城市生活垃圾和污水处理厂剩余污泥混合发酵的原料配比优化研究 5页

刘建伟等城市生活垃圾和污水处理厂剩余污泥混合发酵的原料配比优化研究城市生活垃圾和污水处理厂剩余污泥混合发酵的原料配比优化研究*刘建伟夏雪峰周晓(北京建筑大学环境与能源工程学院，北京市可持续城市排水系统构建与风险控制工程技术研究中心，北京应对气候变化研究和人才培养基地，北京100044)摘要以城市生活垃圾和污水处理厂的剩余污泥为混合原料，研究了混合原料的不同配比对厌氧发酵过程及产气的影响。结果表明：城市生活垃圾与剩余污泥以挥发性固体(VS)质量比为2t1混合后，厌氧发酵效果最好，累计产气量最高，达到8721mL，发酵后的总固体(TS)、VS、COD去除率分别达43．65％、35．98、47．88；各实验组在发酵过程中的pH、氨氮浓度和碱度均在合理范围内，未对厌氧发酵反应造成影响；以适当配比的城市生活垃圾和剩余污泥为混合原料，进行中温联合厌氧发酵是可行的，联合厌氧发酵可以弥补单一原料的缺陷，在一定程度上改善厌氧发酵效果。关键词城市生活垃圾剩余污泥厌氧发酵D0I：10．15985／j．cnki．1001-3865．2O15．07．001Optimization伽proportionofmunicipalsolidwasteandsewagetreatmentplantsludgeformixedanaerobicfermentationLIUJianwei，XIAXuefeng，ZHOUXiao．(BeijingClimateChangeResponseResearchandEducationCenter，ResearchCenterofBeijingSustainableUrbanDrainageSystemConstructionandRiskControlEngineeringTechnology，Col—legeofEnvironmentalandEnergyEngineering，BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture，Bei—jing10OO44)Abstract：Municipalsolidwasteandsewagetreatmentplantsludgewerechosenasrawmaterials，andtheinflu—encesofdifferentratiosofmixedmaterialstomixedanaerobicfermentationaswellasbiogasproductionefficiencywerestudied．Resultsshowedthatanaerobicfermentationefficiencyofmixedmaterialswasthebestwhenthevolatilesolid(VS)ratioofmunicipalsolidwasteandsewagetreatmentplantsludgewas2：1，whilecumulativebiogaspro—ductionwasthehighestanduppedtO8721mL．Afterfermentation，thetotalsolid(TS)，VSandCODremovalrateswere43．65，35．98，and47．88．pH，ammonianitrogenconcentrationandalkalinityofeachgroupintheprocessoffermentationwerewithinareasonablerange，andtheanaerobicfermentationreactionwerenotaffected．Mixedanaero—bicfermentationwithanappropriateratioofmunicipalsolidwasteandsewagetreatmentplantsludgeinnormaltem—peraturewerefeasible，itcouldovercomethedefectofsinglerawmaterialandimprovedtheeffectofanaerobicfer—mentationinsomeextent．Keywords：munieipalsolidwaste；sewagetreatmentplantsludge；anaerobicfermentation近年来，我国以生物处理为核心工艺的污水处成为当前亟需解决的一大难题。理厂迅速发展。