隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人民生活水平的提高，城市固體垃圾逐年增加，其中餐廚廢棄物與市政污泥是主要組成部分，已成為困擾經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境治理的重大問題。由于餐廚廢棄物和市政污泥自身的特性，其單一厭氧消化過程難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，因此二者協(xié)同厭氧消化處理成為了研究熱點(diǎn)，其中，物料比是影響協(xié)同厭氧消化效果的重要因素，是協(xié)同處理工藝的重要研究方向。筆者依托市政污泥與餐廚廢棄物協(xié)同厭氧消化處理實(shí)際工程項(xiàng)目，研究了物料比對(duì)協(xié)同厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性、產(chǎn)氣率、物料降解率以及終端生物碳土資源化等的影響，旨在為實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行提供技術(shù)參考。
1、材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)用污泥為鎮(zhèn)江市某污水處理廠的剩余污泥，PH值為7.15，SCOD為6800mg/L，總固體(TS)含量為I7.8%，其中揮發(fā)性固體(VS)占比為47.06%，餐廚廢棄物來自鎮(zhèn)江市主城區(qū)的學(xué)校、企業(yè)和大中型飯店，pH值為4.17，TS含量為14.7%，其中VS占比為90.40%。
1.2 試驗(yàn)裝置與方法
試驗(yàn)采用全混式厭氧反應(yīng)器(CSTR)，厭氧消化罐由2臺(tái)穿壁攪拌器和1臺(tái)循環(huán)栗組成。厭氧消化罐的有效容積為2800m3，溫度維持在(38±1)℃，攬拌方式為攪拌30min、停止60min。
考慮到厭氧消化罐的設(shè)計(jì)負(fù)荷，試驗(yàn)中不同物料配比的最大進(jìn)料負(fù)荷設(shè)為3.00kgVS/(m3•d)。按照污泥與餐廚廢棄物的比例(S/K，以TS計(jì))設(shè)計(jì)5組不同物料配比的厭氧消化試驗(yàn)，污泥與餐廚廢棄物的進(jìn)料量如表1所示，每組試驗(yàn)的停留時(shí)間保持在45d以上。
1.3 檢測(cè)項(xiàng)目與方法
厭氧消化罐中消化液的檢測(cè)指標(biāo)包括：pH值、揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、堿度(ALK)、TN、NH3-N、TP、TS、VS、COD及沼氣量等。其中，PH值采用電極法測(cè)定，VFA、ALK采用滴定法測(cè)定，TN采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測(cè)定，NH3-N采用納氏試劑分光光度法測(cè)定，TP采用過硫酸鉀消解-鉬酸銨分光光度法測(cè)定，TS、VS采用重量法測(cè)定，COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定，沼氣量及其組分采用在線儀表測(cè)定。
2、結(jié)果與討論
2.1 物料比對(duì)厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響
厭氧消化過程中pH值、VFA、ALK以及酸堿比(VFA/ALK)的變化能夠真實(shí)反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其中VFA/ALK值可以表征中間產(chǎn)物的積累以及微生物生存環(huán)境情況，是評(píng)價(jià)厭氧系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。一般認(rèn)為pH值維持在6.5~8.2、VFA<3000mg/L且VFA/ALK值為0.1~0.3時(shí)，厭氧消化系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。在本研究中，不同物料比下厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)pH值、VFA、ALK以及VFA/ALK值的變化如表2所示?？