41 / 2023-04-30 19:08:01

电化学预处理强化剩余污泥-餐厨垃圾厌氧共发酵产酸效能及机制

剩余污泥；餐厨垃圾；电化学预处理；厌氧共发酵；挥发性脂肪酸

随着我国剩余污泥和餐厨垃圾年产量的增长，对其合理高效的处置变得尤为重要。厌氧共发酵因工艺优势明显，固废稳定化效果显著，高效回收高附加值产物，如挥发性脂肪酸（Volatile fatty acids，简称VFAs），被认为是处置剩余污泥和餐厨垃圾的首选策略。然而，厌氧共发酵工艺仍存在一些局限，如有机质水解和生物转化率有待提高，物料配伍研究不足，以及降碳增效的途径不明晰等。近年来，电化学预处理对有机质的解离作用能有效提高厌氧发酵效率，引起了众多学者的关注。因此，本文以提高厌氧发酵产物VFAs产量为目标，分析了电化学预处理强化厌氧共发酵工艺的可行性，探究了电化学预处理强化厌氧共发酵产VFAs工艺的关键影响因素（预处理电压、物料配比和电极材料），评估了电化学预处理强化厌氧共发酵工艺及产物的应用，以及揭示了相关的潜在机理。

（1）探究了电化学预处理强化剩余污泥-餐厨垃圾厌氧共发酵产酸工艺的可行性。采用5.0 V的电压对餐厨垃圾比例为50%的混合基质预处理60 min，然后进行15天的厌氧发酵。结果表明电化学预处理将餐厨垃圾中氯离子转化的活性氯化物（Reactive chlorine species，简称RCS）显著促进剩余污泥-餐厨垃圾的解离，同时也提高了有机物的可生物降解性。虽90%RCS因混合基质解离而消耗，但仍有少量RCS残留发酵体系，且残余RCS是引起微生物群落变化的关键，对产酸菌的筛选和富集作用以及对产甲烷菌的抑制作用，导致产酸菌（Prevotella_7, Lactobacillus和Veillonella）成为优势菌，为厌氧共发酵VFAs产量的提高垫定了基础，为549.1 ± 1.5 mg COD/g VSS，比对照组提高了40.8%，证明了电化学预处理强化厌氧共发酵产酸工艺的可行性。

（2）探究了不同电压（0 V、5 V、10 V和15 V）和物料配比（餐厨垃圾比例为0%、25%、50%、75%和100%）对电化学预处理和厌氧共发酵过程的影响。结果表明60 min电化学预处理过程，预处理电压和餐厨垃圾比例的增加都有助于混合基质的解离。在16天厌氧发酵期间，适量残余RCS（4.4~14.5 mg Cl₂/L）在发酵初期会对产酸菌、水解酶以及产酸酶活性表现抑制作用，而在发酵中、后期对其表现促进作用，尤其是Prevotella_7的相对丰度从发酵前期小于2%增长到发酵后期70%，水解酶和产酸酶的相对活性从发酵前期为小于85.6%~89.2%增长到发酵后期的135%~176.6%。而过量残余RCS（> 14.5 mg Cl₂/L）会导致所有发酵菌和关键酶在整个发酵周期内被抑制。通过比较，预处理电压和餐厨垃圾比例分别为5 V和75%的条件最优，厌氧共发酵VFAs产量最高，为476.9 ± 6.3 mg COD/g VSS，比对照组提高了78.6%。

（3）在预处理电压和物料配比为最优条件下，探究了不同金属氧化物涂层电极（Ti/PbO₂、Ti/IrO₂-Ta₂O₅、Ti/SnO₂-RuO₂和Ti/IrO₂-RuO₂）强化厌氧共发酵产酸的效果。结果表明金属氧化物涂层电极产生的RCS和单线态氧（¹O₂）都会促进混合基质的解离。但RCS和¹O₂的作用不同，RCS主要促进溶解性有机物总量提高，而¹O₂主要促进有机质的可生物降解性改善。在16天厌氧发酵期间，适量残余RCS在衰减期间（2~4天）会对优质产酸菌筛选和富集。如Prevotella_7的相对丰度在发酵初期较低（< 1%），而在发酵中、后期成为了优势菌（53%~78%）。这些产酸菌利用¹O₂提高的可生物降解性的有机质，从而提高了VFAs产量。通过比较，电极材料为Ti/IrO₂-Ta₂O₅的厌氧发酵组VFAs产量最高，为545.5 ± 36.0 mg COD/g VSS，比对照组提高了101.8%。

（4）在预处理电压和物料配比为最优条件下，探究了电化学预处理强化厌氧共发酵工艺及其产物的应用。结果表明产物VFAs作为反硝化除磷系统的碳源，除磷率提高了11.6%，反硝化速率提高了16.7%。系统中聚糖菌Candidatus_Competibacter降低了86.6%，而聚磷菌Tetrasphaera和Dechloromonas分别增加了24.9%和135.1%，改善了脱氮除磷系统。电化学预处理会产生典型氯代副产物，浓度范围为40.1~525.1 ug/L，但是会在后续的厌氧发酵过程中代谢降解，降解率达到了81.6%~99.9%。通过经济分析，电化学预处理强化厌氧共发酵工艺的经济效益是对照工艺的5.77倍。因此，电化学预处理强化厌氧共发酵工艺具有良好的实用性、安全性和经济性。

综上所述，电化学预处理可以有效地强化剩余污泥-餐厨垃圾厌氧共发酵的产VFAs的效能，为剩余污泥和餐厨垃圾等有机固废资源化程度提高提供了新的策略。