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厭氧消化是污泥處理常用的減容穩定工藝，而目前我國污水廠中投入運行的消化池容積利用率很低，揮發性固體（VS）去除率和產氣量也不高。隨著廚余垃圾在城市垃圾中的比重不斷上升，由于其含水率和有機成分都很高，因此很適合采用厭氧消化工藝進行處理，將廚余垃圾運送到城市污水處理廠，利用現有的污泥消化池處理廚余垃圾，而不需要很多的額外的投資，又解決了廚余垃圾的污染問題。將廚余垃圾和污水污泥混合消化能夠提高物料的固體含量從而充分提高消化池的利用效率，有助于促進物料的營養平衡，提高產氣量以及降解能力[1]。
本實驗的主要研究目標是對廚余垃圾和污水廠污泥混合消化的可行性進行評價，對污泥和垃圾在不同比例進料以及不同的HRT對混合物料厭氧消化過程的穩定性和處理效果的影響進行了研究。
1材料與方法
1.1實驗裝置
實驗所采用的厭氧消化反應器為圓柱型，模擬普通污泥消化池，總容積為7L，其有效容積為5L，反應器上配有進、出料口和出氣口各1個，如圖1，機械攪拌，轉速為80r/min，放在水浴中，用溫控儀控制溫度為（35±1）℃，每日進出料1次。
圖1試驗工藝流程
1.2接種污泥
接種污泥由取自哈爾濱文昌污水處理廠的脫水剩余活性污泥培養所得，起初TS約為12%左右，經加自來水后調整至5%左右。采用逐步培養法，經運行一個月后反應器中即可產生比較穩定的沼氣量，然后每日少量加入廚余垃圾和污泥的混合物料進行馴化，此時采用的污泥為含有剩余活性污泥和初沉污泥的混合污泥，取自哈爾濱文昌污水處理廠，是將兩者按照體積比1∶1進行混合，大致相當于該污水廠每日兩種污泥的產量之比，其中初沉污泥取自初沉污泥濃縮池，TS在4.6%～5.2%之間，VS為TS的58%～63%，剩余活性污泥取自污泥回流泵房，經充分沉淀后將TS控制在2%～2.4%，VS為TS的67%～71%。在整個培養過程中未添加任何營養物質，其主要參數見表1。
1.3進料組成
實驗中采用的廚余垃圾取自哈爾濱工業大學學生食堂，其TS在15%～30%之間，VS為TS的88%～94%，其主要組成包括米飯、肉類、蔬菜等，剔除其中的骨頭等硬物后用食物粉碎機將其粉碎到2～4mm，通過添加自來水調節TS到10%。廚余垃圾每兩周收集一次，置于4℃下保存，實驗所采用每日進料的污泥同樣是采用體積比為1∶1的初沉污泥和剩余活性污泥的混合污泥。將廚房垃圾和混合污泥按照其VS的比例為25%∶75%和50%∶50%進行混合。廚余垃圾、混合污泥以及混合物料的主要參數見表1。
表1廚余垃圾、污水污泥、接種污泥以及混合物料的主要特征
1.4實驗設計
采用四個反應器，對應四個不同的HRT，分別為9、12、16、20d，將培養好的接種污泥投入反應器中，分為兩個階段進行，第一個階段采用廚余垃圾和污泥VS之比為25%∶75%的混合物料，而第二階段則采用VS之比為50%∶50%的混合物料，每個HRT下要經過15～20d系統達到穩定運行狀態，每個階段運行50d，考察在不同的HRT以及物料VS比的運行條件下反應器中的運行狀況。
1.5分析方法
TS和VS：重量法；TCOD和SCOD：K2Cr2O7氧化法；揮發性有機酸（VFA）：滴定法；pH值，精密pH計測定；氨氮，滴定法；其中氨氮、VFA和SCOD經15min，15000r/min離心后測定；產氣量，濕式氣體流量計測定；氣體成分，氣相色譜儀測定；堿度，滴定法；TKN，凱式定氮法；TOC，TOC分析儀。
2結果與分析
2.1C/N比值的變化
