脫水生活污泥與秸稈厭氧干發(fā)酵工藝參數(shù)優(yōu)化研究

李 想，王 飛，王久臣，王 超，林 聰，趙立欣，姚宗路

(1.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100125；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，北京 100125；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100083)

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脫水生活污泥與秸稈厭氧干發(fā)酵工藝參數(shù)優(yōu)化研究

李 想1，2，王 飛2，王久臣2，王 超2，林 聰3，趙立欣1，姚宗路1

(1.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100125；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，北京 100125；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100083)

該研究針對(duì)目前生活污泥環(huán)境污染、資源化利用率低的現(xiàn)狀，結(jié)合生活污泥高有機(jī)質(zhì)、高氮低碳的原料特征，開展脫水生活污泥與玉米秸稈的混合厭氧干發(fā)酵研究，探討C/N,接種量對(duì)厭氧干發(fā)酵的影響及其產(chǎn)氣規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：生活污泥與玉米秸稈厭氧干發(fā)酵較優(yōu)的工藝C/N為25，接種量30%，含水率20%，中溫35℃，發(fā)酵周期30 d，其干物質(zhì)產(chǎn)氣率為193.22 mL·g-1TS，發(fā)酵剩余物的重金屬含量和養(yǎng)分含量符合《城市垃圾農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn)值》(GB8172)要求，實(shí)現(xiàn)了脫水生活污泥的無(wú)害化處理與資源化利用。

脫水生活污泥；玉米秸稈；厭氧干發(fā)酵；沼氣

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，全國(guó)城市生活污水處理廠年產(chǎn)生污泥約2200萬(wàn)t[1]。生活污泥主要組分是蛋白質(zhì)、多糖等有機(jī)物，同時(shí)還含有大量的氮、磷等富營(yíng)養(yǎng)化元素以及重金屬、病原物生物等有害物質(zhì)，若不進(jìn)行無(wú)害化處理會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[2-3]。我國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，農(nóng)作物秸稈資源量約9億t，可收集利用量約8億t，2013年秸稈綜合利用率為78%，約有2億t秸稈尚未處理[4]。秸稈露天焚燒，不僅對(duì)空氣質(zhì)量、道路交通安全造成嚴(yán)重威脅，同時(shí)也是資源的一種浪費(fèi)。然而將生活污泥、秸稈進(jìn)行聯(lián)合處理，利用厭氧干發(fā)酵技術(shù)實(shí)現(xiàn)沼氣肥料聯(lián)產(chǎn)，對(duì)于保護(hù)生態(tài)環(huán)境、緩解能源供求緊張以及促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。

厭氧干發(fā)酵的原料濃度一般在17%以上，培養(yǎng)基呈固態(tài)，雖然含水豐富，但沒(méi)有或僅有少量自由流動(dòng)水，是固體有機(jī)物的處理方法[5-7]。已有對(duì)脫水生活污泥、作物秸稈單一原料厭氧干發(fā)酵進(jìn)行的一些研究，如：謝震震[8]等對(duì)脫水污泥在干發(fā)酵過(guò)程初期的生物降解規(guī)律進(jìn)行了研究；冷成保[9]等對(duì)生活垃圾干發(fā)酵進(jìn)行了研究；武少菁[10]等對(duì)秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)進(jìn)行了概述和展望；魏世清[11]等對(duì)玉米秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣進(jìn)行了試驗(yàn)研究等。但對(duì)脫水生活污泥與玉米秸稈混合發(fā)酵原料聯(lián)合厭氧干發(fā)酵的研究報(bào)道較少。筆者通過(guò)富氮原料脫水污泥和富碳原料玉米秸稈聯(lián)合厭氧發(fā)酵，發(fā)揮碳、氮的相互協(xié)同作用，提升厭氧干發(fā)酵的產(chǎn)氣效果，主要探討脫水生活污泥與秸稈的配比以及接種量對(duì)產(chǎn)氣效果的影響，優(yōu)化厭氧干發(fā)酵工藝參數(shù)，以及脫水生活污泥與秸稈厭氧聯(lián)合干發(fā)酵剩余物制肥的可行性。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

選取脫水生活污泥、玉米秸稈為試驗(yàn)原料，沼渣作為接種物。其中：脫水生活污泥取自北京市大興區(qū)北伐頓村污泥處置廠，玉米秸稈取自北京市大興區(qū)長(zhǎng)子營(yíng)鎮(zhèn)，沼渣取自北京市大興區(qū)留民營(yíng)村沼氣站。發(fā)酵原料及接種物的物理化學(xué)特性如表1所示。

表1 試驗(yàn)原料的物理和化學(xué)特性 (%)

