不同污泥含固率的高溫微好氧一中溫厭氧消化工藝研究
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戴雅， 程潔紅
(江蘇省電子廢棄物工程中心，江蘇理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇常州2130001)
摘要：為探討城市污泥高溫微好氧一厭氧兩級(jí)消化耦合工藝( TAD-MAD)中CH4產(chǎn)氣情況，考察了不同污泥含同率條件下TAD-MAD工藝中的pH、總堿度、VSS去除率、揮發(fā)性脂肪酸(VFA)和沼氣產(chǎn)量以及沼氣中CH．含量，并與中溫厭氧消化工藝(MAD)進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明，在未調(diào)節(jié)污泥初始pH的條件下，在消化過程中污泥pH能維持在6.5—7.8之間，適宜甲烷菌生長。TAD-MAD工藝中高溫微好氧消化2d，VFA含量大幅度增加，最高為8 524.70 mg/l，有利于后續(xù)中溫厭氧消化產(chǎn)甲烷。TAD-MAD工藝系統(tǒng)中累積單位VSS烷產(chǎn)氣量和CH4含量均高于MAD工藝。TAD-MAD工藝最佳進(jìn)泥TSS為7.12n/0，污泥經(jīng)過24 d的消化，vss去除率能達(dá)到40%，而MAD的VSS去除率僅為35.12%。TAD-MAD工藝?yán)鄯e單位VSS甲烷產(chǎn)氣量為116.56 m1/gVSS，超過MAD的85.72 m1/gVSS。且TAD-MAD工藝產(chǎn)甲烷持續(xù)時(shí)問較MAD_丁藝長，CHt含量總體高于MAD工藝，表明TAD-MAD工藝在VSS去除、甲烷產(chǎn)氣量和甲烷含量方面均優(yōu)于MAD 工藝。
關(guān)鍵詞：城市污泥； 甲烷； 自熱式高溫微好氧消化； 中溫厭氧消化
自熱式高溫微好氧消化技術(shù)(autotherma1 ther-mophi1ic aerobic digestion，ATAD)是一種高效的生物穩(wěn)定化、無害化處理方法，與傳統(tǒng)好氧消化技術(shù)相比，具有反應(yīng)速率快，停留時(shí)問短，有機(jī)物去除率高，病原微生物滅活效果好，運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，處理后污泥達(dá)到我國各類指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)和美國EPA的503條款的A級(jí)污泥標(biāo)準(zhǔn)。本課題組在前期做過大量ATAD方面的研究，并自主研發(fā)了ATAD中試裝置，取得較好的運(yùn)行效果。但同時(shí)具有消化后污泥脫水性能變差、在微好氧條件下產(chǎn)生大量VFA的特點(diǎn)。好氧消化工藝不能產(chǎn)生甲烷等能源
氣體，只是對(duì)污泥進(jìn)行穩(wěn)定化、無害化處理。因此，本課題組在國內(nèi)外已有的高溫好氧／中溫厭氧消化工藝運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，針對(duì)我國城市污泥的特點(diǎn)，自主開發(fā)具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型高溫微好氧一厭氧兩級(jí)消化( TAD-MAD)工藝，利用了ATAD工藝能快速降解VSS的優(yōu)勢，同時(shí)又利用了MAD工藝能產(chǎn)生甲烷氣體、污泥量少、消化后污泥脫水性能好的特點(diǎn)。且ATAD工藝產(chǎn)生的高溫，不僅有利于后續(xù)MAD工藝進(jìn)一步去除病原菌，而且節(jié)省MAD工藝的外加能源。
本文采用TAD-MAD工藝處理城市污泥，通過序批式運(yùn)行，先按照前期中試ATAD裝置升溫模式，進(jìn)行高溫微好氧消化，再進(jìn)行中溫厭氧消化反應(yīng)。在2種不同進(jìn)泥含固率的條件下，考察了污泥的pH、總堿度、VSS去除率、VFA、沼氣產(chǎn)量以及沼氣中CH4含量情況，并與MAD工藝進(jìn)行對(duì)比，探討TAD-MAD工藝的運(yùn)行效果和產(chǎn)氣率，為今后污泥處理提供TAD-MAD工藝生物產(chǎn)氣運(yùn)行數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。
