接種量及秸稈加入量對(duì)城市污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響

楊玉婷，周 俊，張雪英，胡芹芹

（1.南京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 211800；2.南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院，江蘇 南京 211800）

接種量及秸稈加入量對(duì)城市污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響

楊玉婷1，周 俊2，張雪英1，胡芹芹1

（1.南京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 211800；2.南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院，江蘇 南京 211800）

研究不同接種量及秸稈加入量條件下污泥的厭氧消化產(chǎn)氣規(guī)律，并分析厭氧消化前后污泥性質(zhì)的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：體積比（下同）為10%沼液接種回流污泥（碳氮比為6.16）的產(chǎn)氣效率優(yōu)于20%沼液接種回流的污泥（碳氮比為5.99），但不顯著；秸稈的加入使污泥產(chǎn)氣效率明顯提高，且秸稈加入量對(duì)產(chǎn)氣量也有顯著影響。接種體積比為20%沼液的處理污泥（1 600mL泥）加入20g秸稈（碳氮比為7.53）后，比加入15g秸稈（碳氮比為7.15）產(chǎn)氣量增加783mL，碳氮比最高的為10%沼液、15g秸稈污泥，為7.94，其產(chǎn)氣總量和CH4含量也較高。同時(shí)，厭氧消化改變了污泥的理化性質(zhì)，消化后的污泥有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（不包括秸稈）平均降低2.4%。

城市污泥；厭氧消化；產(chǎn)氣效率；理化性質(zhì)

近年來，隨著大量城鎮(zhèn)污水處理廠的興建與運(yùn)營，作為污水處理副產(chǎn)物的污泥成為新的污染問題。污泥是由有機(jī)殘片、細(xì)菌體、污泥顆粒、膠體等組成的極其復(fù)雜的非均質(zhì)體，其中主要成分為重金屬和有機(jī)污染物。市政污泥是城市廢水處理不可避免的副產(chǎn)物，其中含有大量的有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素［1］，利用它發(fā)酵產(chǎn)氣，即可解決環(huán)境污染問題，又可制備清潔能源。

污泥厭氧消化是指污泥在無氧條件下，由兼性菌和厭氧細(xì)菌，將污泥中可生物降解的有機(jī)物分解成CO2、CH4和H2O等，使污泥得到穩(wěn)定化的過程，是污泥減量化、穩(wěn)定化的常用手段之一，該技術(shù)已在許多國家得到廣泛應(yīng)用［2］。厭氧消化可以減少污泥體積，穩(wěn)定污泥性質(zhì)，提高污泥的脫水效果，減少污泥惡臭，提高污泥的衛(wèi)生質(zhì)量［3］。同時(shí)，污泥厭氧消化過程對(duì)污泥中的有毒物質(zhì)重金屬也有一定的影響。因此，污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率及污泥性質(zhì)變化的研究也越來越受到關(guān)注。

污泥厭氧發(fā)酵主要受溫度、接種物、碳氮比等外界因素的控制。因此，如何通過對(duì)外界環(huán)境的調(diào)控來提高污泥的產(chǎn)氣效率至關(guān)重要。

本文中，筆者主要從如下兩個(gè)方面進(jìn)行研究：①不同沼液接種量下污泥的產(chǎn)氣效率及污泥理化性質(zhì)的變化；②外部C源加入量對(duì)污泥的產(chǎn)氣效率及污泥理化性質(zhì)的變化，以期初步了解污泥厭氧消化的相關(guān)參數(shù)及厭氧消化后污泥中重金屬的變化，為后期污泥的處置提供技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 原料基本性質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)的供試污泥為南京市某污水處理廠的濃縮污泥，秸稈為小麥秸稈，長度均控制為1cm左右，沼液由國家生化工程技術(shù)研究中心提供。

濃縮污泥含水率為95.22%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.8%，N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.41%，P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.71%；秸稈的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75.1%，N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.80%，P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.78%；沼液的總有機(jī)碳（TOC）為2 235mg/L，N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.07%，pH為6.87。

1.2 厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)

將濃縮污泥按照不同沼液接種比（體積分?jǐn)?shù)），φ（污泥）∶φ（沼液）=90∶10、80∶20和不同外部C源加入量φ（污泥）∶φ（沼液）∶m（秸稈）=90∶10∶15g，80∶20∶15g；80∶20∶20g進(jìn)行配比，濃縮污泥為1 600mL，實(shí)驗(yàn)溫度恒溫控制在37℃。實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)厭氧發(fā)酵裝置進(jìn)行避光處理，均置于無光培養(yǎng)箱中，且定時(shí)對(duì)污泥進(jìn)行攪拌搖勻，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

