据统计，我国每年餐厨垃圾产量约为9 000万t^[1]，由于餐厨垃圾富含有机物，含水率高、易生化降解，容易散发恶臭^[2-4]，厌氧消化技术能在处理废物的同时回收能源，被广泛用于餐厨垃圾处理^[5]，且两相厌氧消化工艺是其中具代表性的一项工艺。两相厌氧消化工艺通过人为分离的方式将产酸菌和产甲烷菌分开培养，保证了产酸菌和产甲烷菌的生长和代谢均达到最佳状态^[6-7]，其产气性能和抗冲击负荷的能力都要优于单相厌氧消化工艺^[8]。当产甲烷相进料负荷较高时，产酸相中产生的挥发性脂肪酸在产甲烷相中不能及时被产甲烷菌代谢，会引起酸抑制，导致甲烷相系统运行失败^[9]。郭燕锋^[10]等研究了有机负荷对餐厨垃圾单相厌氧发酵的影响，结果表明，在常温下有机负荷控制在3.89~6.49 kg·m^–3·d^–1时，可达到较高的原料产甲烷率和稳定的产甲烷过程。然而夏元亮等^[11]则发现，当有机负荷提高至3.5 kg·m^–3·d^–1时，沼气产量及产气率下降，厌氧消化过程受到抑制。吕琛等^[12]研究了果蔬和餐厨垃圾混合进行两相厌氧消化特性，结果表明，当进料负荷(以挥发性固体物含量计，下同)为5 g·L^–1·d^–1时，甲烷相的日产气量迅速下降，厌氧发酵因进料负荷过高而导致失败。在两相厌氧消化工艺运行中，餐厨垃圾经过预处理(打浆)后，需要加水稀释，然后进入产酸相，用水量较大，增加了生产成本和后续沼液处理成本^[13]。为了降低运行成本，同时为厌氧系统提供具有活性的菌群，可以将产甲烷相的沼液作为过程水回流至产酸相，调整浆液的总固体含量。郝丽萍等^[14]研究了回流对蔬菜花卉类废物两相厌氧消化的影响，结果表明，回流可以缓冲pH和发酵产物浓度的迅速变化，有利于水解的稳定运行和提高水解环境中的微生物量。王星等^[15]研究了消化液回流比与有机负荷对餐厨垃圾厌氧消化的影响，结果表明，系统在较低负荷运行时，回流比的提高使系统的产气率有明显的增加，当OLR为9.93、14.90和19.86 g·L^–1·d^–1时，回流比从0提高到60%，可使各消化系统的产气率分别从108.45、112.70和119. 14 mL·g^–1提高到136.29、133.14和124. 65 mL·g^–1。目前国内对餐厨垃圾的沼液回流研究文献较少^[16-17]，尤其是不同有机负荷和回流比对餐厨垃圾两相厌氧消化特性的影响研究更少^[18]，从而限制了该工艺在工程上的应用。本文以餐厨垃圾为原料，设置不同有机负荷和回流比，考察两者对甲烷产率和两相厌氧消化特性的影响，从而探索餐厨垃圾两相厌氧消化有机负荷和回流的最优参数，为餐厨垃圾沼气工程高效运行和过程控制提供参考。

1 材料与方法 1.1 试验材料

餐厨垃圾：取自华南农业大学莘园饭堂，人工去除骨头、筷子、塑料袋等杂物，机械打浆，于冰柜(4 ℃)中保存，其理化性质如表1所示。

接种液：以佛山市瀚蓝环保餐厨垃圾处理厂的两相厌氧消化工艺中的产甲烷罐出水作为接种液，将取得的接种液放置在(35±1) ℃水浴锅中，培养至产气不再增加后使用，目的是消除接种液中原有底物对试验造成的误差，其理化性质如表1所示。

1.2 试验装置

试验共设置4组装置，每组装置由产酸相和产甲烷相组成，产酸相和产甲烷相均放置在恒温培养箱(35 ℃)中，如图1所示。反应器由大口瓶、吸收瓶、量筒、胶塞及乳胶软管连接组成，顶部设置有漏斗状进料口，进料玻璃管插到沼液液面以下，以保证进料时保持良好厌氧状态，底部设置出料口，产酸相有效容积0.3 L，产甲烷相有效容积0.4 L。收集软管通过培养箱排气孔穿出，连接箱外的吸收瓶，消化过程产生的气体经乳胶软管进入吸收瓶，同时将等体积的质量分数为3%的NaOH溶液压入量筒，其中CO₂、H₂S等酸性气体和水蒸气易溶于碱液，即经过吸收瓶后，排入量筒的液体体积即为所产甲烷气体体积^[19]。

