黃曉艷， 金春姬， 張彩杰

(中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100)

厭氧消化技術(shù)是污泥處理的一種有效方式，不僅能夠?qū)⑽勰鄿p量化和穩(wěn)定化，消化后的污泥因富含有機(jī)肥效成分，適于土地利用，消化過程中產(chǎn)生的沼氣可以用來發(fā)電[1]，有很好的資源再利用價值。高含固率污泥厭氧消化工藝具有水耗較低[2]、單位容積處理量高[3]、單位容積產(chǎn)氣率較高[4]等優(yōu)勢。本研究根據(jù)水產(chǎn)品加工廠的污泥經(jīng)板框壓濾機(jī)壓濾脫水后含固率在15%左右，且含氮高的特點(diǎn)，考察該污泥在高固體含量下的厭氧消化和產(chǎn)氣情況，作為后續(xù)高含固率高氮污泥厭氧消化的最佳控制條件研究的基礎(chǔ)，為實(shí)際工程處理污泥提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 污泥性質(zhì)

供試污泥取自青島恩利水產(chǎn)品加工廠。取回后進(jìn)行密封，并置于4 ℃環(huán)境中保存，實(shí)驗(yàn)用時預(yù)熱到反應(yīng)器設(shè)定溫度(35℃)。接種污泥取自青島污水處理廠的消化池，接種污泥取回后，于室溫下靜置24 h，除去上清液，取下層的活性污泥作為接種污泥。高氮污泥的理化指標(biāo)經(jīng)分析測定如表1所示。

表1 高氮污泥的主要性質(zhì)

1.2 反應(yīng)裝置

反應(yīng)器為有機(jī)玻璃單相厭氧消化反應(yīng)器，容積2.5 L，有效容積2 L。采用機(jī)械攪拌的方式，頂部中心有攪拌軸插入孔；反應(yīng)器外壁纏繞電熱線，溫控探頭監(jiān)測反應(yīng)器內(nèi)部溫度，溫控儀控制加熱線以維持中溫條件(35±1℃)；產(chǎn)氣量通過排水法測定。原料通過反應(yīng)器上方一次性加入，取樣口設(shè)在反應(yīng)器側(cè)壁底部。實(shí)驗(yàn)裝置示意見圖1。

1.厭氧消化罐 2.溫控加熱系統(tǒng) 3.攪拌器 4.取樣口5.碳酸氫鈉飽和溶液 6.NaOH溶液圖1 厭氧消化裝置示意

設(shè)定三組的含固率分別為7%、10%和13%，對應(yīng)1號、2號、3號反應(yīng)器。接種量設(shè)定20%，不調(diào)節(jié)C/N(為泥渣的原始C/N)，35℃條件下進(jìn)行厭氧消化；總消化時間為80 d。

1.3 監(jiān)測指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)中需要監(jiān)測的指標(biāo)包括產(chǎn)氣量(排水集氣法)、pH、氨氮(水楊酸分光光度法)、揮發(fā)性脂肪酸(VFA)(氣相色譜法)、揮發(fā)性固體含量(重量法)、總氮(凱氏定氮法)、總有機(jī)碳(水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法)。

2 結(jié)果與討論

2.1 含固率對揮發(fā)性脂肪酸VFA的影響

VFA是厭氧消化過程中的重要中間產(chǎn)物，通過對VFA濃度的監(jiān)測可以了解有機(jī)物質(zhì)的降解進(jìn)程[5]。圖2為三個反應(yīng)器消化過程中總揮發(fā)性脂肪酸、揮發(fā)性脂肪單酸和pH值的變化曲線。由圖2-1可以看出，TS 13%的1號反應(yīng)器反應(yīng)初期VFA濃度隨時間增加呈增長趨勢，在第9 d達(dá)到第一個高峰，濃度為3.9 mg/g。反應(yīng)的第51 d又出現(xiàn)一個小高峰，濃度為2.2 mg/g。圖2-2是TS 10%的2號反應(yīng)器中VFA濃度的變化曲線。該實(shí)驗(yàn)組在第17 d時VFA的濃度為2.8 mg/g，達(dá)到峰值。TS 7%的3號反應(yīng)器中VFA(圖2-3)在第32 d達(dá)到峰值，濃度為1.9 mg/g。這是因?yàn)槌跏茧A段水解發(fā)酵菌大量生長繁殖，污泥中可溶性易降解有機(jī)物被迅速降解，生成的底物被產(chǎn)酸菌利用產(chǎn)生脂肪酸。此時能夠消耗脂肪酸的產(chǎn)酸菌的活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水解發(fā)酵菌，因此三個反應(yīng)器中都會檢測到脂肪酸的積累。由于各組的TS不同，VFA達(dá)到峰值的時間和峰值大小各有不同，濃度最高的TS 13%組，積累的VFA濃度最高，且在最短時間內(nèi)出現(xiàn)峰值。TS越低的實(shí)驗(yàn)組，VFA峰值越小。三組反應(yīng)器消化過程中可檢測到的揮發(fā)性脂肪酸都是乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，其中乙酸占揮發(fā)性脂肪酸的比例最大。比較可知，2號、3號反應(yīng)器中的VFA變化較1號反應(yīng)器相對穩(wěn)定。