圖1 厭氧發(fā)酵裝置示意Fig.1 Schematic diagram of apparatus for anaerobic digestion

1.3 測試方法

發(fā)酵氣體中CH4含量變化的測定用注射器在排水集氣裝置中取氣樣，于氣相色譜儀（SP-6800A）中分析氣體成分。

有機(jī)質(zhì)含量的測定采用油浴法［4-5］，對(duì)于加入秸稈的沼渣，先取樣自然風(fēng)干，然后將其中的秸稈挑出，泥樣粉碎后過150 μm篩，再用油浴法對(duì)其進(jìn)行測定。

P含量的測定采用磷鉬藍(lán)分光光度法［6-8］。

N含量的測定采用凱氏定氮法［9-10］。

TOC含量用TOC分析儀（TOC-5000A，日本島津公司）測定［11］。

重金屬含量采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP法）測定［12-13］。

碳氮比（C/N）為化學(xué)需氧量（COD）和總氮的比值。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥厭氧消化產(chǎn)氣量的比較

污泥厭氧消化產(chǎn)氣過程受到多方面因素的影響，本試驗(yàn)主要通過接種沼液及加入秸稈的方式，研究污泥的產(chǎn)氣效率。圖2為沼液回流接種量及秸稈加入量的污泥在37℃下厭氧消化的產(chǎn)氣情況。由圖2可知：污泥產(chǎn)氣具有相似的變化規(guī)律。在第3～7天之間會(huì)進(jìn)入第1個(gè)產(chǎn)氣高峰期，隨后產(chǎn)氣量下降，在第9～12天出現(xiàn)第2小高峰后，產(chǎn)氣量逐漸變少，直至趨于0。

圖2 污泥的產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化Fig.2 Biogas volume during fermentation period

秸稈的加入，使得污泥的產(chǎn)氣量大幅增加。從圖2可以看出：秸稈的加入使污泥的產(chǎn)氣效率大增，產(chǎn)氣總量差異顯著，可能因?yàn)榻斩捀缓珻源，C為污泥中微生物的生命活動(dòng)提供了能源，又是形成CH4的主要物質(zhì)。因此通過加入適量秸稈調(diào)節(jié)污泥中的碳氮比，微生物的厭氧發(fā)酵容易啟動(dòng)，而且可以達(dá)到很好的產(chǎn)氣效果［14-15］。

圖3為厭氧消化體系對(duì)產(chǎn)氣效率及碳氮比的影響。由圖3可知，未加秸稈時(shí)，接種20%沼液的污泥與接種10%沼液的污泥產(chǎn)氣效率相似。加入15g秸稈時(shí)，接種20%沼液污泥的產(chǎn)氣效率比接種10%沼液的污泥低。接種體積比10%、20%沼液的污泥，加入15g秸稈后，產(chǎn)氣量分別提高3 940.5和2 451mL，接種20%沼液的污泥，加入20g秸稈時(shí)比加入15g秸稈時(shí)產(chǎn)氣量增加783mL。通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，秸稈的加入改變了污泥初始的碳氮比，未加秸稈時(shí)10%、20%沼液接種量的碳氮比分別為6.16和5.99，加15g秸稈時(shí)10%、20%沼液接種量的碳氮比分別為7.94和7.15，加20g秸稈時(shí)20%沼液接種量的碳氮比為7.53。因此，可以推測污泥的產(chǎn)氣效率與污泥的初始碳氮比有關(guān)，碳氮比越高，產(chǎn)氣效率越好［15］。

圖3 污泥厭氧消化過程產(chǎn)氣總量及碳氮比對(duì)比Fig.3 Contrast of total gas production and C/N during sludge anaerobic digestion

2.2 厭氧消化過程中CH4體積分?jǐn)?shù)的變化

研究表明，污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)CH4的效率主要是由產(chǎn)CH4菌來決定［16］。隨著厭氧反應(yīng)器中有機(jī)負(fù)荷的增加及運(yùn)行時(shí)間的增長，污泥中的微生物群落會(huì)逐漸趨于一種穩(wěn)定的趨勢(shì)，即反應(yīng)開始后產(chǎn)氣量會(huì)逐步上升，但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，有機(jī)物不斷消耗，產(chǎn)CH4菌活性降低，產(chǎn)氣效率也會(huì)隨之降低［16］。

