綠化廢棄物與污水污泥混合比對(duì)污水污泥厭氧消化性能的影響

劉長(zhǎng)青， 肖麗君， 金秋燕， 薛珊， 李曉東， Taha F Marhaba

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院， 山東 青島 266033)

隨著生態(tài)城市的建設(shè)和發(fā)展，城市綠地面積大幅度增加，綠化廢棄物的產(chǎn)量也隨之增加。目前綠化廢棄物的處理方式主要有堆肥、焚燒和填埋，現(xiàn)有處理方式不僅資源利用率低，而且焚燒處理還會(huì)污染大氣環(huán)境，填埋處理也會(huì)增加垃圾填埋場(chǎng)的處理負(fù)擔(dān)[1]，因此尋找經(jīng)濟(jì)環(huán)保的綠化廢棄物處理方式已迫在眉睫。與此同時(shí)，在厭氧消化技術(shù)處理污水污泥時(shí)，由于其易降解有機(jī)物含量低、可生物降解物質(zhì)難溶出等原因，使得污水污泥單獨(dú)厭氧消化普遍存在消化產(chǎn)氣量與有機(jī)物轉(zhuǎn)化效率低等問題[2-6]。研究表明單獨(dú)使用污泥、餐廚垃圾或者秸稈類有機(jī)廢物進(jìn)行厭氧消化的效果并不理想[7]。而將兩種或兩種以上有機(jī)廢棄物共厭氧消化，可以達(dá)到稀釋有毒物、平衡營(yíng)養(yǎng)物[8-9]、保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性的效果[10]，可以有效提高有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化效率，提高厭氧消化的產(chǎn)甲烷量與產(chǎn)甲烷率[5,11]。此外，國(guó)內(nèi)外有研究表明[1,12-14]，綠化廢棄物與污泥不同TS比例共厭氧消化可以改善混合體系的C/N，提高產(chǎn)甲烷量，且共厭氧消化體系產(chǎn)甲烷量隨著HRT的降低而顯著提高。然而，干濕兩種狀態(tài)的綠化廢棄物及其分別與污水污泥的混合比如何影響混合體系的厭氧消化性能目前尚未有研究涉及，影響了其進(jìn)一步工程應(yīng)用。為此，本研究通過考察干濕綠化廢棄物與污水污泥不同VS混合比對(duì)共厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響，為相關(guān)工程應(yīng)用提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)反應(yīng)器采用的厭氧消化裝置為瑞典Bioprocess Control公司生產(chǎn)AMPTSⅡ。該系統(tǒng)主要包括：水浴加熱單元、厭氧消化瓶(內(nèi)置攪拌裝置)、堿液吸收瓶(吸收CO2等)、濕式氣體計(jì)量單元(計(jì)量甲烷氣體體積)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 AMPTSⅡ系統(tǒng)原理圖

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用接種污泥、污水污泥分別取自青島某污水處理廠的厭氧消化池和污泥混合池；綠化廢棄物取自綠化草坪。綠化廢棄物一部分自然風(fēng)干，用組織搗碎器粉碎成粉末，作為干綠化廢棄物；另一部分直接用組織搗碎器搗碎，作為濕綠化廢棄物。污水污泥和綠化廢棄物相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 污水污泥和綠化廢棄物主要性質(zhì)參數(shù) (%)

注：TS為總固體含量，VS為揮發(fā)性固體含量。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 接種污泥的馴化

接種污泥在35℃條件下進(jìn)行馴化，當(dāng)污泥產(chǎn)甲烷量低于10 mL·d-1時(shí)馴化結(jié)束，避免接種污泥中有機(jī)質(zhì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.3.2 中溫厭氧消化試驗(yàn)

將混合物(綠化廢棄物與污水污泥混合樣)與接種污泥混合后裝入?yún)捬跸拗?接種污泥和混合物總體積控制為400 mL)，接種污泥、混合物VS混合比例為2∶1(控制混合物VS總量一致)，同時(shí)控制干、濕綠化廢棄物與污水污泥VS混合比分別為0∶1，1∶2，1∶3，在35℃下進(jìn)行中溫厭氧消化。反應(yīng)開始前向反應(yīng)罐中通入氮?dú)庖员ＷC嚴(yán)格厭氧環(huán)境，試驗(yàn)采用機(jī)械攪拌，攪拌時(shí)間和間歇時(shí)間均為60 s，待產(chǎn)甲烷量穩(wěn)定后結(jié)束試驗(yàn)。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

TS和VS采用重量法[15]；溶解性化學(xué)需氧量采用重鉻酸鉀法[16]；溶解性碳水化合物采用蒽銅比色法[17]；溶解性蛋白質(zhì)采用AB法[15]測(cè)定。

