污泥與餐廚垃圾聯(lián)合兩相中溫厭氧消化效果探析

王 磊

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

厭氧消化處理污水污泥是國外最常用的污泥穩(wěn)定化方法之一。目前，美國有650 座集中厭氧消化設(shè)施，對污泥的處理量占污泥產(chǎn)量的58%;在整個歐洲共有超過36 000 座厭氧消化反應(yīng)器，對污泥的處理量占?xì)W洲總產(chǎn)泥量的40%～50%［1］。

然而，目前國內(nèi)污泥厭氧消化技術(shù)在理論研究、工藝設(shè)計和運行管理等方面仍存在諸多問題，整體發(fā)展水平偏低。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國目前有約63 座城市污水處理廠建有或在建污泥厭氧消化設(shè)施，其中僅29 家的污泥厭氧消化系統(tǒng)正在運行，沼氣產(chǎn)量也普遍低于設(shè)計值。運行管理水平欠佳、沼氣產(chǎn)率和經(jīng)濟效益偏低是導(dǎo)致我國厭氧消化工藝應(yīng)用滯后的重要原因。我國污泥有機質(zhì)含量往往偏低，沼氣產(chǎn)率和利用率普遍不高，所產(chǎn)生的沼氣在滿足自身的加熱和攪拌能量需求后所剩無幾，這導(dǎo)致厭氧消化的能量回收優(yōu)勢并不明顯。

將污水污泥與餐廚垃圾聯(lián)合共消化可以克服污泥單獨消化時有機質(zhì)偏低、污泥可生化性差的問題，促進物料的營養(yǎng)平衡，獲得更高的沼氣產(chǎn)量和經(jīng)濟效益［2］。然而，目前有關(guān)污泥與餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化的研究多集中于單相厭氧消化［3，4］，而采用兩相厭氧消化的研究報道較少。本研究利用污泥與餐廚垃圾進行聯(lián)合兩相中溫厭氧消化，考察了不同水力停留時間(HRT)條件下產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相運行效果，并對共消化效果及相分離效果進行了討論分析，以期為實際工程應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

兩相產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器均為帶有水浴夾層的柱狀發(fā)酵罐，其中產(chǎn)酸反應(yīng)器總?cè)莘e為10 L，有效容積為7 L;產(chǎn)甲烷反應(yīng)器總?cè)莘e為40 L，有效容積為30 L。厭氧反應(yīng)器均采用機械攪拌，攪拌槳轉(zhuǎn)速維持在80 r/min;采用水浴加熱，通過水泵使恒溫水箱與水浴夾層里的水處于不斷循環(huán)狀態(tài)，維持反應(yīng)器內(nèi)溫度在(35 ±1)℃;采用濕式氣體流量計測定產(chǎn)氣體積，流量計后接集氣袋，用以收集沼氣測定組分。

1.2 試驗材料

試驗所用初沉污泥和剩余污泥均取自上海市某污水處理廠污泥濃縮泵房，餐廚垃圾取自污水處理廠食堂，經(jīng)分揀、粉碎后添加自來水調(diào)節(jié)含水率至90%左右。試驗中所用的餐廚垃圾、初沉污泥和剩余污泥均保存于4 ℃的冰箱中，其性質(zhì)如表1 所示。

試驗中初沉污泥和剩余污泥按照1 ∶1的體積比混合，然后餐廚垃圾與混合污泥再按總固體(TS)為1 ∶1混勻后作為產(chǎn)酸相進料，進料的含固率控制在5%左右，有機物比例達到66.1%，此為較理想的厭氧消化基質(zhì)。

表1 底質(zhì)理化性質(zhì)Tab.1 Physical and Chemical properties of of Substrates

1.3 試驗方案

試驗分兩個階段進行，第一階段為產(chǎn)酸試驗(各反應(yīng)器均穩(wěn)定運行42 d)，將餐廚垃圾與混合污泥按TS 比為1 ∶1混合作為產(chǎn)酸基質(zhì)，考察不同HRT(1、3、5 d)條件對產(chǎn)酸相有機物降解效果及揮發(fā)性脂肪酸(VFA)產(chǎn)量的影響，遴選出產(chǎn)酸相最佳的HRT。

