半干法厭氧生物處理高濃度固體廢棄物有機(jī)滲濾液的試驗(yàn)

吳長淋

(上海華勵(lì)振環(huán)?？萍加邢薰荆虾?200092)

國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2006年～2016年,我國生活垃圾清運(yùn)量從1.5億t/年上升到2億t/年，呈逐年上升趨勢。大量的生活垃圾給城市發(fā)展和社會(huì)環(huán)境造成極大負(fù)擔(dān)，推行生活垃圾分類收集是實(shí)現(xiàn)源頭減量化的根本途徑。上海、北京、廣州、杭州等一些大型城市在垃圾分類收集上出臺(tái)了多項(xiàng)政策并取得了一定的成效，以上海為例，推行綠色賬戶，設(shè)立生活垃圾分類收集小區(qū)試點(diǎn)，將家庭廚房內(nèi)的有機(jī)垃圾單獨(dú)收集，分類形成“家庭濕垃圾”(也稱為“家庭廚余”)和“家庭干垃圾”，實(shí)現(xiàn)生活垃圾減量化。家庭濕垃圾經(jīng)過破袋、分選、擠壓等多種前處理手段后，可將濕垃圾分成輕物質(zhì)組分(再利用或者焚燒)、重物質(zhì)組分(再利用或者填埋)及大量的高濃度固體廢棄物有機(jī)滲濾液(資源化利用)。針對高濃度的固體廢棄物有機(jī)滲濾液，主要處理工藝為單獨(dú)厭氧生物處理和混合厭氧生物處理[1-2]。

厭氧生物處理工藝根據(jù)廢物中有機(jī)固體濃度的高低，可以分為干法厭氧消化工藝、半干法厭氧消化工藝和濕法厭氧消化工藝。干法厭氧消化反應(yīng)器進(jìn)料的總固體(TS)濃度在20%～40%[3-4]；半干法厭氧消化反應(yīng)器進(jìn)料的TS濃度在10%～20%[5-7]；濕法厭氧消化工藝、干法厭氧消化反應(yīng)器進(jìn)料的TS濃度通常低于10%，進(jìn)料要用水作稀釋處理。采用半干法工藝處理高濃度固體廢棄物有機(jī)滲濾液，無需對進(jìn)料進(jìn)行稀釋處理，具有容積負(fù)荷高、占地省、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

本文采用自制試驗(yàn)設(shè)備，對半干法厭氧生物處理高濃度固體廢棄物有機(jī)滲濾液的工藝展開研究，探討了半干法厭氧反應(yīng)器的快速啟動(dòng)方式，厭氧反

應(yīng)器運(yùn)行的參數(shù)控制，最大容積負(fù)荷和反應(yīng)器殘?jiān)匦裕瑸槲覈诸惡笊罾A(yù)處理形成的固體廢棄物有機(jī)滲濾液工程化處理處置提供了技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

半干法厭氧反應(yīng)器的示意圖如圖1所示。

反應(yīng)器長度為1 m，圓柱體，圓柱體為雙層結(jié)構(gòu)。內(nèi)筒直徑為0.25 m，主體是螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋片直徑為0.24 m，螺旋間距為0.1 m；外筒直徑為0.35 m，內(nèi)筒和外筒密閉，中間填充水作為水浴加熱。進(jìn)料口、出料口、采氣口和取樣口均穿過外筒與內(nèi)筒連接，進(jìn)料口、出料口直徑為50 mm，采氣口和取樣直徑為10 mm。氣體從反應(yīng)器產(chǎn)出后進(jìn)入濕式流量計(jì)，記錄沼氣產(chǎn)量，之后通過40%氫氧化鈉吸收液(定期更新)，進(jìn)入濕式流量計(jì)，記為甲烷產(chǎn)量。定期從出料口和取樣口采樣進(jìn)行樣品分析。

圖1 固體廢棄物有機(jī)滲濾液半干法厭氧反應(yīng)器示意圖Fig.1 Semi-Dry Anaerobic Reactor

采用接種的方式實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的快速啟動(dòng)，反應(yīng)器中直接加入接種物料20 kg，每日加入一定量的高濃度固體廢棄物有機(jī)滲濾液，并從出料口排出同等重量的物料，反應(yīng)器為完全混合型反應(yīng)器。

1.2 試驗(yàn)材料

高濃度固體廢棄物有機(jī)滲濾液來源于上海市分類后生活垃圾，經(jīng)分選、擠壓等前處理，固體廢棄物有機(jī)滲濾液的性質(zhì)如表1所示。由表1可知，固體廢棄物有機(jī)滲濾液揮發(fā)性固體/總固體(VS/TS)