芍?，在不同物料比下，pH值均保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，VFA/ALK值保持在0.10~0.12，VFA維持在1093~1529mg/L，ALK維持在10321~13688mg/L，由此表明，污泥與餐廚廢棄物協(xié)同厭氧消化克服了兩者的缺點(diǎn)(污泥厭氧消化時(shí)，可生化降解性差，堿度較高，餐廚廢棄物厭氧消化時(shí)，可生化降解性強(qiáng)，堿度較低，緩沖能力差，提高了可生化降解性，并使堿度保持在正常范圍，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
隨著餐廚廢棄物比例的增加，厭氧消化液的TS含量呈下降趨勢(shì)，純污泥時(shí)厭氧消化液的TS含量為80631mg/L，而純餐廚廢棄物時(shí)僅為56069mg/L，餐廚廢棄物中有機(jī)物含量高，更容易被降解。
此外，厭氧消化液中的NH，-N濃度也是反映厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，有研究表明，當(dāng)NH，-N在50~200mg/L范圍內(nèi)時(shí)有利于消化反應(yīng)的穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)NH3-N>1500mg/L時(shí)會(huì)抑制消化過程。在本研究中，當(dāng)S/K值為1：0、2：1、I：1、1：2、0：1時(shí)，NH3-N濃度分別為1064、1125、1567、1811、1625mg/L，厭氧消化系統(tǒng)保持在穩(wěn)定狀態(tài)。與實(shí)驗(yàn)室的小型厭氧反應(yīng)器相比，實(shí)際工程中的厭氧反應(yīng)器容積較大，具有更大的緩沖能力，產(chǎn)甲烷菌能夠適應(yīng)較高負(fù)荷的NH3-N。
2.2 物料比對(duì)厭氧消化系統(tǒng)降解率的影響
VS降解率可以直觀反映厭氧消化罐中有機(jī)物的降解情況。在本研究中，當(dāng)物料比S/K值為1：0、2：1、1：1、1：2、0：1時(shí)，VS降解率分別為32.4%、50.6%、64.1%、79.4%、86.5%。由于市政污泥中有機(jī)物含量較低，純污泥厭氧消化時(shí)VS降解率較低，隨著餐廚廢棄物添加比例的增加，VS降解率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，純餐廚廢棄物厭氧消化時(shí)VS降解率達(dá)到86.5%，顯著高于其他文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果(67.2%、40.4%)，當(dāng)S/K=1：2時(shí)，VS降解率達(dá)到79.4%，也顯著高于其他小試研究結(jié)果。污泥中胞外聚合物(EPS)占總有機(jī)質(zhì)的50%~90%，其水解過程直接影響污泥的降解速率與程度，隨著餐廚廢棄物的加人，物料中易水解酸化的組分比例增加，促進(jìn)了甲烷菌的增殖，同時(shí)也促進(jìn)了EPS的降解，提高了系統(tǒng)的物料降解率。
2.3 物料比對(duì)厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)氣率的影響
物料的VS添加產(chǎn)氣率是評(píng)價(jià)厭氧消化效率的重要指標(biāo)，本研究將產(chǎn)氣量和VS添加產(chǎn)氣率作為評(píng)價(jià)不同物料比下厭氧系統(tǒng)運(yùn)行效果的指標(biāo)。當(dāng)物料比S/K值為1：0、2：1、1：1、丨：2、0：1時(shí)，VS添加產(chǎn)氣率分別為0.31、0.42、0.48、0.56、0.59m3/(kgVS•d)，可知，純污泥時(shí)VS添加產(chǎn)氣率較低，添加餐廚廢棄物后VS添加產(chǎn)氣率顯著上升，當(dāng)S/K值為1：2時(shí)，VS添加產(chǎn)氣率較純污泥時(shí)提高了80.6%。另外，產(chǎn)氣量亦隨著物料中餐廚廢棄物比例的增加而增加(見圖1)。污泥與餐廚廢棄物協(xié)同厭氧消化促進(jìn)了營養(yǎng)物質(zhì)比例平衡，提高了物料的降解率和產(chǎn)氣率，進(jìn)而提高了厭氧消化效率。
