污水厂污泥和厨余垃圾的混合中温厌氧消化

厌氧消化是污泥处理常用的减容稳定工艺，而目前我国污水厂中投入运行的消化池容积利用率很低，挥发性固体（VS）去除率和产气量也不高。随着厨余垃圾在城市垃圾中的比重不断上升，由于其含水率和有机成分都很高，因此很适合采用厌氧消化工艺进行处理，将厨余垃圾运送到城市污水处理厂，利用现有的污泥消化池处理厨余垃圾，而不需要很多的额外的投资，又解决了厨余垃圾的污染问题。将厨余垃圾和污水污泥混合消化能够提高物料的固体含量从而充分提高消化池的利用效率，有助于促进物料的营养平衡，提高产气量以及降解能力[1]。
本实验的主要研究目标是对厨余垃圾和污水厂污泥混合消化的可行性进行评价，对污泥和垃圾在不同比例进料以及不同的HRT对混合物料厌氧消化过程的稳定性和处理效果的影响进行了研究。
1材料与方法
1.1实验装置
实验所采用的厌氧消化反应器为圆柱型，模拟普通污泥消化池，总容积为7L，其有效容积为5L，反应器上配有进、出料口和出气口各1个，如图1，机械搅拌，转速为80r/min，放在水浴中，用温控仪控制温度为（35±1）℃，每日进出料1次。

图1试验工艺流程
1.2接种污泥
接种污泥由取自哈尔滨文昌污水处理厂的脱水剩余活性污泥培养所得，起初TS约为12%左右，经加自来水后调整至5%左右。采用逐步培养法，经运行一个月后反应器中即可产生比较稳定的沼气量，然后每日少量加入厨余垃圾和污泥的混合物料进行驯化，此时采用的污泥为含有剩余活性污泥和初沉污泥的混合污泥，取自哈尔滨文昌污水处理厂，是将两者按照体积比1∶1进行混合，大致相当于该污水厂每日两种污泥的产量之比，其中初沉污泥取自初沉污泥浓缩池，TS在4.6%～5.2%之间，VS为TS的58%～63%，剩余活性污泥取自污泥回流泵房，经充分沉淀后将TS控制在2%～2.4%，VS为TS的67%～71%。在整个培养过程中未添加任何营养物质，其主要参数见表1。
1.3进料组成
实验中采用的厨余垃圾取自哈尔滨工业大学学生食堂，其TS在15%～30%之间，VS为TS的88%～94%，其主要组成包括米饭、肉类、蔬菜等，剔除其中的骨头等硬物后用食物粉碎机将其粉碎到2～4mm，通过添加自来水调节TS到10%。厨余垃圾每两周收集一次，置于4℃下保存，实验所采用每日进料的污泥同样是采用体积比为1∶1的初沉污泥和剩余活性污泥的混合污泥。将厨房垃圾和混合污泥按照其VS的比例为25%∶75%和50%∶50%进行混合。厨余垃圾、混合污泥以及混合物料的主要参数见表1。
表1厨余垃圾、污水污泥、接种污泥以及混合物料的主要特征

1.4实验设计
采用四个反应器，对应四个不同的HRT，分别为9、12、16、20d，将培养好的接种污泥投入反应器中，分为两个阶段进行，第一个阶段采用厨余垃圾和污泥VS之比为25%∶75%的混合物料，而第二阶段则采用VS之比为50%∶50%的混合物料，每个HRT下要经过15～20d系统达到稳定运行状态，每个阶段运行50d，考察在不同的HRT以及物料VS比的运行条件下反应器中的运行状况。
1.5分析方法

