污泥與餐廚垃圾聯合兩相中溫厭氧消化效果探析

王 磊

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

厭氧消化處理污水污泥是國外最常用的污泥穩定化方法之一。目前，美國有650 座集中厭氧消化設施，對污泥的處理量占污泥產量的58%;在整個歐洲共有超過36 000 座厭氧消化反應器，對污泥的處理量占歐洲總產泥量的40%～50%［1］。

然而，目前國內污泥厭氧消化技術在理論研究、工藝設計和運行管理等方面仍存在諸多問題，整體發展水平偏低。據不完全統計，我國目前有約63 座城市污水處理廠建有或在建污泥厭氧消化設施，其中僅29 家的污泥厭氧消化系統正在運行，沼氣產量也普遍低于設計值。運行管理水平欠佳、沼氣產率和經濟效益偏低是導致我國厭氧消化工藝應用滯后的重要原因。我國污泥有機質含量往往偏低，沼氣產率和利用率普遍不高，所產生的沼氣在滿足自身的加熱和攪拌能量需求后所剩無幾，這導致厭氧消化的能量回收優勢并不明顯。

將污水污泥與餐廚垃圾聯合共消化可以克服污泥單獨消化時有機質偏低、污泥可生化性差的問題，促進物料的營養平衡，獲得更高的沼氣產量和經濟效益［2］。然而，目前有關污泥與餐廚垃圾聯合厭氧消化的研究多集中于單相厭氧消化［3，4］，而采用兩相厭氧消化的研究報道較少。本研究利用污泥與餐廚垃圾進行聯合兩相中溫厭氧消化，考察了不同水力停留時間(HRT)條件下產酸相和產甲烷相運行效果，并對共消化效果及相分離效果進行了討論分析，以期為實際工程應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

兩相產酸和產甲烷反應器均為帶有水浴夾層的柱狀發酵罐，其中產酸反應器總容積為10 L，有效容積為7 L;產甲烷反應器總容積為40 L，有效容積為30 L。厭氧反應器均采用機械攪拌，攪拌槳轉速維持在80 r/min;采用水浴加熱，通過水泵使恒溫水箱與水浴夾層里的水處于不斷循環狀態，維持反應器內溫度在(35 ±1)℃;采用濕式氣體流量計測定產氣體積，流量計后接集氣袋，用以收集沼氣測定組分。

1.2 試驗材料

試驗所用初沉污泥和剩余污泥均取自上海市某污水處理廠污泥濃縮泵房，餐廚垃圾取自污水處理廠食堂，經分揀、粉碎后添加自來水調節含水率至90%左右。試驗中所用的餐廚垃圾、初沉污泥和剩余污泥均保存于4 ℃的冰箱中，其性質如表1 所示。

試驗中初沉污泥和剩余污泥按照1 ∶1的體積比混合，然后餐廚垃圾與混合污泥再按總固體(TS)為1 ∶1混勻后作為產酸相進料，進料的含固率控制在5%左右，有機物比例達到66.1%，此為較理想的厭氧消化基質。

表1 底質理化性質Tab.1 Physical and Chemical properties of of Substrates

1.3 試驗方案

試驗分兩個階段進行，第一階段為產酸試驗(各反應器均穩定運行42 d)，將餐廚垃圾與混合污泥按TS 比為1 ∶1混合作為產酸基質，考察不同HRT(1、3、5 d)條件對產酸相有機物降解效果及揮發性脂肪酸(VFA)產量的影響，遴選出產酸相最佳的HRT。

第二階段為兩相產酸產甲烷試驗(各反應器均穩定運行61 d)，產酸相HRT 為上一階段所選出的最佳值，產酸相出泥作為產甲烷相進泥，考察4 種不同HRT(5、10、20、30 d)條件對產甲烷相沼氣產量、有機物去除效果及運行穩定性。

1.4 分析方法

檢測項目及其測定方法如表2 所示。其中SCOD 和堿度測定前，需先將樣品在4 500 r/min 轉速下離心15 min，然后取上清液進行測定。

表2 檢測項目和方法Tab.2 Method and Equipment of Testing

2 結果與分析

2.1 產酸相分析

在產酸相中，進泥中的SCOD 和VS 水解溶出的SCOD(兩者之和記作總SCOD)一部分轉化成了VFA，還有一少部分轉化成甲烷、二氧化碳等進入了氣相，剩余的仍以水解產物的形式留在了污泥中。因此，產酸相酸化效果可以用VFA(折算成COD)占總SCOD 的比例(酸化率)來表示，酸化率越高，則可為后續產甲烷相提供越多的基質。在HRT 為1 ～5 d 的條件下，水解酸化產物分布情況，如圖1 所示。VFA 占總SCOD 比例隨著HRT 的增加而提高，當HRT 為5 d 時VFA 所占比例達到最大值55%。

圖1 HRT 對水解酸化產物分布的影響Fig.1 Effect of HRT on Metabolic Production Distribution in Acidogenic Phase

