不同TS濃度下污水廠剩余污泥和生活垃圾混合厭氧消化特性研究

劉建偉，夏雪峰

（1.北京市可持續(xù)城市排水系統(tǒng)構(gòu)建與風(fēng)險(xiǎn)控制工程技術(shù)研究中心（北京建筑大學(xué)），北京 100044；2.北京建筑大學(xué)北京應(yīng)對(duì)氣候變化研究和人才培養(yǎng)基地，北京 100044；3.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044）

近年來(lái)，城市污水處理廠發(fā)展迅速，在改善城市水環(huán)境方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。城市污水廠污水的處理大都以生物處理工藝為主，在污水處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥，如果處理或處置不當(dāng)會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的二次污染問(wèn)題。由于污水廠剩余污泥中含有一定量的有機(jī)質(zhì)和非常豐富的N、P、K 等營(yíng)養(yǎng)元素，并且含有可以進(jìn)行厭氧消化的微生物，因此厭氧消化成為污水廠對(duì)剩余污泥實(shí)行穩(wěn)定化、減量化和資源化處理的最廣泛采用的處理技術(shù)［1］。但是，由于污水廠剩余污泥中的C／N 值較低，采用單一污泥原料進(jìn)行厭氧消化處理時(shí)往往不會(huì)有很高的產(chǎn)氣率和很好的有機(jī)物去除效果。與此同時(shí)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，城市生活垃圾的產(chǎn)量逐年遞增，并成為困擾社會(huì)環(huán)境的另一大難題。目前，將生活垃圾分選后得到的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行厭氧消化處理，在國(guó)內(nèi)外已得到越來(lái)越多的應(yīng)用［2］。然而，雖然生活垃圾有機(jī)質(zhì)含量豐富、C／N 值高，但成分較為單一，且可能含有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等難降解有機(jī)物，采用單一生活垃圾物料進(jìn)行厭氧消化處理未必能取得理想的效果。有研究表明，采用污水廠剩余污泥和生活垃圾兩種物料進(jìn)行混合厭氧消化處理可以得到較好的有機(jī)物去除效果［3］。

厭氧消化是一個(gè)較為復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程，TS 濃度、溫度、C／N、接種物和pH 值等都會(huì)影響反應(yīng)的順利進(jìn)行。其中，TS濃度是影響厭氧消化過(guò)程較為關(guān)鍵的限制性因素之一［4］。目前，對(duì)于TS 濃度對(duì)污水廠剩余污泥和生活垃圾混合厭氧消化影響的研究較少。鑒于此，本文以污水廠剩余污泥和生活垃圾混合物料為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)研究了不同TS濃度下混和物料厭氧消化的特性。本試驗(yàn)分別設(shè)置TS濃度為1%、3%、6%和10%共4種工況，通過(guò)批次試驗(yàn)，對(duì)比不同TS濃度下混合物料厭氧消化的產(chǎn)氣量、氣體中甲烷體積百分含量、物料COD 去除率、消化液pH 值和VFAs濃度的變化情況，研究結(jié)果可為污水廠剩余污泥和生活垃圾混合厭氧消化的TS濃度選擇提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用的污水廠剩余污泥取自北京市某城市污水處理廠，是經(jīng)過(guò)脫水后的剩余污泥；生活垃圾取自北京市海淀區(qū)某城市生活垃圾中轉(zhuǎn)站，原生垃圾經(jīng)過(guò)手工分選得到其中的有機(jī)組分，再通過(guò)粉碎機(jī)將其充分粉碎，并加水使用膠體磨多次研磨；接種污泥取自北京市某城市污水處理廠，是厭氧消化污泥經(jīng)過(guò)3個(gè)月的35℃中溫厭氧馴化而得到的污泥。污水廠剩余污泥和生活垃圾物料每2周制備1次，并置于4℃冰箱中保存待用。試驗(yàn)材料的主要參數(shù)見表1。

表1 污水廠剩余污泥、生活垃圾和接種污泥的主要參數(shù)Table 1 Characteristics of sewage sludge from sewage plants，garbage and digested sludge