2 結(jié)果分析

2.1 綠化廢棄物和污水污泥不同VS混合比產(chǎn)氣效果

圖2是綠化廢棄物與污水污泥不同VS混合比物料單位VS累積產(chǎn)甲烷量。由圖可知，投加綠化廢棄物組較污泥單獨(dú)厭氧消化混合物料單位VS累積產(chǎn)甲烷量明顯增加，綠化廢棄物與污水污泥VS混合比越高，單位VS累積產(chǎn)甲烷量越大，且投加濕綠化廢棄物較投加干綠化廢棄物的產(chǎn)甲烷量高。其中Gw∶S為1∶2組的單位VS累積產(chǎn)甲烷量最高，達(dá)291.58 mL·g-1VS，較污泥單獨(dú)厭氧消化提高了14.29%，較Gd∶S(1∶2)組提高了6.27%。Gw∶S(1∶3)，Gd∶S(1∶2)，Gd∶S(1∶3)組單位VS累積產(chǎn)甲烷量分別為264.15 mL·g-1VS，274.38 mL·g-1VS和260.76 mL·g-1VS，較污泥單獨(dú)厭氧消化分別提高了3.5%，7.55%和2.21%。

圖3是綠化廢棄物與污水污泥不同VS混合比的逐日產(chǎn)甲烷量，由圖可知，不同VS混合比的混合物料，逐日產(chǎn)甲烷變化趨勢(shì)是一致的，產(chǎn)甲烷量均為先上升后下降，反應(yīng)時(shí)間達(dá)到第5天產(chǎn)甲烷量再次上升然后逐漸下降。在反應(yīng)周期前2天，由于混合體系中易降解碳源量較為充足，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)甲烷菌將其快速轉(zhuǎn)化為沼氣[18]，因而混合系統(tǒng)產(chǎn)氣出現(xiàn)明顯的高峰。在反應(yīng)周期的第2～5天，系統(tǒng)中初始易降解碳源被完全利用，污水污泥中難降解碳源及綠化廢棄物中的纖維素尚無法被產(chǎn)甲烷細(xì)菌直接利用，因此系統(tǒng)日產(chǎn)甲烷量開始下降。在易降解碳源被利用的同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)難降解碳源及纖維素開始被厭氧水解細(xì)菌水解成小分子碳源[19]，在反應(yīng)周期第 5～8天，水解生成的小分子碳源開始被產(chǎn)甲烷細(xì)菌利用，系統(tǒng)的日產(chǎn)氣量再次出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰。由于混合體系中初始易降解碳源濃度小于難降解碳源濃度，因此由難降解碳源水解產(chǎn)生的第2次產(chǎn)氣高峰峰值高于第1次產(chǎn)氣高峰。由于綠化廢棄物混合系統(tǒng)較單獨(dú)污水污泥系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)組分更為豐富，因此，投加綠化廢棄物組較污泥單獨(dú)厭氧消化產(chǎn)甲烷量高。在反應(yīng)周期第8天后，由于水解形成的小分子物質(zhì)也被消耗殆盡，因此產(chǎn)甲烷量下降直至反應(yīng)結(jié)束。

圖2 混合物料單位VS累積產(chǎn)甲烷量

圖3 混合物料日產(chǎn)甲烷量

2.2 不同VS混合比綠化廢棄物和污水污泥VS轉(zhuǎn)化率比較

在混合物VS總量相同的條件下，VS轉(zhuǎn)化率是評(píng)價(jià)系統(tǒng)厭氧消化效果的重要指標(biāo)，厭氧消化前后VS含量和VS轉(zhuǎn)化率如圖4所示。由圖4可知，污泥單獨(dú)厭氧消化VS轉(zhuǎn)化率為40.09%，隨著綠化廢棄物的增加，VS轉(zhuǎn)化率顯著提高。其中Gw∶S為1∶2組VS轉(zhuǎn)化率最高為54.79%，較污泥單獨(dú)厭氧消化提高了14.7%。

圖4 不同組分厭氧消化前后VS含量及VS轉(zhuǎn)化率

由圖4可以看出，投加綠化廢棄物后，混合系統(tǒng)VS轉(zhuǎn)化率明顯提高，這與圖2產(chǎn)甲烷結(jié)果基本相符。主要是因?yàn)槲鬯勰嘀杏袡C(jī)物主要存在于微生物細(xì)胞內(nèi)，厭氧消化過程中微生物細(xì)胞破胞效率低，產(chǎn)甲烷菌可利用有機(jī)底物量低，導(dǎo)致最終產(chǎn)氣率較低，VS轉(zhuǎn)化率低[20]。投加綠化廢棄物后，增加了混合系統(tǒng)中的可利用有機(jī)物含量，有效地提高了VS的轉(zhuǎn)化率，從而促進(jìn)了厭氧混合菌群的生長(zhǎng)及代謝活性，進(jìn)而提高了共厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷量[21-22]。謝經(jīng)良[1]等在研究城市綠化修剪草與污水廠污泥共厭氧消化處理中指出，投加綠化修剪草可以提高污泥消化系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷量與VS轉(zhuǎn)化率，與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致。

