李 磊

(同濟大學環(huán)境科學與工程學院,上海,200092)

1 引 言

根據(jù) 2008年中國環(huán)境狀況公報[1],目前我國城鎮(zhèn)污水處理率已提高至 66%,隨著我國城市污水產(chǎn)生量及其處理率的不斷提高,污水廠的污泥產(chǎn)量呈現(xiàn)不斷上升趨勢,大量污泥的處理與處置已成為污水處理廠面臨的重大挑戰(zhàn)。厭氧消化是一種常用的污泥處理方法,但污泥較低的生物可降解能力導致了污泥的低降解率和低產(chǎn)氣量。2010年全國對地溝油事件異常關注,而廚余垃圾是制作地溝油的重要原材料,廚余垃圾也是城市生活垃圾(MS W)中有機相的主要來源,以淀粉類、食物纖維類、動物脂肪類等有機物質(zhì)為主要成分,具有高固體含量、高油脂、高鹽分以及易腐發(fā)臭、易生物降解等特點[2]。如果將污泥與廚余垃圾進行混合厭氧消化,不僅能夠提高進料的固體含量,有助于促進物料的營養(yǎng)平衡,而且能夠降低污泥中的重金屬離子濃度,提高降解能力。本文從可行性分析和工藝參數(shù)兩個方面對國內(nèi)外城市污水廠污泥與廚余垃圾的混合厭氧消化研究進行了總結(jié)。

2 城市污水廠污泥和廚余垃圾的厭氧消化技術(shù)

2.1 污泥的厭氧消化

隨著生物法處理生活污水的廣泛應用,大量污泥由此產(chǎn)生,Appels[3]等認為污泥的處置費用將占污水廠運行費用的 50%。厭氧消化在減少污泥體積和質(zhì)量的同時,還可以以甲烷的形式回收污泥中的部分生物質(zhì)能,是一種比較好的污泥穩(wěn)定化和資源化的處理方法。但污泥中的有機物大部分是微生物的細胞物質(zhì),被細胞壁所包裹,不利于生物降解,所以將剩余活性污泥單獨進行厭氧消化時,揮發(fā)性固體(VS)的去除率和產(chǎn)氣量都很低。水解過程是剩余活性污泥進行厭氧消化的限速步驟,導致了污泥在厭氧消化過程中存在停留時間長、降解效率低等缺點[4]。為此很多學者采取了各種預處理方法以加速厭氧消化限制步驟的速率 (即加速有機物的水解過程),目前普遍采用的方法有化學法、生物法和熱處理法等[3],其中關于熱處理法的研究較多,Tanaka[5,6]等便研究了將熱處理作為污泥厭氧消化的一種預處理方法,以期提高污泥厭氧消化的效率,但這些方法均需提供額外的能量或試劑,增加了處理成本。

2.2 廚余垃圾的厭氧消化

目前廚余垃圾的主要處理手段包括焚燒、填埋和生物轉(zhuǎn)化等。在美國城市生活垃圾中,廚余垃圾的比例約占 12.7%,其中大部分以填埋方式處置[7]。而我國廚余垃圾約占城市生活垃圾的 37%～62%[8],目前除了少數(shù)城市將其單獨收集并進行資源化處理利用外,其他通常直接用于喂養(yǎng)牲畜或隨其他城市生活垃圾進行填埋處置。廚余垃圾具有較高含水率和生物降解能力,選擇填埋處理不僅會產(chǎn)生臭味,而且易生成大量滲濾液;選擇焚燒處理其高含水率將不利于焚燒裝置而且會造成大量熱量的損失。如果將未經(jīng)處理的廚余垃圾直接用作飼料,食物鏈的短循環(huán)則可能帶來疾病感染風險[9]。因此,相比于其他轉(zhuǎn)化技術(shù)(如填埋和焚燒),厭氧消化更加適合于廚余垃圾的處理[10]。但若單獨采用廚余垃圾作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的原料也會形成酸抑制,不能實現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)甲烷過程,于是 Stabnikova[11]等采用改進的兩相消化系統(tǒng)來處理廚余垃圾,其中一相用作廚余垃圾的水解和酸化,另一相用作實現(xiàn)乙酸化和甲烷化,另外也有很多學者嘗試通過廚余垃圾與其他有機物料進行混合厭氧消化,以期提高廚余垃圾的厭氧消化效率。