1.2 試驗(yàn)裝置

以500 mL廣口瓶作為厭氧干發(fā)酵反應(yīng)器，采用恒溫水浴鍋?zhàn)鳛榧訙匮b置，將厭氧干發(fā)酵溫度控制在35℃左右。采用排水集氣法收集測(cè)量沼氣產(chǎn)生量，以1000 mL廣口瓶作為集氣瓶。試驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1。

1.恒溫水浴鍋；2.反應(yīng)瓶；3.導(dǎo)氣管；4.開關(guān)；5.三通；6.集氣瓶；7.導(dǎo)水管；8.量筒圖1 產(chǎn)氣潛力反應(yīng)裝置

1.3 試驗(yàn)安排

生活污泥與秸稈不同配比聯(lián)合厭氧干發(fā)酵試驗(yàn)，發(fā)酵溫度為35℃，沼渣接種量為20%。共設(shè)置了4個(gè)處理組，每個(gè)處理組設(shè)3個(gè)重復(fù)，調(diào)節(jié)控制干發(fā)酵原料的C/N。即純脫水生活污泥(Ⅰ)、脫水生活污泥與秸稈C/N=15(Ⅱ)、脫水生活污泥與秸稈C/N=25(Ⅲ)、脫水生活污泥與秸稈C/N=35(Ⅳ)，發(fā)酵周期為30 d。

接種量對(duì)污泥與秸稈聯(lián)合厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣量影響試驗(yàn)，選取上述試驗(yàn)中生活污泥與秸稈C/N為25,干物質(zhì)含量20%左右的工藝條件，控制厭氧消化溫度為35℃。試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理組，每個(gè)處理組3個(gè)重復(fù)，接種量分別取10%(R1)，15%(R2)，20%(R3)和30%(R4)發(fā)酵周期30 d。

1.4 測(cè)試指標(biāo)及方法[12]

發(fā)酵物料：總固體(TS)、烘干法；揮發(fā)性固體(VS)，減量法(550℃～600℃燒3 h)；總碳，k2Cr2O7-外熱源法；全氮，H2SO4-水楊酸-混合鹽消煮法；全磷，H2SO4-HNO3消煮-釩鉬黃比色法；全鉀，H2SO4-HNO3消煮-火焰光度法；鉛、鉻、鎘、汞、砷，原子吸收分光光度法[16]。沼氣：沼氣量，排水集氣法。

2 結(jié)果與分析

2.1 生活污泥與秸稈不同配比聯(lián)合厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣效果分析

在脫水生活污泥(Ⅰ)、脫水生活污泥與秸稈C/N=15(Ⅱ)、脫水生活污泥與秸稈C/N=25(Ⅲ)、脫水生活污泥與秸稈C/N=35(Ⅳ)、沼渣接種量均為20%的情況下，厭氧消化過(guò)程均啟動(dòng)正常。在厭氧消化過(guò)程進(jìn)行2 d時(shí)，可以點(diǎn)燃發(fā)出藍(lán)色火苗，說(shuō)明沼氣中甲烷的含量已達(dá)到50%以上，試驗(yàn)配比Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ具有相似的產(chǎn)氣規(guī)律，其最高日產(chǎn)氣量分別為233 mL，312 mL，509 mL，490 mL。通過(guò)對(duì)厭氧消化過(guò)程pH值的監(jiān)測(cè)，基本維持在6.5～7.3，未出現(xiàn)酸化導(dǎo)致產(chǎn)氣停止的情況。

圖2反映了上述4種配比下的日產(chǎn)氣量變化趨勢(shì)。從圖中可以看出最高日產(chǎn)氣量均在發(fā)酵的前15 d內(nèi)，試驗(yàn)配比Ⅱ的產(chǎn)氣效果在前10 d明顯優(yōu)于配比Ⅰ，Ⅲ,Ⅳ，試驗(yàn)配比Ⅲ的產(chǎn)氣效果在前10 d又優(yōu)于配比Ⅰ和Ⅳ，說(shuō)明厭氧消化原料的C/N對(duì)產(chǎn)氣量有很大的影響。

圖2 不同原料配比下的日產(chǎn)氣量變化趨勢(shì)

圖3反映了在30 d的發(fā)酵周期內(nèi)不同配比下的累積產(chǎn)氣量，從整個(gè)發(fā)酵周期來(lái)看，試驗(yàn)配比Ⅲ的累積產(chǎn)氣量為5333 mL，產(chǎn)氣效果最好；試驗(yàn)配比Ⅱ的累積產(chǎn)氣量為4874 mL，產(chǎn)氣效果次之；試驗(yàn)配比Ⅳ的累積產(chǎn)氣量為4170 mL，產(chǎn)氣效果第三；試驗(yàn)配比Ⅰ的累積產(chǎn)氣量?jī)H為3658 mL，累積產(chǎn)氣量最低。脫水生活污泥與秸稈C/N=25(Ⅲ)累積產(chǎn)氣量比純脫水生活污泥(Ⅰ)提高了45.79%，再次說(shuō)明了添加外加碳源(秸稈)對(duì)提高污泥的厭氧消化能力，提高產(chǎn)氣量是必要的。