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)所用的厭氧消化裝置為容積1L的血清瓶，氣體的收集和計(jì)量采用與血清瓶相連的容積1 L的廣口瓶。將連接并密封好的血清瓶置于恒溫水浴箱，溫度控制在35℃±1℃；每天搖晃攪拌2 次（8∶00和18∶00各1次），每次3min。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用分批厭氧消化的方式，分別設(shè)置TS濃度為1%、3%、6%和10%共4種工況，每組工況設(shè)置兩組平行。根據(jù)試驗(yàn)條件的不同，在血清瓶中投加相應(yīng)的消化底物和接種污泥，其中消化底物為污水廠剩余污泥和生活垃圾的混合物（VS 比為1∶2），消化底物與接種污泥的VS 比為1∶1，加蒸餾水定容至1.0L，向血清瓶中通5min氮?dú)獗ＷC厭氧狀態(tài)，并在35℃±1℃下進(jìn)行厭氧消化試驗(yàn)。每天記錄不同TS濃度下厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)氣量并測(cè)定氣體中甲烷含量（以體積分?jǐn)?shù)計(jì)），每隔3d取樣分析物料COD 濃度、厭氧消化液pH 值和VFAs濃度的變化情況。

1.4 分析方法

產(chǎn)氣量采用濕式氣體流量計(jì)測(cè)定；產(chǎn)氣中甲烷含量采用HP6890型氣相色譜儀測(cè)定；COD 濃度采用哈希COD 快速測(cè)定法測(cè)定；pH 值采用雷磁pHSJ24A 型pH 計(jì)測(cè)定；VFAs濃度采用滴定法測(cè)定，以乙酸計(jì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同TS濃度下厭氧消化的產(chǎn)氣情況

本試驗(yàn)對(duì)不同TS濃度的混合物料厭氧消化過(guò)程中的產(chǎn)氣情況進(jìn)行了研究，其日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量的試驗(yàn)結(jié)果分別見圖1和圖2。

由圖1可以看出：在厭氧消化反應(yīng)一開始，各不同TS濃度的試驗(yàn)組均開始產(chǎn)氣，且在整個(gè)厭氧消化周期內(nèi)表現(xiàn)出前期日產(chǎn)氣量高、后期日產(chǎn)氣量低，直至日產(chǎn)氣量穩(wěn)定的特點(diǎn)，但各試驗(yàn)組日產(chǎn)氣高峰期出現(xiàn)時(shí)間以及最高日產(chǎn)氣量均存在差異。其中，TS濃度為1%和10%的兩個(gè)試驗(yàn)組，日產(chǎn)氣高峰期均出現(xiàn)在反應(yīng)前期，峰值分別為452mL／d和436mL／d，隨后日產(chǎn)氣量逐漸降低；TS濃度為3%的試驗(yàn)組，在第11天和第19天各出現(xiàn)一個(gè)日產(chǎn)氣高峰期，峰值分別為502mL／d和537mL／d，且在第二個(gè)日產(chǎn)氣高峰期后，日產(chǎn)氣量逐漸降低；而TS濃度為6%的試驗(yàn)組，僅在第13天出現(xiàn)了日產(chǎn)氣高峰期，峰值為438mL／d。

此外，不同TS濃度的混合物料對(duì)厭氧消化的產(chǎn)氣周期也有一定影響。其中，TS 濃度為10%的試驗(yàn)組產(chǎn)氣周期最長(zhǎng)，可持續(xù)至第35天左右；而TS濃度為1%的試驗(yàn)組產(chǎn)氣周期最短，產(chǎn)氣主要發(fā)生在前20天。這與何晶晶等［5］對(duì)葉菜類蔬菜垃圾濕式厭氧消化的研究結(jié)果相似，也發(fā)現(xiàn)物料TS 濃度對(duì)于厭氧消化反應(yīng)持續(xù)時(shí)間有影響，當(dāng)物料TS 濃度較高時(shí)，厭氧消化反應(yīng)的遲滯期延長(zhǎng)。

由圖2可以看出：各不同TS濃度的試驗(yàn)組累計(jì)產(chǎn)氣量有明顯的差異。其中，累計(jì)產(chǎn)氣量最高的是TS濃度為3%的試驗(yàn)組，厭氧消化反應(yīng)結(jié)束時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)7 905mL；其次是TS濃度為6%的試驗(yàn)組，累計(jì)產(chǎn)氣量為7 612mL；累計(jì)產(chǎn)氣量最低的是TS濃度為1%的試驗(yàn)組，累計(jì)產(chǎn)氣量?jī)H為6 129mL，而TS濃度為10%的試驗(yàn)組累計(jì)產(chǎn)氣量為6 371mL。