在污水处理厂正常运行过程中会产目前，厌氧发酵工艺已广泛应用于国内外城市生大量易腐烂、有强烈臭味的剩余污泥，其中含有寄生活垃圾和剩余污泥的处理，它具有减容、稳定化的生虫卵、病原微生物、重金属及难降解有毒有害物特点。城市生活垃圾中C／N较高，且成分单一，含质，如不加以妥善处理任意排放，将会造成二次污有较多难降解有机物，而剩余污泥中N、P、K等营养染。同时，与日俱增的城市生活垃圾的治理难度也元素较丰富，含有大量有机质和厌氧发酵细菌，但逐渐加大。城市生活垃圾是一个长期存在的污染C／N较低。有研究表明，采用城市生活垃圾和剩余源，如果不加处理或处理不当，不仅会对土壤、水体污泥进行联合厌氧发酵，具有很好的发酵特性，能够及大气造成污染，而且会危害人体健康[1]。因此，城提高厌氧发酵效率[2]，且可实现城市生活垃圾和剩市生活垃圾和剩余污泥的有效、安全处理与处置已余污泥的联合治理。第一作者：刘建伟，男，1979年生，博士，副教授，研究方向为固体废弃物资源化处理。*国家科技支撑计划项目(No．2012BAC25B03)；住房与城乡建设部科学技术项目(No．2011一K6—5)；北京市属高等学校青年拔尖人才培育计划项目(No．CIT＆TCD2014O4O77)。·1·\n环境污染与防治第37卷第7期2015年7月本研究以城市生活垃圾和剩余污泥为对象，分1．3实验方法别设置了一系列不同挥发性固体(VS)配比的混合本实验采用分批发酵法，在血清瓶中加入城市原料进行厌氧发酵。研究了不同配比下，混合原料生活垃圾、剩余污泥和接种污泥，以不同VS配比的厌氧发酵过程中的COD、总固体(TS)和VS的去除5组(分别记为R1、R2、R3、R4、R5)城市生活垃圾和情况及系统内pH、氨氮和碱度的变化规律，并比较剩余污泥混合原料为厌氧发酵底物，以混合原料与了不同配比下混合原料日产气与累计产气特性，以接种污泥的VS质量比为1：1加入接种污泥，而后期为采用城市生活垃圾和剩余污泥联合厌氧发酵的加入蒸馏水定容至1．0L，并向血清瓶中通入5min工程化应用提供理论依据。氮气来保证瓶内处于厌氧状态。实验周期为40d，每天记录产气量，每隔4d取发酵液样品，对不同配1材料与方法比的混合原料厌氧发酵过程中COD、TS和VS的去1．1实验材料除情况、产气情况以及系统pH、氨氮和碱度的变化本实验采用的城市生活垃圾取自北京市海淀区进行分析。各实验组的进料说明见表2。某城市生活垃圾中转站，原生垃圾经过手工分选得1．4分析方法到其中的有机组分，再通过粉碎机将其充分粉碎，并TS、VS均采用称重法测定；pH采用雷磁加水使用胶体磨多次研磨。剩余污泥取自北京市某pHSJ一4A型pH计测定；氨氮采用滴定法测定；产气城市污水处理厂，经过脱水。接种污泥取自北京市量采用排气法测定；碱度采用滴定法测定；COD采某城市污水处理厂，为经过3个月的中温(35℃)厌用比色法测定。氧发酵驯化而得的污泥。它们的主要参数见表1。2结果与分析剩余污泥和城市生活垃圾发酵原料每2周制备1次，置于4℃冰箱中保存，待用。2．1不同配比混合原料厌氧发酵过程中的TS、VS表1城市生活垃圾、剩余污泥和接种污泥的主要参数”去除情况Table1Characteristicsofmunicipalsolidwaste。sewagetreatmentplantsludgeandinoculatedsludge从图1可以看出，5个实验组在发酵过程中的TS平均去除率依次为38．67、43．659／6、4O．21、29．33、24．6O，VS平均去除率依次为31．72、35．98、33．O4、25．43、18．77，各组TS和VS的去除率均为R2>R3>R1>R4>R5。不同VS配比的混合原料在发酵过程中的水解速率存在差异，这是因为剩余污泥中含有一定量难降解的胞外聚合物(EPS)，限制其水解过程，而城市生活垃圾的添注：”TS、VS、总硪、总氦均以质量分数计；碱度以CaCO3计；C／N为质量比。加，能够提高混合原料的水解速率，从而提高系统的1．2实验装置TS、VS去除率。本实验所用的厌氧发酵装置为1L的血清瓶，即无论是TS去除率还是VS去除率，均是R2气体的收集和计量采用与血清瓶相连的容积为1L组最高，说明在城市生活垃圾中添加一定量的剩余的广口瓶。将连接并密封好的血清瓶置于恒温水浴污泥，可以促进城市生活垃圾的厌氧发酵进程。究箱中，温度控制在(35±1)℃。每天摇晃搅拌2次其原因，可能是由于城市生活垃圾的C／N相对较(08：00、18：00各一次)，每次3min。