污泥與餐廚廢棄物協(xié)同厭氧消化處理技術

　　隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展以及人民生活水平的提高，城市固體垃圾逐年增加，其中餐廚廢棄物與市政污泥是主要組成部分，已成為困擾經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境治理的重大問題。由于餐廚廢棄物和市政污泥自身的特性，其單一厭氧消化過程難以實現(xiàn)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行，因此二者協(xié)同厭氧消化處理成為了研究熱點，其中，物料比是影響協(xié)同厭氧消化效果的重要因素，是協(xié)同處理工藝的重要研究方向。筆者依托市政污泥與餐廚廢棄物協(xié)同厭氧消化處理實際工程項目，研究了物料比對協(xié)同厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性、產(chǎn)氣率、物料降解率以及終端生物碳土資源化等的影響，旨在為實際生產(chǎn)運行提供技術參考。

　　1、材料與方法

　　1.1 試驗材料

　　試驗用污泥為鎮(zhèn)江市某污水處理廠的剩余污泥，PH值為7.15，SCOD為6800mg/L，總固體(TS)含量為I7.8%，其中揮發(fā)性固體(VS)占比為47.06%，餐廚廢棄物來自鎮(zhèn)江市主城區(qū)的學校、企業(yè)和大中型飯店，pH值為4.17，TS含量為14.7%，其中VS占比為90.40%。

　　1.2 試驗裝置與方法

　　試驗采用全混式厭氧反應器(CSTR)，厭氧消化罐由2臺穿壁攪拌器和1臺循環(huán)栗組成。厭氧消化罐的有效容積為2800m3，溫度維持在(38±1)℃，攬拌方式為攪拌30min、停止60min。

　　考慮到厭氧消化罐的設計負荷，試驗中不同物料配比的最大進料負荷設為3.00kgVS/(m3?d)。按照污泥與餐廚廢棄物的比例(S/K，以TS計)設計5組不同物料配比的厭氧消化試驗，污泥與餐廚廢棄物的進料量如表1所示，每組試驗的停留時間保持在45d以上。

　　1.3 檢測項目與方法

　　厭氧消化罐中消化液的檢測指標包括：pH值、揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、堿度(ALK)、TN、NH3-N、TP、TS、VS、COD及沼氣量等。其中，PH值采用電極法測定，VFA、ALK采用滴定法測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定，NH3-N采用納氏試劑分光光度法測定，TP采用過硫酸鉀消解-鉬酸銨分光光度法測定，TS、VS采用重量法測定，COD采用重鉻酸鉀法測定，沼氣量及其組分采用在線儀表測定。

　　2、結果與討論

　　2.1 物料比對厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

　　厭氧消化過程中pH值、VFA、ALK以及酸堿比(VFA/ALK)的變化能夠真實反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其中VFA/ALK值可以表征中間產(chǎn)物的積累以及微生物生存環(huán)境情況，是評價厭氧系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標。一般認為pH值維持在6.5~8.2、VFA<3000mg/L且VFA/ALK值為0.1~0.3時，厭氧消化系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。在本研究中，不同物料比下厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)pH值、VFA、ALK以及VFA/ALK值的變化如表2所示。可知，在不同物料比下，pH值均保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，VFA/ALK值保持在0.10~0.12，VFA維持在1093~1529mg/L，ALK維持在10321~13688mg/L，由此表明，污泥與餐廚廢棄物協(xié)同厭氧消化克服了兩者的缺點(污泥厭氧消化時，可生化降解性差，堿度較高，餐廚廢棄物厭氧消化時，可生化降解性強，堿度較低，緩沖能力差，提高了可生化降解性，并使堿度保持在正常范圍，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　隨著餐廚廢棄物比例的增加，厭氧消化液的TS含量呈下降趨勢，純污泥時厭氧消化液的TS含量為80631mg/L，而純餐廚廢棄物時僅為56069mg/L，餐廚廢棄物中有機物含量高，更容易被降解。

　　此外，厭氧消化液中的NH，-N濃度也是反映厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標，有研究表明，當NH，-N在50~200mg/L范圍內(nèi)時有利于消化反應的穩(wěn)定運行，當NH3-N>1500mg/L時會抑制消化過程。在本研究中，當S/K值為1：0、2：1、I：1、1：2、0：1時，NH3-N濃度分別為1064、1125、1567、1811、1625mg/L，厭氧消化系統(tǒng)保持在穩(wěn)定狀態(tài)。與實驗室的小型厭氧反應器相比，實際工程中的厭氧反應器容積較大，具有更大的緩沖能力，產(chǎn)甲烷菌能夠適應較高負荷的NH3-N。

　　2.2 物料比對厭氧消化系統(tǒng)降解率的影響

　　VS降解率可以直觀反映厭氧消化罐中有機物的降解情況。在本研究中，當物料比S/K值為1：0、2：1、1：1、1：2、0：1時，VS降解率分別為32.4%、50.6%、64.1%、79.4%、86.5%。由于市政污泥中有機物含量較低，純污泥厭氧消化時VS降解率較低，隨著餐廚廢棄物添加比例的增加，VS降解率呈現(xiàn)增加趨勢，純餐廚廢棄物厭氧消化時VS降解率達到86.5%，顯著高于其他文獻報道的結果(67.2%、40.4%)，當S/K=1：2時，VS降解率達到79.4%，也顯著高于其他小試研究結果。污泥中胞外聚合物(EPS)占總有機質(zhì)的50%~90%，其水解過程直接影響污泥的降解速率與程度，隨著餐廚廢棄物的加人，物料中易水解酸化的組分比例增加，促進了甲烷菌的增殖，同時也促進了EPS的降解，提高了系統(tǒng)的物料降解率。

