基于厭氧共消化技術(shù)處理污泥與城市有機(jī)垃圾的研究

摘 要：為了研究基于厭氧共消化技術(shù)對污泥和城市有機(jī)垃圾的處理，本文以污水處理廠剩余污泥和職工餐廳中餐廚垃圾作為研究對象，通過厭氧消化（MAD）試驗(yàn)，分析了污泥與有機(jī)垃圾對MAD產(chǎn)氣的影響以及對MAD穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果表明，隨著厭氧消化反應(yīng)（MAD）時間延長，MAD累積氣量逐漸增大，當(dāng)污泥與餐廚垃圾混合比為8∶2時，MAD產(chǎn)氣性能顯著提高。隨著厭氧消化反應(yīng)（MAD）時間延長，污泥與餐廚垃圾各混合比溶液的SCOD（化學(xué)需氧量）和TVFAs（乙醇及揮發(fā)性脂肪酸）濃度均先增大再減小。隨著厭氧消化反應(yīng)（MAD）時間延長，污泥與餐廚垃圾各混合比溶液的pH值（酸堿度）均先減小再增大，TAN（總氨氮）均逐漸增大。

關(guān)鍵詞：厭氧消化技術(shù)；污泥處理；有機(jī)垃圾；產(chǎn)氣量

中圖分類號：X 799" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著城市快速發(fā)展，需要處理的污水逐漸增多，污水廠剩余污泥也相應(yīng)增多。學(xué)者們針對如何有效處理剩余污泥，實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)增長的雙重效益進(jìn)行了多方面研究，王文標(biāo)等[1]研究了硫酸鹽對厭氧消化的影響及強(qiáng)化工藝，認(rèn)為廢水中的硫酸鹽成分會對厭氧生物處理效能產(chǎn)生一定的抑制作用。陳天逸等[2]對活性碳介導(dǎo)厭氧鐵氨氧化脫氮效能及影響因素進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，pH值為6～7時有助于提高出水NH4+-N去除率。張波等[3]研究了高濃度氨氮對厭氧膜生物反應(yīng)器處理養(yǎng)豬廢水的抑制影響，研究結(jié)果表明，高濃度氨氮主要抑制了乙酸降解微生物的比產(chǎn)甲烷活性，而生物炭的投加利于維持污泥在高氨氮濃度下的乙酸鹽降解產(chǎn)甲烷能力。孫志國等[4]對強(qiáng)化循環(huán)厭氧反應(yīng)器處理印染廢水的厭氧顆粒污泥特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，隨著HRT縮短，系統(tǒng)內(nèi)SS和VSS的含量都呈先減少后增加的趨勢。雷立帆等[5]對中溫和高溫條件下餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣動力學(xué)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，高溫厭氧發(fā)酵最大產(chǎn)甲烷潛能比中溫發(fā)酵高32.37%。以上學(xué)者研究了硫酸鹽對厭氧消化的影響，分析了餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣動力學(xué)規(guī)律。

然而，學(xué)者們未系統(tǒng)考慮厭氧共消化技術(shù)對不同混合比例的污泥和餐廚垃圾的處理，基于此，本文以污水處理廠剩余污泥和職工餐廳中餐廚垃圾作為研究對象，通過厭氧消化（MAD）試驗(yàn)研究了基于厭氧共消化技術(shù)對污泥和城市有機(jī)垃圾進(jìn)行處理的技術(shù)，分析了污泥與有機(jī)垃圾對MAD產(chǎn)氣的影響以及對MAD穩(wěn)定性的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次研究以污水處理廠處理污水后的剩余污泥以及工業(yè)園內(nèi)職工餐廳的餐廚垃圾作為研究對象，在35℃下通過不同劑量的CaO2（過氧化鈣）對不同混合比例的污泥和餐廚垃圾進(jìn)行中溫厭氧消化（MAD）試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。將采集好的污泥儲存在容器中，并在4℃條件下保存，將收集后的餐廚垃圾去掉骨頭和紙巾后，采用破碎機(jī)打碎混勻，再加入適量去離子水稀釋，然后過8目篩后存儲。試驗(yàn)所用的接種物取自酒廠的厭氧發(fā)酵池，在35℃下，將接種物在震蕩速率為150r/min的振蕩器中進(jìn)行培養(yǎng)備用。