2.3 綠化廢棄物和污水污泥不同VS混合比溶解性有機(jī)物轉(zhuǎn)化率

圖5是厭氧消化前后SCOD含量和SCOD轉(zhuǎn)化率，由圖可知，綠化廢棄物和污水污泥VS混合比越高，SCOD轉(zhuǎn)化率越高，其中Gw∶S為1∶2組較Gw∶S為1∶3組SCOD轉(zhuǎn)化率高3.61%，因此，綠化廢棄物與污水污泥VS混合比的增加，提高了系統(tǒng)的溶解性有機(jī)物轉(zhuǎn)化率，從而提高了產(chǎn)甲烷量。

圖5 不同組分厭氧消化前后SCOD含量及SCOD轉(zhuǎn)化率

為了進(jìn)一步了解不同有機(jī)物類型在厭氧消化前后轉(zhuǎn)化率情況，分別研究了溶解性碳水化合物及溶解性蛋白質(zhì)厭氧消化前后的含量和轉(zhuǎn)化率，如圖6和圖7所示。由圖可知，相同VS混合比下投加濕綠化廢棄物組溶解性碳水化合物和溶解性蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化率均較投加干綠化廢棄物組高，其中Gw∶S(1∶2)組較Gd∶S(1∶2)組溶解性碳水化合物和溶解性蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化率分別提高0.93%，9.04%。由于與碳水化合物相比，蛋白質(zhì)降解所產(chǎn)生的沼氣中甲烷含量最高[23]。本實(shí)驗(yàn)中，投加濕綠化廢棄物后，溶解性蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化率明顯高于溶解性碳水化合物的轉(zhuǎn)化率，因此投加濕綠化廢棄物較投加干綠化廢棄物單位VS累積產(chǎn)甲烷量高。

圖6 不同組分厭氧消化前后溶解性碳水化合物含量及轉(zhuǎn)化率

圖7 不同組分厭氧消化前后溶解性蛋白質(zhì)含量及轉(zhuǎn)化率

由圖7知，投加綠化廢棄物后溶解性蛋白質(zhì)含量也顯著提高，其中Gw∶S(1∶2)組含量最高達(dá)1220 mg·L-1，較污泥單獨(dú)厭氧消化提高了64.86%。溶解性蛋白質(zhì)含量高，其降解、釋放并轉(zhuǎn)化形成的銨可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為碳酸氫銨，提高了堿度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的緩沖能力[24]。因此，圖3在反應(yīng)周期2～5天內(nèi)投加綠化廢棄物組逐日產(chǎn)氣甲烷量下降速度較污泥單獨(dú)厭氧消化組慢。

由圖5～圖7知，Gw∶S(1∶2)組SCOD，溶解性碳水化合物和溶解性蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化率較污泥單獨(dú)厭氧消化分別提高了2.28%，10.22%，16.89%。在總的VS一定的條件下，投加綠化廢棄物提高了系統(tǒng)中溶解性有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率，這是產(chǎn)甲烷量提高的根本原因。

3 結(jié)論

(1)在相同VS條件下，綠化廢棄物與污水污泥混合體系的甲烷產(chǎn)量與有機(jī)物轉(zhuǎn)化率均明顯高于單純污水污泥體系；綠化廢棄物與污水污泥不同VS混合比對(duì)共厭氧消化體系單位VS累積產(chǎn)甲烷量有明顯的影響，Gw∶S(1∶2)組單位VS累積產(chǎn)甲烷量最高，達(dá)291.58 mL·g-1VS，較污泥單獨(dú)厭氧消化提高了14.29%，較Gd∶S(1∶2)組提高了6.27%。

(2)相同VS混合比條件下，投加濕綠化廢棄物較投加干綠化廢棄物產(chǎn)甲烷量更高，其中濕綠化廢棄物和污泥VS混合比為1∶2時(shí)產(chǎn)甲烷效果最佳。

(3)投加綠化廢棄物后VS轉(zhuǎn)化率明顯提高，其中Gw∶S(1∶2)組VS轉(zhuǎn)化率最高為54.79%，較污泥單獨(dú)厭氧消化提高了14.7%，說明該VS比下的有機(jī)物利用程度高，厭氧消化效果顯著。

(4)最優(yōu)產(chǎn)氣工況Gw∶S(1∶2)組SCOD，溶解性碳水化合物和溶解性蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化率較污泥單獨(dú)厭氧消化分別提高了2.28%，10.22%，16.89%。溶解性有機(jī)物轉(zhuǎn)化率的提高是產(chǎn)甲烷量提高的根本原因。