3 城市污水廠污泥與廚余垃圾混合厭氧消化的可行性分析

如果將污泥與廚余垃圾進行混合厭氧消化,不僅可以稀釋污泥中的有毒成分,促進物料中營養(yǎng)物質(zhì)的平衡,而且可以獲得更大的單位產(chǎn)氣量。在高溫條件下,還可以提高無害化的穩(wěn)定性,加快厭氧消化速率[12]。文中主要通過初沉污泥和剩余活性污泥與廚余垃圾混合厭氧消化的研究分析其可行性。

3.1 初沉污泥與廚余垃圾的混合厭氧消化

Fu等[13]研究了初沉污泥和廚余垃圾混合中溫厭氧消化效果,進料中初沉污泥和垃圾按 VS之比分別為 3∶1和 1∶1,水力停留時間 (HRT)分別采用10 d、13 d、16 d、20 d。在這兩種進料條件下,相應的VS去除率分別為 61.8%～66.4%和 67.5%～70.4%,產(chǎn)甲烷率分別為 0.441～0.447 L/gVS和0.47～0.482 L/gVS。各反應器系統(tǒng)中均未出現(xiàn)如pH降低、堿度不足、氨抑制和揮發(fā)性有機酸 (VFAs)積累等現(xiàn)象。

3.2 剩余活性污泥與廚余垃圾的混合厭氧消化

付勝濤等[14]研究了混合比例和 HRT對剩余活性污泥和廚余垃圾混合中溫厭氧消化過程的影響,混合進料按照總固體含量 (TS)之比分別采用75%∶25%、50%∶50%和 25%∶75%,HRT分別為10d、15d和 20d。在 3種進料比例及 3個 HRT的運行條件下,各系統(tǒng)內(nèi) pH值保持在 7.18～7.52,堿度(CaCO3)在 3125～4533 mg/L之間,沒有發(fā)生 VFAs積累和氨抑制現(xiàn)象,各系統(tǒng)均處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。

3.3 污泥與MS W中有機組分的混合厭氧消化

Rintala[12,15,16]等研究了污泥 (初沉污泥與剩余活性污泥組成的混合污泥)與MS W中有機組分(其中廚余垃圾所占比例達到 65%以上)分別在中溫和高溫環(huán)境下進行混合厭氧消化時產(chǎn)甲烷的特性。通過混合厭氧消化,甲烷的產(chǎn)量均得到不同程度的提高,在實際規(guī)模的厭氧消化反應器中,甲烷產(chǎn)量能夠達到物料產(chǎn)甲烷潛力的 90%,且其產(chǎn)甲烷速率和活性隨著進料方式和進料量的變化而變化。另外,在混合消化過程中也沒有出現(xiàn)丙酸和丁酸抑制乙酸甲烷化的現(xiàn)象,其混合處理的消化池中污泥的甲烷化活性要高于單獨處理的消化池中污泥活性;Sosnowski等[12]設計了 5組對照實驗,其中單相反應器兩組 (污泥對照組和混合反應組),兩相反應器 3組(污泥、有機組分對照組和混合反應組),在各組實驗中其甲烷濃度均高于 60%,生物產(chǎn)氣量的變化范圍為 0.4～0.6 dm3/gVSS,另外,兩相反應器的產(chǎn)甲烷效率明顯高于單相反應器。

Cavinato等[16]研究了高溫和中溫環(huán)境下,剩余活性污泥和MS W中有機組分混合厭氧消化處理工藝,發(fā)現(xiàn)高溫不僅使得生物產(chǎn)氣量增加了50%,而且提高了出水的穩(wěn)定性,并通過呼吸動力指數(shù)(DRI)得到消化后的產(chǎn)物不再需要二級處理(如堆肥)。