1 試驗(yàn)材料與方法
1.1 試驗(yàn)用污泥
試驗(yàn)用城市污泥取自江蘇省某中小型污水處理廠的剩余污泥。該污水處理廠采用前置預(yù)缺氧池的A+A2/0工藝處理城市生活污水，剩余污泥中含有大量可降解有機(jī)物，且重金屬含量低，適宜用于生物消化處理。將取回的污泥先用100目篩網(wǎng)過篩去除大顆粒物和毛發(fā)，然后調(diào)節(jié)污泥含固率，備用。污泥成分見表1。試驗(yàn)用的接種泥分別取自事先在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的高溫微好氧消化和中溫厭氧消化污泥，這些污泥中含有實(shí)驗(yàn)所需的高溫微好氧消化菌以及厭氧菌。
1.2 試驗(yàn)裝置
本研究采用自制的試驗(yàn)裝置（見圖1），主體反應(yīng)器（有效容積為21）置于恒溫振蕩水浴鍋中，采用水浴加熱的方法控制反應(yīng)器的溫度。試驗(yàn)過程中每日產(chǎn)生的消化氣采用排水法收集后排出進(jìn)行分析。
1.3 試驗(yàn)啟動(dòng)和運(yùn)行
(1)反應(yīng)器啟動(dòng)：實(shí)驗(yàn)室分別馴化消化良好的高溫微好氧消化污泥和中溫厭氧消化污泥作為實(shí)驗(yàn)中的接種泥。
(2)反應(yīng)器運(yùn)行：TAD-MAD工藝是將過篩后的污泥和高溫微好氧消化接種泥混合后，先進(jìn)行ATAD反應(yīng)，經(jīng)過高溫微好氧消化預(yù)處理后的污泥則作為反應(yīng)器進(jìn)泥，與一定量MAD接種泥混合后，一次性加入反應(yīng)器中進(jìn)行MAD反應(yīng)，MAD過程中不再投加新泥也不排泥，即采用一次加泥連續(xù)消化的方式，對(duì)污泥的消化過程中產(chǎn)生的消化氣進(jìn)行產(chǎn)氣潛力研究。MAD工藝是將過篩后的污泥和MAD接種泥混合后，也采用一次加泥連續(xù)消化的方式，直接進(jìn)行MAD反應(yīng)。
(3)反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)：高溫微好氧階段接種泥約占總污泥體積量的1/3，高溫微好氧消化2d，高溫微好氧消化溫度55℃；中溫厭氧消化階段接種泥約占總污泥體積量的1/3—1/2，中溫厭氧消化24 d，中溫厭氧消化溫度35℃。實(shí)驗(yàn)中采用高(TSS=7%)、低(TSS=4%~5%)2種含固率污泥，研究TAD-MAD系統(tǒng)和MAD系統(tǒng)中pH、總堿度、VSS去除率、VFA和沼氣產(chǎn)量以及沼氣中CH4含量的變化情況。
1.4 分析項(xiàng)目和方法
pH采用雷磁PHS-3C測定儀測定；TSS、VSS采用重量法測定；VFA采用蒸餾后滴定的方法測定；堿度采用滴定法測定；每日產(chǎn)氣量采用排水法測定；消化氣成分采用島津GC2014氣相色譜儀測定。色譜條件：柱溫50℃，平衡時(shí)間0.1 min，恒溫分析10 min，TCD檢測器100℃。
2 試驗(yàn)結(jié)果和討論
2.1VSS去除率
試驗(yàn)采用高(TSS=7%)和低(TSS=4%~5%)2種進(jìn)泥含固率，考察了TAD-MAD系統(tǒng)和MAD系統(tǒng)中vss去除效果，結(jié)果見圖2。
由圖2可以看出，TAD-MAD工藝污泥VSS去除率比MAD工藝的要高�！冻擎�(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》( GB 18918-2002)中規(guī)定：污泥經(jīng)厭氧消化處理后有機(jī)物去除率應(yīng)不小于40%。依此標(biāo)準(zhǔn)，高含固率TAD-MAD系統(tǒng)運(yùn)行20 d，污泥能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，而中溫厭氧消化24 d，系統(tǒng)VSS去除率仍小于40%。前期ATAD研究結(jié)果顯示，ATAD工藝具有VSS去除率高、消化時(shí)間短的特點(diǎn)，消化反應(yīng)10 d時(shí)VSS去除率可達(dá)44.3%，但同時(shí)ATAD工藝不能產(chǎn)生甲烷等能源氣體，只是對(duì)污泥進(jìn)行穩(wěn)定化、無害化處理。因此，TAD-MAD工藝運(yùn)行效果更好，大大縮短中溫厭氧消化時(shí)間，提高VSS去除率。此外，從結(jié)果看，TSS為7.12%的污泥達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間比5.22%要短，因此消化時(shí)采用7.12%的含固率較好。