圖2-1 TS為13%時總VFA、VFA和pH值的變化曲線

圖2-2 TS為10%時總VFA、VFA和pH值的變化曲線

圖2-3 TS為7%時總VFA、VFA和pH值的變化曲線

2.2 含固率對pH值與氨氮濃度的影響

實(shí)驗(yàn)中各組的pH值和氨氮濃度的變化曲線見圖3，三個反應(yīng)器的初始pH值都在8.1以上，啟動階段沒有出現(xiàn)明顯的pH值降低現(xiàn)象，認(rèn)為水解產(chǎn)酸階段揮發(fā)性脂肪酸沒有大量積累，沒有產(chǎn)生酸抑制的現(xiàn)象。TS越高的污泥中，氨氮濃度越高。三個反應(yīng)器內(nèi)初始氨氮濃度都很高，分別為5 761、5 695、3 434 mg/L。三組的氨氮濃度在前40 d沒有很明顯的變化，后半階段穩(wěn)定降低。2、3號反應(yīng)器中的氨氮值最終降解到較小范圍，分別為106 mg/L和78 mg/L，1號反應(yīng)器內(nèi)最終的氨氮濃度較高，為435 mg/L，氨氮濃度顯著下降，分析原因可能是由于實(shí)驗(yàn)用污泥中含氮太高，因此體系中很大一部分游離氨揮發(fā)，致使測得的氨氮濃度下降。

比較氨氮濃度和pH值的變化可以看出，高含固率高氮污泥的水解酸化階段不同于其他研究中體現(xiàn)出的污泥水解酸化規(guī)律，可能是由于該污泥中氮含量和起始pH值過高，足以中和水解階段產(chǎn)生的大量脂肪酸。整個消化過程中，氨氮濃度顯著高于Appels[9]研究的氨氮抑制閾值，但是并沒有對產(chǎn)氣量造成影響，表明經(jīng)過馴化后的產(chǎn)甲烷菌不受高氨氮濃度的影響。

圖3 pH和氨氮濃度的變化曲線

2.3 含固率對產(chǎn)氣的影響

3組含固率不同的污泥在厭氧消化反應(yīng)過程中的日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量變化如圖4所示。由圖4-1可知，三組反應(yīng)器在物料投加后的第3、4天都出現(xiàn)不等量的產(chǎn)氣。1號反應(yīng)器內(nèi)的產(chǎn)甲烷菌于第12 d開始出現(xiàn)并逐漸適應(yīng)環(huán)境，系統(tǒng)再次產(chǎn)氣，26 d時達(dá)到產(chǎn)氣高峰，最高日產(chǎn)氣量達(dá)到1 789 ml。在第26 d到第53 d，產(chǎn)氣量先緩慢降低，后逐漸上升，53 d時達(dá)到第二個產(chǎn)氣高峰1 386 ml/d，然后緩慢降低至反應(yīng)結(jié)束。2號反應(yīng)器在第9 d開始再次產(chǎn)氣， 22 d時達(dá)到產(chǎn)氣高峰1 783 ml/d，反應(yīng)進(jìn)行到第52 d時再次出現(xiàn)一個產(chǎn)氣小高峰，之后呈穩(wěn)定下降的趨勢。3號反應(yīng)器于第8 d開始再次產(chǎn)氣，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第29 d，為1 188 ml/d，持續(xù)該產(chǎn)氣水平約10 d左右，開始逐漸下降。之所以出現(xiàn)兩個峰值，是因?yàn)閰捬跸磻?yīng)的前半階段分解可溶性易降解有機(jī)物，而在易降解有機(jī)物消耗殆盡以后，微生物開始分解難降解有機(jī)物，該時期內(nèi)易溶性有機(jī)物的濃度升高，產(chǎn)氣量也相應(yīng)增大，并達(dá)到一個小的峰值。由于該實(shí)驗(yàn)的接種量較大，所以啟動時間不長，即啟動階段的日產(chǎn)氣速率增長較快。由于3號反應(yīng)器在啟動初期反應(yīng)器出現(xiàn)故障，因此延遲了一周時間，將該時間排除在外可以得到：TS越高的反應(yīng)組，出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰越晚，但由于污泥濃度較高，因此日產(chǎn)氣量大。對比可知，2號反應(yīng)器較1號和3號啟動時間短，穩(wěn)定性高，產(chǎn)氣量大。