圖3 不同原料配比下的累積產(chǎn)氣量

消化原料的干物質(zhì)產(chǎn)氣率是衡量物能轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要參數(shù)。經(jīng)測(cè)算，試驗(yàn)配比Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ的干物質(zhì)產(chǎn)氣率分別為101.60 mL·g-1TS，135.40 mL·g-1TS，148.14 mL·g-1TS和115.83 mL·g-1TS，如圖4所示?？梢钥闯雒撍钗勰嗯c秸稈混合發(fā)酵在C/N為15，25，35的情況下，分別比脫水生活污泥單一原料發(fā)酵的干物質(zhì)產(chǎn)氣率提高了33.26%，45.80%，14.00%。由此可見(jiàn)，添加秸稈對(duì)生活污泥的C/N進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以提高其產(chǎn)氣效果。結(jié)果表明，脫水生活污泥與秸稈聯(lián)合厭氧干發(fā)酵較優(yōu)的C/N為25，過(guò)高或過(guò)低的C/N都會(huì)影響厭氧干發(fā)酵的產(chǎn)氣效果。

圖4 不同原料配比下的干物質(zhì)產(chǎn)氣率

2.2 接種量對(duì)產(chǎn)氣效果的影響

在生活污泥與秸稈混合原料C/N為25，干物質(zhì)含量20%左右、發(fā)酵周期30 d的中溫工藝條件下，研究了不同接種量10%，15%，20%，30%對(duì)產(chǎn)氣效果的影響。與前述實(shí)驗(yàn)相同，在厭氧消化過(guò)程進(jìn)行兩天時(shí)，4個(gè)試驗(yàn)組的產(chǎn)氣均可以點(diǎn)燃發(fā)出藍(lán)色火苗，說(shuō)明4種不同接種量的厭氧消化過(guò)程均啟動(dòng)成功。通過(guò)對(duì)厭氧消化過(guò)程pH值的監(jiān)測(cè)，基本維持在6.5～7.2，未出現(xiàn)酸化導(dǎo)致產(chǎn)氣停止的情況。

從圖5可以看出，接種量(30%)較大的試驗(yàn)組啟動(dòng)快，而且產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)的時(shí)間早，特別是厭氧消化過(guò)程的前期產(chǎn)氣量明顯高于其它各組，而接種量(10%)較小的試驗(yàn)組，一直處于較低的產(chǎn)氣量，整個(gè)厭氧消化過(guò)程顯示出接種量的嚴(yán)重不足。

圖5 不同接種量條件下的日產(chǎn)氣量變化趨勢(shì)

圖6反映出4種不同接種量時(shí)的累積產(chǎn)氣量，從圖中可以看出，接種量為10%，15%，20%，30%時(shí)30 d內(nèi)的總產(chǎn)氣量分別為4677 mL，5225 mL，5333 mL和6956 mL，在整個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)，接種量為30%的試驗(yàn)組的產(chǎn)氣效果最好，接種量為10%的試驗(yàn)組的產(chǎn)氣效果最差。接種量的多少不僅影響到厭氧消化系統(tǒng)的啟動(dòng)，同時(shí)也影響整個(gè)厭氧干發(fā)酵過(guò)程的總產(chǎn)氣量，因?yàn)榧词乖谙鲀?nèi)部環(huán)境條件適宜的情況下，甲烷菌的富集也需要一定時(shí)間。

圖6 不同接種量條件下的累積產(chǎn)氣量變化趨勢(shì)

圖7反映出4種不同接種量時(shí)消化原料的干物質(zhì)產(chǎn)氣率，接種量為10%，15%，20%，30%時(shí)干物質(zhì)產(chǎn)氣率分別為129.92 mL·g-1TS，145.14 mL·g-1TS，148.14 mL·g-1TS和193.22 mL·g-1TS，可以看出接種量為30%時(shí)的干物質(zhì)產(chǎn)氣率最高，接種量為10%時(shí)的干物質(zhì)產(chǎn)氣率最低，隨著接種量的增加，產(chǎn)氣量隨之增加，物能轉(zhuǎn)化率也隨之增加。經(jīng)測(cè)算，接種量30%，20%，15%分別比10%的接種量干物質(zhì)產(chǎn)氣率提高了11.72%，14.03%，48.73%，較優(yōu)的接種量為30%。