2.2 系統(tǒng)pH和總堿度
試驗(yàn)采用高(TSS=7%)和低(TSS=4%~5%)2種進(jìn)泥含固率，對(duì)TAD-MAD和MAD中的pH、總堿度隨停留時(shí)間的變化進(jìn)行了分析，初始pH沒有調(diào)整，結(jié)果分別見圖3、圖4。通常，在甲烷化階段中，pH維持在6.5～7.8時(shí)，產(chǎn)甲烷菌有較強(qiáng)的活性。所以系統(tǒng)pH和堿度必須維持在適宜的范圍內(nèi)，產(chǎn)甲烷菌才能保持代謝平衡，有利于促進(jìn)系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)氣率。
由圖3、圖4可以看出，TAD-MAD和MAD系統(tǒng)pH和總堿度隨停留時(shí)間的變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)出整體遞增的趨勢。TAD-MAD中，污泥經(jīng)過高溫微好氧消化反應(yīng)后，系統(tǒng)pH上升，高含固率污泥( TSS=7.12%)從6.63上升到6.74，總堿度從236.24mg/l上升到1 94.8.95 mg/l;低含固率污泥(TSS=5.22%)從6.53上升到7.01，總堿度從69.69 mg/l上升到1 742.37 mg/l。對(duì)TAD-MAD中高溫微好氧消化前后污泥上清液中氨氮含量進(jìn)行測定，高含固率污泥分別為134.4 mg/l和1 575.0 mg/l，低含固率污泥分別為26.32 mg/l和1 178.80 mg/l，氨氮含量大大增加。張巖巖等，認(rèn)為高溫條件會(huì)抑制系統(tǒng)中硝化反應(yīng)的進(jìn)行，蛋白質(zhì)脫氨產(chǎn)生的氨氮不能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，造成系統(tǒng)氨氮濃度增加，致使污泥pH突然上升，總堿度也一起增加。試驗(yàn)中，在初始pH未調(diào)節(jié)的情況下，TAD-MAD和MAD系統(tǒng)pH可自行維持在6.5—7.8，適宜產(chǎn)甲烷菌生長，保證厭氧消化系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
2.3 產(chǎn)氣分析
在污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣中最有利用價(jià)值的是其中的CH4，對(duì)高(TSS=7%)和低(TSS=4%。5%)2種含固率的TAD-MAD和MAD產(chǎn)氣中CH。含量和甲烷產(chǎn)氣量進(jìn)行測定，試驗(yàn)結(jié)果分別見圖5和圖6。
由圖5、圖6可知，TAD-MAD產(chǎn)氣中CH。含量和累積單位VSS甲烷產(chǎn)氣量高于MAD。高含固率TAD-MAD產(chǎn)氣初期CH4含量逐步上升，第13天達(dá)到最大(79.1%)，隨后略有下降并趨于平穩(wěn)，維持在73.76%—75.71%之間。高溫下易發(fā)生溶胞作用，釋放出大量有機(jī)質(zhì)（VFA、SCOD含量均有所增加，見圖7和表2），產(chǎn)甲烷菌可快速利用的這些有機(jī)質(zhì)，提高系統(tǒng)CH4產(chǎn)氣率，但后續(xù)中溫厭氧消化時(shí)，系統(tǒng)中微生物需要一定的適應(yīng)期，造成TAD-MAD工藝CH4產(chǎn)氣高峰延遲。低含固率污泥流動(dòng)性好，低含固率TAD-MAD系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷菌與易降解有機(jī)質(zhì)接觸更為充分，CH。產(chǎn)氣高峰提前，系統(tǒng)啟動(dòng)較快，CH4含量最大達(dá)83.47%，高于高含固率TAD-MAD工藝。但由于污泥濃度低，單位微生物接觸到的可降解有機(jī)質(zhì)較少，16 d后CH4含量逐漸下降，低于高含固率TAD-MAD工藝。圖6中，消化反應(yīng)18 d，TAD-MAD累積單位VSS甲烷產(chǎn)氣量超過MAD的；消化反應(yīng)20 d，高含固率TAD-MAD累積單位VSS甲烷產(chǎn)氣量超過低含固率TAD-MAD的。直至消化反應(yīng)結(jié)束，高含固率TAD-MAD中CH4含量和累積單位VSS甲烷產(chǎn)氣量分別達(dá)75.71%和116.56 m1/gVSS，均高于低含固率TAD-MAD的46.11%和101.31 m1/gVSS以及高含固率MAD的40.3%和85.7 m1/gVSS。因此，TAD-MAD工藝能有效促進(jìn)沼氣中CH4含量的提高，且24 d消化反應(yīng)結(jié)束時(shí)，TSS為7.12%的TAD-MAD產(chǎn)氣中CH。含量和累積單位VSS甲烷產(chǎn)氣量最高，因此消化時(shí)采用7.12%的含固率較好。