第二階段為兩相產(chǎn)酸產(chǎn)甲烷試驗(各反應(yīng)器均穩(wěn)定運行61 d)，產(chǎn)酸相HRT 為上一階段所選出的最佳值，產(chǎn)酸相出泥作為產(chǎn)甲烷相進泥，考察4 種不同HRT(5、10、20、30 d)條件對產(chǎn)甲烷相沼氣產(chǎn)量、有機物去除效果及運行穩(wěn)定性。

1.4 分析方法

檢測項目及其測定方法如表2 所示。其中SCOD 和堿度測定前，需先將樣品在4 500 r/min 轉(zhuǎn)速下離心15 min，然后取上清液進行測定。

表2 檢測項目和方法Tab.2 Method and Equipment of Testing

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)酸相分析

在產(chǎn)酸相中，進泥中的SCOD 和VS 水解溶出的SCOD(兩者之和記作總SCOD)一部分轉(zhuǎn)化成了VFA，還有一少部分轉(zhuǎn)化成甲烷、二氧化碳等進入了氣相，剩余的仍以水解產(chǎn)物的形式留在了污泥中。因此，產(chǎn)酸相酸化效果可以用VFA(折算成COD)占總SCOD 的比例(酸化率)來表示，酸化率越高，則可為后續(xù)產(chǎn)甲烷相提供越多的基質(zhì)。在HRT 為1 ～5 d 的條件下，水解酸化產(chǎn)物分布情況，如圖1 所示。VFA 占總SCOD 比例隨著HRT 的增加而提高，當(dāng)HRT 為5 d 時VFA 所占比例達到最大值55%。

圖1 HRT 對水解酸化產(chǎn)物分布的影響Fig.1 Effect of HRT on Metabolic Production Distribution in Acidogenic Phase

在酸化階段，水解過程產(chǎn)生的小分子溶解性有機物在產(chǎn)酸菌細(xì)胞內(nèi)被轉(zhuǎn)化為以乙酸、丙酸、丁酸等揮發(fā)酸為主的末端產(chǎn)物。在HRT 為1 ～5 d 的條件下，產(chǎn)酸相中VFA 產(chǎn)量及組分比例如表3 所示，HRT 越多產(chǎn)酸反應(yīng)器出泥中VFA 含量越高，當(dāng)HRT 為5 d 時出泥中VFA 濃度最高為5 979 mg/L。在HRT 為1、3 和5 d 的條件下，乙酸、丙酸和丁酸含量分別為27.9% ～31.8%、27.0% ～33.4% 和20.6%～23.8%，各種揮發(fā)酸組分所占比例均沒有超過50%，產(chǎn)酸相沒有呈現(xiàn)出明顯占優(yōu)的發(fā)酵產(chǎn)物，產(chǎn)酸發(fā)酵類型為混合型發(fā)酵。

表3 產(chǎn)酸相VFA 產(chǎn)量及組分比例Tab.3 VFA Production and Distribution in Acidogenic Phase

產(chǎn)甲烷菌代謝速率受基質(zhì)的種類影響，乙酸能夠直接被產(chǎn)甲烷菌利用，乙醇和丁酸能夠很快被產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌轉(zhuǎn)化為乙酸以供產(chǎn)甲烷菌利用，而丙酸被產(chǎn)甲烷菌利用的速率則較慢，在有機負(fù)荷較大時會在產(chǎn)甲烷相中積累，降低產(chǎn)甲烷系統(tǒng)的pH 甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。因此，產(chǎn)酸相工藝參數(shù)的選擇應(yīng)以產(chǎn)酸相的揮發(fā)酸產(chǎn)量高且揮發(fā)酸組分有利于產(chǎn)甲烷菌的轉(zhuǎn)化利用為原則。在HRT 為1 ～5 d 條件下，產(chǎn)酸相HRT 為5 d 時VFA 產(chǎn)量最高、酸化效果最佳且揮發(fā)酸中丙酸含量較小。因此，選擇產(chǎn)酸相HRT為5 d，并利用產(chǎn)酸相出泥作為產(chǎn)甲烷相進泥進行后續(xù)產(chǎn)甲烷試驗。

東北航線經(jīng)俄羅斯北部海域，由太平洋進入白令海峽，依次途經(jīng)楚科奇海、東西伯利亞海、拉普捷夫海、喀拉海、巴倫支海至摩爾曼斯克港[8]，因航線環(huán)境和破冰船的限制，目前適航船舶主要是阿芙拉船型。海冰是影響東北航線通航的重要因素。