2.4 物料比對(duì)厭氧消化系統(tǒng)沼氣組成的影響
沼氣成分主要包括CH4、CO2、H2S，不同物料比對(duì)厭氧消化系統(tǒng)沼氣組成的影響如圖2所示。純污泥時(shí)，沼氣中CH4含量最高，達(dá)到64.1%，添加餐廚廢棄物后，CH4含量呈降低的趨勢(shì)，但各添加比例之間無明顯變化規(guī)律。物料比對(duì)CO2含量的影響不大且無明顯規(guī)律。隨著餐廚廢棄物添加比例的增加，H2S產(chǎn)量呈增加趨勢(shì)，特別是純餐廚廢棄物時(shí)，H2S產(chǎn)量顯著高于其他物料比，平均值達(dá)到了418.9mg/m3，而物料中有污泥時(shí)H2S產(chǎn)量均在100mg/m3以下，這表明污泥與餐廚廢棄物協(xié)同厭氧消化有助于減少H2S的產(chǎn)生。主要原因?yàn)椋孩傥勰嘀械腇e3+對(duì)厭氧消化過程中H2S的產(chǎn)生和釋放有較好的抑制作用，②污泥中蛋白質(zhì)含量較高，降解蛋白質(zhì)產(chǎn)生的沼氣中甲烷含量比降解其他有機(jī)質(zhì)要高。因此，污泥與餐廚廢棄物協(xié)同處理工程項(xiàng)目中沼氣脫硫設(shè)計(jì)僅考慮干式脫硫法(氧化鐵脫硫法)就可以達(dá)到降低沼氣中H2S含量的目的。
2.5 物料比對(duì)后端資源化的影響
污泥與餐廚廢棄物厭氧消化工程終端的沼渣經(jīng)過“高干脫水+太陽能干化”處理后含水率降至50%以下，成為生物碳土，其主要用于園林綠化、土地改良等。生物碳土中的鹽分以及重金屬含量對(duì)其資源化利用起著至關(guān)重要的作用。不同物料比下生物碳土中的重金屬含量如表3所示?？梢钥闯?，各物料比下生物碳土中的重金屬含量均符合《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB4284—2018)中A級(jí)污泥的要求，隨著物料中餐廚廢棄物比例的增加，各重金屬含量均呈顯著下降趨勢(shì);當(dāng)污泥與餐廚廢棄物的比例為1：2時(shí)，重金屬含量顯著低于純污泥時(shí)的，為資源化利用奠定了良好的基礎(chǔ)。另外，生物碳土中的鹽分采用全鹽量表征，當(dāng)物料比S/K值為1：0、2：1、1：1、1：2時(shí)，生物碳土中的全鹽量分別為2553、3980、4583、4670mg/L，當(dāng)S/K值為1：2與1：1時(shí)全鹽量無顯著差異。
3、結(jié)論
①市政污泥與餐廚廢棄物協(xié)同厭氧消化系統(tǒng)具有良好的緩沖能力，不同物料比下厭氧消化液的VFA/ALK值保持在0.10~0.12，VFA維持在1093~1529mg/L，堿度維持在10321~13688mg/L，厭氧消化系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。
?、谖勰嗯c餐廚廢棄物協(xié)同處理促進(jìn)了厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)氣能力，隨著餐廚廢棄物比例的增加，VS降解率和VS添加產(chǎn)氣率均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，當(dāng)污泥與餐廚廢棄物的配比為1：2時(shí)，協(xié)同厭氧消化效果最好，VS降解率達(dá)到79.4%，VS添加產(chǎn)氣率為0.56m3/(kgVS•d)，甲烷含量達(dá)到61.4%，H2S產(chǎn)量為77.4mg/m3。
③純污泥時(shí)，沼氣中的CH4比例最高，H2S產(chǎn)量最低，純餐廚廢棄物時(shí)，H2S產(chǎn)量最高，添加污泥后，H2S產(chǎn)量迅速下降，餐廚廢棄物與污泥協(xié)同處理有利于減少沼氣中H2S的含量。
?、茈S著物料中餐廚廢棄物比例的增加，生物碳土中的重金屬含量呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，全鹽量則呈升高趨勢(shì);當(dāng)污泥與餐廚廢棄物的比例為1：2時(shí)，生物碳土中的重金屬含量顯著低于純污泥時(shí)的，全鹽量則與比例為1：1時(shí)無顯著差異。( >
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