市政污泥與餐廚垃圾混合兩相厭氧消化研究
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張月， 李勇， 郭志偉， 倪海亮， 張洪
（蘇州科技學院環(huán)境學院，江蘇蘇州 215009）
摘要：為了使污泥和餐廚垃圾2類同體廢棄物得到更加資源化處理，將污水廠污泥和餐廚垃圾按TS之比4：1進行混合兩相厭氧消化，研究產(chǎn)甲烷相中不同的投配率對發(fā)酵效果的影響，試驗設(shè)定的3個投配率分別為8%.12%1:1116%。研究結(jié)果表明，產(chǎn)甲烷相中投配率為16%時，系統(tǒng)穩(wěn)定時總的SCOD去除率和總的vs去除率最高，分別74%和88.07%；日產(chǎn)氣量最大，為888.07 mL/(gVS' d);產(chǎn)氣中甲烷的百分含量最高，為74%。因此產(chǎn)甲烷相巾投配率16%是本實驗的最佳投配率。
關(guān)鍵詞：脫水污泥；餐廚垃圾；兩相厭氧消化；產(chǎn)甲烷
餐廚垃圾產(chǎn)生量大，含水率高，有機物豐富，易腐爛變質(zhì)，在運輸和處理過程中會污染周圍環(huán)境。另一方面，由于污水處理量的不斷增加，隨之產(chǎn)生大量污泥。如何能夠在處理餐廚垃圾的同時也能使得剩余污泥得到合理的處置，是實現(xiàn)餐廚垃圾和剩余污泥資源化利用的有效途徑。
有機固廢的厭氧消化技術(shù)是利用微生物降解底物，不僅有較高的處理效率，而且還可以得到生物氣能源和有機肥料。與單相厭氧消化相比，兩相厭氧消化技術(shù)將產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段分別置于2個反應(yīng)器中，分別為產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌提供最適的生存壞境，因此可以獲得更高的沼氣產(chǎn)率和更穩(wěn)定的運行系統(tǒng)。本試驗利用兩相厭氧消化技術(shù)，將污水廠的脫水污泥和餐廚垃圾按TS比4:1進行共發(fā)酵，研究產(chǎn)甲烷相中不同的投配率（每天進料體積占消化器有效容積的百分數(shù)，與HRT互為倒數(shù)關(guān)系）對消化體系日產(chǎn)甲烷量，產(chǎn)氣中甲烷百分比以及對有機物去除率的影響，為優(yōu)化市政污泥與餐廚垃圾混合兩相厭氧消化工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。
1實驗部分
1.1實驗材料
污泥取自蘇州高新區(qū)第一污水處理廠經(jīng)壓濾脫水后的污泥，取回密封保存，每周取一次。餐廚垃圾取自蘇州科技學院石湖校區(qū)第一食堂，包括米飯、蔬菜和肉類，取回經(jīng)撇油處理后用豆?jié){機絞成流體狀于4℃保存，每周制備一次。脫水污泥和餐廚垃圾相關(guān)參數(shù)平均值如表1所示。
1.2 實驗裝置與實驗方法
實驗所用裝置如圖1所示，水解產(chǎn)酸相所用的發(fā)酵罐體積為10 L，有效體積為9L，產(chǎn)甲烷相所用發(fā)酵罐體積為5L，有效體積為3L。消化過程中產(chǎn)生的氣體用集氣袋收集，每次進出料結(jié)束后用集氣袋向發(fā)酵罐內(nèi)充人氮氣2 min，以保證發(fā)酵罐內(nèi)的厭氧環(huán)境。
將脫水污泥和餐廚垃圾按TS之比為4:1投入到水解產(chǎn)酸發(fā)酵罐中，并調(diào)節(jié)含水率為850/,左右，發(fā)酵的水浴溫度為(55±1)℃，攪拌速率為100 r/min，每天進出料一次，待各監(jiān)測指標穩(wěn)定后將出料收集起來，存滿9L后經(jīng)脫氮工藝(出料離心后取上清液，調(diào)節(jié)pH為8左右，絮凝劑(PAM)投加量為12.5 mg/L，吹脫強度為20 L/h，吹脫時間為10 h）吹脫氨氮并調(diào)節(jié)pH后分別投入3個產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐中，并按照試驗設(shè)定的投配率(8%、12%、16%)每天進出料一次，產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐的水浴溫度和攪拌速度和水解產(chǎn)酸發(fā)酵罐相同。
1.3測定指標及方法