TS和VS：重量法；TCOD和SCOD：K2Cr2O7氧化法；挥发性有机酸（VFA）：滴定法；pH值，精密pH计测定；氨氮，滴定法；其中氨氮、VFA和SCOD经15min，15000r/min离心后测定；产气量，湿式气体流量计测定；气体成分，气相色谱仪测定；碱度，滴定法；TKN，凯式定氮法；TOC，TOC分析仪。
2结果与分析
2.1C/N比值的变化
在厌氧消化过程中，底物的C/N比是稳定运行以及微生物生长和新陈代谢的先决条件。C/N比值太高，含氮量不足，缓冲能力低，pH值容易降低，反之若太低，含氮量过高，如果pH值上升到8.0以上，有机物分解则受到抑制[1]。适宜的C/N比值一般在15～30之间，而混合污泥只有6.8，大大低于最佳值，而厨余垃圾的C/N比值一般是在15～20之间，随着混合物料中厨余垃圾比重的提高，该值也随之上升，大大促进了混合物料中的营养平衡，同时污泥中的大量的养料和微量元素能够弥补厨余垃圾的不足[2]，因此对整个消化过程有促进作用，减少厨余垃圾在消化过程中VFA的积累使得对消化过程造成抑制。
2.2系统稳定性分析
实验过程中定期对pH值、碱度、氨氮和VFA浓度进行了测定，用这些参数来评价系统运行的稳定性。pH值对厌氧工艺的运行有着重要的影响，因为产甲烷细菌比其它微生物受影响的程度更大，pH值降低会增加高分子的VFA，尤其是丙酸和丁酸，使得产甲烷菌的活性减弱，引起VFA进一步积累和pH值进一步降低。在单相的厌氧消化系统里，产酸菌和产甲烷菌是共存的，pH值在7～7.6时最合适，Lay等人研究高固体污泥消化时认为合理的pH值应该在6.6～7.8之间[2]。对于在正常pH值范围内运行的厌氧工艺，pH值主要由重碳酸盐缓冲系统控制，通常理想碱度范围是2000～5000mg/L CaCO3。表2中给出了在稳定运行状态时各个反应器中的pH值和碱度的平均值，从表2中可以看出所有的反应器中的pH值在7.25～7.6之间，碱度在3420～4942mg/L CaCO3之间，都在合理的运行范围内。pH值和碱度都是随着HRT的缩短而降低，相应的进料的第二阶段的进料消化后的pH值和碱度都要高于第一阶段，说明在第二阶段中系统具有更大的缓冲能力。通常来说，随着有机负荷的提高VFA的浓度则升高，随着反应器中VFA的积累碱度也随之降低。VFA中乙酸质量浓度在200～400mg/L通常认为是正常的消化[3]，对本实验系统中的VFA（以乙酸计）测定的结果表明所有的反应器中的VFA质量浓度很低，所有的值都在100mg/L下，低于200mg/L，对系统运行影响很小，在此不做赘述。
表2各运行条件下反应器内pH、碱度和氨氮值