圖7 不同接種量條件下的干物質(zhì)產(chǎn)氣率

2.3 厭氧消化后剩余污泥成分分析

取脫水生活污泥與玉米秸稈C/N為25，接種量30%，含水率20%左右，中溫35℃，厭氧消化30 d后的剩余污泥進(jìn)行了重金屬含量和營(yíng)養(yǎng)成分測(cè)試，測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表4。從表4的測(cè)試結(jié)果可以看出，脫水生活污泥與玉米秸稈厭氧干發(fā)酵后的總鉛、總鎘、總鉻、總砷、總汞等重金屬指標(biāo)均低于標(biāo)準(zhǔn)《城市垃圾農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn)(GB8172)》限值，有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷、總鉀含量高于標(biāo)準(zhǔn)《城市垃圾農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn)(GB8172)》限值，發(fā)酵后的剩余物不僅具有肥料的營(yíng)養(yǎng)成分，而且重金屬?zèng)]有超標(biāo)，完全可以農(nóng)用。測(cè)試結(jié)果表明采用污泥與秸稈聯(lián)合干發(fā)酵工藝，可以實(shí)現(xiàn)脫水生活污泥的無(wú)害化處理與資源化利用。

表4 厭氧消化后剩余污泥成分測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)脫水生活污泥與玉米秸稈聯(lián)合原料厭氧干發(fā)酵的配比、接種量對(duì)產(chǎn)氣效果的影響以及工藝參數(shù)優(yōu)化研究，主要得到如下結(jié)論：

(1)添加秸稈對(duì)生活污泥的C/N進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以提高其產(chǎn)氣效果。在脫水生活污泥與秸稈混合發(fā)酵在C/N為15，25，35的情況下，分別比脫水生活污泥單一原料發(fā)酵的干物質(zhì)產(chǎn)氣率提高了33.26%,45.80%,14.00%，脫水生活污泥與秸稈混合發(fā)酵較優(yōu)的C/N為25。

(2)隨著接種量的增加，產(chǎn)氣效果越來(lái)越好。在生活污泥與秸稈混合原料C/N為25，干物質(zhì)含量20%左右、發(fā)酵周期30 d的中溫工藝條件下，接種量30%，20%，15%分別比10%的接種量干物質(zhì)產(chǎn)氣率提高了11.72%，14.03%，48.73%，較優(yōu)的接種量為30%。

(3)生活污泥與玉米秸稈混合原料厭氧干發(fā)酵較優(yōu)的工藝參數(shù)為C/N 25，接種量30%，含水率20%左右，中溫35℃，發(fā)酵周期30 d，其干物質(zhì)產(chǎn)氣率為193.22 mL·g-1TS。

(4)生活污泥與玉米秸稈在C/N為25，接種量30%的工藝條件下，經(jīng)過(guò)30 d的厭氧干發(fā)酵，發(fā)酵剩余物中的重金屬含量和養(yǎng)分含量符合《城市垃圾農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn)值》(GB8172)要求，可實(shí)現(xiàn)脫水生活污泥的無(wú)害化處理與資源化利用。

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Optimization of Co-digestion of Sludge and Straw Adopting Dry Anaerobic Process/

LI Xiang1，2，WANG Fei2，WANG Jiu-chen2，WANG Chao2，LIN Cong3，ZHAO Li-xin1，YAO Zong-lu1/

(1.Key Laboratory of Energy of Agricultural Waste,Ministry of Agriculture,Beijing 100125,China; 2.Rural Energy& Environment Agency,Ministry of Agriculture,Beijing 100125,China; 3.China Agriculture University,Beijing 100083,China)

Sludge had the characteristic of high organic matter,high-carbon and low-nitrogen.Mixed anaerobic fermentation of dewatered sludge and corn straw was carried out to investigate the influence of C/N and inoculum size on biogas production.The results showed that the parameters for optimized process were C/N of 25,inoculation of 30%,moisture content of 20%,temperature of 35℃ and fermentation period of 30 days.Its TS gas production rate was 193.22 mL·g-1TS.The heavy metal and nutrient content of fermentation residue met the requirement for urban trash standard used in agricultural (GB8172),and achieved harmless treating and resource utilization for dewatered sludge.

dewatered sludge; corn stalks; dry anaerobic fermentation; biogas

2015-10-23

2016-03-17

項(xiàng)目來(lái)源：農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題

李 想(1982-)，男，工程師，主要從事農(nóng)村能源環(huán)保政策與技術(shù)研究工作，E-mail：zuu_3@163.com

王 飛，E-mail：13811227510@139.com

S216.4; X703; X71

A

1000-1166(2016)03-0020-04