VS采用重量法測定；pH值采用雷磁PHS-3E pH計測定；樣品經(jīng)4 000 r/min離心15 min后取上清液用分光光度法測定VFAs和SCOD；產(chǎn)氣量用集氣袋法測；產(chǎn)氣中的甲烷百分比用高性能GC9800氣相色譜儀測。
2結(jié)果與討論
2.1水解產(chǎn)酸相投配率的確定
兩相厭氧消化中水解產(chǎn)酸階段產(chǎn)生的VFAs作為產(chǎn)甲烷反應(yīng)中產(chǎn)甲烷菌利用的底物。水解產(chǎn)酸階段發(fā)酵的時間一方面通過VFAs濃度穩(wěn)定程度來確定，另一方面通過產(chǎn)生的氨氮濃度達到飽和的情況來決定。圖2表示的是水解產(chǎn)酸相靜態(tài)反應(yīng)中VFAs和氨氮濃度的變化，可以看出VFAs濃度在反應(yīng)的第6天達到最高，為4 819.25 mg/L，隨后呈下降趨勢，說明水解酸化程度在第6天達到最高。氨氮濃度在第6天達到飽和，為950 mg/L，此后趨于穩(wěn)定。由于第6天反應(yīng)進入酸化階段，氨氮濃度達到飽和即6d為脫氮最佳時間，故選擇6d為水解產(chǎn)酸時間，即連續(xù)進出料時水解產(chǎn)酸相投配率為16.7%。
2.2不同投配率下pH值的變化
pH是厭氧消化反應(yīng)重要的參數(shù)之一，它對厭氧消化體系的影響從本質(zhì)上來說是對生物體內(nèi)酶活性的影響。圖3表示了消化過程中系統(tǒng)pH值的變化，反應(yīng)開始10 d內(nèi)，由于易降解的餐廚垃圾的水解酸化，水解產(chǎn)酸發(fā)酵罐的pH值降到4.71，此后由于體系產(chǎn)生的VFAs(揮發(fā)性脂肪酸)、氨氮、溶解在發(fā)酵液中的C02等綜合作用，pH值穩(wěn)定在5.2左右，此pH值和Dong-Yeol Lee等研究結(jié)果相近。雖然正常的厭氧發(fā)酵過程中pH有一個自身調(diào)節(jié)過程，但對于兩相厭氧反應(yīng)器，若想獲得更高的產(chǎn)氣率，在物料進入產(chǎn)甲烷相發(fā)酵罐之前需要調(diào)節(jié)pH值，不同投配率的產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐開始時pH值都為7左右，反應(yīng)開始后由于產(chǎn)甲烷菌對環(huán)境有個適應(yīng)的過程，3個產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐中pH值50 d后均穩(wěn)定在8左右，這與一般認為的產(chǎn)甲烷菌有較強活性時的pH值6.5—7.8接近。
2.3不同投配率下VFAs濃度的變化
在厭氧消化產(chǎn)甲烷反應(yīng)中，VFAs是產(chǎn)甲烷代謝過程中的重要中間產(chǎn)物，它的濃度變化可以反映發(fā)酵過程中產(chǎn)酸的速率，當反應(yīng)的產(chǎn)酸速率大于產(chǎn)甲烷速率時，會出現(xiàn)VFAs的積累，使pH降低，抑制產(chǎn)甲烷菌對VFAs的利用，從而加劇了VFAs的積累，使反應(yīng)進入酸積累的惡性循環(huán)。
圖4表示了消化過程中VFAs濃度的變化，可以看出水解產(chǎn)酸發(fā)酵罐中VFAs經(jīng)過一段時間的積累，最終波動穩(wěn)定在10 000mg/L。這是因為水解產(chǎn)酸發(fā)酵罐中的pH在5.0左右，不適合產(chǎn)甲烷菌降解VFAs產(chǎn)生甲烷。
產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐開始時VFAs濃度高于產(chǎn)酸段的VFAs濃度，這是因為物料在產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐中穩(wěn)定了幾天后才開始測樣，這期間產(chǎn)酸發(fā)酵罐中部分沒有完全水解的有機物繼續(xù)水解，導(dǎo)致VFA濃度升高。3個不同投配率的產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐在前45 d處于培訓(xùn)期，VFAs濃度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，穩(wěn)定時濃度為5 000 mg/L左右。