已有的針對各種污水廠污泥和廚余垃圾混合厭氧消化的研究結(jié)果顯示,污泥中添加廚余垃圾后其C/N值增加,可生物降解性相應提高,從而促進了厭氧消化過程?；旌蠀捬跸粌H可以避免污泥或廚余垃圾單獨厭氧消化時存在的VFAs積累、氨抑制等問題,而且在合適條件下可以提高VS去除率和甲烷產(chǎn)量,實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行并達到較好的處理效果?，F(xiàn)有的污泥處理設施 (如污泥消化池)可直接應用于混合厭氧消化工藝中。由此可見,污水廠污泥和廚余垃圾的混合厭氧消化從技術(shù)和設施上均是可行的。

4 工藝參數(shù)對城市污水廠污泥與廚余垃圾混合厭氧消化的影響

影響城市污水廠污泥與廚余垃圾混合厭氧消化的工藝參數(shù)包括溫度、pH值、物料的混合比例、HRT、污泥停留時間 (SRT)、VFAs、攪拌強度、金屬離子強度等。目前,國內(nèi)外關于工藝參數(shù)對混合厭氧消化影響的研究報道尚且較少,以下主要討論了溫度、HRT和混合比例等工藝參數(shù)對混合厭氧消化效果的影響。

4.1 溫度

溫度是影響水解酸化過程的一個重要因素,一般認為較高的溫度有利于提高混合消化的效率。Oleszkiewicz等[17]研究了紙類、廚余垃圾和污泥混合形成的高固體厭氧消化,認為高溫 (55℃)工況在VS降解率和產(chǎn)氣率方面均優(yōu)于中溫 (35℃)工況,并得到當 TS在 30%～35%范圍內(nèi)時系統(tǒng)運行最佳,TS和需氧量的去除率與停留時間和溫度成比例,另外通過中試還發(fā)現(xiàn)當負荷超過 9 kgTS/m3·d時系統(tǒng)仍可以正常運行。

Lee等[18,19]研究了超高溫 (70℃)條件下厭氧消化反應器的運行性能,并且采用了兩相厭氧消化系統(tǒng),其中酸化反應器在超高溫條件下運行,甲烷化反應器分別在中溫 (35℃)、高溫 (55℃)和超高溫(65℃)條件下運行。當廚余垃圾和剩余污泥的體積添加比為 20∶80時,酸化發(fā)酵反應器的最佳運行工況為：反應器溫度為 70℃、HRT為 3.1天、SRT為4天。甲烷化反應器的最佳溫度條件為 55℃,此時甲烷的平均轉(zhuǎn)化效率和 VS的平均去除率分別為65%和 64%,系統(tǒng)能夠維持較低的氨氮濃度和良好的穩(wěn)定運行。超高溫厭氧消化系統(tǒng)適合處理含有高濃度的蛋白質(zhì)、脂類和不可生物降解的固態(tài)物質(zhì)。

4.2 HRT

付勝濤等[14]研究了混合比例和 HRT對混合中溫厭氧消化過程的影響,發(fā)現(xiàn)當廚余垃圾的 TS所占比例為25%和50%時不同HRT條件下VFAs相差不大,但當其比例提高至 75%時,VFAs隨著HRT的提高而提高的,但均未出現(xiàn)酸抑制現(xiàn)象。另外,同一進料比例在不同 HRT條件下,氨氮的濃度是隨著HRT的提高而提高的,但單位VS甲烷產(chǎn)率和氣體產(chǎn)率相差并不明顯。

4.3 混合比例

混合比例對混合厭氧消化的效率有著重要影響。Beno等[20]研究了污水廠污泥與廚余垃圾和蔬菜垃圾的混合消化,并設計了 3組實驗,第一組分別對廚余垃圾和蔬菜垃圾進行單獨厭氧消化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)氣體產(chǎn)量很低,其甲烷含量也只有 5%,這可能是由于酸抑制作用;第二組實驗將廚余垃圾、蔬菜垃圾和污泥按照一定比例(分別為48%∶26%∶26%)進行混合,結(jié)果發(fā)現(xiàn)氣體產(chǎn)量明顯增多,但其甲烷含量仍然維持較低的水平 (只有 3%),這可能是因為添加一定量的污泥雖然提高了其余兩種組分的水解效率,但產(chǎn)甲烷菌未能成為優(yōu)勢菌種,進而導致甲烷含量較低;第三組實驗將廚余垃圾和蔬菜垃圾分別與污泥進行混合(污泥與廚余垃圾和污泥與蔬菜垃圾比例均為 77%：23%),此時甲烷含量急劇升高至49%,本組實驗中酸抑制得到了完全解除且產(chǎn)甲烷菌成為了優(yōu)勢菌種。