表2中还给出了在不同运行条件下系统稳态运行时出料氨氮质量浓度值。氨氮是营养物质，主要是由含氮有机物例如蛋白质或氨基酸分解所产生，在一定范围内能够促进生长，然而在更高质量浓度下就变为抑制性物质甚至成为毒性物质，有研究表明当氨氮质量浓度达到1670mg/L以上时则会使得产甲烷细菌活性降低，当达到5880mg/L以上时则完全失去活性。在本实验中质量浓度最高的时候发生在第二阶段中HRT为20d时，氨氮的质量浓度为1156mg/L，此时所对应的pH值为7.60，有机负荷为1.86g/L•d-1VS，随着HRT的减少，进料有机负荷则相应提高，氨氮质量浓度也就随之降低，为了消除其质量浓度升高对消化过程所带来的影响，可以通过适当提高进料的VS含量或是减少HRT来控制氨氮对系统运行的影响，通常的消化池一般HRT多在20d左右，可以适当提高进料有机负荷，从实验结果看应控制在不低于2g/（L•d-1）VS即可以防止产生氨抑制现象。
2.3有机物去除分析
表3给出了各运行条件下系统对TCOD和VS的去除率，随着HRT的增加相应的COD和VS的去除率也随之提高，但是在同样的进料比例条件下相差并不是很明显，两个阶段的进料负荷分别在1.43～3.17g/（L•d-1）VS和1.86～4.13g/（L•d-1）VS，相应的VS去除效率分别在40.5%～48.1%和54.6%～63.4%范围内，TCOD的去除规律和VS是一致的，去除效率也相差不多，去除率分别在42.4%～49.2%和56.7%～64.6%范围内。而将两个阶段相比较，在相同的HRT下，第二阶段中的VS和TCOD去除率要远大于第一阶段，这说明厨余垃圾的可降解性要远优于混合污泥。在第二阶段进料条件下，当HRT为20d时，达到最大的TCOD和VS去除率，此时相应的有机负荷只有2.1g/（L•d-1）VS，而即使当HRT为9d时，有机负荷高达4.13g/（L•d-1）VS时，TCOD和VS的去除率也高达58.7%和58.6%。顾国维[4]等人采用单相中温厌氧消化处理浓缩污泥，总HRT为10d，进料有机负荷为3.77g/（L•d-1）VS，VS去除率只有36.1%。Mata-Alvarez[5]等人研究了50%的城市有机垃圾（OFMSW）和50%的污泥进行了中温厌氧消化（35℃），得出的结果是在HRT为14.5d，进料有机负荷为2.8g/（L•d-1）VS，VS去除率为57%。Del Borghi[6]等人将50%的OF2MSW和50%的污泥进行了高温厌氧消化（55℃），结果是在HRT为12d，进料有机负荷为4.0g/（L•d-1）VS，VS去除率为64%。
2.4产气情况分析

厌氧消化的主要目的不仅在于稳定有机物，还在于产生甲烷气体。所有的反应器在运行期间产气组成中甲烷体积分数均高于60%，并且第一阶段中的甲烷比例要高于第二阶段。表4给出了在两个运行阶段下不同HRT下反应器稳态运行时的单位体积产气率（GPR，gas production rate）、单位体积甲烷产率（MPR，methane production rate）及产气中甲烷的组成情况，GPR和MPR都是随着HRT的缩短而提高的，同时甲烷在产气中的比例也随之下降，在相同HRT下，第二阶段产气量要高于第一阶段，但不能就此认为第二阶段产气性能优于第一阶段，因为首先第二阶段的进料有机负荷相对要高一些。为此我们对两个阶段的进料的单位VS甲烷产率（SMP，specific methane productions）和气体产率（SGP，specific gas productions）进行比较，可看出在进料相同的情况下，在不同HRT下SMP和SGP相差很小，而第二阶段中的进料的SGP和SMP要比第一阶段明显提高。两阶段的SMP分别在0.328～0.337L/g VS和0.426～0.435L/g VS之间。在文献[5]和[6]中是将污泥和垃圾在TS为1∶1的基础上混合后消化，所得到的SMP分别为0.365L/g VS和0.4L/g VS，本实验的结果相应要高一些，说明厨余垃圾的产气量高，很适合进行厌氧消化。 
表3在各运行条件下系统出料的主要参数

表4各运行条件下反应器内产气情况

3结语
实验结果表明，污泥和厨余垃圾的混合厌氧消化是可行的，混合后随着垃圾比重的提高则C/N比值也提高从而促进了消化过程的进行。在整个实验过程中，进料有机负荷在1.4～4.1g/（L•d-1）VS，反应器pH值保持在7.2～7.6之间，碱度控制在3400～5000mg/L CaCO3之间，没有任何VFA积累和氨抑制现象发生。
对于两种混合进料来说，当污泥和垃圾VS之比为50%∶50%时，相应的系统稳定性要优于进料之比为75%∶25%。前者具有更大的缓冲能力，有机负荷有进一步提高的余地，即使HRT在9d的条件下系统也很稳定，使得消化池的容积更充分的利用。同时VS去除率和单位体积产气量也明显高于后者，VS去除率为58.6%～62.6%，SMP在0.426～0.435L/g VS之间。
参考文献：略