結(jié)合圖1和圖2分析可知，不同TS 濃度的混合物料厭氧消化的日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量均存在差異。其中，TS濃度為3%的混合物料厭氧消化的日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量均最高；而TS 濃度為1%和10%的兩組混合物料厭氧消化的日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量均相對(duì)較低。

不同TS 濃度的混合物料進(jìn)行厭氧消化過(guò)程中，產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣周期等特性不同，主要是因?yàn)門S濃度會(huì)對(duì)厭氧消化的傳質(zhì)過(guò)程和系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷產(chǎn)生影響?；旌衔锪蟃S 濃度較低時(shí)，含水率較高，氣-固-液傳質(zhì)效果好，產(chǎn)氣周期短，但部分固體顆粒會(huì)沉積于反應(yīng)器底部，使得厭氧消化反應(yīng)進(jìn)行得不完全，而且系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷較低，影響產(chǎn)氣量；混合物料TS濃度較高時(shí)，有機(jī)負(fù)荷較高，產(chǎn)氣量較高，但混合物料TS濃度過(guò)高時(shí)，含水率很低，消化液黏度高，氣-固-液傳質(zhì)過(guò)程受阻礙，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)負(fù)荷過(guò)量增加、VFAs積累、pH 值降低，影響高效微生物菌群特別是產(chǎn)甲烷菌的作用，產(chǎn)氣周期較長(zhǎng)［6］。

因此，混合物料TS濃度過(guò)高或過(guò)低都不利于厭氧消化的順利進(jìn)行?；赥S濃度對(duì)于混合物料厭氧消化產(chǎn)氣的影響特性，在污水廠剩余污泥和生活垃圾混合厭氧消化處理工程應(yīng)用中，應(yīng)將混合物料TS濃度調(diào)整至合適范圍，以保證較高的厭氧消化產(chǎn)氣量、較短的產(chǎn)氣周期。

2.2 不同TS濃度下厭氧消化產(chǎn)氣中甲烷體積百分含量的變化

本試驗(yàn)對(duì)不同TS濃度的混合物料厭氧消化過(guò)程中，產(chǎn)生沼氣中的甲烷體積百分含量的變化情況進(jìn)行了研究，其試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出：對(duì)于不同TS 濃度的混合物料，產(chǎn)生沼氣中的甲烷體積百分含量均隨著厭氧消化時(shí)間的延長(zhǎng)呈先升高后緩慢下降的趨勢(shì)。在厭氧消化反應(yīng)的第1天，TS濃度為1%、3%、6%和10%的混合物料產(chǎn)氣中的甲烷體積百分含量均較低，僅分別為33%、35.2%、34.85%和32.5%；之后，隨著產(chǎn)氣微生物菌群特別是產(chǎn)甲烷菌的不斷生長(zhǎng)繁殖，沼氣中的甲烷體積百分含量逐漸升高，在反應(yīng)的第15天或20天時(shí)，TS濃度為1%、3%、6%和10%的各試驗(yàn)組產(chǎn)氣中的甲烷體積百分含量達(dá)最高值，分別為66.4%、69.1%、67.5%和64.4%。值得注意的是，TS濃度為1%的試驗(yàn)組，產(chǎn)氣中的甲烷體積百分含量增加較快，在第10天甲烷體積百分含量就已超過(guò)60%，同時(shí)，在反應(yīng)后期產(chǎn)氣中的甲烷體積百分含量降低也較快，在第30天時(shí)甲烷體積含量降低至58.3%。究其原因，可能是混合物料TS濃度較低時(shí)，系統(tǒng)氣-液-固傳質(zhì)相對(duì)較好，甲烷化進(jìn)程較快，甲烷體積百分含量高峰值出現(xiàn)時(shí)間較早；而混合物料TS濃度較高時(shí)，氣-液-固傳質(zhì)相對(duì)較差，而且由于系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)負(fù)荷高、原料易酸化等原因，甲烷體積百分含量高峰值出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)延遲。

總體說(shuō)來(lái)，混合物料的TS濃度對(duì)于產(chǎn)氣中甲烷體積百分含量值以及最高體積百分含量值出現(xiàn)的時(shí)間有一定影響，但影響不大。當(dāng)然，TS濃度對(duì)于厭氧消化消化過(guò)程的影響程度還取決于混合物料的配比和組成特性。本研究中厭氧消化物料為污水廠剩余污泥和生活垃圾的混合物，污水廠剩余污泥中存在一定量的不易于生物降解的胞外聚合物（EPS）等有機(jī)化合物，而生活垃圾中含有一定量脂肪和蛋白質(zhì)等組分，兩者起到協(xié)同作用［7-8］，使得厭氧系統(tǒng)順利進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段。與單一物料的厭氧消化相比，混合物料厭氧消化過(guò)程更穩(wěn)定，不易產(chǎn)生酸化現(xiàn)象。