高、成分较单一，且有机组分中包括一定量的纤维素、表2各实验组的进料说明Table2Thefeedstockinstructionsofeachexperimentalgroup实验组城市生活垃圾／g剩余污、泥／g接种污．泥／g折算的进料Vs总质量／gR1R2R3R4R5·2‘\n刘建伟等城市生活垃圾和污水处理厂剩余污泥混合发酵的原料配比优化研究发酵过程中的产气情况均呈现出一定波动性，日产96，脚∞，sL气量均总体呈前期较高、后期下降，并最终趋于稳定蚰柏蚰∞mO的变化趋势。吕皿唧缸R1R2R3R4实验组UIOl20∞30j40图1不同买验组发酵过程中的TS和VS去除率发酵时间，dFig．1RemovalofTSandVSofdifferentexperimental图3不同实验组发酵过程中的日产气量groupsintheprocessoffermentationFig．3Dailybiogasproductionofdifferentexperimental半纤维素和木质素等难降解有机物，而剩余污泥中含groupsintheprocessoffermentation有的大量有机质和N、P、K等营养元素，以及多种厌添加有城市生活垃圾的R1、R2、R3、R4组，发氧发酵微生物，能够改善城市生活垃圾的发酵性能。酵过程中均有多个产气高峰，而对于纯剩余污泥发2．2不同配比混合原料厌氧发酵过程中的COD变化酵的R5组，仅在第5天出现一个小的产气高峰由图2可知，发酵过程中，不同Vs配比的5个(426mL)，此后一直小幅下降，到第16天后日产气实验组的COD均呈下降趋势，其中降解程度最大量已下降至100mL以下。纯城市生活垃圾发酵的的是R2组，CO瑚D从初始伽的猢3抛86740mg／L降低至最R1组，前4天的El产气量均较高，且在第2、15、26终的20157mg／L，去除率达47．88，降解程度最天出现3个产气高峰，日产气量分别达595、478、小的是R5组，去除率仅为17．O0Vo；降解速率最高486mL，在26d后，日产气量呈逐渐下降趋势。对的是R2组，其次是R3组。于城市生活垃圾添加量较高的R2组，出现产气高峰的时间较R1组有所缩短，分别在第2、12、20天出现3个产气高峰，日产气量分别为565、501、623-、mL，20d后日产气量则一直缓慢下降，直至厌氧发_酵终止，这与赵云飞等[5在研究餐厨垃圾与污泥联曼0合厌氧发酵时的结果相似。可见，以一定配比的混U合原料进行联合厌氧发酵，可以缩短系统启动时间，提高系统的日产气量。剩余污泥添加量稍高的R3发酵时f司，d组分别在第3、10天有2个产气高峰，日产气量分别图2不同实验组发酵过程中的COD变化曲线为556、520mL，剩余污泥添加量最高的R4组分别Fig．2RemovalofCODofdifferentexperimentalgroupsintheprocessoffermentation在第2、9天有2个小的产气高峰，日产气量分别为不同VS配比的混合原料在厌氧发酵过程中的319、459mL，之后日产气量均一直缓慢下降，直至COD变化情况不同，可能是源于其生物降解难易程厌氧发酵终止。度存在差异。剩余污泥中C／N相对较低，营养不均不同VS配比的混合原料厌氧发酵的累计产气衡，且含有一定量难降解的EPS，使得单一原料进量如图4所示。由图4可见，累计产气量最高的为行厌氧发酵时COD的降解程度和降解速率均相对R2组，达到8721mL，其次是R3组，累计产气量为较低]，剩余污泥和城市生活垃圾混合后，可以改善7832mL，单位VS产气量为313．28mL／g，累计产单一原料系统内C／N不合理、组分单一的状况。因气量最低的是纯剩余污泥发酵的R5组，累计产气而，将两者以一定配比混合后，在混合原料和微生物量仅为3907rnL，单位VS产气量为156．28mL／g，降解的协同作用下，发酵过程中的COD降解程度而纯城市生活垃圾发酵的R1组的累计产气量为和降解速率均有一定程度提升。7680rnL，单位VS产气量为307．20mL／g。可见，2．3不同配比混合原料厌氧发酵过程中的产气状况将城市生活垃圾和剩余污泥以适宜的VS配比进行由图3可见，不同VS配比的混合原料在厌氧混合，有利于厌氧发酵累计产气量的提高。·3‘\n环境污染与防治第37卷第7期2015年7月08642咖皿删咖咖0+L雹j{5R1R2R3R4R5发酵时间／d实验组图5不同实验组发酵过程的pH变化Fig．5ThepHchangecurvesofdifferentexperimental图4不同实验组发酵过程的累计产气量groupsintheprocessoffermentationFig．