圖4-1 污泥的日產(chǎn)氣量變化

圖4-2為累積產(chǎn)氣量的變化曲線?？傮w來看3組不同TS條件下厭氧消化的累積產(chǎn)氣量都呈先慢后快又慢的增長趨勢，但是1號反應(yīng)器的產(chǎn)氣量在整個厭氧消化過程中增長速度始終較慢。2號反應(yīng)器的累積產(chǎn)氣量最多，其次是1號，3號的產(chǎn)氣量最少。

圖4-2 污泥的總產(chǎn)氣量變化

計算所得的平均日產(chǎn)氣量、單位VS產(chǎn)氣率和單位體積污泥的產(chǎn)氣量見表2。2號的單位VS產(chǎn)氣量572 ml高于美國污水處理廠設(shè)計手冊中確定該指標(biāo)的最低限0.5 L/g[10]。2號的產(chǎn)氣能力較1、3號強(qiáng)。

表2 平均日產(chǎn)氣量、單位VS產(chǎn)氣率和單位污泥產(chǎn)氣量

2.4 污泥的消化效率

3種條件下厭氧消化后污泥性質(zhì)見表3?？梢娢勰嘧罱K的VS濃度、TN含量、TOC含量和氨氮的濃度與污泥的初始濃度有關(guān)，初始濃度越高的污泥，消化后的各項(xiàng)指標(biāo)相應(yīng)較高。從表3可以看出，各組的VS都得到有效降解，TS越低的反應(yīng)組，VS的降解效率越高。

表3 污泥厭氧消化后的主要泥質(zhì)參數(shù)

3 結(jié)論

(1) 高含固率、高氮的水產(chǎn)品加工廠污泥在TS為10%的條件下，厭氧消化過程中pH值、氨氮濃度、VFA等各指標(biāo)比TS為7%、13%條件時更為穩(wěn)定，產(chǎn)氣率較高，降解效率相對較好。

(2) 不同TS的污泥厭氧消化反應(yīng)中，VFA達(dá)到峰值的時間和峰值大小各有不同，含固率越高，積累的VFA濃度最高，且達(dá)到峰值所用時間最短。高氮污泥厭氧消化過程中可檢測到的揮發(fā)性脂肪酸都是乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，乙酸所占比例最大。

(3) 污泥初始pH值和氨氮濃度較高，厭氧消化的水解產(chǎn)酸過程不會造成大量VFA的積累。由于其自身的高pH值足夠中和水解產(chǎn)酸，不會發(fā)生酸抑制現(xiàn)象。

(4) TS越高的反應(yīng)組，出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰越晚，日產(chǎn)氣量越大。不同TS條件下厭氧消化的累積產(chǎn)氣量都呈先慢后快又慢的增長趨勢，TS為10%的實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)氣最穩(wěn)定，且累積產(chǎn)氣量最大。

(5) 在接種量20%的條件下，高含固率高氮污泥可以在15 d內(nèi)順利啟動，并能有效地降低氨氮和總氮濃度，分解有機(jī)物，降低揮發(fā)性固體含量。

(6) 小試規(guī)模的污泥處理，因污泥混合均勻性存在局限而不具有典型代表性。應(yīng)該考慮在小試基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行中試試驗(yàn)。

(7) 本研究所得到的厭氧消化周期不是有機(jī)質(zhì)消化徹底所需的時間，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時污泥中仍含有有機(jī)質(zhì)，只是由于反應(yīng)器規(guī)模和產(chǎn)氣量的局限，檢測不到氣體。

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