2.4 揮發(fā)性脂肪酸(VFA)
VFA是厭氧消化過程中重要的中間產(chǎn)物，產(chǎn)甲烷菌可以用VFA產(chǎn)CH4。TAD-MAD工藝和MAD工藝中VFA含量隨消化時(shí)間的變化趨勢見圖7。
由圖7可見，與MAD工藝相比，TAD-MAD工藝顯著提高了系統(tǒng)中VFA含量，高含固率TAD-MAD中VFA含量在第2天達(dá)到最大值8 524.7 mg/l。一方面，隨著污泥中溶解性有機(jī)物含量減少，水解產(chǎn)酸菌水解生成的VFA越來越少；另一方面，高溫微好氧消化過程中生成的VFA很快又被產(chǎn)甲烷菌利用，因此隨著消化時(shí)間的進(jìn)行，VFA含量在逐漸減少。從表2中得出，高、低不同含固率TAD-MAD原泥VFA含量分別為293.58 mg/l和177.99 mg/l，經(jīng)高溫微好氧消化2d預(yù)處理，VFA含量分別增加到6 651.14mg/l和6 794.38 mg/l，分別提高了21.7倍和37.2倍。一方面，由于進(jìn)入系統(tǒng)中的污泥濃度較高，很容易導(dǎo)致高溫好氧消化初期氧供給不足，使得系統(tǒng)處于厭氧和微好氧狀態(tài)，易產(chǎn)生大量VFA，而VFA很容易被產(chǎn)甲烷菌利用產(chǎn)生大量CH4，這與圖5中反應(yīng)初期沼氣中CH4含量急劇上升相吻合。另一方面，溶胞作用的產(chǎn)生也能促進(jìn)VFA含量的增加。高溫微好氧預(yù)處理后，溶胞反應(yīng)發(fā)生，胞內(nèi)物質(zhì)被釋放到污泥中，致使污泥上清液中SCOD濃度急劇上升，VFA含量大幅度增加，這和程潔紅等研究結(jié)果一致。 但高濃度的VFA并沒有使TAD-MAD系統(tǒng)出現(xiàn)明顯抑制，這與劉曉玲等研究結(jié)果一致。高含固率TAD-MAD結(jié)束時(shí)，污泥中VFA含量737.07 mg/l，沼氣中CH4含量為75.71%，VSS去除率超過40%，沼氣中甲烷含量穩(wěn)定，系統(tǒng)甲烷產(chǎn)氣率較高。因此，TAD-MAD中高溫微好氧預(yù)處理可明顯增加系統(tǒng)VFA含量，促進(jìn)后續(xù)中溫厭氧消化甲烷產(chǎn)氣，尤其是當(dāng)TSS=7.12%時(shí)，VFA含量更高，因此，選用含固率7.12%時(shí)TAD-MAD產(chǎn)氣效果更好。
3結(jié)論
(1)TAD-MAD工藝成功啟動(dòng)并運(yùn)行穩(wěn)定，消化反應(yīng)22 d，VSS去除率>40%，而MAD工藝才35.12%。因此，高溫微好氧消化預(yù)處理可縮短污泥停留時(shí)間，提高TAD-MAD系統(tǒng)VSS去除率，解決MAD污泥停留時(shí)間長、VSS去除率低的難題。
(2)初始pH未調(diào)節(jié)，TAD-MAD系統(tǒng)中pH維持在6.5—7,8，適宜產(chǎn)甲烷菌生長，產(chǎn)甲烷菌具有較高活性。
( 3)TAD-MAD工藝產(chǎn)氣中CH4含量和累積單位vss甲烷產(chǎn)氣量均高于MAD工藝。其中，低含固率TAD -MAD工藝啟動(dòng)較快，產(chǎn)氣中CH4最高達(dá)83.47%。但消化16 d后，高含固率TAD-MAD工藝中CH4含量開始高于低含固率TAD-MAD工藝，并維持在73.76%—75.71%，直至反應(yīng)結(jié)束，高含固率TAD-MAD工藝中累積單位VSS產(chǎn)氣量最高達(dá)116.56 m1/gVSS。因此，TAD-MAD工藝中選用高含固率污泥，產(chǎn)氣效果更好。
(4)高溫微好氧消化預(yù)處理可以促進(jìn)污泥中溶胞作用發(fā)生，提高TAD-MAD系統(tǒng)中VFA和SCOD含量，但高濃度的VFA含量并沒有使TAD-MAD系統(tǒng)中出現(xiàn)明顯抑制。