付勝濤等發(fā)現(xiàn)當剩余活性污泥與廚余垃圾進料TS比為 50%∶50%時,pH值、堿度和氨氮相應地要高于其他 2個階段 (TS比分別為 75%∶25%和25%∶75%)在同一 HRT下的運行結(jié)果,具有最大的緩沖能力,穩(wěn)定性和處理效果都比較理想。

可以看出,不同的 HRT和混合比例對混合厭氧消化的影響很大,Beno和付勝濤等的研究結(jié)果對城市污水廠污泥和廚余垃圾混合厭氧消化工藝參數(shù)的選擇具有一定的指導意義。除溫度、HRT和混合比例外,其他重要的工藝參數(shù)目前研究較少,如 pH值、攪拌強度等,這些問題的確定還需要進一步的研究。

5 展 望

我國 2009年《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術(shù)政策》[21]鼓勵城鎮(zhèn)污水處理廠采用污泥厭氧消化工藝,產(chǎn)生的沼氣可綜合利用,但厭氧消化后污泥在園林綠化、農(nóng)業(yè)利用前,應按要求進行無害化處理。

2010年 6月,由國家環(huán)境保護部等部門聯(lián)合擬定了《關于加強生活垃圾處理和污染綜合治理工作的意見 (征求意見稿)》[22],其中明確指出需要加強餐廚垃圾管理。要求到 2015年年底前,全國 36個大城市實現(xiàn)餐飲行業(yè)餐廚垃圾集中收集和處理,各城市應制定規(guī)劃,合理布局,建設餐廚垃圾集中處理設施。

因此,通過厭氧消化處理污水廠污泥和廚余垃圾對于該類有機廢物的減量化和資源化有著重要意義。但各自進行單獨厭氧消化處理又存在一定的弊端,若將兩者進行混合厭氧消化,直接利用現(xiàn)有的污泥處理設施(如污泥消化池),有望增加厭氧消化工藝的穩(wěn)定性,提高甲烷產(chǎn)量和甲烷效率。兩種有機廢物混合厭氧消化的優(yōu)越性已經(jīng)得到相關研究的證實。目前,國內(nèi)外關于城市污水廠污泥和廚余垃圾的混合厭氧消化研究報道尚且不多,已有的研究則集中于污泥與MS W中有機組分的混合消化以及溫度、混合比例、HRT等工藝參數(shù)對混合厭氧消化的影響。除此之外,污泥和廚余垃圾混合厭氧消化中尚存很多問題值得進一步探討,如混合厭氧消化存在哪些不足、如何確定最佳工況條件下各工藝參數(shù)(如溫度、混合比例、pH值、攪拌強度等)、污泥消化池的設計是否需要調(diào)整等等。

[1] 中華人民共和國環(huán)境保護部 .2008年中國環(huán)境狀況公報[EB/OL].http：//www.sepa.gov.cn/plan/zkgb/.2010-07-03.

[2] 王 星,王德漢,徐 菲 .礦物材料對餐廚垃圾厭氧消化的影響研究[J].環(huán)境科學學報,2006,26(2)：256-261.

[3] AppelsL,Degreve J,Van derBruggenB,et al.Influence of low temperature ther mal pre-treatment on sludge solubilisation,heavy metal release and anaerobic digestion[J].Bioresource Technology,2010,101(15)：5743-5748.

[4] Kim D H,Jeong E,Oh S E,Shin H S.Combined(alkaline plus ultrasonic)pretreatment effect on sewage sludge disintegration [J].Water Research,2010,44(10)：3093-3100.

