生物填料厭氧消化工藝與完全混合厭氧消化工藝處理剩余污泥的比較研究

馬文林 ， 馮雷雨 ， 王飛翔， 李榮旗， 王 剛

(1.北京建筑大學(xué) 應(yīng)對(duì)氣候變化研究和人才培養(yǎng)基地， 北京 100044；2.北京科潤(rùn)維德生物技術(shù)有限責(zé)任公司， 北京 100095)

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生物填料厭氧消化工藝與完全混合厭氧消化工藝處理剩余污泥的比較研究

馬文林1， 馮雷雨1， 王飛翔1， 李榮旗2， 王 剛2

(1.北京建筑大學(xué) 應(yīng)對(duì)氣候變化研究和人才培養(yǎng)基地， 北京 100044；2.北京科潤(rùn)維德生物技術(shù)有限責(zé)任公司， 北京 100095)

在中溫條件下，研究生物填料厭氧消化處理工藝(包括未加攪拌和添加攪拌兩種工藝)相對(duì)于傳統(tǒng)厭氧消化工藝對(duì)處理污水處理廠剩余污泥的改善作用。結(jié)果表明：生物填料厭氧消化罐在6%，8%和10%進(jìn)料濃度下，日均產(chǎn)氣量提高29.87%～214.10%，沼氣中甲烷含量提高4.67%～25.53%；系統(tǒng)正常運(yùn)行下，生物填料厭氧消化工藝的出料沼液平均COD濃度低于傳統(tǒng)工藝消化罐47.33%～65.88%；3種工藝處理?xiàng)l件下，沼液的pH值在6.99～7.70之間；堿度在1383～2989 mg·L-1之間，均在正常范圍之內(nèi)，但傳統(tǒng)工藝消化罐的堿度變化幅度大于生物填料厭氧消化罐。由此得出結(jié)論，采用生物填料厭氧消化處理工藝，能增加污泥厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性及消化效率，有利于污泥的穩(wěn)定化和能源化。

生物填料；剩余污泥；厭氧消化

隨著我國(guó)對(duì)污水處理工作的日益重視，城鎮(zhèn)污水處理率逐年提高?！笆濉币?guī)劃中提出，2015年全國(guó)所有設(shè)市城市和縣城具有污水集中處理能力，城市污水處理率提高至85%[1]，這在很大程度上有利于水污染的控制。但大批污水處理廠的投運(yùn)會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥，根據(jù)預(yù)測(cè)[2]，2015年全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥產(chǎn)量(按含水率80%計(jì))將達(dá)到3560萬t。如此多的污泥產(chǎn)生且其含水率高、含有一定量的有毒有害物質(zhì)，極易造成環(huán)境二次污染，如何對(duì)其進(jìn)行安全高效地處理處置已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。污泥處理處置的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)其減量化、穩(wěn)定化和資源化。由于我國(guó)面臨資源短缺、能源危機(jī)、土壤礦化的國(guó)情以及全球氣候變化的影響，將污泥“變廢為寶”實(shí)現(xiàn)其能源化、資源化是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。將污泥中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為能源，并將污泥中營(yíng)養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料加以充分的回收利用，減少溫室氣體排放，將會(huì)產(chǎn)生巨大的環(huán)境和社會(huì)效益[3]。目前在眾多污泥穩(wěn)定化技術(shù)中，厭氧消化法由于低能耗、低環(huán)境影響以及高效的能量回收在國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛[4]。但是傳統(tǒng)厭氧消化存在運(yùn)行費(fèi)用高、污泥處理時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)氣率與產(chǎn)氣量低等問題，導(dǎo)致我國(guó)在污泥厭氧消化處理方面發(fā)展緩慢。

近些年來眾多學(xué)者在優(yōu)化污泥厭氧反應(yīng)條件、提高厭氧消化效率和穩(wěn)定性等方面做了大量研究。彭燕[5]等人通過添加沸石生物基材料促進(jìn)污泥厭氧消化，其結(jié)果污泥總固體和揮發(fā)性固體去除效果良好，去除率分別高達(dá)50.4%～62.8和56.8%～81.4%；金春姬[6]等人研究了添加堿渣對(duì)污泥厭氧消化的影響，結(jié)果表明，甲烷產(chǎn)量提高了37.9%(堿渣添加量為3.30 g·L-1)；葉彩虹[7]等人研究發(fā)現(xiàn)，添加NADPH，乙酰輔酶A和PABA 3種微生物活性促進(jìn)劑均可促進(jìn)污泥厭氧消化產(chǎn)氣，其中NADPH效果最為顯著，產(chǎn)甲烷量比對(duì)照組高15.90%。而高凱旋[8]認(rèn)為在沼氣工程中運(yùn)用攪拌技術(shù)能提高沼氣的產(chǎn)氣效率，但過度攪拌會(huì)對(duì)厭氧發(fā)酸產(chǎn)生負(fù)作用，影響沼氣發(fā)酵的正常運(yùn)行，其主要負(fù)面效應(yīng)包括：阻礙產(chǎn)甲烷區(qū)域的形成和擴(kuò)張；擾亂互營(yíng)性菌群空間分布關(guān)系等。因此，在厭氧消化處理裝置中添加生物填料，比傳統(tǒng)厭氧消化處理方法有兩方面的益處，既能夠維持微生物在消化裝置中的均勻分布，同時(shí)為甲烷菌營(yíng)造良好的生存環(huán)境，有利于提高剩余污泥厭氧消化處理效率。但目前這方面的研究還較少[5]。