由圖4可知：無論是否加入秸稈，CH4的變化趨勢(shì)都具有相似的規(guī)律。整個(gè)厭氧消化過程中，不加入秸稈的污泥CH4體積分?jǐn)?shù)變化都比較接近。在接種同量沼液的情況下，控制秸稈加入量，加入量多的CH4體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較高。

圖4 厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)CH4的體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Methane volume percentage during sludge fermentation period

由圖4還可以看出，污泥厭氧消化過程中CH4占?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)最高的是接種20%沼液+20g秸稈的污泥。說明加入秸稈的污泥中有機(jī)質(zhì)含量都較高，更有利于CH4的產(chǎn)生。由圖4不難發(fā)現(xiàn)，加入秸稈污泥的CH4體積分?jǐn)?shù)明顯高于未加入秸稈污泥的CH4體積分?jǐn)?shù)。由此可見，通過調(diào)節(jié)污泥中的碳氮比可以有效促進(jìn)CH4的產(chǎn)生。污泥在厭氧消化過程中會(huì)產(chǎn)生CO2、CH4、H2S等氣體，在厭氧發(fā)酵后期出現(xiàn)了CH4百分比降低的現(xiàn)象，可能是因?yàn)橄笃谟捎贑源的消耗，CH4的產(chǎn)率降低，而CO2、H2S等氣體仍在產(chǎn)生。

2.3 厭氧消化前后風(fēng)干泥樣中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

圖5為污泥厭氧消化前后有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。由圖5可知：變化最大的是接種20%沼液+20g秸稈沼渣，有機(jī)質(zhì)降低了3.475%。變化最小的是接種10%沼液沼渣，有機(jī)質(zhì)減少了1.56%。由圖5還可知：沼液、秸稈的加入，增加了污泥的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但消化后有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。相對(duì)于未加秸稈的污泥，加入秸稈污泥有機(jī)質(zhì)的前后變化較大。

厭氧消化后污泥的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，這和消化過程中CH4的產(chǎn)生有很大關(guān)系。在厭氧消化過程中，污泥中的有機(jī)碳通過水解產(chǎn)酸，最終生成CH4氣體，而有機(jī)質(zhì)主要被厭氧發(fā)酵體系中的產(chǎn)CH4菌所消耗［17］。

圖5 污泥厭氧消化前后有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.5 Change of mass fraction for organic matter before and after anaerobic digestion

2.4 厭氧消化前后風(fēng)干泥樣中P質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

圖6為厭氧消化前后風(fēng)干混樣中的P含量的變化情況。由圖6可知，厭氧消化后污泥中的P質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有增加。變化最大的是接種20%沼液沼渣，從0.71%增加到0.83%。變化最小的是接種10%沼液+15g秸稈沼渣，從 0.741%增加到0.79%。分析其原因可能是由于厭氧發(fā)酵之后污泥總量減少，導(dǎo)致P相對(duì)“濃縮”［18］。

圖6 污泥厭氧消化前后P質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.6 Change of mass fraction for phosphorus before and after sludge anaerobic digestion

2.5 厭氧消化前后風(fēng)干泥樣中N質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

由圖7可知：消化后污泥中的N質(zhì)量分?jǐn)?shù)都降低了約0.5%。變化最大的是接種20%沼液+15g秸稈的沼渣，降低了 0.7%。變化最小的是接種10%沼液的沼渣，減少了0.4%。接種20%沼液的沼渣中N的減少量更明顯，平均達(dá)到了0.66%，而接種10%沼液的沼渣中平均N含量降低了0.34%。厭氧發(fā)酵過程中總N損失的主因是上清液中NH3N的揮發(fā)，同時(shí)也存在因硝化、反硝化作用而導(dǎo)致的總N損失；而固相中的有機(jī)N先會(huì)轉(zhuǎn)化為液相中的銨鹽形式，然后再消耗掉［19］。

圖7 污泥厭氧消化前后N質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.7 Variation of mass fraction for nitrogen content before and after sludge anaerobic digestion