[5] Tanaka S,Kobayashi T,Kamiyama K,Bildan M.Effects of ther mochemical pretreatment on the anaerobic digestion of waste activated sludge[J].Water Science and Technology,1997,35 (8)：209-215.

[6] Tanaka S,Kamiyama K.Thermochemicalpretreatment in the anaerobic digestion of waste activated sludge[J].Water Science and Technology,2002,46(10)：173-179.

[7] Matteson GC,JenkinsB M.Food and processing residues in California：Resource assessment and potential for power generation [J].Bioresource Technology,2007,98(16)：3098-3105.

[8] 陳朱蕾,周 磊,江 娟,等.糞便與廚余垃圾現(xiàn)場處理研究[J].環(huán)境科學,2005,26(5)：196-199.

[9] 呂 凡,何品晶,邵立明,等 .易腐性有機垃圾的產(chǎn)生與處理技術(shù)途徑比較[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設備,2004,4(8)：46-50.

[10] Zhang R H,El-Mashad H M,Hartman K,et al.Characterization of food waste as feedstock for anaerobic digestion[J].Bioresource Technology,2007,98(4)：929-935.

[11] Stabnikova O,Liu X Y,Wang J Y.Digestion of frozen/thawed food waste in the hybrid anaerobic solid-liquid system[J].Waste Management,2008,28(9)：1654-1659.

[12] Sosnowski P,W ieczorek A,Ledakowicz S.Anaerobic co-digestion of sewage sludge and organic fraction of municipal solid wastes[J].Advances in Environmental Research,2003,7(3)：609-616.

[13] Fu S T,Yu S L,Fu Y,et al.Mesophilic co-digestion kitchen rubbish[C].Beijing：Proceedings of 2006 Beijing International Environmental Technology Conference,2006.

[14] 付勝濤,于水利,嚴曉菊,付 英 .剩余活性污泥和廚余垃圾的混合中溫厭氧消化 [J].環(huán)境科學,2006,27(7)：1459-1463.

[15] Rintala J A,Jarvinen T.Full-scale mesophilic anaerobic co-digestion ofmunicipal solidwaste and sewage sludge：Methane production characteristics[J].Waste Management&Research, 1996,14(2)：163-170.

[16] Cavinato C,Fatone F,Bolzonella D,Pavan P.Mesophilic to ther mophilic conditions in codigestion of sewage sludge andOFMS W evaluation of effluent stability using dynamic respirometric index(DR I)and biochemical methane potential(BMP)[C]. Padua：The 2nd international conference on industrial biotechnology,2010.

[17] Oleszkiewicz J A,PoggiVaraldo H M.High-solids anaerobic digestion of mixed municipal and industrial waste[J].Journal of Environmental Engineering-Asce,1997,123(11)：1087-1092.

[18] LeeM,Hidaka T,HagiwaraW,Tsuno H.Comparative performance and microbial diversity of hyperthermophilic and thermophilic co-digestion of kitchen garbage and excess sludge[J].Bioresource Technology,2009,100(2)：578-585.

[19] Lee M,Hidaka T,Tsuno H b.Two-phased hyperthermophilic anaerobic co-digestion ofwaste activated sludge with kitchen garbage[J].Journal of Bioscience and Bioengineering,2009,108 (5)：408-413.

[20] Beno Z,Boran J,Houdkova L,et al.Cofermentation of kitchen waste with sewage sludge[C].Rome：Chemical Engineering Transactions,2009.

[21] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部 .城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術(shù)政策 [EB/OL].http：// www.mohurd.gov.cn/zcfg/jswj/csjs/200903/t20090302_1866 23.htm.2010-07-02.

[22] 中華人民共和國環(huán)境保護部,住房城鄉(xiāng)建設部,國家發(fā)展改革委 .關于加強生活垃圾處理和污染綜合治理工作的意見(征求意見稿)[EB/OL].http：//wfs.mep.gov.cn/gtfw/zhgl/ 201006/t20100618_191065.htm.2010-07-01.