2.2 產(chǎn)甲烷相分析

2.2.1 沼氣產(chǎn)量

在HRT 為5 ～30 d 的條件下，產(chǎn)甲烷相沼氣產(chǎn)量如表4 所示。隨著HRT 的增加，有機負(fù)荷逐步減小，產(chǎn)甲烷速率也相應(yīng)降低，單位體積進料產(chǎn)沼氣量卻逐步提高，這是由于HRT 增加后，進料降解更加充分，有機物去除更加徹底的緣故。在餐廚垃圾與污水污泥TS 比為1 ∶1的條件下，HRT 由5 d 逐步增加至30 d，產(chǎn)甲烷速率由2.1 降至0.5 L/L·d，單位體積進料產(chǎn)沼氣量由14.3 逐步提高至22.0 L/L。由表4 可知甲烷含量高達69.7%～73.4%。

表4 產(chǎn)甲烷相沼氣產(chǎn)量Tab.4 Biogas Production in Methanogenic Phase

在HRT 為5 ～30 d 的條件下，兩相系統(tǒng)有機負(fù)荷為1.0 ～3.6 g VS/L·d，甲烷產(chǎn)率達到0.58 ～0.70 L/g VS去除。付勝濤等［4］利用污水污泥和廚余垃圾(TS 比為1 ∶1)單相中溫厭氧共消化，進料有機負(fù)荷為1.4 ～4.1 g VS/L·d 與本研究相近，甲烷產(chǎn)率卻僅有0.41 ～0.46 L /g VS去除，低于本研究所得的甲烷產(chǎn)率，這表示與單相厭氧消化系統(tǒng)相比，兩相系統(tǒng)具有更高的產(chǎn)甲烷效率。

2.2.2 有機物去除效果

考慮到產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相對有機物均有一定的分解代謝作用，本研究綜合產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷兩過程，統(tǒng)籌分析兩相系統(tǒng)的有機物去除效果。在產(chǎn)酸相HRT 為5 d、產(chǎn)甲烷相HRT 為5 ～30 d 的條件下，兩相厭氧消化系統(tǒng)的有機物去除效果如表5 所示。當(dāng)兩相系統(tǒng)HRT 由10 d 逐步增加至25 d 時，TCOD 去除率由46. 5% 逐步提高至60. 8%，VS 去除率由54.9%提高至64. 7%。不同工況下產(chǎn)甲烷相對SCOD 的降解都比較徹底，出泥SCOD 僅為0. 8 ～1.2 g/L，SCOD 去除率達到89.8%～93.4%。

表5 兩相厭氧消化系統(tǒng)有機物去除效果Tab.5 Organic Pollutants Removal Effect of the Two-phase Anaerobic Digestion System

2.2.3 運行穩(wěn)定性

雖然產(chǎn)酸相出泥pH 低至4.6 ～5.5，但產(chǎn)甲烷過程中隨著VFA 的消耗pH 有所回升，不同HRT條件下4 個產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的pH 為7.3 ～7.4，無需任何酸堿試劑調(diào)節(jié)即可維持在理想的產(chǎn)甲烷范圍內(nèi)。堿度可以緩沖厭氧消化系統(tǒng)pH 的波動，維持產(chǎn)甲烷相的穩(wěn)定運行，理想的堿度(以CaCO3計)范圍是2 000 ～5 000 mg/L［5］。在HRT 為5 ～30 d的條件下，各產(chǎn)甲烷系統(tǒng)的堿度均大于3 000 mg/L，表明各產(chǎn)甲烷反應(yīng)器緩沖能力良好。VFA/堿度是評價厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，當(dāng)VFA /堿度＜0.3 ～0. 4 時，系統(tǒng)酸化風(fēng)險較小，穩(wěn)定性高［6］。不同工況下各產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的VFA /堿度值僅為0.12 ～0.20，具體如表6 所示，均呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，且隨著HRT 的增長，系統(tǒng)穩(wěn)定性逐漸增強。

表6 產(chǎn)甲烷相VFA 和堿度Tab.6 VFA and Alkalinity in Methanogenic Phase

在HRT 為20 和30 d 的條件下，產(chǎn)甲烷反應(yīng)器有機物去除率和甲烷產(chǎn)量相差不大，且均遠(yuǎn)高于其他HRT(5、10 d)時。較短的HRT 意味著更高的處理效果、更小的反應(yīng)器體積及更好的經(jīng)濟性。因此，在產(chǎn)酸相HRT 為5 d 的條件下，產(chǎn)甲烷相最佳HRT為20 d。