產(chǎn)甲烷菌將乙酸、C02、H2等轉(zhuǎn)化為甲烷．一方面解除了產(chǎn)物對產(chǎn)酸菌的抑制作用使得VFAs濃度升高，另一方面產(chǎn)甲烷菌大量利用VFAs產(chǎn)甲烷，當消耗速率大于產(chǎn)生速率時，VFAs濃度就會降低。從圖4可以看出不同的投配率下VFAs的變化趨勢基本一致，且穩(wěn)定時的VFAs濃度也差別不大，但投配率對VFAs達到穩(wěn)定所需的時間有一定的影響，投配率越小，VFAs濃度達到穩(wěn)定所需的時間越短，這可能是因為投配率越小，每天進料中有機物相對較少，其分解轉(zhuǎn)化成供產(chǎn)甲烷菌利用的有機酸也越少，達到穩(wěn)定的時間也相對較短。
2.4不同投配率下SCOD濃度的變化及去除率
有機物在厭氧消化的過程中首先要被水解成可溶性的小分子有機物才能進一步被利用，因此反應(yīng)體系中溶解性有機碳的變化可以很好地反映消化過程中底物被利用的情況。圖5表示了消化過程中SCOD濃度隨時間的變化和各產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐總的SCOD的去除率�？梢钥闯鲈诜磻�(yīng)的前10 d水解產(chǎn)酸發(fā)酵罐中物料的有機物水解速率較快，SCOD濃度逐步升至37 400 mg/L，隨后呈現(xiàn)波動下降的趨勢，最終穩(wěn)定在21 000 mg/L左右。各產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐中SCOD濃度在發(fā)酵前30 d內(nèi)下降速率較快，隨后降低趨勢平緩，可以看出不同投配率下各產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐中SCOD變化趨勢相似，但發(fā)酵30—55 d內(nèi)，整體上發(fā)酵罐中SCOD濃度隨著投配率的增加而降低，最終8%、12%和16%投配率下產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐穩(wěn)定時SCOD濃度分別為11 098、9 509、8 309 mg/L，總的SCOD去除率分別為65.93%、70.81Vo、74.49cV0�？梢�，16%投配率下穩(wěn)定時SCOD濃度最低，總的SCOD去除率最高，這可能是因為投配率越高，每天產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐進料中有機物相對較多，產(chǎn)甲烷菌可利用的底物相對較多，產(chǎn)甲烷菌數(shù)量較多，活性較高，對有機物的去除率較高。
2.5不同投配率下VS去除率的變化
厭氧發(fā)酵過程中有機物被微生物降解會導(dǎo)致反應(yīng)器中物料的VS發(fā)生變化，故用體系中VS的去除率可以很好地反映底物被消耗的程度。圖6表示了消化過程中VS的去除率隨發(fā)酵時間的變化趨勢，可以看出水解產(chǎn)酸發(fā)酵罐中的VS去除率在前10 d升高至51%，隨后穩(wěn)定在47.55%，3個產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐中VS去除率前幾天均降低至32%左右，這是因為產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐中的微生物需要一段時間適應(yīng)，經(jīng)過30 d左右的培訓(xùn)期，這期間各投配率下VS去除率都呈現(xiàn)波動的趨勢，最終穩(wěn)定時8%、12%和16%投配率的產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐中，VS去除率分別為25.06%、33. 71%和40.04%，整個消化中VS去除率分別為72.60%、81.25%和88.07%�？梢�，16%投配率下總的VS去除率最高。
2.6不同投配率下日產(chǎn)氣量的變化
