1、厨余垃圾残渣与芦笋秸秆协同干式厌氧消化产甲烷研究*吴健1，2，胡念1，华银锋2，3，乐亮亮1，2，陈卫华1，2（1.上海黎明资源再利用有限公司，上海201209；2.上海有机固废生物转化工程技术研究中心，上海200241；3.上海浦东环保发展有限公司，上海200127）【摘要】针对上海市湿垃圾处理厂厨余垃圾残渣及当地芦笋秸秆资源化利用率低的问题，对厨余垃圾残渣与芦笋秸秆协同干式厌氧消化产甲烷进行了批式实验研究。结果表明：当设置 40 g/L 有机负荷（以 VS 计）且各实验组的 C/N 分别为 10.3、13.4、16.5、19.6、22.7 进行厨余垃圾残渣与芦笋秸秆协同干式厌氧实验时，C/
2、N 为 13.4 的实验组获得的最大比产甲烷速率（以 VS 计）最高，为 18.01 mL/（g d），这时芦笋秸秆占整个进料原料的干基质量比为 44.44%。微生物群落结构分析结果表明：各实验组在属水平上主要细菌为 norank_ f_norank_o_norank_c_norank_p_Firmicutes、norank_ f_ST-12K33、Fastidiosipila、norank_ f_Dethiobacteraceae 等；在属水平上主要古菌为产甲烷菌Methanobacterium 和 Methanosaeta，且 C/N 为 10.3 的纯厨余实验组的氢型产甲烷菌 Metha
3、nobacterium 的丰度明显低于其他协同干式厌氧实验组。【关键词】厨余垃圾残渣；芦笋秸秆；协同干式厌氧消化；产甲烷中图分类号：X705；X799.3文献标识码：A文章编号：1005-8206（2023）01-0022-11DOI：10.19841/ki.hjwsgc.2023.01.004Study on Methanogenesis by Dry Anaerobic Co-digestion of Kitchen Waste Residue and Asparagus StrawWU Jian1，2，HU Nian1，HUA Yinfeng2，3，LE Liangliang1，2，CH
4、EN Weihua1，2（1.Shanghai Liming Resources Reuse Co.Ltd.，Shanghai201209；2.Shanghai Engineering Research Center ofBiotransformation of Organic Solid Waste，Shanghai200241；3.Shanghai Pudong Environmental Protection DevelopmentCo.Ltd.，Shanghai200127）【Abstract】To solve the problem of low resourcelization r
5、ate of kitchen waste residue of the wet-type waste treatmentplant and asparagus straw in Shanghai，a batch-scale experimental study on dry anaerobic co-digestion of kitchen wasteresidue and asparagus straw were carried out.The results showed that when the organic loading rates was set for 40 g/L（calc
6、ulated in VS）and the C/N was 10.3，13.4，16.5，19.6，22.7，respectively，the highest maximum specificmethanogenic activity（SMA）reached 18.01 mL/（g d）（calculated in VS）when the C/N was 13.4，and the asparagus strawaccounted for the dry mass ratio of the whole feedstock was 44.44%.The results of microbial co
7、mmunity structure analysisshowed that the main bacteria on the genus level in each experimental group were norank_ f_norank_o_n-orank_c_norank_p_Firmicutes，norank_ f_ST-12K33，Fastidiosipila，norank_ f_Dethiobacteracea-e，etc.The main archaea on genus levelwere Methanobacterium and Methanosaeta，and the
8、 abundance of hydrogen-type methanogens（Metha-nobacterium）in thekitchen waste mono-digestion experimental group with a C/N of 10.3 was significantly lower than that of other dryanaerobic co-digestion experimental groups.【Key words】kitchen waste residue；asparagus straw；dry anaerobic co-digestion；meth