在80%左右，具有較好的可降解物質(zhì)。通過測試，固體廢棄物有機(jī)滲濾液組分以100%計(jì)算，可分成4個(gè)組成部分。其中80%為可降解性的物質(zhì)，包括溶解性有機(jī)成分38%和固體有機(jī)成分42%；另外20%為不可降解物質(zhì)，包括固體雜質(zhì)12%(如玻璃等)和惰性的溶解性鹽類8%。

接種物料取自上海某厭氧消化反應(yīng)器，接種物料的性質(zhì)如表2所示。固體廢棄物有機(jī)滲濾液和接種物料取樣后置于4 ℃保存使用。

表1 固體廢棄物有機(jī)滲濾液的性質(zhì)

表2 接種物料的性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)測試指標(biāo)包括pH、ORP、氨氮、凱氏氮、COD、BOD、蛋白質(zhì)、溶解性總固體、熱酌減率、碳水化合物、粗蛋白、粗脂肪、揮發(fā)性脂肪酸、重金屬、產(chǎn)氣量/甲烷氣含量、纖維素/半纖維素/木質(zhì)素等。測試方法采用國標(biāo)方法，氨氮和COD采用哈希法測試，重金屬測試采用等離子發(fā)射光譜(ICP)測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 半干法厭氧反應(yīng)器的快速啟動(dòng)

本試驗(yàn)容積負(fù)荷和反應(yīng)器產(chǎn)氣情況如圖2所示。由圖2可知，隨著容積負(fù)荷從0.51 g VS/(L·d)到13.44 g VS/(L·d)，產(chǎn)氣量也逐步提高，從4 L/d上升到240 L/d，穩(wěn)定產(chǎn)氣后，檢測甲烷比例平均值為68%，甲烷比例正常，反應(yīng)器產(chǎn)氣可直接點(diǎn)燃并自持燃燒。但是隨著負(fù)荷進(jìn)一步從13.44 g VS/(L·d)提高至24.32 g VS/(L·d)，產(chǎn)氣量變得不穩(wěn)定，呈下降趨勢。

圖2 反應(yīng)器容積負(fù)荷和產(chǎn)氣量Fig.2 Volumetric Loading and Gas Output in Reactor

單位有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)氣率(specific biogas production rate，SBP=產(chǎn)氣量/有機(jī)質(zhì)添加量)是描述反應(yīng)器內(nèi)微生物狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)。維持一定的反應(yīng)器污泥濃度，若SBP數(shù)值穩(wěn)定，表明微生物活性良好；若數(shù)值不穩(wěn)定或者急劇降低，表明出現(xiàn)抑制微生物活性的因素。由圖3的反應(yīng)器SBP數(shù)據(jù)分析可知，前100 d，容積負(fù)荷從0.51 g VS/(L·d)提升到13.44 g VS/(L·d)，表明SBP平均值為0.77 L/(g VS)，與理論值相當(dāng)，這一結(jié)果顯示加入?yún)捬醴磻?yīng)器的有機(jī)組分基本都被降解。但是，隨著負(fù)荷進(jìn)一步從13.44 g VS/(L·d)提高至24.32 g VS/(L·d)，SBP降低至0.4 L/(g VS)左右，呈降低趨勢。在實(shí)際工程上，反應(yīng)器可以通過高比例污泥接種縮短啟動(dòng)的時(shí)間提高容積負(fù)荷，但是容積負(fù)荷不宜超過13.44 g VS/(L·d)。

圖3 反應(yīng)器單位有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)氣率Fig.3 Specific Biogas Production Rate (SBP) in Reactor

2.2 固體廢棄物有機(jī)滲濾液半干法厭氧發(fā)酵物料特性

反應(yīng)器內(nèi)pH和ORP的檢測數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示，pH值維持在7.4左右，反應(yīng)器呈中性偏弱堿性，無酸化現(xiàn)象。反應(yīng)器ORP維持在-459 mV，表明反應(yīng)器處于良好的厭氧狀態(tài)。

反應(yīng)器出料氨氮和凱氏氮的數(shù)據(jù)如圖6所示。由圖6可知，氨氮在2 137～3 330 mg/L，通過游離氨計(jì)算公式FA=NH3-N×(10^pH)/(EXP[6 334/(273+T))+ 10^pH]得出，游離氨為28～73 mg/L，這與文獻(xiàn)中游離氨抑制濃度較為一致[8]。當(dāng)容積負(fù)荷不斷提高時(shí)，若pH不變，氨氮負(fù)荷提高，游離氨濃度提高，出現(xiàn)游離氨氮對厭氧菌的抑制，進(jìn)一步影響有機(jī)物的分解，從而影響最終的降解率。

