劉長青, 薛 珊, 金秋燕, 肖麗君, 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)

隨著城市人口規(guī)模的迅速擴(kuò)增，城市固體垃圾產(chǎn)量逐年增加，餐廚垃圾和市政污泥是其主要組成部分。固體垃圾含有大量病原菌及有毒有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，需進(jìn)行無害化處理，目前對(duì)固體垃圾的處理方式主要有填埋、焚燒、堆肥和厭氧消化等。利用厭氧消化技術(shù)可使餐廚垃圾和市政污泥進(jìn)行發(fā)酵，產(chǎn)生沼氣，提高能源回收利用率[1]。但由于市政污泥中易降解有機(jī)物含量低、可生物降解物質(zhì)難溶出，單獨(dú)厭氧發(fā)酵水解酸化速率慢，且其碳氮比較低，容易產(chǎn)生氨抑制作用，較大程度限制了產(chǎn)甲烷效率；餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化，易在產(chǎn)酸階段積累大量VFAs降低系統(tǒng)pH值，抑制產(chǎn)甲烷菌活性，甚至終止產(chǎn)甲烷過程[2-5]。而餐廚垃圾具有生物質(zhì)能高且易被微生物降解等優(yōu)點(diǎn)，因此將餐廚垃圾與市政污泥混合共厭氧消化成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[6-8]，市政污泥與餐廚垃圾混合共厭氧消化可改善消化進(jìn)料含固率，平衡營養(yǎng)物質(zhì)成分，能有效解決單獨(dú)厭氧消化時(shí)市政污泥有機(jī)質(zhì)不足和餐廚垃圾有機(jī)酸積累等問題。有關(guān)研究表明[9-10]，餐廚垃圾與市政污泥的混合比例對(duì)厭氧消化的產(chǎn)氣性能影響顯著。鑒此，本試驗(yàn)以餐廚垃圾和市政污泥為消化原料進(jìn)行混合發(fā)酵，研究了不同VS混合比下厭氧消化的產(chǎn)氣效果，進(jìn)而確定最佳混合比例，提高厭氧消化的產(chǎn)氣性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用市政污泥取自青島市某污水處理廠，該污水處理廠主要處理高濃度有機(jī)生活污水，因此生物泥的有機(jī)質(zhì)含量較高。試驗(yàn)中生污泥、接種污泥分別取自該污水處理廠厭氧消化池進(jìn)泥、消化罐，餐廚垃圾取自學(xué)校餐廳。污泥及餐廚垃圾的固體含量如表1所示：

表1 接種污泥、生污泥和餐廚垃圾性質(zhì) (%)

注：TS為總固體，VS為揮發(fā)性固體。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用厭氧消化裝置為瑞典Bioprocess Control公司生產(chǎn)的AMPTS-Π(圖1)。試驗(yàn)中，接種污泥與試驗(yàn)污泥(餐廚垃圾與生污泥的混合樣)按VS比例為2∶1投加，同時(shí)控制餐廚垃圾與生污泥的VS比例為0∶1，2∶1，1∶1，1∶2和1∶3。將試驗(yàn)污泥與接種污泥混合后裝入?yún)捬跸磻?yīng)罐(接種污泥和試驗(yàn)污泥總體積為400 mL)，在反應(yīng)開始前向反應(yīng)罐中通氮?dú)? min保證厭氧狀態(tài)，然后在恒溫(35℃±0.5℃)條件運(yùn)行15 d。

圖1 產(chǎn)甲烷潛力測(cè)試儀

1.3 分析測(cè)試方法

TS和VS采用重量法[11];將待測(cè)樣品在5000 r·min-1的轉(zhuǎn)速下離心30 min,取上清液，用重鉻酸鉀法[11]測(cè)定溶解性COD，蒽酮比色法[12]測(cè)定溶解性碳水化合物，F(xiàn)olin-酚試劑法[13]測(cè)定蛋白質(zhì)；采用HACH便攜式pH計(jì)測(cè)定pH值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同餐廚垃圾和市政污泥混合比對(duì)產(chǎn)氣性能的影響

物料單位VS產(chǎn)氣量是評(píng)價(jià)厭氧消化效率高低的重要指標(biāo)[14]。為此，對(duì)不同混合比條件下各類底物單位VS產(chǎn)氣量進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 不同混合比例下沼氣日產(chǎn)氣量