2.3 污泥與餐廚垃圾共消化效果分析

在沼氣產(chǎn)量方面，本研究中利用污泥與餐廚垃圾共消化產(chǎn)沼氣，進料含水率為95%～96%，當(dāng)兩相系統(tǒng)HRT 為25 ～35 d 時，單位體積進料產(chǎn)沼氣量高達18.1～22.0 L/L。而污水污泥(含水率96%)單獨厭氧消化時，產(chǎn)生的沼氣量一般為8 ～12 倍污泥量［7］。污泥與餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化可以顯著提高沼氣產(chǎn)量，獲取更高的經(jīng)濟效益。

在有機物去除效果方面，本研究中利用污泥與餐廚垃圾共消化，兩相系統(tǒng)VS 去除率達到54.9%～64.7%，而污水污泥單獨厭氧消化VS 去除率一般為40%左右［8，9］。污泥與餐廚垃圾共消化時VS 去除率與污泥單獨厭氧消化相比明顯提高，這可能是由于污泥中所添加的餐廚垃圾更易于降解的緣故。然而，所觀察到的現(xiàn)象并不能說明與單獨厭氧消化相比，共消化時污泥自身有機質(zhì)降解效果是否有提高。因此，有必要分別對餐廚垃圾和污水污泥進行單獨厭氧消化，并將消化效果與共消化進行對比，以探討共消化對污泥自身有機質(zhì)降解效果的影響。

在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，本研究中利用污泥與餐廚垃圾共消化，獲得了穩(wěn)定的運行效果，兩相均無需外加試劑調(diào)節(jié)pH。而餐廚垃圾由于有機物含量高，單獨厭氧消化容易發(fā)生酸積累和代謝產(chǎn)物反饋抑制現(xiàn)象。Beno 等［10］對廚余垃圾和蔬菜垃圾進行單獨厭氧消化，出現(xiàn)了明顯的酸積累現(xiàn)象，氣體產(chǎn)量很低，其中甲烷含量僅有5%。污泥與餐廚垃圾共消化，可以克服餐廚垃圾單獨消化所存在的問題，降低厭氧消化系統(tǒng)控制復(fù)雜性。

本研究中污泥與餐廚垃圾直接混合后作為產(chǎn)酸相進泥，當(dāng)產(chǎn)酸相HRT 為5 d 時揮發(fā)酸產(chǎn)量和酸化率最高，但5 d 的HRT 對產(chǎn)酸相來說偏長，在實際工程中可能導(dǎo)致產(chǎn)酸罐體積偏大，制約經(jīng)濟效益。污水污泥有機質(zhì)含量低，酸化效果可能不明顯;此外，有分析認(rèn)為污泥與餐廚垃圾兩者厭氧消化產(chǎn)沼氣的高峰并不一致，餐廚垃圾的產(chǎn)氣高峰可能滯后，因此在產(chǎn)酸相可僅對餐廚垃圾進行單獨預(yù)酸化，再將酸化產(chǎn)物與污泥混合進入產(chǎn)甲烷相進行共消化，以降低產(chǎn)酸反應(yīng)器體積，其技術(shù)可行性和工藝控制參數(shù)有待進一步探究。

2.4 相分離效果分析

產(chǎn)酸菌世代周期短，適宜在酸性條件下生存代謝;而產(chǎn)甲烷菌世代周期較長，適宜在pH 為6.8 ～7.4 范圍內(nèi)生存代謝。把產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相分離，可以分別為產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造最佳的生存環(huán)境。兩相分離常用的方法是將動力學(xué)控制法和物理化學(xué)法中的pH 調(diào)節(jié)法相結(jié)合，即控制產(chǎn)酸相在較短的HRT 條件下運行的同時，調(diào)節(jié)其pH 在酸性(4.0 ～6.5)范圍內(nèi)。本研究中利用污泥與餐廚垃圾兩相厭氧共消化，產(chǎn)酸相HRT 為1 ～5 d，產(chǎn)甲烷相HRT 為5 ～30 d，在無需任何外加酸堿試劑調(diào)節(jié)的情況下，產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相pH 就能分別維持在4.6 ～5.5 和7.3 ～7.4，基本實現(xiàn)了產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相的分離。