對比氨氮和溶解性凱氏氮的數(shù)據(jù)可知，二者差值很小，二者差值主要是溶液中的小分子氨基酸貢獻(xiàn)的氮。在良好的厭氧反應(yīng)器中，小分子有機(jī)物很快被厭氧菌利用，所以氨氮和溶解性凱氏氮數(shù)據(jù)幾乎一致。

圖4 反應(yīng)器pHFig.4 pH Value in Reactor

圖5 反應(yīng)器ORPFig.5 ORP Value in Reactor

圖6 反應(yīng)器出料的氨氮和凱氏氮Fig.6 Ammonia Nitrogen and Kjeldahl Nitrogen of Reactor Discharging

2.3 半干法厭氧發(fā)酵最大負(fù)荷分析

厭氧發(fā)酵的最大負(fù)荷與厭氧污泥濃度和物料的特性密切相關(guān)。在本試驗(yàn)中，厭氧污泥濃度控制在23 g/L左右，試驗(yàn)后期100 d之后，污泥濃度略有提高。

本試驗(yàn)中，100 d是反應(yīng)器的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。由圖2、圖6可知，容積負(fù)荷從13.44 g VS/(L·d)向上提高時(shí)，pH緩慢降低，游離氨濃度接近70 mg/L，單位有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)氣率快速降低，SBP平均值由前100 d的0.77 L/(g VS)逐步降低至115 d的0.36 L/(g VS)。由圖5可知，在100 d后，隨負(fù)荷上升，ORP有所提升，厭氧程度也下降。故在此試驗(yàn)中，最大容積負(fù)荷為13.44 g VS/(L·d)。

若工程運(yùn)行，考慮1.2的保險(xiǎn)系數(shù)，建議工程運(yùn)行容積負(fù)荷為11.2 g VS/(L·d)。

2.4 半干法厭氧發(fā)酵反應(yīng)器底渣分析

厭氧發(fā)酵后反應(yīng)器底部存在殘?jiān)诠こ虒?shí)踐中，需要定期將殘?jiān)懦觯乐狗磻?yīng)器堵塞。

反應(yīng)器底部殘?jiān)鼘?shí)物如圖7所示，主要的組成為塑料片、細(xì)玻璃、細(xì)石塊、砂礫等。底部殘?jiān)膩碓粗饕▋煞矫妫阂皇乔疤幚磉^程中透過螺旋擠壓設(shè)備的細(xì)小雜質(zhì)(塑料、玻璃、砂礫等)，這一部分雜質(zhì)可以通過細(xì)化預(yù)處理措施進(jìn)一步降低；二是在反應(yīng)器內(nèi)部形成的鈣鎂沉淀，如碳酸鈣、碳酸鎂等。底部殘?jiān)趯?shí)際工程中難以避免，故在工程設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮反應(yīng)器的底部排渣設(shè)計(jì)，通過定期排渣防止反應(yīng)器的堵塞。

圖7 反應(yīng)器底部殘?jiān)麱ig.7 Bottom Residue in Reactor

3 結(jié)論

(1)通過接種厭氧微生物，可實(shí)現(xiàn)半干法厭氧反應(yīng)器的快速啟動(dòng)。

(2)厭氧反應(yīng)器pH值維持在7.4左右，ORP維持在-459 mV，無酸化現(xiàn)象。隨著反應(yīng)器容積負(fù)荷提高，游離氨濃度提高，出現(xiàn)游離氨氮對厭氧菌抑制，進(jìn)一步影響有機(jī)物的分解，從而影響最終的有機(jī)降解率，游離氨濃度宜控制在28～73 mg/L。

(3)反應(yīng)器在前100 d，容積負(fù)荷從0.51 g VS/(L·d)提升到13.44 g VS/(L·d)，SBP平均值為

0.77 L/(g VS);反應(yīng)器在100 d后，隨著負(fù)荷從13.44 g VS/(L·d)提高至24.32 g VS/(L·d)，SBP迅速降低至0.4 L/(g VS)左右。

(4)半干法厭氧反應(yīng)器最大容積負(fù)荷為13.44 g VS/(L·d)。工程上，考慮1.2的安全系數(shù)，建議運(yùn)行容積負(fù)荷為11.2 g VS/(L·d)。

(5)厭氧發(fā)酵后反應(yīng)器底部存在殘?jiān)?，在工程?shí)踐中，需要定期將殘?jiān)懦?，防止反?yīng)器堵塞。

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