠球菌计数和沙门氏菌检测）。能量回收评估基于COD去除率和转换因子估算潜在发电量（EG）和热能回收（TE），GHG减排评估则依据西班牙电网排放因子计算替代传统能源所避免的排放量。此外，还应用了AGREE、BAGI和Path2Green等补充评估工具。

三、研究结果

3.1 甲烷产量（YCH₄）与有机物去除

甲烷产量随HRT缩短而下降。在较长HRT（≥10天）下，高温反应器（TR）的甲烷产量高于中温反应器（MR），其中HRT为20天时TR的YCH₄达到最大值。然而，在较短HRT（≤8天）下，TR的甲烷产量急剧下降，而MR仍保持相对稳定的产气性能。COD去除效率也呈现相似趋势，MR在所有HRT条件下均表现出更稳定的去除性能。

3.2 工艺稳定性

中温运行表现出更好的工艺稳定性。MR的VFA浓度始终较低，pH值维持在适宜范围内（7.0-7.5），未出现明显的酸化现象。相比之下，TR在HRT≤8天时出现显著的VFA积累，尤其是丙酸浓度升高，pH值下降至6.5以下，表明系统面临严重的酸化和潜在的氨抑制风险。VFA与氨氮的相互作用是影响TR稳定性的关键因素。

3.3 病原体去除（卫生化）

高温条件显著提升了卫生化效果。TR实现了超过99%的大肠杆菌（Escherichia coli）去除率，在所有HRT条件下均能将指示微生物浓度降至检测限以下，满足欧盟污泥土地利用的卫生化标准。而MR的病原体去除效率有限，即使在最长HRT（20天）下，大肠杆菌和肠球菌的残留浓度仍超出安全阈值，表明中温条件不足以实现充分的卫生化。

3.4 能量回收与GHG减排

能量回收评估显示，MR在HRT为10天时获得了最高的净能量产出，这得益于其较低的加热需求和稳定的甲烷产量。TR虽然在某些HRT下甲烷产量更高，但其维持高温所需的额外能耗显著降低了净能量收益，尤其在短HRT下，能量投入甚至可能超过产出。GHG减排潜力方面，MR在较长HRT下表现出更高的避免排放量，而TR在HRT为10天时达到最大减排效益，但短HRT下的减排效果显著下降。

3.5 多准则综合评估

综合技术、能量、卫生化和可持续性四个维度的分析表明，HRT为10天的中温运行在工艺效率、稳定性、能量回收和可持续性之间提供了最佳平衡。该条件兼顾了较高的甲烷产量、良好的工艺稳定性、适中的能量回收和较低的运营成本。然而，若卫生化是优先目标，则必须采用高温条件，尽管这会牺牲一定的能量效率和工艺稳定性。

四、讨论与结论

讨论部分指出，本研究的发现强调了在多准则框架下评估ACoD性能的重要性，因为单一指标的优化往往伴随着其他方面的妥协。中温运行更适合追求能量回收和工艺稳定性的场景，而高温运行则是实现充分卫生化的必要条件。研究同时指出，本实验仅在实验室规模下进行，缺乏独立生物重复，且仅评估了一种底物比例（50:50 PS:SWW），限制了结果的普适性。未来研究应在更大规模和更多样化的底物配比下验证这些发现。

研究结论：研究人员提出并应用了一个整合多准则评估框架，用于评价PS与SWW的ACoD性能。结果表明，HRT为10天的中温运行在甲烷产量、工艺稳定性、能量回收和可持续性之间实现了最优平衡。高温运行虽能显著提升卫生化效果，但会降低能量效率和工艺稳定性。该多准则方法为ACoD系统的优化运行提供了全面的决策支持工具，有助于在能量回收、卫生化和可持续性之间做出明智权衡。