在厭氧消化過程中，底物的C/N比是穩定運行以及微生物生長和新陳代謝的先決條件。C/N比值太高，含氮量不足，緩沖能力低，pH值容易降低，反之若太低，含氮量過高，如果pH值上升到8.0以上，有機物分解則受到抑制[1]。適宜的C/N比值一般在15～30之間，而混合污泥只有6.8，大大低于最佳值，而廚余垃圾的C/N比值一般是在15～20之間，隨著混合物料中廚余垃圾比重的提高，該值也隨之上升，大大促進了混合物料中的營養平衡，同時污泥中的大量的養料和微量元素能夠彌補廚余垃圾的不足[2]，因此對整個消化過程有促進作用，減少廚余垃圾在消化過程中VFA的積累使得對消化過程造成抑制。
2.2系統穩定性分析
實驗過程中定期對pH值、堿度、氨氮和VFA濃度進行了測定，用這些參數來評價系統運行的穩定性。pH值對厭氧工藝的運行有著重要的影響，因為產甲烷細菌比其它微生物受影響的程度更大，pH值降低會增加高分子的VFA，尤其是丙酸和丁酸，使得產甲烷菌的活性減弱，引起VFA進一步積累和pH值進一步降低。在單相的厭氧消化系統里，產酸菌和產甲烷菌是共存的，pH值在7～7.6時最合適，Lay等人研究高固體污泥消化時認為合理的pH值應該在6.6～7.8之間[2]。對于在正常pH值范圍內運行的厭氧工藝，pH值主要由重碳酸鹽緩沖系統控制，通常理想堿度范圍是2000～5000mg/L CaCO3。表2中給出了在穩定運行狀態時各個反應器中的pH值和堿度的平均值，從表2中可以看出所有的反應器中的pH值在7.25～7.6之間，堿度在3420～4942mg/L CaCO3之間，都在合理的運行范圍內。pH值和堿度都是隨著HRT的縮短而降低，相應的進料的第二階段的進料消化后的pH值和堿度都要高于第一階段，說明在第二階段中系統具有更大的緩沖能力。通常來說，隨著有機負荷的提高VFA的濃度則升高，隨著反應器中VFA的積累堿度也隨之降低。VFA中乙酸質量濃度在200～400mg/L通常認為是正常的消化[3]，對本實驗系統中的VFA（以乙酸計）測定的結果表明所有的反應器中的VFA質量濃度很低，所有的值都在100mg/L下，低于200mg/L，對系統運行影響很小，在此不做贅述。
表2各運行條件下反應器內pH、堿度和氨氮值
表2中還給出了在不同運行條件下系統穩態運行時出料氨氮質量濃度值。氨氮是營養物質，主要是由含氮有機物例如蛋白質或氨基酸分解所產生，在一定范圍內能夠促進生長，然而在更高質量濃度下就變為抑制性物質甚至成為毒性物質，有研究表明當氨氮質量濃度達到1670mg/L以上時則會使得產甲烷細菌活性降低，當達到5880mg/L以上時則完全失去活性。在本實驗中質量濃度最高的時候發生在第二階段中HRT為20d時，氨氮的質量濃度為1156mg/L，此時所對應的pH值為7.60，有機負荷為1.86g/L?d-1VS，隨著HRT的減少，進料有機負荷則相應提高，氨氮質量濃度也就隨之降低，為了消除其質量濃度升高對消化過程所帶來的影響，可以通過適當提高進料的VS含量或是減少HRT來控制氨氮對系統運行的影響，通常的消化池一般HRT多在20d左右，可以適當提高進料有機負荷，從實驗結果看應控制在不低于2g/（L?d-1）VS即可以防止產生氨抑制現象。
2.3有機物去除分析