2.3 不同TS濃度下厭氧消化過(guò)程中COD 濃度的變化

本試驗(yàn)對(duì)不同TS濃度的混合物料在厭氧消化過(guò)程中，物料COD 濃度的變化情況進(jìn)行了研究，其試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

由圖4可以看出：各不同TS 濃度的混合物料在厭氧消化過(guò)程中，物料COD 濃度均呈下降趨勢(shì)，但TS 濃度不同，COD 濃度降低程度不同。其中，TS濃度為3%的試驗(yàn)組，COD 濃度降低程度最大，從初始的39 763 mg／L 降低至反應(yīng)終期的20 007 mg／L，COD 去除率達(dá)49.68%；TS濃度為1%的試驗(yàn)組，COD 濃度降低程度最小，從初始的COD 為38 659 mg／L 降低至反應(yīng)終期 的28 286 mg／L，COD 去除率僅為26.83%；TS濃度為6%和10%的試驗(yàn)組，COD 去除率分別為44.20%和30.17%。同時(shí)，各不同TS濃度的混合物料在厭氧消化過(guò)程中，COD 的降解速率也不同。其中，TS濃度為3%的試驗(yàn)組，COD 降解速率最大，TS濃度為6%的試驗(yàn)組次之，而TS濃度為1%和10%的試驗(yàn)組COD降解速率變化曲線均較為平緩。

不同TS 濃度的混合物料厭氧消化過(guò)程中，COD降解程度和降解速率均不同，這主要源于不同TS濃度的混合物料中COD 的生物降解難易程度存在差異，TS濃度過(guò)高或過(guò)低均不利于COD 的生物降解。特別是當(dāng)TS濃度較高時(shí)，厭氧消化液含水率較低、流動(dòng)性差，COD 不易被生物降解［9-10］。

總體說(shuō)來(lái)，TS濃度為3%的試驗(yàn)組，COD 去除效果最好，TS濃度過(guò)高或過(guò)低均不利于COD 的去除。這與第2.1節(jié)中不同TS濃度下厭氧消化產(chǎn)氣量情況的試驗(yàn)結(jié)果一致，即TS濃度為3%的試驗(yàn)組累計(jì)產(chǎn)氣量為最大，氣體的產(chǎn)生即源于消化液中溶解性COD 的生物降解，因此COD 降解率越高的試驗(yàn)組，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氣量也越高。

2.4 不同TS濃度下厭氧消化過(guò)程pH 值的變化

本試驗(yàn)對(duì)不同TS濃度的混合物料在厭氧消化過(guò)程中，厭氧消化液pH 值的變化情況進(jìn)行了研究，其試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

由圖5可以看出：各不同TS 濃度的混合物料厭氧消化過(guò)程中，厭氧消化液pH 值均有不同程度的變化，各試驗(yàn)組pH 值總體呈先下降后升高的趨勢(shì)，在厭氧消化后期逐漸穩(wěn)定，且TS濃度越高，pH值變化越大。其中，TS 濃度為10%的試驗(yàn)組，pH值在第12天即降低至5.39的最低值；而TS濃度為1%的試驗(yàn)組，在厭氧消化期內(nèi)pH 值一直保持在6.82以上。在厭氧消化反應(yīng)的后期，各不同TS濃度的試驗(yàn)組pH 值均維持在7.0～7.2之間。

總體看來(lái)，各試驗(yàn)組在厭氧消化前期，pH 值下降較為迅速，主要是由于污水廠剩余污泥和生活垃圾的混合物料易于水解酸化，產(chǎn)生大量VFAs又不能立即被產(chǎn)甲烷菌充分利用，因而積累了大量VFAs，導(dǎo)致系統(tǒng)pH 值迅速下降［11］；同時(shí)，各試驗(yàn)組的TS濃度越高，pH 值降低越多，這是因?yàn)門S濃度較高的試驗(yàn)組，有機(jī)負(fù)荷較高，VFAs的積累量相對(duì)較高，使得系統(tǒng)pH 值下降較多，但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，至厭氧消化后期的過(guò)程中，產(chǎn)甲烷菌逐漸利用產(chǎn)生的VFAs，再加上系統(tǒng)自身一定的緩沖能力，緩解了混合物料易水解導(dǎo)致的pH 值急劇下降的情況，使pH 值逐漸上升。