4Cumulativebiogasproductionofdifferentexperimentalgroupsintheprocessoffermentation产甲烷菌对生长环境的pH极为敏感，当pH由图3和图4可知，不同VS配比的混合原料在6．8～7．5时，不会对产甲烷菌的活性产生影响。在厌氧发酵过程中的日产气量和累计产气量均存在本研究中，仅有R1、R2组的pH在短时间内不在此差异，其中以R2组的效果最好。一方面，剩余污泥范围内，R3、R4、R5组发酵过程中的pH基本变化中含有大量的EPS，其水解过程成为产气的限制因在6．8～7．5。然而，R3、R4、R5组的累计产气量相素，而混合原料中营养元素比例更为均衡，城市生活对较低(见图4)，主要原因可能是混合原料中剩余垃圾中易被微生物降解的有机质在水解过程产生有污泥含量较高，而城市生活垃圾水解产生的有机酸机酸导致发酵液pH降低，从而可促进剩余污泥中不足以促进剩余污泥中EPS的降解，故即使系统内EPS的降解；另一方面，剩余污泥有很好的缓冲能pH维持在适宜范围内，也并不利于产气。可见，只力，使得系统的pH维持在适宜范围内，因此将两者有当混合原料中城市生活垃圾和剩余污泥以适当比混合后，协同促进，可提高厌氧发酵效率[6]。例混合时，才能在提高厌氧发酵体系pH缓冲能力的同时，有利于产气。2．4不同配比混合原料厌氧发酵过程中的pH变化2．5不同配比混合原料厌氧发酵过程中的氨氮变化由图5可以看出，不同实验组在厌氧发酵过程由图6可见，各实验组在厌氧发酵过程中的氨中的pH均有不同程度的波动变化。纯城市生活垃氮浓度均呈先升高后降低的变化趋势，对于纯剩余圾发酵的R1组和城市生活垃圾添加量较高的R2污泥发酵的R5组，由于自身氮含量较高，氨氮质量组的pH均呈先下降后缓慢上升的变化趋势，分别浓度最高达到1217．9mg／L，对于纯城市生活垃圾在第8、12天达到最低值(分别为5．68、5．92)。此发酵的R1组，氨氮质量浓度最高为1188．9mg／L，外，混合原料中剩余污泥的添加比例越高，则系统的而混合发酵的R2、R3、R4组的最高氨氮质量浓度pH变化幅度基本越平缓，这是因为城市生活垃圾分别为1206．7、1160．1、1146．0mg／L，即各实验组中的有机物比剩余污泥中的有机物更易生物降解，氨氮浓度最高值为R5>R2>R1>R3>R4。可见，在厌氧发酵初期就会水解酸化生成大量挥发性脂肪向剩余污泥中添加城市生活垃圾可以降低发酵过程酸(VFAs)，而此时厌氧发酵体系中产甲烷菌的数中的氨氮浓度。量有限，水解产生的VFAs不能被产甲烷菌充分利用，造成积累，导致系统pH下降。因此，混合原料中城市生活垃圾的添加比例越高，降解速率越快，短期内VFAs的积累量越多，系统pH降幅也相对越大。可见，剩余污泥对城市生活垃圾中有机物水解导致的pH急剧下降情况有一定的缓解作用，将两者混合进行厌氧发酵有助于发酵过程的稳定。在厌氧发酵的中后期，各实验组的pH均回升并很快稳发酵时间／d定，基本维持在6．9～7．4，这是因为随着厌氧发酵的图6不同实验组发酵过程的氨氮质量浓度变化Fig．6Thechangecurvesofammonianitrogen进行，产生的VFAs被产甲烷菌消耗和利用，因此concentrationsofdifferentexperimentalgroupspH缓慢上升]。intheprocessoffermentation·d‘\n刘建伟等城市生活垃圾和污水处理厂剩余污泥混合发酵的原料配比优化研究过高的氨氮浓度可能会对厌氧发酵产甲烷化过混合后，厌氧发酵效果最好，累计产气量最高，达到程产生抑制。蒋建国等[9]的研究表明，氨氮质量浓8721mL，发酵后的TS去除率达43．65，VS去除度超过2000mg／L时，就会产生这种抑制作用。还率达35．98，COD去除率达47．88。有相关研究者发现，氨氮质量浓度在1670～3720(2)本研究各实验组在发酵过程中的pH、氨氮mg／L时产甲烷细菌的活性会降低1O。而本研究浓度和碱度均在合理范围内，未对厌氧发酵反应造中，所有实验组在发酵过程中的氨氮质量浓度均低成影响。于1300mg／L，处于合理的范围内。(3)以适当配比的城市生活垃圾和剩余污泥为2．6不同配比混合原料厌氧发酵过程中的碱度变化原料，进行中温联合厌氧发酵是可行的，联合厌氧发由图7可见，各实验组在厌氧发酵过程中碱度酵可以弥补单一原料厌氧发酵的缺陷，在一定程度均呈现一定的波动，整体呈小幅升高趋势。在厌氧上改善厌氧发酵效果。发酵初期，各实验组的碱度均有一定程度的增加，特参考文献：别是R1、R2组增加速率最大，到第2O天以后基本保持稳定。