1.3 试验设计

试验的产酸相的有机负荷设置为11.33 g·L^–1·d^–1，产甲烷相的有机负荷设置4个水平，分别为2.13、4.25、6.38和8.50 g·L^–1·d^–1，回流比^[17](每日回流产甲烷相沼液体积/每日产酸相进料体积 )分别设为0、10%、30%和50%，即产甲烷相出水回流至产酸相中，分别记为CK、T1、T2和T3，具体如表2所示。在产酸相中分别加入150 g餐厨垃圾、50 g接种液、100 g蒸馏水，控制总固体物(TS)质量分数为10%左右；在产甲烷相中装入300 g接种液和100 g蒸馏水。产酸相厌氧消化3 d后，开始进出料。每天早上08:00，手动摇晃反应器，将产甲烷相的发酵液混匀，按有机负荷对应进料体积出料，并取对应体积的产酸相发酵液进入到产甲烷相中。随后按有机负荷取相应量的餐厨垃圾，加蒸馏水和对应的产甲烷相发酵液稀释至出料体积，加入到产酸相中，具体发酵液回流体积按照设置的回流比计算。产酸相和产甲烷相第1次进料后通氮气1 min，以保持厌氧环境。每天检测产酸相和产甲烷相的pH、产气量、挥发性脂肪酸(VFA)、氨氮和化学需氧量(COD)。

1.4 分析方法

日产气量测定采用排水集气法，每日收集并记录体积；pH采用奥豪斯3100/F型pH计测定；VFA含量测定采用分光光度法^[20]；氨氮含量测定采用纳氏试剂分光光度法；COD测定采用快速密闭消解法^[21]。试验所得数据应用SPSS软件进行分析，应用Origin 9.0做图。

2 结果与分析 2.1 回流对产酸相的影响

pH是厌氧消化过程中的重要参数，产酸菌对酸碱度的适应范围较广，一般在4.5~8.0之间^[22]。如图2所示，产酸相启动后开始进出料和回流，在整个试验过程中，各处理的pH波动较大，但整体的pH趋势为：T3>T2>T1>CK。这是因为沼液呈微碱性，回流后补充了碱度和厌氧微生物进入产酸相，增强了系统的缓冲能力。虽然T1~T3处理回流了部分沼液到产酸相中，但产甲烷菌最佳生长条件是pH6.8~7.4^[23]，酸性条件下，抑制了产甲烷菌的活性，但有利于产酸菌的生长代谢。最后，CK、T1、T2和T3的pH分别基本稳定在3.6、3.8、3.9和4.1左右，说明在有机负荷为11.33 g·L^–1·d^–1条件下，沼液的回流对餐厨垃圾产酸相的pH变化有一定的缓冲作用，且随着回流量的增加，缓冲能力增强。

VFA是厌氧消化过程中大分子有机物水解酸化的产物，同时也是产甲烷菌所利用的底物，其浓度反映了厌氧消化系统酸化进行的程度^[13]。如图3A所示，在产酸相启动阶段过后，各处理的VFA浓度都迅速上升，并在第7天达到稳定，整个试验阶段，CK、T1、T2和T3的VFA平均质量浓度分别为10 634.41、11 598.48、12 998.41和14 967.64 mg·L^–1，如图3B所示，T1、T2和T3处理的VFA质量浓度与CK差异达到显著水平，T1、T2和T3处理的VFA质量浓度分别比CK提高了的9.06%、22.23%和40.74%，说明产甲烷相的沼液回流对餐厨垃圾产酸相的酸化有明显的促进作用，提高VFA的产量，但回流比较低时则不明显。

2.2 有机负荷与回流对产甲烷相的影响 2.2.1 有机负荷与回流对产甲烷相产气量的影响

图4为有机负荷与回流对产甲烷相消化过程中产气量的影响。第1~20天，产甲烷相的有机负荷较低(2.13 g·L^–1·d^–1)，进入产甲烷相的消化液较少，系统有机碳源不足，而微生物利用碳源进行细胞增长，导致各处理的平均日产气量均较低，CK、T1、T2和T3的平均日产气量分别为353.84、358.68、359.10和360.11 mL，不同的回流比对产气量的影响并不明显；第21~40天，各处理的产气量随着有机负荷的提高(4.25 g·L^–1·d^–1)而提高，CK~T3处理的平均日产气量分别为721.50、735.35、765.05和731.85 mL，可以看出T2处理(回流比30%)的日产气量略高于其他处理；第41~60天，产甲烷相的有机负荷提高至6.38 g·L^–1·d^–1，此阶段CK~T3各处理的日产气量分别为1 149.15、1 194.45、1 199.1和1 211.6 mL，T1、T2和T3处理的产气量分别比CK提高了3.94%、4.34%和5.43%，可以看出产气量随着回流比的提高而有一定的提高；第61~80天，产甲烷相的有机负荷为8.50 g·L^–1·d^–1，CK和T1产甲烷相的日产气量呈现先提高后下降的趋势，而T2和T3的日产气量则较稳定，并未出现明显的下降趋势，CK~T3各处理的平均日产气量分别为1 260.20、1 360.25、1 504.60和1 645.70 mL，T1、T2和T3分别比CK提高了7.94%、19.39%和30.58%，回流对产甲烷相的日产气量影响差异明显。整个试验过程中，CK、T1、T2和T3的累积产气量分别为69.11、72.91、76.31和77.58 L，T1、T2、T3比CK分别提高了5.49%、10.40%和12.25%，产甲烷相的产气量随有机负荷的提高而提高，在高有机负荷条件下(8.50 g·L^–1·d^–1)，回流可以维持系统的稳定，且50%回流比的效果最明显。