1.2 試驗(yàn)方法

在污泥的預(yù)處理過程中，先將污泥離心脫水后再加入離子水，將溶液內(nèi)固體含量調(diào)配為5%左右，放入2L的燒杯中，然后在燒杯中加入純度為32.5%的CaO2（過氧化鈣），CaO2的劑量為0.32g/gVS，將混合溶液攪拌均勻后在室溫下放置48h。

預(yù)處理的污泥和餐廚垃圾進(jìn)行厭氧共消化反應(yīng)（在120mL的血清瓶中進(jìn)行），在試驗(yàn)過程中，設(shè)置了4種不同的污泥與餐廚垃圾混合比，第1種全污泥，第1種污泥與餐廚垃圾混合比為5∶5，第3種混合比為7∶3，第4種混合比為8∶2，將全污泥試驗(yàn)作為對照試驗(yàn)，全污泥溶液在試驗(yàn)前需要采用NaOH溶液和HCl溶液調(diào)節(jié)pH值為7.0±0.1，NaOH和HCl溶液濃度均為2mol/L，然后按照混合比將污泥與餐廚垃圾混合均勻，將接種物和混合均勻的基質(zhì)溶液放入消化反應(yīng)瓶中，基質(zhì)溶液與接種物的體積比為5∶1。將接種后的基質(zhì)溶液進(jìn)行密封，密封前將氮吹入反應(yīng)瓶中，形成厭氧環(huán)境，厭氧消化反應(yīng)試驗(yàn)在恒溫空氣浴搖床中進(jìn)行，并保持試驗(yàn)溫度為35℃，搖床振動速率為150r/min。試驗(yàn)過程中，每種消化反應(yīng)均進(jìn)行3次，在消化期間每1d進(jìn)行1次取樣測定，待反應(yīng)產(chǎn)氣停止時，試驗(yàn)結(jié)束。

試驗(yàn)結(jié)束后，將反應(yīng)后的溶液置入離心管中，分離出沼液和沼渣，然后測定沼液中的pH（酸堿度）、TAN（總氨氮）、SCOD（化學(xué)需氧量）、TVFAs（乙醇及揮發(fā)性脂肪酸）和FAN（游離氨），測定沼渣中的TP（總磷）、TN（總氮）、TK（總鉀）。其中pH、TAN、SCOD、VFAs和FAN的采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》中規(guī)定的方法進(jìn)行測定，TP、TN、TK采用《土壤農(nóng)化分析》中規(guī)定的方法進(jìn)行測定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 污泥與有機(jī)垃圾對MAD產(chǎn)氣的影響

在不同污泥與餐廚垃圾混合比條件下，污泥與餐廚垃圾理在厭氧消化反應(yīng)（MAD）日產(chǎn)氣量與累積氣量歷時變化，如圖2所示。

由圖2（a）可知，當(dāng)進(jìn)行厭氧消化反應(yīng)（MAD）第1d時，不同污泥與餐廚垃圾混合比溶液產(chǎn)氣量最大，混合比分別為全污泥、5∶5、7∶3、8∶2時，MAD產(chǎn)氣量分別為9.21mL/gVS、44.34mL/gVS、69.12mL/gVS、65.60mL/gVS。隨著反應(yīng)時間延長，不同混合比的溶液產(chǎn)氣量逐漸減小，當(dāng)?shù)?d時，混合比為5∶5的溶液產(chǎn)氣量降至最小，其值幾乎為0。全污泥溶液在反應(yīng)后第8d，產(chǎn)氣量達(dá)到第2個峰值，峰值產(chǎn)氣量為16.79mL/gVS，隨著反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，在第32d降至0.23mL/gVS?；旌媳葹?∶3的溶液在第7d產(chǎn)氣量達(dá)到最小，隨著反應(yīng)時間持續(xù)，產(chǎn)氣量逐漸增大，在第21d達(dá)到第2個峰值，峰值產(chǎn)氣量為24.26mL/gVS，隨著時間延長，產(chǎn)氣量再次減小，然后再增大?；旌媳葹?∶2的溶液在第12d的產(chǎn)氣量達(dá)到第2個峰值，峰值產(chǎn)氣量為31.22mL/gVS，隨著反應(yīng)時間持續(xù)，產(chǎn)氣量逐漸減小，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行至24d時，產(chǎn)氣量增至第3個峰值。