这可能是因为在反应初期，VFAs积累[1]韩文彪，徐霞．TS对城市有机垃圾和剩余污泥联合厌氧消化的导致pH下降，抑制了产甲烷菌的活性，使得产气中影响[J]．可再生能源，2014，32(9)：1418—1422．[2]WANGG，GAVALAHN，SKIADASIV，eta1．WetexplosionC0。含量较高，Co溶于发酵液形成碳酸盐、重碳酸ofwheatstrawandCO—digestionwithswinemanure：effecton盐和碳酸氢盐，而使得系统碱度增加[】。随后，由themethaneproductivity[J]．WasteManagement，2009，29(1)：于厌氧发酵液中可溶解的CO将近饱和，同时厌氧2830—2835．发酵原料的水解酸化作用已很微弱，系统碱度增加[3]常国璋，席新明，郭康权，等．不同原料配比对餐厨废弃物高温缓慢。在厌氧发酵的第4O天，5个实验组的碱度分厌氧发酵的影响[J]．西北农林科技大学学报，2012，40(1)：别增加至3997．5、4232．0、3956．8、3657．8、3325．5123—128．mg／L。其中，R2组的增加幅度最大，这可能由于混[4]刘战广，朱洪光，王彪，等．粪草比对干式厌氧发酵产沼气效果的影响[J]．农业工程学报，2009，25(4)：130-134．合原料中城市生活垃圾的比例相对较高，其中的有[5]赵云飞，刘晓玲，李十中，等．餐厨垃圾与污泥高固体联合厌氧机物易大量水解溶出，产生大量CO，从而增加了产沼气的特性[J]．农业工程学报，2011，27(10)：255—259．系统碱度。[6]王永会，赵明星，阮文权．餐厨垃圾与剩余污泥混合消化产沼气协同效应[刀．环境工程学报，2014，8(6)：2536—2542．[7]SUNYifei，WANGDian，QIAOWei，eta1．Anaerobicco-diges—tionofmunicipalbiomasswastesandwasteactivatedsludge：dynamicmodelandmaterialbalances[J']．JournalofEnviron—曼mentalSciences，2013，25(10)：2112—2122．{香f[8]TAHIRIS，ALBIzANEA，MESSOUDIA，eta1．Thermalbe—haviourofchromeshavingsandofsludgesrecoveredafterdi—gestionoftannedsolidwasteswithcalciumhydroxide[J]．发酵时I司，dWasteManagement，2007，27(1)：89—95．图7不同实验组发酵过程的碱度变化Fig．7Thealkalinitychangecurvesofdifferent[9]蒋建国，王岩，隋继超，等．厨余垃圾高固体厌氧消化处理中氨experimentalgroupsintheprocessoffermentation氮浓度变化及其影响口]．中国环境科学，2007，27(6)：721—726．已有研究表明，在厌氧发酵的产甲烷阶段，当反[1O]ZHANGZaili，ZHANGLing，ZHOUYaliang，eta1．Pilot-scaleoperationofenhancedanaerobicdigestionofnutrientde—应器中没有足够的碱度中和VFAs，未分解的ficientmunicipalsludgebyultrasonicpretreatmentandCO。di·VFAs将会积累，使得系统pH下降，从而抑制产甲gestionofkitchengarbage[J]．JournalofEnvironmental烷菌的生长，严重的甚至可能导致整个厌氧发酵过ChemicalEngineering，2013，1(1／2)：73—78．程失败_】¨。通常，系统理想的碱度在2000～5000[11]MATAALVAREZJ，DOSTAJ，MACES，eta1．Codigestionmg／L，本研究在稳定运行时，各实验组的碱度均在ofsolidwastes：areviewofitsusesandperspectivesincluding此范围内，保证了厌氧发酵反应的正常进行。modeling[J]．CriticalReviewsinBiotechnology，2011，31(2)：99一】1】．3结论(1)城市生活垃圾与剩余污泥VS之比为2：1编辑：卜岩枫(收稿日期：2015—01—17)·5·