圖3 不同混合比例下累計(jì)沼氣產(chǎn)量

由圖2知，不同餐廚垃圾和市政污泥混合比下的日產(chǎn)氣量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)?；旌衔锪现幸捉到獾挠袡C(jī)物容易在短時(shí)間內(nèi)被微生物利用，產(chǎn)生沼氣，因此混合比為2∶1，1∶1，1∶2，1∶3和0∶1組在前2天內(nèi)出現(xiàn)最大產(chǎn)氣量，分別為62.74 mL·g-1VS·d-1，57.06 mL·g-1VS·d-1，65.36 mL·g-1VS·d-1，63.64 mL·g-1VS·d-1和51.62 mL·g-1VS·d-1。由于加入餐廚垃圾后物料中單位VS所含有機(jī)物的組分發(fā)生改變，從而導(dǎo)致不同混合比下單位VS日產(chǎn)氣量不同?；旌媳葹?∶1,1∶1和1∶2組在第8天出現(xiàn)第2次高峰，而混合比為1∶3和0∶1組并未出現(xiàn)，可能是因?yàn)榍?組中餐廚垃圾所占比例較高，其中的蛋白質(zhì)、脂肪等較難降解物質(zhì)在后期水解產(chǎn)氣引起的[10]。

不同混合比下厭氧消化15 d沼氣的累計(jì)產(chǎn)量如圖3所示。由圖3可以看出，投加不同量餐廚垃圾的各組反應(yīng)系統(tǒng)累計(jì)產(chǎn)氣量均高于污泥單獨(dú)厭氧消化組。污泥單獨(dú)厭氧消化的累計(jì)產(chǎn)氣量為290.99 mL·g-1VS，而混合比為2∶1，1∶1，1∶2和1∶3組的累計(jì)沼氣產(chǎn)量達(dá)到451.29 mL·g-1VS，422.71 mL·g-1VS，396.53 mL·g-1VS和384.21 mL·g-1VS，比污泥單獨(dú)厭氧消化分別提高了55.09%，45.27%，36.27%和32.04%。造成不同混合比產(chǎn)氣差異的主要原因在于物料的組成成分，市政污泥中含有一定量的胞外聚合物(EPS)，不易發(fā)生水解，限制了產(chǎn)沼過程[15]，而餐廚垃圾中的有機(jī)物易水解酸化，改善了系統(tǒng)環(huán)境，同時(shí)促進(jìn)了剩余污泥中EPS的降解，促進(jìn)了產(chǎn)甲烷過程。劉建偉[16]等在研究城市生活垃圾與污水廠剩余污泥聯(lián)合厭氧消化產(chǎn)氣性能的研究中指出，生活垃圾與剩余污泥VS比為2∶1時(shí)，厭氧消化產(chǎn)氣量最高，與本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果一致。由此可知，餐廚垃圾的投加可以提高污泥厭氧消化的產(chǎn)氣效果。在本實(shí)驗(yàn)中，餐廚垃圾所占比例越大，日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量越高。此外，混合比為2∶1，1∶1，1∶2，1∶3和0∶1的各組反應(yīng)系統(tǒng)從開始產(chǎn)氣到最高累計(jì)產(chǎn)氣量所用時(shí)間分別為11 d，9 d，8 d，7 d和6 d，說明厭氧消化產(chǎn)氣持續(xù)的時(shí)間隨著混合物料中餐廚垃圾所占比例的提高而延長。

2.2 不同餐廚垃圾和市政污泥混合比下溶解性有機(jī)物的濃度變化及其轉(zhuǎn)化率

有機(jī)物在厭氧消化過程中首先要被水解成可溶性的小分子物質(zhì)才可以進(jìn)一步被利用，因此消化過程中底物被利用的情況可以被系統(tǒng)中溶解性有機(jī)物的變化很好的反映出來[17]。由圖4～圖6可以看出，溶解性有機(jī)物的濃度隨時(shí)間先上升后下降，在反應(yīng)時(shí)間到達(dá)7～9 d時(shí)出現(xiàn)小高峰，之后趨于平緩。在前兩天內(nèi)SCOD、溶解性碳水化合物、溶解性蛋白質(zhì)大幅增加，是餐廚垃圾及市政污泥中大量非溶解性有機(jī)物水解酸化造成的，這一點(diǎn)可以從圖7pH值在前兩天迅速下降的趨勢(shì)中體現(xiàn)出來。在反應(yīng)時(shí)間2～7 d內(nèi)，由于微生物的轉(zhuǎn)化速率加快而導(dǎo)致溶解性有機(jī)物迅速下降。在反應(yīng)時(shí)間7～9 d時(shí)由于混合物料中難溶有機(jī)物的水解，出現(xiàn)第2次高峰。由圖4～圖6可以看出2∶1組在反應(yīng)初期溶解性有機(jī)物含量最高，這說明餐廚垃圾在混合物料中所占的比例越大，溶解性有機(jī)物含量就越高。