然而，通過動力學(xué)控制實現(xiàn)相分離并不意味著產(chǎn)酸發(fā)酵菌群與產(chǎn)甲烷菌群的安全分離，產(chǎn)酸相中仍有可能存在產(chǎn)甲烷菌。本研究中，不同HRT(1、3和5 d)的條件下產(chǎn)酸相產(chǎn)生的氣體中均有甲烷檢出，甲烷含量為4.5%～11.5%，即使HRT 縮短至1 d，產(chǎn)酸相產(chǎn)生的氣體中甲烷含量仍然達到4.5%。然而，兩相系統(tǒng)仍取得了高效的消化效果，最大VS去除率和沼氣產(chǎn)率分別達到64.70%和0.98 L /g VS去除。高廷耀等［11］以污泥為基質(zhì)研究兩相系統(tǒng)運行效果也觀察到了類似的現(xiàn)象，這表明在產(chǎn)酸相存在輕微的產(chǎn)甲烷作用并不影響有機物的水解和發(fā)酵，同樣也不影響兩相系統(tǒng)的運行性能，把抑制產(chǎn)酸相產(chǎn)甲烷菌活性作為兩相系統(tǒng)運行成功與否標(biāo)志的做法有待商榷。

張錄等［12］研究發(fā)現(xiàn)(如表7)，即使兩相系統(tǒng)并未實現(xiàn)徹底的相分離，產(chǎn)甲烷相中產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量仍然要比產(chǎn)酸相多一個數(shù)量級，而產(chǎn)酸相中同型產(chǎn)乙酸菌和丁酸產(chǎn)乙酸菌則明顯多于產(chǎn)甲烷相，蛋白質(zhì)分解菌、淀粉分解菌及纖維素分解菌等菌群數(shù)量則相差不大。這表明相分離并沒有將產(chǎn)酸微生物與產(chǎn)甲烷微生物截然分開，只是通過對運行參數(shù)的控制，限制了產(chǎn)酸相中產(chǎn)甲烷菌的增殖、強化了產(chǎn)酸菌群功能，同時增加了產(chǎn)甲烷相中產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量。

表7 產(chǎn)甲烷罐和產(chǎn)酸罐各菌群數(shù)量Tab.7 Bacterium Population of Methanogenic and Acidogenic Reactors

值得注意的是，產(chǎn)甲烷相中由丙酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的菌群數(shù)量也要比產(chǎn)酸相多一個數(shù)量級，這表明產(chǎn)甲烷相中較低的氫分壓環(huán)境有利于丙酸的轉(zhuǎn)化降解，這也解釋了兩相系統(tǒng)可以在一定程度上克服丙酸積累的原因。本研究中產(chǎn)酸相出泥丙酸含量雖然高達27.0%～33.4%，但后續(xù)產(chǎn)甲烷相對丙酸的轉(zhuǎn)化利用均比較徹底，不同HRT 的條件下產(chǎn)甲烷相pH 都穩(wěn)定在7.1 ～7.2，出泥中VFA 含量均不超過600 mg/L，沒有發(fā)現(xiàn)丙酸積累現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)產(chǎn)酸相HRT 為5 d 時，產(chǎn)酸反應(yīng)器揮發(fā)酸產(chǎn)量最高，且丙酸含量較小，產(chǎn)酸效果最優(yōu)。

(2)當(dāng)產(chǎn)甲烷相HRT 為20 d 時，產(chǎn)甲烷反應(yīng)器運行效果較佳，單位體積進泥(96%含水率)產(chǎn)沼氣量達到20.4 L/L、沼氣產(chǎn)率為0.69 L/g VS去除、甲烷含量為71.3%、VS 去除率為64.7%。

(3)與餐廚垃圾和污水污泥分別單獨厭氧消化相比，兩者聯(lián)合厭氧消化沼氣產(chǎn)量、有機物去除效果及運行穩(wěn)定性均有顯著提高。

(4)本研究采用動力學(xué)控制方法即可基本實現(xiàn)產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相的分離，雖然產(chǎn)酸相仍存在輕微的產(chǎn)甲烷作用，但并不影響有機物的水解和酸化，也不影響兩相系統(tǒng)的運行效果。

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