9、ane production1引言按照 GB/T 190952019 生活垃圾分类标志规定，厨余垃圾包括家庭厨余垃圾、餐厨垃圾及其他厨余垃圾。厨余垃圾是城市生活垃圾的重要组成部分，约占60.2%。目前，我国厨余垃圾总产量高达 2.10108t/a，约占全球的 13.1%1-2。常见的厨余垃圾处理方式主要包括厌氧消化、好氧堆肥及饲料化等，其中厌氧消化是应用较为广泛的技术3。厨余垃圾的总固体（TS）一般为 20%30%，属于可生化性较好的有机垃圾，适合采用干式厌氧消化工艺（进料 TS 在 15%40%）进行处*基金项目：华东师范大学上海有机固废生物转化工程技术研究中心 2021年度开放课题（SER
10、C2021C09）收稿日期：2022-05-30；录用日期：2022-06-22第 31 卷第 1 期2023年2月环境卫生工程Environmental Sanitation EngineeringVol.31 No.1Feb.2023理4-5，但厨余垃圾的低pH、低C/N等性质，使得其单独进行干式厌氧消化时会存在因厌氧系统运行不稳定、挥发性脂肪酸累积而导致的系统酸化等问题6-7。我国于 2020年明确提出了 2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”的目标，而厌氧消化反应器的稳定运行对提升厨余垃圾处理厂的碳减排能力与废物回收利用率至关重要8。郝晓地等9的研究结果表明，厌氧消化产沼气相对于其
11、他处置方式在资源回收与碳减排方面优势明显，这就决定了厌氧消化今后在厨余垃圾处置技术中将处于首选位置。而协同干式厌氧消化更具有平衡养分、提高缓冲抑制性物质能力、获得多种微生物协同作用、反应器体积小、容积产气率高、用水量少、加热能耗低等优点10-11。近20年来，国内外针对厨余垃圾厌氧消化的研究仍然集中在底物预处理、协同发酵、防止酸化抑制等，且有越来越多的研究聚焦于厨余垃圾与污泥的协同厌氧消化12。常城等13的研究表明，以剩余污泥和厨余垃圾混合进行共发酵，配比为 14 时产甲烷量（以VS计）最大，为 274.37 mL/g。虽然厨余垃圾与污泥协同发酵的研究较多，但国内外对于将含有丰富木质纤维素物料
12、添加到厨余垃圾中，研究对其厌氧消化产生影响的报道还较少14。Huang等15的最新研究表明，与水稻秸秆协同厌氧消化是将厨余垃圾转换为能源的高效技术，且通过合作模式，水稻秸秆的收运将变得更加容易。我国是世界第一芦笋生产大国，全国种植面积已突破1.0105hm2。邻近浦东的上海市崇明区，芦笋种植面积约 400hm2，年产芦笋废物量约5.0104t。芦笋中茎秆占比约为76.5，目前大部分芦笋秸秆废物采用任其腐烂或就地焚烧的方式，造成了大量资源浪费和环境污染16。据调研，上海全市以厌氧消化为主体工艺的厨余垃圾处理厂的全过程出渣率为20%40%，较高的出渣率造成了厨余垃圾的资源化效率偏低。本实验因地制宜
13、，研究了厨余垃圾残渣（以下简称“厨余残渣”）与上海崇明区芦笋秸秆的协同干式厌氧消化，为进一步提高厨余垃圾与芦笋秸秆的资源化利用效率，促进碳减排提供一种全新的思路。2材料与方法2.1实验原料实验原料主要为厨余残渣及芦笋秸秆。其中厨余残渣来自上海某有机质固废处理厂厨余垃圾预处理厂房出渣间，该残渣主要为厨余垃圾预处理工艺段分选设备的出渣。采集的厨余残渣经过破碎机破碎后低温（4）保存待用。实验用秸秆为芦笋秸秆，取自崇明岛某农产品加工厂，各实验原料的理化性质见表1。2.2分析方法2.2.1常规指标分析方法C、N 元素采用 Flash Smart 元素分析仪测定；TS采用重量法测定；VS（本研究中有机负荷
14、均以VS计）采用灼烧法测定（CJ/T 962013）；pH采用玻璃电极法测定（HJ 11472020 水质 pH 值的测定 电极法）；挥发性脂肪酸（VFA）采用脂化法测定（哈希方法 10240）17；化学需氧量（COD）采用哈希 USEPA 消解比色法测定（哈希方法8000）；氨氮采用哈希水杨酸法测定（哈希方法10023）；总氮采用哈希过硫酸钾消解比色法测定（哈希方法10071）；纤维素、半纤维素与木质素分别采用苏州科铭生物技术有限公司提供的纤维素测试盒（CLL-1-Y）、半纤维素测试盒（BXW-1-G）、木质素（MZS-1-G）测试盒通过微量法进行测定；蛋白质采用Kjeltec 8100半自
15、动凯氏定氮仪测定（GB 5009.52016食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定）；总糖采用分光光度法测定（DB12/T 8472018 饲料中总糖的测定 分光光度法）；脂肪按照GB 5009.62016食品安全国家标准 食品指标TS/%有机质（VS）/%C/%N/%C/N总糖/%蛋白质/%脂肪/%纤维素（以干基计）/（mg/g）半纤维素（以干基计）/（mg/g）木质素（以干基计）/（mg/g）厨余残渣30.453.9175.602.5535.702.573.480.3110.300.8116.530.8419.600.509.530.06243.3012.74芦笋秸秆47.656.7287.
16、202.1032.560.511.430.0522.731.16376.40144.60162.8053.27128.7016.22表 1厨余残渣及芦笋秸秆的理化性质Table1Physical and chemical properties of kitchen wasteresidue and asparagus straw注：除纤维素、半纤维素、木质素以外的所有参数取 3 个平行样计算均值及标准偏差；VS 按照 CJ/T 962013 生活垃圾化学特性通用检测方法中有机质灼烧法进行计算，即以总固体灼烧过程中挥发性物质损失占干物质的百分比计算；纤维素、半纤维素、木质素取 10 个平行样计算均值及标准偏差。吴健，等.厨余垃圾残渣与芦笋秸秆协同干式厌氧消化产甲烷研究 23环境卫生工程2023 年 2 月第 31 卷第 1 期中脂肪的测定中的方法测定。2.2.2微生物多样性分析方法厌氧消化污泥样品的微生物多样性分析（包括DNA提取、PCR扩增及序列测定等）均委托上海美吉生物医药科技有限公司完成。操作步骤如下：采用 FastDNASpin Kit for Soil 试剂盒完成DNA的提取和