2.6 污泥厭氧消化前后重金屬含量的變化

表1為污泥厭氧消化前后重金屬含量的變化。由表1可知：厭氧消化前后，Pb2+、Hg2+、Cr3+含量無明顯變化。而Cu2+、Ni2+、Zn2+含量在厭氧消化前后的變化如圖8所示。由圖8可知：厭氧消化前后，Cu2+含量變化最大的是接種20%沼液+20g秸稈的沼渣，增加了39.5mg/kg，變化最小的是接種20%沼液的沼渣，增加了15.0mg/kg；Zn2+含量變化最大的是接種20%沼液+15g秸稈的沼渣，增加了29.0mg/kg，變化最小的是接種20%沼液的沼渣，增加了5.0mg/kg；Ni2+含量變化最大的是接種10%沼液的沼渣，增加了8.6mg/kg，變化最小的是接種20%沼液+20g秸稈的沼渣，增加了7.1mg/kg。

厭氧消化后重金屬元素的總量是呈增加趨勢(shì)，可見厭氧消化一定程度上會(huì)使重金屬發(fā)生富集，但會(huì)導(dǎo)致重金屬從不穩(wěn)定態(tài)向硫化物等穩(wěn)定態(tài)的形式轉(zhuǎn)化，造成生物可利用性降低，從而提高消化污泥的農(nóng)用價(jià)值［20-22］。

表1 污泥厭氧消化前后重金屬含量的變化Table 1 The change of heavy metal before and after anaerobic digestion（mg·kg-1）

圖8 污泥厭氧消化前后重金屬含量的變化Fig.8 Changes of heavy metal before and after anaerobic digestion

3 結(jié)論

通過控制變量法研究了5種不同配比污泥在37℃時(shí)厭氧消化的產(chǎn)氣效率，且對(duì)厭氧消化前后污泥的理化性質(zhì)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：

1）接種體積比為10%沼液污泥的產(chǎn)氣效率優(yōu)于接種20%沼液的污泥，但不顯著；秸稈的加入使污泥產(chǎn)氣效率明顯提高。接種體積比10%、20%沼液的污泥，加入15g秸稈后，產(chǎn)氣量分別提高3 940.5和2 451mL。接種20%沼液的污泥加入20g秸稈時(shí)比加入 15g秸稈時(shí)產(chǎn)氣量增加了783mL。

2）厭氧消化改變了沼渣的理化性質(zhì)，消化后的污泥有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均降低2.4%，P平均升高0.08%，N平均降低0.5%。

3）厭氧消化后沼渣污泥中Cu2+、Ni2+含量明顯升高，Zn2+含量也略有升高，而Pb2+、Hg2+、Cr3+含量無明顯變化。

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（責(zé)任編輯 周曉薇）

Effect of recirculated-inoculation and straw supplement on biogas production of municipal sludge

YANG Yuting1，ZHOU Jun2，ZHANG Xueying1，HU Qinqin1
（1.College of Environment，Nanjing Tech University，Nanjing 211800，China；2.College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 211800，China）

Anaerobic fermentation of sludge was studied under different inoculation and straw content，as well as the changes of sludge properties before and after anaerobic fermentation.The biogas production efficiency of sludge with 10%（volume ratio，the same below）biogas slurry inoculation reflux（C/N was 6.16）was better than that with 20% （C/N was 5.99）；the biogas production efficiency of sludge was improved by adding straw.Biogas production of sludge with 20%biogas slurry（1 600mL sludge）and 20g straw（C/N was 7.53）was 783mL more than that with 20%biogas slurry and 15g straw（C/N was 7.15），C/N of sludge with 10%biogas slurry and 15g straw was 7.94 which was the highest，and its total gas production and methane volume percentage were also higher than others.Meanwhile，the physicochemical properties of sludge was changed through anaerobic fermentation，the organic matter（does not include straw）of sludge reduced 2.4%（mass ratio）on average after anaerobic fermentation.

municipal sludge；anaerobic fementation；biogas production efficiency；physicochemical properties

X705

A

1672-3678（2015）02-0013-06

10.3969/j.issn.1672-3678.2015.02.003

2014-01-18

國家自然科學(xué)基金（21207065、21307058）；江蘇省青年自然科學(xué)基金（BK20130931）；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（13KJB610006）；2014年江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（201410291028Z）；中國科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（KLCAS-2013-05）

楊玉婷（1990—），女，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向：城市污泥的資源化；張雪英（聯(lián)系人），副教授，E-mail：xueyingzhang@163.com