污泥与餐厨废弃物协同厌氧消化处理技术

　　随着我国国民经济的快速发展以及人民生活水平的提高，城市固体垃圾逐年增加，其中餐厨废弃物与市政污泥是主要组成部分，已成为困扰经济发展和环境治理的重大问题。由于餐厨废弃物和市政污泥自身的特性，其单一厌氧消化过程难以实现系统的高效稳定运行，因此二者协同厌氧消化处理成为了研究热点，其中，物料比是影响协同厌氧消化效果的重要因素，是协同处理工艺的重要研究方向。笔者依托市政污泥与餐厨废弃物协同厌氧消化处理实际工程项目，研究了物料比对协同厌氧消化系统的稳定性、产气率、物料降解率以及终端生物碳土资源化等的影响，旨在为实际生产运行提供技术参考。

　　1、材料与方法

　　1.1 试验材料

　　试验用污泥为镇江市某污水处理厂的剩余污泥，PH值为7.15，SCOD为6800mg/L，总固体(TS)含量为I7.8%，其中挥发性固体(VS)占比为47.06%，餐厨废弃物来自镇江市主城区的学校、企业和大中型饭店，pH值为4.17，TS含量为14.7%，其中VS占比为90.40%。

　　1.2 试验装置与方法

　　试验采用全混式厌氧反应器(CSTR)，厌氧消化罐由2台穿壁搅拌器和1台循环栗组成。厌氧消化罐的有效容积为2800m3，温度维持在(38±1)℃，揽拌方式为搅拌30min、停止60min。

　　考虑到厌氧消化罐的设计负荷，试验中不同物料配比的最大进料负荷设为3.00kgVS/(m3•d)。按照污泥与餐厨废弃物的比例(S/K，以TS计)设计5组不同物料配比的厌氧消化试验，污泥与餐厨废弃物的进料量如表1所示，每组试验的停留时间保持在45d以上。

　　1.3 检测项目与方法

　　厌氧消化罐中消化液的检测指标包括：pH值、挥发性脂肪酸(VFA)、碱度(ALK)、TN、NH3-N、TP、TS、VS、COD及沼气量等。其中，PH值采用电极法测定，VFA、ALK采用滴定法测定，TN采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定，NH3-N采用纳氏试剂分光光度法测定，TP采用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法测定，TS、VS采用重量法测定，COD采用重铬酸钾法测定，沼气量及其组分采用在线仪表测定。

　　2、结果与讨论

　　2.1 物料比对厌氧消化系统稳定性的影响

　　厌氧消化过程中pH值、VFA、ALK以及酸碱比(VFA/ALK)的变化能够真实反映系统的稳定性，其中VFA/ALK值可以表征中间产物的积累以及微生物生存环境情况，是评价厌氧系统稳定性的重要指标。一般认为pH值维持在6.5~8.2、VFA<3000mg/L且VFA/ALK值为0.1~0.3时，厌氧消化系统处于稳定状态。在本研究中，不同物料比下厌氧消化系统内pH值、VFA、ALK以及VFA/ALK值的变化如表2所示。可知，在不同物料比下，pH值均保持在稳定的范围内，VFA/ALK值保持在0.10~0.12，VFA维持在1093~1529mg/L，ALK维持在10321~13688mg/L，由此表明，污泥与餐厨废弃物协同厌氧消化克服了两者的缺点(污泥厌氧消化时，可生化降解性差，碱度较高，餐厨废弃物厌氧消化时，可生化降解性强，碱度较低，缓冲能力差，提高了可生化降解性，并使碱度保持在正常范围，提高了系统的稳定性。

　　随着餐厨废弃物比例的增加，厌氧消化液的TS含量呈下降趋势，纯污泥时厌氧消化液的TS含量为80631mg/L，而纯餐厨废弃物时仅为56069mg/L，餐厨废弃物中有机物含量高，更容易被降解。

　　此外，厌氧消化液中的NH，-N浓度也是反映厌氧消化系统稳定性的重要指标，有研究表明，当NH，-N在50~200mg/L范围内时有利于消化反应的稳定运行，当NH3-N>1500mg/L时会抑制消化过程。在本研究中，当S/K值为1：0、2：1、I：1、1：2、0：1时，NH3-N浓度分别为1064、1125、1567、1811、1625mg/L，厌氧消化系统保持在稳定状态。与实验室的小型厌氧反应器相比，实际工程中的厌氧反应器容积较大，具有更大的缓冲能力，产甲烷菌能够适应较高负荷的NH3-N。