　　2.3 物料比對厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)氣率的影響

　　物料的VS添加產(chǎn)氣率是評價厭氧消化效率的重要指標，本研究將產(chǎn)氣量和VS添加產(chǎn)氣率作為評價不同物料比下厭氧系統(tǒng)運行效果的指標。當物料比S/K值為1：0、2：1、1：1、丨：2、0：1時，VS添加產(chǎn)氣率分別為0.31、0.42、0.48、0.56、0.59m3/(kgVS?d)，可知，純污泥時VS添加產(chǎn)氣率較低，添加餐廚廢棄物后VS添加產(chǎn)氣率顯著上升，當S/K值為1：2時，VS添加產(chǎn)氣率較純污泥時提高了80.6%。另外，產(chǎn)氣量亦隨著物料中餐廚廢棄物比例的增加而增加(見圖1)。污泥與餐廚廢棄物協(xié)同厭氧消化促進了營養(yǎng)物質(zhì)比例平衡，提高了物料的降解率和產(chǎn)氣率，進而提高了厭氧消化效率。

　　2.4 物料比對厭氧消化系統(tǒng)沼氣組成的影響

　　沼氣成分主要包括CH4、CO2、H2S，不同物料比對厭氧消化系統(tǒng)沼氣組成的影響如圖2所示。純污泥時，沼氣中CH4含量最高，達到64.1%，添加餐廚廢棄物后，CH4含量呈降低的趨勢，但各添加比例之間無明顯變化規(guī)律。物料比對CO2含量的影響不大且無明顯規(guī)律。隨著餐廚廢棄物添加比例的增加，H2S產(chǎn)量呈增加趨勢，特別是純餐廚廢棄物時，H2S產(chǎn)量顯著高于其他物料比，平均值達到了418.9mg/m3，而物料中有污泥時H2S產(chǎn)量均在100mg/m3以下，這表明污泥與餐廚廢棄物協(xié)同厭氧消化有助于減少H2S的產(chǎn)生。主要原因為：①污泥中的Fe3+對厭氧消化過程中H2S的產(chǎn)生和釋放有較好的抑制作用，②污泥中蛋白質(zhì)含量較高，降解蛋白質(zhì)產(chǎn)生的沼氣中甲烷含量比降解其他有機質(zhì)要高。因此，污泥與餐廚廢棄物協(xié)同處理工程項目中沼氣脫硫設計僅考慮干式脫硫法(氧化鐵脫硫法)就可以達到降低沼氣中H2S含量的目的。

　　2.5 物料比對后端資源化的影響

　　污泥與餐廚廢棄物厭氧消化工程終端的沼渣經(jīng)過“高干脫水+太陽能干化”處理后含水率降至50%以下，成為生物碳土，其主要用于園林綠化、土地改良等。生物碳土中的鹽分以及重金屬含量對其資源化利用起著至關重要的作用。不同物料比下生物碳土中的重金屬含量如表3所示?？梢钥闯?，各物料比下生物碳土中的重金屬含量均符合《農(nóng)用污泥污染物控制標準》(GB4284―2018)中A級污泥的要求，隨著物料中餐廚廢棄物比例的增加，各重金屬含量均呈顯著下降趨勢;當污泥與餐廚廢棄物的比例為1：2時，重金屬含量顯著低于純污泥時的，為資源化利用奠定了良好的基礎。另外，生物碳土中的鹽分采用全鹽量表征，當物料比S/K值為1：0、2：1、1：1、1：2時，生物碳土中的全鹽量分別為2553、3980、4583、4670mg/L，當S/K值為1：2與1：1時全鹽量無顯著差異。

　　3、結論

　?、偈姓勰嗯c餐廚廢棄物協(xié)同厭氧消化系統(tǒng)具有良好的緩沖能力，不同物料比下厭氧消化液的VFA/ALK值保持在0.10~0.12，VFA維持在1093~1529mg/L，堿度維持在10321~13688mg/L，厭氧消化系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

　?、谖勰嗯c餐廚廢棄物協(xié)同處理促進了厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)氣能力，隨著餐廚廢棄物比例的增加，VS降解率和VS添加產(chǎn)氣率均呈現(xiàn)增加趨勢，當污泥與餐廚廢棄物的配比為1：2時，協(xié)同厭氧消化效果最好，VS降解率達到79.4%，VS添加產(chǎn)氣率為0.56m3/(kgVS?d)，甲烷含量達到61.4%，H2S產(chǎn)量為77.4mg/m3。

　?、奂兾勰鄷r，沼氣中的CH4比例最高，H2S產(chǎn)量最低，純餐廚廢棄物時，H2S產(chǎn)量最高，添加污泥后，H2S產(chǎn)量迅速下降，餐廚廢棄物與污泥協(xié)同處理有利于減少沼氣中H2S的含量。

　　④隨著物料中餐廚廢棄物比例的增加，生物碳土中的重金屬含量呈現(xiàn)顯著下降趨勢，全鹽量則呈升高趨勢;當污泥與餐廚廢棄物的比例為1：2時，生物碳土中的重金屬含量顯著低于純污泥時的，全鹽量則與比例為1：1時無顯著差異。(來源：鎮(zhèn)江市水業(yè)總公司，江蘇泓潤生物質(zhì)能科技有限公司)