試驗(yàn)在中溫條件下，采用自制的厭氧消化處理裝置，研究生物填料厭氧消化處理工藝相比于傳統(tǒng)污泥厭氧消化工藝在系統(tǒng)穩(wěn)定性及消化效率等方面的影響，為進(jìn)一步優(yōu)化污泥厭氧消化工藝條件提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地及材料

試驗(yàn)場(chǎng)地為北京某公司沼氣實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)材料為某污水處理廠剩余污泥，污泥貯存于冰箱內(nèi)(4℃)，使用前將其預(yù)熱至室溫。

經(jīng)測(cè)定，污水廠剩余污泥含水率為79.13%，總固體濃度(TS)為20.87%，揮發(fā)性固體濃度(VS)為7.45%；接種沼液含水率為91.54%，總固體濃度(TS)為8.46%，揮發(fā)性固體濃度(VS)為4.71%。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)使用的厭氧消化罐，采用有機(jī)玻璃加工制作，總?cè)莘e8 L，有效消化容積4.8 L，結(jié)構(gòu)如圖1所示。共啟動(dòng)了3套試驗(yàn)裝置，其中第1套裝置采用傳統(tǒng)的完全混合厭氧消化工藝，第2套和第3套裝置根據(jù)“一種微生物附著膜型沼氣發(fā)酵厭氧反應(yīng)器及其應(yīng)用”(專利號(hào)ZL200910238790.6)，原理是在厭氧消化裝置內(nèi)安裝了生物填料，第2套裝置中未添加攪拌器，第3套裝置中添加攪拌器。此設(shè)計(jì)的目的是比較3種污泥厭氧消化處理工藝在厭氧消化處理效率及系統(tǒng)穩(wěn)定性的優(yōu)劣。

3套裝置在攪拌和填料填充度等設(shè)計(jì)參數(shù)上的設(shè)置，見表1。

表1 試驗(yàn)裝置關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

厭氧消化罐采用半連續(xù)進(jìn)料，設(shè)計(jì)發(fā)酵溫度為中溫條件(35℃±2℃)，接種物來自于奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)已多年穩(wěn)定運(yùn)行的牛糞厭氧發(fā)酵裝置排放的沼液。

試驗(yàn)分啟動(dòng)期和運(yùn)行期2個(gè)階段。啟動(dòng)時(shí)一次性接入的沼液1440 mL(有效容積的30%)，水216 mL和濕污泥24 g(含水率79.13%)，然后每日按照5%(240 mL)的投配率向消化罐補(bǔ)充新鮮污泥，并排放等量發(fā)酵液。在啟動(dòng)期內(nèi)，進(jìn)料濃度根據(jù)厭氧消化反應(yīng)情況按照2%，4%和6% TS濃度逐步提高。進(jìn)料TS濃度達(dá)到6%，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，啟動(dòng)期結(jié)束。運(yùn)行期內(nèi)，主要研究比較在6%，8%和10%進(jìn)料TS濃度下3種工藝下厭氧消化罐的厭氧消化反應(yīng)情況。

1.4 監(jiān)測(cè)指標(biāo)和分析方法

試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括原料(污泥)和接種物(沼液)的總固體濃度(TS)和揮發(fā)性固體濃度(VS)，各消化罐的沼氣產(chǎn)量和甲烷含量，消化液的pH值，堿度和COD。其中，污泥和沼液的固體濃度于試驗(yàn)開始時(shí)一次性測(cè)定；啟動(dòng)期僅測(cè)定消化液的pH值；運(yùn)行期各消化罐的沼氣產(chǎn)量每日測(cè)定，沼氣中甲烷含量每?jī)扇諟y(cè)定1次；消化液各項(xiàng)指標(biāo)每日測(cè)定。