　　2.2 物料比对厌氧消化系统降解率的影响

　　VS降解率可以直观反映厌氧消化罐中有机物的降解情况。在本研究中，当物料比S/K值为1：0、2：1、1：1、1：2、0：1时，VS降解率分别为32.4%、50.6%、64.1%、79.4%、86.5%。由于市政污泥中有机物含量较低，纯污泥厌氧消化时VS降解率较低，随着餐厨废弃物添加比例的增加，VS降解率呈现增加趋势，纯餐厨废弃物厌氧消化时VS降解率达到86.5%，显著高于其他文献报道的结果(67.2%、40.4%)，当S/K=1：2时，VS降解率达到79.4%，也显著高于其他小试研究结果。污泥中胞外聚合物(EPS)占总有机质的50%~90%，其水解过程直接影响污泥的降解速率与程度，随着餐厨废弃物的加人，物料中易水解酸化的组分比例增加，促进了甲烷菌的增殖，同时也促进了EPS的降解，提高了系统的物料降解率。

　　2.3 物料比对厌氧消化系统产气率的影响

　　物料的VS添加产气率是评价厌氧消化效率的重要指标，本研究将产气量和VS添加产气率作为评价不同物料比下厌氧系统运行效果的指标。当物料比S/K值为1：0、2：1、1：1、丨：2、0：1时，VS添加产气率分别为0.31、0.42、0.48、0.56、0.59m3/(kgVS•d)，可知，纯污泥时VS添加产气率较低，添加餐厨废弃物后VS添加产气率显著上升，当S/K值为1：2时，VS添加产气率较纯污泥时提高了80.6%。另外，产气量亦随着物料中餐厨废弃物比例的增加而增加(见图1)。污泥与餐厨废弃物协同厌氧消化促进了营养物质比例平衡，提高了物料的降解率和产气率，进而提高了厌氧消化效率。

　　2.4 物料比对厌氧消化系统沼气组成的影响

　　沼气成分主要包括CH4、CO2、H2S，不同物料比对厌氧消化系统沼气组成的影响如图2所示。纯污泥时，沼气中CH4含量最高，达到64.1%，添加餐厨废弃物后，CH4含量呈降低的趋势，但各添加比例之间无明显变化规律。物料比对CO2含量的影响不大且无明显规律。随着餐厨废弃物添加比例的增加，H2S产量呈增加趋势，特别是纯餐厨废弃物时，H2S产量显著高于其他物料比，平均值达到了418.9mg/m3，而物料中有污泥时H2S产量均在100mg/m3以下，这表明污泥与餐厨废弃物协同厌氧消化有助于减少H2S的产生。主要原因为：①污泥中的Fe3+对厌氧消化过程中H2S的产生和释放有较好的抑制作用，②污泥中蛋白质含量较高，降解蛋白质产生的沼气中甲烷含量比降解其他有机质要高。因此，污泥与餐厨废弃物协同处理工程项目中沼气脱硫设计仅考虑干式脱硫法(氧化铁脱硫法)就可以达到降低沼气中H2S含量的目的。

　　2.5 物料比对后端资源化的影响

　　污泥与餐厨废弃物厌氧消化工程终端的沼渣经过“高干脱水+太阳能干化”处理后含水率降至50%以下，成为生物碳土，其主要用于园林绿化、土地改良等。生物碳土中的盐分以及重金属含量对其资源化利用起着至关重要的作用。不同物料比下生物碳土中的重金属含量如表3所示。可以看出，各物料比下生物碳土中的重金属含量均符合《农用污泥污染物控制标准》(GB4284―2018)中A级污泥的要求，随着物料中餐厨废弃物比例的增加，各重金属含量均呈显著下降趋势;当污泥与餐厨废弃物的比例为1：2时，重金属含量显著低于纯污泥时的，为资源化利用奠定了良好的基础。另外，生物碳土中的盐分采用全盐量表征，当物料比S/K值为1：0、2：1、1：1、1：2时，生物碳土中的全盐量分别为2553、3980、4583、4670mg/L，当S/K值为1：2与1：1时全盐量无显著差异。

　　3、结论

　　①市政污泥与餐厨废弃物协同厌氧消化系统具有良好的缓冲能力，不同物料比下厌氧消化液的VFA/ALK值保持在0.10~0.12，VFA维持在1093~1529mg/L，碱度维持在10321~13688mg/L，厌氧消化系统处于稳定状态。

　　②污泥与餐厨废弃物协同处理促进了厌氧消化系统的产气能力，随着餐厨废弃物比例的增加，VS降解率和VS添加产气率均呈现增加趋势，当污泥与餐厨废弃物的配比为1：2时，协同厌氧消化效果最好，VS降解率达到79.4%，VS添加产气率为0.56m3/(kgVS•d)，甲烷含量达到61.4%，H2S产量为77.4mg/m3。

　　③纯污泥时，沼气中的CH4比例最高，H2S产量最低，纯餐厨废弃物时，H2S产量最高，添加污泥后，H2S产量迅速下降，餐厨废弃物与污泥协同处理有利于减少沼气中H2S的含量。

　　④随着物料中餐厨废弃物比例的增加，生物碳土中的重金属含量呈现显著下降趋势，全盐量则呈升高趋势;当污泥与餐厨废弃物的比例为1：2时，生物碳土中的重金属含量显著低于纯污泥时的，全盐量则与比例为1：1时无显著差异。(来源：镇江市水业总公司，江苏泓润生物质能科技有限公司)