一般說(shuō)來(lái)，產(chǎn)甲烷菌對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的pH 值極為敏感，其最適宜的pH 值范圍為6.8～7.5，這時(shí)不會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌造成影響［12］。本研究中TS 濃度為1%和3%的試驗(yàn)組，大部分反應(yīng)時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)pH 值均在此最佳范圍內(nèi)，為產(chǎn)甲烷菌提供了適合的pH值條件；而TS濃度為10%的試驗(yàn)組，系統(tǒng)pH 值大部分偏離最佳范圍，從而對(duì)產(chǎn)氣情況造成影響。

2.5 不同TS濃度下厭氧消化過(guò)程中VFAs濃度的變化

VFAs是衡量厭氧消化過(guò)程微生物代謝狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。本試驗(yàn)對(duì)不同TS濃度的混合物料在厭氧消化過(guò)程中，厭氧消化液VFAs濃度的變化情況進(jìn)行了研究，其試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

由圖6可以看出：在厭氧反應(yīng)期內(nèi)，各不同TS濃度的試驗(yàn)組VFAs濃度均呈現(xiàn)先升高、后降低、最后趨于平緩的趨勢(shì)。TS濃度較高時(shí)，VFAs濃度升高越快，達(dá)到的最高VFAs濃度值也越高，而TS濃度較低時(shí)，VFAs產(chǎn)生速率較為平緩，達(dá)到的最高VFAs濃度值較低。比如，在第8天時(shí)，TS 濃度為10%的試驗(yàn)組VFAs濃度達(dá)最高值為4 895mg／L，而TS濃度為1%的試驗(yàn)組VFAs濃度也達(dá)最高值卻僅為1 760mg／L，這說(shuō)明混合物料TS濃度不同，厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)VFAs的產(chǎn)生特性存在差異。這是因?yàn)榛旌衔锪蟃S濃度越高，厭氧消化反應(yīng)的有機(jī)負(fù)荷越大，有越多的有機(jī)物可以被水解和轉(zhuǎn)化為VFAs，并造成一定程度的VFAs積累［13-14］。除了TS濃度為10%的試驗(yàn)組外，其他各試驗(yàn)組內(nèi)積累的VFAs濃度均未超過(guò)可能對(duì)甲烷菌造成抑制作用的VFAs濃度范圍［15-16］。

結(jié)合第2.4節(jié)的結(jié)果，厭氧消化系統(tǒng)pH 值的變化特性與VFAs的產(chǎn)生特性相關(guān)，VFAs濃度越高，系統(tǒng)pH 值降低越多。相對(duì)于VFAs的產(chǎn)生，pH 值變化有一定的延遲效應(yīng)，如TS 濃度為10%的試驗(yàn)組，在第8 天時(shí)VFAs濃度達(dá)最高值4 895 mg／L，而pH 值卻在第12天左右降至最低值5.39。

3 結(jié)論

（1）不同TS濃度的混合物料厭氧消化過(guò)程中的最高日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量均存在差異。其中，TS濃度為3%的試驗(yàn)組，混合物料厭氧消化系統(tǒng)的最高日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量均達(dá)最大值，分別為537mL和7 905mL；TS濃度高于或低于3%的試驗(yàn)組，系統(tǒng)最高日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量均降低。

（2）TS濃度對(duì)混合物料厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)生的氣體中甲烷體積百分含量高峰值有一定影響。TS濃度較低時(shí)，系統(tǒng)甲烷化進(jìn)程較快，甲烷體積百分含量高峰值出現(xiàn)時(shí)間較早；TS濃度較高時(shí)，系統(tǒng)甲烷體積百分含量高峰值出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)延遲。

（3）TS 濃度越高，厭氧消化液pH 值降低越多，VFAs濃度積累也更高?；旌衔锪蟃S 濃度分別為1%、3%和6%的試驗(yàn)組，沒有出現(xiàn)因VFAs濃度積累而產(chǎn)生的酸抑制現(xiàn)象，而TS濃度為10%的試驗(yàn)組，厭氧消化液VFAs 濃度最高達(dá)4 895 mg／L，pH 值降低至5.39的最低值。

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