各個(gè)指標(biāo)監(jiān)測(cè)方法見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)及方法

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 啟動(dòng)期

試驗(yàn)從2014年11月16日開始，初始進(jìn)料TS濃度為2%；于12月2日將進(jìn)料TS濃度增加到4%；繼續(xù)運(yùn)行7 d，在12月9日將進(jìn)料TS濃度再次提升到6%，并在6%濃度下運(yùn)行14 d，啟動(dòng)期結(jié)束。啟動(dòng)期各系統(tǒng)的pH值變化情況見圖2。

圖2 各試驗(yàn)裝置啟動(dòng)期內(nèi)pH值變化情況

由圖2可知，自11月16日啟動(dòng)試驗(yàn)至11月21日期間，3個(gè)消化罐的pH值都呈現(xiàn)穩(wěn)定下降趨勢(shì)，表明此時(shí)厭氧消化反應(yīng)以有機(jī)物的酸化反應(yīng)占主導(dǎo)，系統(tǒng)中有機(jī)酸濃度增加，導(dǎo)致pH值下降，系統(tǒng)的甲烷菌活性還沒有建立起來。相比較，裝置1消化罐的消化液pH值高于裝置2和裝置3的，表明裝置2和裝置3的有機(jī)物酸化反應(yīng)啟動(dòng)速度較快。

11月21日之后，各試驗(yàn)裝置的消化液pH值開始出現(xiàn)緩慢回升，表明厭氧消化過程的甲烷轉(zhuǎn)化能力在逐步建立并趨于穩(wěn)定，因此于12月2日提高進(jìn)料TS濃度為4%。在進(jìn)料TS濃度增加后，3個(gè)系統(tǒng)都沒有出現(xiàn)pH值下降的情況，表明此時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)建立了良好的甲烷轉(zhuǎn)化能力，能夠適應(yīng)4%的進(jìn)料TS濃度。在4%的進(jìn)料TS濃度下繼續(xù)運(yùn)行7 d，于12月9日再次將進(jìn)料TS濃度升高至6%。

在進(jìn)料TS濃度增加到6%以后，3個(gè)系統(tǒng)顯現(xiàn)的pH值情況總體仍然呈上升趨勢(shì)，但pH值波動(dòng)幅度較4%濃度情況下的大，說明進(jìn)料TS濃度增加到6%，固體負(fù)荷量開始對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。比較6%負(fù)荷期間的pH值情況，能夠清楚區(qū)分出，裝置1的平均pH值最高，裝置2的居中，裝置3的最低。僅依靠pH值的數(shù)據(jù)，不能夠清楚分析出其原因所在，一種比較可能的解釋是，裝置2和裝置3比裝置1有高的有機(jī)物酸化水解能力，而有攪拌的情況又比沒有攪拌的情況有更強(qiáng)的酸化水解能力。系統(tǒng)在6% TS負(fù)荷下繼續(xù)運(yùn)行14 d，pH值有所波動(dòng)，但基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，至12月23日啟動(dòng)期結(jié)束。

2.2 運(yùn)行期

運(yùn)行期為2014年12月27日至2015年1月27日，共21 d。期間，分別于2015年1月6日和11日提高進(jìn)料TS濃度至8%和10%。

2.2.1 產(chǎn)氣量

圖3表示了3個(gè)消化罐運(yùn)行期內(nèi)的產(chǎn)氣量情況。

圖3 各試驗(yàn)裝置運(yùn)行期內(nèi)產(chǎn)氣量情況

比較圖3中不同負(fù)荷階段不同消化罐的產(chǎn)氣量變化情況可知，進(jìn)料濃度由6%經(jīng)8%升至10%，裝置1的產(chǎn)氣量呈減少趨勢(shì)，裝置2的產(chǎn)氣量呈增加趨勢(shì)，裝置3的產(chǎn)氣量基本不變。

3個(gè)消化罐在各個(gè)進(jìn)料TS濃度下的日平均產(chǎn)氣情況如表3所示。

表3 各消化罐的日平均產(chǎn)氣量 (mL)

比較表3中數(shù)值可以得到，在6%濃度下，裝置2和裝置3相比裝置1分別增加31.60%和29.87%；在8%濃度下，裝置2和裝置3相比裝置1分別增加101.94%和45.04%；在10%濃度下，裝置2和裝置3相比裝置1分別增加214.10%和86.54%。這說明裝置2和裝置3的消化能力總體高于裝置1；而在兩個(gè)處理系統(tǒng)中，裝置2又比裝置3的消化能力要好。究其原因，厭氧消化罐中不安裝填料時(shí)，會(huì)有較多厭氧微生物隨污泥的排出一并流失，添加載體(填料)會(huì)截留更多發(fā)酵微生物，同時(shí)生物填料會(huì)增加厭氧微生物與料液的接觸面積，從而提高消化罐的消化效率。但在有填料的情況下再使用攪拌裝置反而不利于產(chǎn)氣效率的提高，可能是因?yàn)閿嚢鑿?qiáng)度過高，擾亂了互營(yíng)性菌群空間分布關(guān)系，同時(shí)強(qiáng)度過高的攪拌也會(huì)造成厭氧微生物的流失。