图5A为不同处理的产甲烷相在不同有机负荷下的平均负荷产气量的变化，负荷产气量可以有效地反映出系统内微生物对有机物的利用程度^[24]。由图5A可以看出，在中低负荷条件下(2.13~6.38 g·L^–1·d^–1)，CK~T3各处理的平均负荷产气量(以挥发性固体物含量计，下同)随着负荷的提高而提高，但差异并不明显，分别从416.03、421.72、422.22和423.41 mL·g^–1提高至为450.38、468.13、469.95和474.85 mL·g^–1；第61~80天，产甲烷相的有机负荷提高至8.50 g·L^–1·d^–1，可以看出CK和T1处理的平均负荷产气量呈迅速下降趋势，而T2处理的下降幅度较低，T3处理的平均负荷产气量随负荷的提高而提高。这是因为在高有机负荷条件下，一方面，产甲烷菌不能及时将进入产甲烷相的VFA转化成沼气，造成有机酸大量累积，抑制了产甲烷菌的活性；另一方面，水力停留时间减少，菌体流失较多，而产甲烷菌繁殖速度较慢，导致系统的消化能力下降。沼液回流与餐厨垃圾混合后，不仅减少了进料对系统局部的冲击^[16]，而且补充产甲烷菌进入产甲烷相，提高了系统的消化能力，因此回流比为50%时，产甲烷相能抵抗高有机负荷的冲击，保持系统的稳定。如图5B所示，在产甲烷相的有机负荷为8.50 g·L^–1·d^–1时，CK、T1、T2和T3的平均负荷产气量分别为374.41、402.70、445.46和486.14 mL·g^–1，T3处理明显高于其他处理，且差异显著，较CK、T1和T2分别提高了29.84%、20.80%和9.13%。综合产气量和负荷产气量的变化，产甲烷相在低有机负荷时，产气量低，产甲烷菌活性不高；高有机负荷又容易造成VFA累积，产气量下降；在不回流或者回流比较低(10%)的情况下，产甲烷相的最适有机负荷为6.38 g·L^–1·d^–1，在回流比为50%的条件下，产甲烷相的最适有机负荷可以提高至8.50 g·L^–1·d^–1。

2.2.2 有机负荷与回流对产甲烷相稳定性的影响

VFA和氨氮既为微生物的生长提供碳源和氮源，又作为产甲烷相的缓冲剂，调节pH，维持微生物生长的生理环境，因此是表征厌氧消化系统稳定性的重要指标^[25]。图6为不同处理的产甲烷相在不同负荷条件下的消化液VFA质量浓度的变化。在中低负荷条件下(2.13~6.38 g·L^–1·d^–1)，各处理的VFA质量浓度随着负荷的提高从360 mg·L^–1逐渐提高至900 mg·L^–1左右，系统运行良好；在高负荷时(8.50 g·L^–1·d^–1)，CK和T1的VFA质量浓度迅速上升，且远超产甲烷相正常运行VFA的上限质量浓度3 000 mg·L^–1[26]，同时日产气量和负荷产气量也开始下降(图4、图5)，系统已经出现酸抑制现象；而T2处理随有机负荷的提高，VFA质量浓度也上升至2 600 mg·L^–1左右，接近酸抑制浓度，系统稳定性一般；T3处理的VFA质量浓度稳定在2 000 mg·L^–1左右，系统稳定性较好。