厭氧消化的主要目的是把有機物轉(zhuǎn)化為生物氣能源，物料中單位VS產(chǎn)氣量是評價厭氧消化效率高低的重要指標。圖7表示的是消化過程中每天每消耗1gVS產(chǎn)生的氣體體積，水解產(chǎn)酸發(fā)酵罐在第10天左右出現(xiàn)一個產(chǎn)氣高峰，日產(chǎn)氣量達1 102.76 mL/(gVS -d)，3個產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐的日產(chǎn)氣量第20天和第30天左右出現(xiàn)2個產(chǎn)氣高峰，不同投配率的產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐日產(chǎn)氣量在前40 d的培訓(xùn)期內(nèi)都在波動，最終穩(wěn)定時16%投配率下日產(chǎn)氣量較高，為888.07 mL/( gVS - d)，8%、12%投配率下日產(chǎn)氣量分別為678.94、748.20mL/(gVS-d)。
2.7 不同投配率下甲烷百分比的變化
有機固廢厭氧消化過程中產(chǎn)甲烷菌會利用短鏈脂肪酸或H。和CO。產(chǎn)生甲烷。圖8表示了消化過程中甲烷百分含量的變化，可以看出水解產(chǎn)酸發(fā)酵罐中甲烷百分比一直很低，這是因為水解產(chǎn)酸階段pH值為5左右，不適合產(chǎn)甲烷菌生存。3個產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐產(chǎn)氣成分在剛開始測的時侯甲烷百分比就比較高，這是因為產(chǎn)氣成分是在物料進入產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐幾天以后才開始測。產(chǎn)氣中甲烷百分比在前40 d的培訓(xùn)期呈現(xiàn)波動趨勢，由圖8可以看出穩(wěn)定時16%投配率的產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐產(chǎn)氣中甲烷的百分含量最高，約為74%，8%和12%投配率下甲烷百分比分別為64%和70%左右。
3結(jié)論
pH是厭氧消化過程中的重要參數(shù)，本實驗水解產(chǎn)酸相的pH穩(wěn)定在5.2左右，產(chǎn)酸性能良好；為提供給產(chǎn)甲烷菌一個良好的生存環(huán)境，有必要調(diào)節(jié)產(chǎn)甲烷相的pH，使其維持在6.5—8，有利于產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐的運行。
不同的投配率的VFAs變化趨勢基本一致，且穩(wěn)定時的VFAs濃度也差別不大，維持在5 000 mg/L左右；但投配率對VFAs達到穩(wěn)定所需的時間有一定的影響，8%、12%和16%發(fā)酵罐中VFAs達穩(wěn)定時間約為44、50和54 d。
不同投配率下SCOD濃度穩(wěn)定時所需的時間都是45 d左右，所以投配率對產(chǎn)甲烷反應(yīng)達到穩(wěn)定所需的時間影響不大；但投配率對穩(wěn)定時的SCOD濃度及總的SCOD去除率有一定影響。投配率為8%、12%和16%時，穩(wěn)定時SCOD濃度分別為11 098、9 509、8 309 mg/L，總的SCOD去除率分別為65.93%、70.81%、74.49%。
VS的去除率隨著投配率的增加整體呈升高趨勢，最終穩(wěn)定時8%、12%和16%投配率的產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐中VS去除率分別為25.06%、33.71%和40.04%．整個消化中VS去除率分別為72.60%、81.25%和88.07%。
不同投配率對產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐日產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣中甲烷的百分含量都有一定影響。投配率為8%、12%和16%時，日產(chǎn)氣量分別678.94、748.20和888.07mL/( gVS -d)，產(chǎn)氣中甲烷的百分含量分別為64%、70%和74%。
脫水污泥和餐廚垃圾TS比為4:1進行混合兩相厭氧消化時，16%的投配率是產(chǎn)甲烷相的最佳投配率，在此投配率下，產(chǎn)甲烷相穩(wěn)定時總的SCOD去除率和總的VS去除率最高，分別74%和88.07%，日產(chǎn)氣量最大，為888.07 mL/( gVS -d)，產(chǎn)氣中甲烷的百分含量最高，為74%。