2.2.2 甲烷含量

表4表示了運(yùn)行期內(nèi)不同負(fù)荷階段各試驗(yàn)裝置沼氣中甲烷的平均含量情況。

表4 各消化罐沼氣中甲烷平均含量 (%)

從表4數(shù)據(jù)看，在6%，8%和10% 進(jìn)料TS濃度下，裝置2和裝置3沼氣中甲烷含量都高于裝置1的，而裝置2又高于裝置3，這與前面產(chǎn)氣量的規(guī)律相同。相對(duì)于裝置1，裝置2和裝置3的沼氣中甲烷含量分別提高16.82%～25.53%，4.67%～14.81%，說明添加生物填料為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造了更好的生存條件，有利于提高污泥厭氧消化系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)生能力。

2.2.3 化學(xué)需氧量(COD)

污泥穩(wěn)定化的目標(biāo)是將易腐敗的有機(jī)物進(jìn)行分解轉(zhuǎn)化，在厭氧消化過程中，沼氣發(fā)酵細(xì)菌自身生長(zhǎng)及代謝活動(dòng)會(huì)消耗一部分物質(zhì)和能量，同時(shí)還會(huì)利用發(fā)酵液中營(yíng)養(yǎng)成分生產(chǎn)沼氣，因此，污泥厭氧消化過程也是COD被利用和去除的一個(gè)過程[9]。圖4表示了運(yùn)行期內(nèi)各試驗(yàn)裝置沼的COD濃度變化情況。表5列出了各負(fù)荷階段各消化罐出料沼液的平均COD濃度。

圖4 各試驗(yàn)裝置運(yùn)行期內(nèi)沼液的COD變化情況

進(jìn)料固體濃度/%裝置1裝置2裝置36636217291862329828410524232276

由圖4和表5中的曲線和數(shù)據(jù)可知，裝置2和裝置3沼液中的COD濃度顯著低于裝置1。相比裝置1沼液的COD， 6%進(jìn)料TS濃度下，裝置2降低65.88%，裝置3降低54.25%；8%進(jìn)料TS濃度下，裝置2降低52.17%，裝置3降低54.41；10%進(jìn)料TS濃度下，裝置2降低55.73%，裝置3降低47.33%。由此表明，厭氧消化罐中加入生物填料可以有效提高消化器的有機(jī)物降解能力。裝置2和裝置3相比，總體上裝置2中沼液COD濃度要低，說明裝置2有最好的有機(jī)物降解能力，這與前面各裝置的甲烷生產(chǎn)能力數(shù)據(jù)相一致，裝置2的甲烷生產(chǎn)能力最高，其沼液中的COD濃度最低，表明有更多的有機(jī)物被利用生產(chǎn)甲烷。

2.2.4 pH值

由圖5曲線和數(shù)據(jù)可知，3個(gè)裝置在運(yùn)行期內(nèi)，pH值范圍在6.99～7.70之間，基本都在適宜范圍之內(nèi)，但裝置2的pH值明顯高于裝置1和裝置3，分析其原因是由于裝置2消耗揮發(fā)性脂肪酸較快，堿度比其他兩組高。

圖5 各試驗(yàn)裝運(yùn)行期內(nèi)pH值變化情況

彭燕，何國(guó)偉[5]等研究了添加沸石生物基對(duì)厭氧消化的影響，在其設(shè)置的實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)器上清液pH值大多穩(wěn)定在6～7，添加生物填料對(duì)污泥厭氧消化pH值影響不大。而在試驗(yàn)中，裝置3的pH值略高于裝置1，裝置2的pH值明顯高于其他兩組。分析原因，試驗(yàn)使用的生物填料非常容易使微生物附著其上，可顯著增加產(chǎn)甲烷菌與物料的接觸面積，提高其利用轉(zhuǎn)化揮發(fā)性有機(jī)酸等消化中間產(chǎn)物的效率。