圖4 不同混合比例下SCOD濃度變化

圖5 不同混合比例下溶解性碳水化合物濃度變化

圖6 不同混合比例下溶解性蛋白質(zhì)濃度變化

圖7 不同混合比例下pH值變化

圖8反應(yīng)了不同混合比下溶解性有機(jī)物的轉(zhuǎn)化率。污泥單獨(dú)厭氧消化時(shí)，SCOD，溶解性碳水化合物，溶解性蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化率分別為64.09%，52.21%，52.08%。而投加了餐廚垃圾的混合樣2∶1，1∶1，1∶2和1∶3組相比于單獨(dú)厭氧消化的市政污泥在SCOD的轉(zhuǎn)化率上分別提高15.91%，15.14%，14.12%，11.97%；溶解性碳水化合物轉(zhuǎn)化率分別提高42.17%，41.74%，40.82%，40.46%；溶解性蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化率分別提高11.05%，9.17%，8.79%，7.92%。其中，混合比為2∶1組溶解性有機(jī)物的轉(zhuǎn)化率最高。

圖8 不同混合比例下有機(jī)物轉(zhuǎn)化率

2.3 不同餐廚垃圾和市政污泥混合比下VS去除率

在厭氧消化過程中，物料中一部分可降解的有機(jī)物質(zhì)被微生物轉(zhuǎn)化為沼氣，另一部分用于微生物自身的生長和繁殖。經(jīng)過厭氧消化，混合物料的VS含量下降，并逐漸達(dá)到穩(wěn)定化狀態(tài)。在餐廚垃圾與市政污泥的厭氧消化過程中，底物的降解率是考察厭氧消化的一項(xiàng)重要指標(biāo)，可用污泥VS去除率來表示。圖9反應(yīng)了不同混合比下VS的去除率。由圖9知市政污泥單獨(dú)厭氧消化時(shí)VS的去除率為40.53%，隨著餐廚垃圾在混合物料中所占比例的提高，VS去除率也逐漸增加，混合比為1∶3，1∶2，1∶1和2∶1的VS去除率分別達(dá)到50.17%，52.90%，56.57%和66.51%，比污泥單獨(dú)厭氧消化分別提高了4.17%，6.9%，10.57%和20.51%。這表明，添加適當(dāng)比例的餐廚垃圾可提高厭氧消化程度，能夠促進(jìn)厭氧消化的順利進(jìn)行，且餐廚垃圾所占的比例越高，VS去除率越高。

圖9 不同混合比例下VS去除率

3 結(jié)論

(1)餐廚垃圾與市政污泥混合共厭氧消化可以改善產(chǎn)氣性能，提高產(chǎn)氣量。本試驗(yàn)條件下，混合比為2∶1，1∶1，1∶2和1∶3的消化系統(tǒng)累計(jì)產(chǎn)氣量分別為451.29 mL·g-1VS，422.71 mL·g-1VS ，396.53 mL·g-1VS和384.21 mL·g-1VS，比污泥單獨(dú)厭氧消化分別提高了55.09%，45.27%，36.27%和32.04%，其中混合比例為2∶1時(shí)產(chǎn)氣效果最佳。

(2)污泥厭氧消化時(shí)投加餐廚垃圾還可以提高有機(jī)物的轉(zhuǎn)化率，混合比為 1∶3，1∶2，1∶1和2∶1時(shí)消化系統(tǒng)VS的去除率分別達(dá)到50.17%，52.90%，56.57%和66.51%，比污泥單獨(dú)厭氧消化分別提高了4.17%，6.9%，10.57%和20.51%；混合比為2∶1組的反應(yīng)系統(tǒng)有機(jī)物轉(zhuǎn)化率最高，其SCOD，溶解性蛋白質(zhì)及溶解性碳水化合物轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到80.00%，94.38%和63.32%，比單獨(dú)厭氧消化的市政污泥分別提高了15.91%，42.17%及11.24%。

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