高含固率對高氮污泥厭氧消化產氣的影響

黃曉艷， 金春姬， 張彩杰

(中國海洋大學 環境科學與工程學院， 山東 青島 266100)

厭氧消化技術是污泥處理的一種有效方式，不僅能夠將污泥減量化和穩定化，消化后的污泥因富含有機肥效成分，適于土地利用，消化過程中產生的沼氣可以用來發電[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]、單位容積產氣率較高[4]等優勢。本研究根據水產品加工廠的污泥經板框壓濾機壓濾脫水后含固率在15%左右，且含氮高的特點，考察該污泥在高固體含量下的厭氧消化和產氣情況，作為后續高含固率高氮污泥厭氧消化的最佳控制條件研究的基礎，為實際工程處理污泥提供借鑒。

1 實驗方法

1.1 污泥性質

供試污泥取自青島恩利水產品加工廠。取回后進行密封，并置于4 ℃環境中保存，實驗用時預熱到反應器設定溫度(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經分析測定如表1所示。

表1 高氮污泥的主要性質

1.2 反應裝置

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

1.厭氧消化罐 2.溫控加熱系統 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

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

1.3 監測指標

實驗中需要監測的指標包括產氣量(排水集氣法)、pH、氨氮(水楊酸分光光度法)、揮發性脂肪酸(VFA)(氣相色譜法)、揮發性固體含量(重量法)、總氮(凱氏定氮法)、總有機碳(水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法)。

2 結果與討論

2.1 含固率對揮發性脂肪酸VFA的影響

VFA是厭氧消化過程中的重要中間產物，通過對VFA濃度的監測可以了解有機物質的降解進程[5]。圖2為三個反應器消化過程中總揮發性脂肪酸、揮發性脂肪單酸和pH值的變化曲線。由圖2-1可以看出，TS 13%的1號反應器反應初期VFA濃度隨時間增加呈增長趨勢，在第9 d達到第一個高峰，濃度為3.9 mg/g。反應的第51 d又出現一個小高峰，濃度為2.2 mg/g。圖2-2是TS 10%的2號反應器中VFA濃度的變化曲線。該實驗組在第17 d時VFA的濃度為2.8 mg/g，達到峰值。TS 7%的3號反應器中VFA(圖2-3)在第32 d達到峰值，濃度為1.9 mg/g。這是因為初始階段水解發酵菌大量生長繁殖，污泥中可溶性易降解有機物被迅速降解，生成的底物被產酸菌利用產生脂肪酸。此時能夠消耗脂肪酸的產酸菌的活性遠遠小于水解發酵菌，因此三個反應器中都會檢測到脂肪酸的積累。由于各組的TS不同，VFA達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，且在最短時間內出現峰值。TS越低的實驗組，VFA峰值越小。三組反應器消化過程中可檢測到的揮發性脂肪酸都是乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，其中乙酸占揮發性脂肪酸的比例最大。比較可知，2號、3號反應器中的VFA變化較1號反應器相對穩定。

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

實驗中各組的pH值和氨氮濃度的變化曲線見圖3，三個反應器的初始pH值都在8.1以上，啟動階段沒有出現明顯的pH值降低現象，認為水解產酸階段揮發性脂肪酸沒有大量積累，沒有產生酸抑制的現象。TS越高的污泥中，氨氮濃度越高。三個反應器內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，后半階段穩定降低。2、3號反應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號反應器內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驗用污泥中含氮太高，因此體系中很大一部分游離氨揮發，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出的污泥水解酸化規律，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，但是并沒有對產氣量造成影響，表明經過馴化后的產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 含固率對產氣的影響

3組含固率不同的污泥在厭氧消化反應過程中的日產氣量和累積產氣量變化如圖4所示。由圖4-1可知，三組反應器在物料投加后的第3、4天都出現不等量的產氣。1號反應器內的產甲烷菌于第12 d開始出現并逐漸適應環境，系統再次產氣，26 d時達到產氣高峰，最高日產氣量達到1 789 ml。在第26 d到第53 d，產氣量先緩慢降低，后逐漸上升，53 d時達到第二個產氣高峰1 386 ml/d，然后緩慢降低至反應結束。2號反應器在第9 d開始再次產氣， 22 d時達到產氣高峰1 783 ml/d，反應進行到第52 d時再次出現一個產氣小高峰，之后呈穩定下降的趨勢。3號反應器于第8 d開始再次產氣，產氣高峰出現在第29 d，為1 188 ml/d，持續該產氣水平約10 d左右，開始逐漸下降。之所以出現兩個峰值，是因為厭氧消化反應的前半階段分解可溶性易降解有機物，而在易降解有機物消耗殆盡以后，微生物開始分解難降解有機物，該時期內易溶性有機物的濃度升高，產氣量也相應增大，并達到一個小的峰值。由于該實驗的接種量較大，所以啟動時間不長，即啟動階段的日產氣速率增長較快。由于3號反應器在啟動初期反應器出現故障，因此延遲了一周時間，將該時間排除在外可以得到：TS越高的反應組，出現產氣高峰越晚，但由于污泥濃度較高，因此日產氣量大。對比可知，2號反應器較1號和3號啟動時間短，穩定性高，產氣量大。

圖4-1 污泥的日產氣量變化

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

圖4-2 污泥的總產氣量變化

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

表2 平均日產氣量、單位VS產氣率和單位污泥產氣量

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，初始濃度越高的污泥，消化后的各項指標相應較高。從表3可以看出，各組的VS都得到有效降解，TS越低的反應組，VS的降解效率越高。

表3 污泥厭氧消化后的主要泥質參數

3 結論

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

(2) 不同TS的污泥厭氧消化反應中，VFA達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值足夠中和水解產酸，不會發生酸抑制現象。

(4) TS越高的反應組，出現產氣高峰越晚，日產氣量越大。不同TS條件下厭氧消化的累積產氣量都呈先慢后快又慢的增長趨勢，TS為10%的實驗組產氣最穩定，且累積產氣量最大。

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

(6) 小試規模的污泥處理，因污泥混合均勻性存在局限而不具有典型代表性。應該考慮在小試基礎上，進一步進行中試試驗。

(7) 本研究所得到的厭氧消化周期不是有機質消化徹底所需的時間，實驗結束時污泥中仍含有有機質，只是由于反應器規模和產氣量的局限，檢測不到氣體。

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