2.2.5 堿度

堿度是厭氧消化系統(tǒng)運(yùn)行好壞的重要標(biāo)志，它顯示了對(duì)系統(tǒng)消化過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸的中和能力，能使系統(tǒng)pH值保持在適宜的范圍之內(nèi)，是系統(tǒng)緩沖能力的重要體現(xiàn)。研究表明[11-12]，厭氧反應(yīng)器的合適堿度為2000～4000 mg·L-1，正常范圍為1000～5000 mg·L-1(以碳酸鈣計(jì))，正常運(yùn)行的厭氧反應(yīng)器堿度應(yīng)小于5000 mg·L-1。

由圖6曲線和數(shù)據(jù)可知，3個(gè)裝置在穩(wěn)定運(yùn)行階段，堿度范圍在1383～2989 mg·L-1之間，在正常范圍之內(nèi)；裝置2堿度高于裝置1和裝置3，這是導(dǎo)致裝置2的 pH值偏高的原因之一；裝置2的堿度穩(wěn)定性也明顯好于裝置1和裝置3，表明裝置2有最好的系統(tǒng)穩(wěn)定性；裝置1的堿度變化幅度大于裝置2和裝置3，說明裝置1的系統(tǒng)穩(wěn)定性低于裝置2和裝置3。

圖6 各試驗(yàn)裝置運(yùn)行期內(nèi)的堿度變化情況

3 結(jié)論

試驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)污泥厭氧消化處理裝置，從生物填料和攪拌兩方面進(jìn)行改造，通過比較研究得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)傳統(tǒng)污泥厭氧消化裝置進(jìn)行添加生物填料和停止攪拌的工藝改造，可取得良好的污泥穩(wěn)定化和資源化效果；

(2)此次研究中，裝置2有最好的處理效果，與裝置1相比， 出料沼液COD濃度降低52.17%～65.88%，日均產(chǎn)氣量提高31.60%～214.10%，沼氣中甲烷含量增加16.82%～25.53%。同時(shí)，消化液pH值和堿度的波動(dòng)幅度最小，表明使用生物填料有利于提高厭氧消化系統(tǒng)抵抗有機(jī)物沖擊負(fù)荷的能力，有利于提高消化系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(3)在添加了生物填料的厭氧消化裝置中進(jìn)行攪拌，并不能提高厭氧消化效率，原因可能是攪拌強(qiáng)度過高，破壞了微生物菌群的安靜生長(zhǎng)環(huán)境，不利于有食物鏈關(guān)系的不同微生物形成穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)。

4 建議

在污泥厭氧消化裝置中添加生物填料，對(duì)厭氧消化效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性都具有促進(jìn)作用。本試驗(yàn)以事實(shí)證明了這種影響的客觀存在，但在定量研究和機(jī)理探索方面未進(jìn)行深入研究，此外，未對(duì)填料填充密度進(jìn)行量化研究，需在以后的研究中進(jìn)一步加強(qiáng)。

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Comparison of Anaerobic Filter Process with Traditional Complete Mixed Anaerobic Process Treating Excess Sludge

MA Wen-lin1， FENG Lei-yu1， WANG Fei-xiang1， LI Rong-qi2， WANG Gang2

(1. Beijing Research and Education Center for Climate Change Response, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044,China; 2. Beijing Created Biotechnology COLTD, Beijing 100095, China)

Under the condition of medium temperature, biological filler anaerobic process (including stirring and non-stirring) were compared with traditional anaerobic process(completely mixed anaerobic process).The results showed that, under influent COD concentration of 6%,8% and 10%, the biological filler obtained higher average daily biogas production, 29.87%～214.10% higher than that of traditional process, and the methane content in biogas increased by 4.67%～25.53%. The average COD concentration of effluent from the filter process was 47.33%～65.88% lower compared with that from traditional process. The pH of biogas slurry was between 6.99 and 7.70 under all the three process. And alkalinity was 1383～2989 mg·L-1, which were within the normal range. However, the change of alkalinity in the traditional process was bigger than that in the biological filler.

biological filler; excess sludge; anaerobic digestion

2015-09-28

2015-12-23

項(xiàng)目來源： 北京應(yīng)對(duì)氣候變化研究和人才培養(yǎng)基地專項(xiàng)及開放課題基金(PXM2014-014210-000037)；北京市教委科技計(jì)劃(KM201310016008)；環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)建設(shè)專項(xiàng)(PXM2014-014210-0001)；本科生科研訓(xùn)練(48041615002)

馬文林(1968-)，女，漢族，博士，主要研究方向?yàn)閼?yīng)對(duì)氣候變化、水環(huán)境生態(tài)修復(fù)技術(shù)和固體廢物資源化處理與利用，E-mail: mawenlin@bucea.edu.cn

S216.4; X703

A

1000-1166(2016)01-0037-06