由圖2（b）可知，隨著厭氧消化反應(yīng)（MAD）時間延長，不同污泥與餐廚垃圾混合比溶液產(chǎn)累積氣量逐漸增大。當(dāng)反應(yīng)時間在1d～9d范圍時，混合比為7∶3的溶液產(chǎn)氣量最大，全污泥溶液產(chǎn)氣量最小，當(dāng)反應(yīng)時間大于9d時，混合比為8∶2的溶液產(chǎn)氣量最大，混合比為5∶5的溶液產(chǎn)氣量最小。因此，當(dāng)采用厭氧共消化技術(shù)對污泥和有機(jī)垃圾進(jìn)行處理時，污泥與餐廚垃圾混合比為8∶2時，可提高厭氧共消化反應(yīng)時的產(chǎn)氣性能。

由圖2可知，當(dāng)?shù)?d進(jìn)行厭氧消化反應(yīng)（MAD）時，污泥與餐廚垃圾混合比溶液產(chǎn)氣量最大，隨著厭氧消化反應(yīng)（MAD）時間延長，不同污泥與餐廚垃圾混合比溶液產(chǎn)累積氣量逐漸增大。當(dāng)反應(yīng)時間大于9d時，混合比為8∶2的溶液產(chǎn)氣量最大，因此，當(dāng)采用厭氧共消化技術(shù)對污泥和有機(jī)垃圾進(jìn)行處理時，使污泥與餐廚垃圾混合比為8∶2，可提高厭氧共消化反應(yīng)時的產(chǎn)氣性能。

2.2 污泥與有機(jī)垃圾對MAD穩(wěn)定性的影響

在不同污泥與餐廚垃圾混合比條件下，污泥與餐廚垃圾理在厭氧消化反應(yīng)（MAD）時SCOD（化學(xué)需氧量）、TVFAs（乙醇及揮發(fā)性脂肪酸）的濃度變化如圖3所示。

由圖3（a）可知，隨著厭氧消化反應(yīng)（MAD）時間延長，污泥與餐廚垃圾各混合比溶液的SCOD（化學(xué)需氧量）濃度均呈先增大再減小的趨勢。當(dāng)溶液混合比分別為全污泥、5∶5、7∶3、8∶2時，SCOD的初始濃度分別為4295.72mg/L、28577.4mg/L、19391.0mg/L、9558.29mg/L，當(dāng)溶液為全污時，SCOD的初始濃度最小。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行第5d時，全污泥和混合比為8∶2溶液的SCOD濃度達(dá)到峰值，峰值濃度分別為5422.1mg/L、15097.83mg/L，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行第15d時，混合比為7∶3溶液的SCOD濃度達(dá)到峰值，峰值濃度為25622.96mg/L，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行第30d時，混合比為5∶5溶液的SCOD濃度達(dá)到峰值，峰值濃度為35298.7mg/L。在相同反應(yīng)時間下，混合比為5∶5溶液的SCOD濃度始終最大。

由圖3（b）可知，隨著厭氧消化反應(yīng)（MAD）時間延長，污泥與餐廚垃圾各混合比溶液的TVFAs（乙醇及揮發(fā)性脂肪酸）濃度均呈先增大再減小的趨勢。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行第5d時，全污泥和混合比為8∶2溶液的TVFAs濃度達(dá)到峰值，峰值濃度分別為3550.85mg/L、10948.16mg/L，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行第10d時，混合比為5∶5溶液的TVFAs濃度達(dá)到峰值，峰值濃度為25750.83mg/L，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行第15d時，混合比為7∶3溶液的TVFAs濃度達(dá)到峰值，峰值濃度為29260.32mg/L。因此，當(dāng)污泥中加入一定比例的餐廚垃圾時，可顯著提高混合溶液的TVFAs濃度。

由圖3可知，隨著厭氧消化反應(yīng)（MAD）時間延長，污泥與餐廚垃圾各混合比溶液的SCOD（化學(xué)需氧量）和TVFAs（乙醇及揮發(fā)性脂肪酸）濃度均呈先增大再減小的趨勢，與其他混合比溶液相比，混合比為5∶5溶液的SCOD濃度始終最大，混合比為7∶3溶液在反應(yīng)15d的TVFAs濃度最大，因此，當(dāng)污泥中加入一定比例的餐廚垃圾時，可顯著提高混合溶液的SCOD和TVFAs濃度。

在不同污泥與餐廚垃圾混合比條件下，污泥與餐廚垃圾理在厭氧消化反應(yīng)（MAD）時PH（酸堿度）變化和TAN（總氨氮）、FAN（游離氨）的濃度變化如圖4所示。