表3給出了各運行條件下系統對TCOD和VS的去除率，隨著HRT的增加相應的COD和VS的去除率也隨之提高，但是在同樣的進料比例條件下相差并不是很明顯，兩個階段的進料負荷分別在1.43～3.17g/（L?d-1）VS和1.86～4.13g/（L?d-1）VS，相應的VS去除效率分別在40.5%～48.1%和54.6%～63.4%范圍內，TCOD的去除規律和VS是一致的，去除效率也相差不多，去除率分別在42.4%～49.2%和56.7%～64.6%范圍內。而將兩個階段相比較，在相同的HRT下，第二階段中的VS和TCOD去除率要遠大于第一階段，這說明廚余垃圾的可降解性要遠優于混合污泥。在第二階段進料條件下，當HRT為20d時，達到最大的TCOD和VS去除率，此時相應的有機負荷只有2.1g/（L?d-1）VS，而即使當HRT為9d時，有機負荷高達4.13g/（L?d-1）VS時，TCOD和VS的去除率也高達58.7%和58.6%。顧國維[4]等人采用單相中溫厭氧消化處理濃縮污泥，總HRT為10d，進料有機負荷為3.77g/（L?d-1）VS，VS去除率只有36.1%。Mata-Alvarez[5]等人研究了50%的城市有機垃圾（OFMSW）和50%的污泥進行了中溫厭氧消化（35℃），得出的結果是在HRT為14.5d，進料有機負荷為2.8g/（L?d-1）VS，VS去除率為57%。Del Borghi[6]等人將50%的OF2MSW和50%的污泥進行了高溫厭氧消化（55℃），結果是在HRT為12d，進料有機負荷為4.0g/（L?d-1）VS，VS去除率為64%。
2.4產氣情況分析
厭氧消化的主要目的不僅在于穩定有機物，還在于產生甲烷氣體。所有的反應器在運行期間產氣組成中甲烷體積分數均高于60%，并且第一階段中的甲烷比例要高于第二階段。表4給出了在兩個運行階段下不同HRT下反應器穩態運行時的單位體積產氣率（GPR，gas production rate）、單位體積甲烷產率（MPR，methane production rate）及產氣中甲烷的組成情況，GPR和MPR都是隨著HRT的縮短而提高的，同時甲烷在產氣中的比例也隨之下降，在相同HRT下，第二階段產氣量要高于第一階段，但不能就此認為第二階段產氣性能優于第一階段，因為首先第二階段的進料有機負荷相對要高一些。為此我們對兩個階段的進料的單位VS甲烷產率（SMP，specific methane productions）和氣體產率（SGP，specific gas productions）進行比較，可看出在進料相同的情況下，在不同HRT下SMP和SGP相差很小，而第二階段中的進料的SGP和SMP要比第一階段明顯提高。兩階段的SMP分別在0.328～0.337L/g VS和0.426～0.435L/g VS之間。在文獻[5]和[6]中是將污泥和垃圾在TS為1∶1的基礎上混合后消化，所得到的SMP分別為0.365L/g VS和0.4L/g VS，本實驗的結果相應要高一些，說明廚余垃圾的產氣量高，很適合進行厭氧消化。
表3在各運行條件下系統出料的主要參數
表4各運行條件下反應器內產氣情況
3結語
實驗結果表明，污泥和廚余垃圾的混合厭氧消化是可行的，混合后隨著垃圾比重的提高則C/N比值也提高從而促進了消化過程的進行。在整個實驗過程中，進料有機負荷在1.4～4.1g/（L?d-1）VS，反應器pH值保持在7.2～7.6之間，堿度控制在3400～5000mg/L CaCO3之間，沒有任何VFA積累和氨抑制現象發生。
對于兩種混合進料來說，當污泥和垃圾VS之比為50%∶50%時，相應的系統穩定性要優于進料之比為75%∶25%。前者具有更大的緩沖能力，有機負荷有進一步提高的余地，即使HRT在9d的條件下系統也很穩定，使得消化池的容積更充分的利用。同時VS去除率和單位體積產氣量也明顯高于后者，VS去除率為58.6%～62.6%，SMP在0.426～0.435L/g VS之間。
參考文獻：略