如图7所示，在中低负荷条件下(2.13~6.38 g·L^–1·d^–1)，各处理的氨氮质量浓度随着负荷的提高，从1 100 mg·L^–1而逐渐提高至1 500 mg·L^–1左右，这是因为餐厨垃圾中含有大量的蛋白质，厌氧消化过程中，蛋白质水解为氨基酸，并进一步被转化为氨氮，但厌氧消化对氨氮去除效率并不高，因此系统在长时间的运行过程中，氨氮逐渐累积。在高负荷时(8.50 g·L^–1·d^–1)，各处理的氨氮质量浓度迅速上升，且上升速度T3>T2>T1>CK，CK~T3各处理的氨氮分别上升至2 297.14、2 413.77、2 528.55和2 682.85 mg·L^–1，但一般认为，氨氮质量浓度不超过1 500 mg·L^–1时，不会对厌氧消化过程有明显的抑制作用，超过3 000 mg·L^–1才会产生抑制作用^[27-28]。可以看出，在高有机负荷下，产甲烷相的氨氮含量随回流比的增大而上升，但试验全程的氨氮含量未达到抑制上限，未发生氨氮抑制现象。

图8为不同处理的产甲烷相的消化液COD变化情况。在低中有机负荷条件下(2.13~6.38 g·L^–1·d^–1)，产甲烷菌能迅速将有机物转化为甲烷，保持系统的稳定，此时各处理的产甲烷相COD均比较低，稳定在2 000~3 000 mg·L^–1，CK~T3各处理的平均COD去除率分别为90.31%、90.49%、91.62%和90.50%；在高负荷时(8.50 g·L^–1·d^–1)，CK和T1产甲烷相的COD迅速上升，而T2和T3的COD缓慢上升，CK~T3各处理的COD平均为5 478.76、4 842.97、3 426.17和3 040.27 mg·L^–1，各处理的平均COD去除率分别下降至78.40%、81.67%、87.35%和89.32%。这是因为高有机负荷时，CK和T1处理的产甲烷相不能将小分子有机物及时转化为甲烷，使有机物累积，但适当的回流可以提高系统的缓冲能力，维持系统的产气效率。

3 讨论与结论

有机负荷，即反应器在厌氧消化过程中单位时间单位容积内所消化的挥发性有机物量，它反映了消化底物和微生物的关系，是影响厌氧消化工艺运行的关键因素。Pavan等^[29]对蔬菜水果的单相与两相厌氧消化进行了研究，结果表明，单相发酵在有机负荷为3.3 kg·m^–3·d^–1时发生酸抑制，而两相厌氧消化的有机负荷提高至7.0 kg·m^–3·d^–1，未产生酸抑制；钟起隆等^[30]研究发现餐厨垃圾产酸相的OLR为10 g·L^–1·d^–1时，VFA含量平均为55 000 mg·L^–1，产甲烷相的有机负荷为5 g·L^–1·d^–1时，原料产气率为2.3 L·L^–1·d^–1，CH₄含量在65%~70%之间，系统运行良好；张妍等^[31]对餐厨垃圾两相厌氧消化工艺进行了研究，结果表明，产甲烷相在有机负荷为 4.33、5.45、7.33、7.40、10.85和11.40 kg·m^–3·d^–1时均顺利运行，沼气平均产率为463 mL·g^–1，COD平均去除率可达85 %。在本研究中，产甲烷相在有机负荷为2.13~6.38 g·L^–1·d^–1时，均保持稳定运行，与以上结果一致；但当产甲烷相有机负荷提高至8.50 g·L^–1·d^–1时，系统出现酸抑制现象。

有研究表明，沼液回流可以提高单相和两相厌氧消化系统的产气量和产气效率^[16-17]，且可以提高产酸相的缓冲性能^[32]，但回流量过高时，容易造成系统氨氮和丙酸累积^[33]；董晓莹^[34]研究回流对蔬菜废弃物两相厌氧消化系统的影响，结果发现25%的沼液回流比对两相厌氧系统的影响效果最佳。而在本研究中，沼液回流在产甲烷相的有机负荷为2.13~6.38 g·L^–1·d^–1条件下，对产甲烷相的产气效果及缓冲作用并不明显；但在高负荷的条件下(8.50 g·L^–1·d^–1)，沼液回流比为30%~50%时，显著地提高了产甲烷相的产气量与缓冲能力，维持了产甲烷菌的适宜生长环境。因此将餐厨垃圾两相厌氧消化中产甲烷相的沼液作为过程水回流至产酸相，既可以减少后续的沼液处理负荷和处理成本，又可以促进两相厌氧消化的产酸量和产气量，提高经济效益。但沼液长期回流对产酸菌、产甲烷菌的影响仍有待研究。

综上所述，餐厨垃圾两相厌氧消化过程中，沼液不回流时，产甲烷相的最适有机负荷为6.38 g·L^–1·d^–1，继续提高有机负荷，系统会产生酸抑制现象；当沼液回流比为50%时，产甲烷相的最适有机负荷可以提高至8.50 g·L^–1·d^–1，系统可以保持稳定运行。