由圖4（a）可知，隨著厭氧消化反應(yīng)（MAD）時間延長，污泥與餐廚垃圾各混合比溶液的pH值（酸堿度）均先減小再增大。在反應(yīng)初期，溶液混合比分別為全污泥、5∶5、7∶3、8∶2時的pH值分別為6.62、6.81、7.36、7.76，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行第5d時，各溶液的pH值均降至最低值，溶液均出現(xiàn)不同程度的酸化，在相同反應(yīng)時間下，溶液混合比為5∶5時的pH值始終最小。

由圖4（b）可知，隨著厭氧消化反應(yīng)（MAD）時間延長，污泥與餐廚垃圾各混合比溶液的TAN（總氨氮）均呈逐漸增大的趨勢，在反應(yīng)初期，當(dāng)溶液混合比分別為全污泥、5∶5、7∶3、8∶2時，溶液中TAN濃度分別為335.8mg/L、410.09mg/L、425.55mg/L、338.56mg/L，當(dāng)反應(yīng)時間為35d時，溶液中TAN濃度達(dá)到最大，最大濃度分別為891.08mg/L、899.15mg/L、1241.33mg/L、1024.19mg/L。在相同反應(yīng)時間下，溶液混合比為8∶2時的TAN濃度始終最大。

由圖4（c）可知，當(dāng)厭氧消化反應(yīng)（MAD）時間為5d時，污泥與餐廚垃圾各混合比溶液的FAN（游離氨）的濃度達(dá)到最小，隨著反應(yīng)時間持續(xù)延長，F(xiàn)AN（游離氨）的濃度逐漸增大。當(dāng)反應(yīng)時間為10d時，全污泥和混合比為8∶2溶液FAN（游離氨）的濃度達(dá)到峰值，與其他2種溶液相比，F(xiàn)AN（游離氨）的濃度略有增大。當(dāng)反應(yīng)時間為35d時，混合比為5∶5和7∶3溶液FAN（游離氨）的濃度達(dá)到峰值，其中混合比為7∶3溶液FAN（游離氨）的濃度增大明顯，相比其他溶液，F(xiàn)AN（游離氨）的濃度最大。

由圖4可知，隨著厭氧消化反應(yīng)（MAD）時間延長，污泥與餐廚垃圾各混合比溶液的pH值（酸堿度）均先減小再增大，TAN（總氨氮）均逐漸增大。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行第5d時，各溶液的pH值和FAN（游離氨）的濃度降至最低值，溶液出現(xiàn)不同程度的酸化，當(dāng)反應(yīng)時間為35d時，溶液中TAN濃度達(dá)到最大，在相同反應(yīng)時間下，溶液混合比為8∶2時的TAN濃度始終最大。

3 結(jié)語

本文以污水處理廠剩余污泥和職工餐廳中餐廚垃圾作為研究對象，通過厭氧消化（MAD）試驗(yàn)，研究了基于厭氧共消化技術(shù)對污泥和城市有機(jī)垃圾進(jìn)行處理的技術(shù)，分析了污泥與有機(jī)垃圾對MAD產(chǎn)氣的影響以及對MAD穩(wěn)定性的影響，可得如下結(jié)論。1）當(dāng)?shù)?d進(jìn)行厭氧消化反應(yīng)（MAD）時，污泥與餐廚垃圾混合比溶液產(chǎn)氣量最大，當(dāng)反應(yīng)時間持續(xù)延長時，MAD累積氣量逐漸增大。當(dāng)反應(yīng)時間大于9d時，與其他溶液相比，混合比為8∶2的溶液產(chǎn)氣量最大，因此，當(dāng)污泥與餐廚垃圾混合比為8∶2時，可提高厭氧共消化反應(yīng)時的產(chǎn)氣性能。2）隨著厭氧消化反應(yīng)（MAD）時間延長，污泥與餐廚垃圾各混合比溶液的SCOD（化學(xué)需氧量）和TVFAs（乙醇及揮發(fā)性脂肪酸）濃度均先增大再減小，與其他溶液相比，混合比為5∶5溶液的SCOD濃度始終最大，當(dāng)污泥中加入一定比例的餐廚垃圾時，可顯著提高混合溶液的SCOD和TVFAs濃度。3）隨著厭氧消化反應(yīng)（MAD）時間延長，污泥與餐廚垃圾各混合比溶液的PH值（酸堿度）均先減小再增大，TAN（總氨氮）均逐漸增大。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行第5d時，各溶液的pH值和FAN（游離氨）的濃度降至最低值，溶液出現(xiàn)不同程度的酸化。

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