在酸化階段，水解過程產生的小分子溶解性有機物在產酸菌細胞內被轉化為以乙酸、丙酸、丁酸等揮發酸為主的末端產物。在HRT 為1 ～5 d 的條件下，產酸相中VFA 產量及組分比例如表3 所示，HRT 越多產酸反應器出泥中VFA 含量越高，當HRT 為5 d 時出泥中VFA 濃度最高為5 979 mg/L。在HRT 為1、3 和5 d 的條件下，乙酸、丙酸和丁酸含量分別為27.9% ～31.8%、27.0% ～33.4% 和20.6%～23.8%，各種揮發酸組分所占比例均沒有超過50%，產酸相沒有呈現出明顯占優的發酵產物，產酸發酵類型為混合型發酵。

表3 產酸相VFA 產量及組分比例Tab.3 VFA Production and Distribution in Acidogenic Phase

產甲烷菌代謝速率受基質的種類影響，乙酸能夠直接被產甲烷菌利用，乙醇和丁酸能夠很快被產氫產乙酸菌轉化為乙酸以供產甲烷菌利用，而丙酸被產甲烷菌利用的速率則較慢，在有機負荷較大時會在產甲烷相中積累，降低產甲烷系統的pH 甚至導致系統崩潰。因此，產酸相工藝參數的選擇應以產酸相的揮發酸產量高且揮發酸組分有利于產甲烷菌的轉化利用為原則。在HRT 為1 ～5 d 條件下，產酸相HRT 為5 d 時VFA 產量最高、酸化效果最佳且揮發酸中丙酸含量較小。因此，選擇產酸相HRT為5 d，并利用產酸相出泥作為產甲烷相進泥進行后續產甲烷試驗。

東北航線經俄羅斯北部海域，由太平洋進入白令海峽，依次途經楚科奇海、東西伯利亞海、拉普捷夫海、喀拉海、巴倫支海至摩爾曼斯克港[8]，因航線環境和破冰船的限制，目前適航船舶主要是阿芙拉船型。海冰是影響東北航線通航的重要因素。

2.2 產甲烷相分析

2.2.1 沼氣產量

在HRT 為5 ～30 d 的條件下，產甲烷相沼氣產量如表4 所示。隨著HRT 的增加，有機負荷逐步減小，產甲烷速率也相應降低，單位體積進料產沼氣量卻逐步提高，這是由于HRT 增加后，進料降解更加充分，有機物去除更加徹底的緣故。在餐廚垃圾與污水污泥TS 比為1 ∶1的條件下，HRT 由5 d 逐步增加至30 d，產甲烷速率由2.1 降至0.5 L/L·d，單位體積進料產沼氣量由14.3 逐步提高至22.0 L/L。由表4 可知甲烷含量高達69.7%～73.4%。

表4 產甲烷相沼氣產量Tab.4 Biogas Production in Methanogenic Phase

在HRT 為5 ～30 d 的條件下，兩相系統有機負荷為1.0 ～3.6 g VS/L·d，甲烷產率達到0.58 ～0.70 L/g VS去除。付勝濤等［4］利用污水污泥和廚余垃圾(TS 比為1 ∶1)單相中溫厭氧共消化，進料有機負荷為1.4 ～4.1 g VS/L·d 與本研究相近，甲烷產率卻僅有0.41 ～0.46 L /g VS去除，低于本研究所得的甲烷產率，這表示與單相厭氧消化系統相比，兩相系統具有更高的產甲烷效率。

2.2.2 有機物去除效果

考慮到產酸相和產甲烷相對有機物均有一定的分解代謝作用，本研究綜合產酸和產甲烷兩過程，統籌分析兩相系統的有機物去除效果。在產酸相HRT 為5 d、產甲烷相HRT 為5 ～30 d 的條件下，兩相厭氧消化系統的有機物去除效果如表5 所示。當兩相系統HRT 由10 d 逐步增加至25 d 時，TCOD 去除率由46. 5% 逐步提高至60. 8%，VS 去除率由54.9%提高至64. 7%。不同工況下產甲烷相對SCOD 的降解都比較徹底，出泥SCOD 僅為0. 8 ～1.2 g/L，SCOD 去除率達到89.8%～93.4%。

表5 兩相厭氧消化系統有機物去除效果Tab.5 Organic Pollutants Removal Effect of the Two-phase Anaerobic Digestion System

2.2.3 運行穩定性

雖然產酸相出泥pH 低至4.6 ～5.5，但產甲烷過程中隨著VFA 的消耗pH 有所回升，不同HRT條件下4 個產甲烷反應器的pH 為7.3 ～7.4，無需任何酸堿試劑調節即可維持在理想的產甲烷范圍內。堿度可以緩沖厭氧消化系統pH 的波動，維持產甲烷相的穩定運行，理想的堿度(以CaCO3計)范圍是2 000 ～5 000 mg/L［5］。在HRT 為5 ～30 d的條件下，各產甲烷系統的堿度均大于3 000 mg/L，表明各產甲烷反應器緩沖能力良好。VFA/堿度是評價厭氧消化系統穩定性的重要指標，當VFA /堿度＜0.3 ～0. 4 時，系統酸化風險較小，穩定性高［6］。不同工況下各產甲烷反應器的VFA /堿度值僅為0.12 ～0.20，具體如表6 所示，均呈現出良好的穩定性，且隨著HRT 的增長，系統穩定性逐漸增強。

表6 產甲烷相VFA 和堿度Tab.6 VFA and Alkalinity in Methanogenic Phase

在HRT 為20 和30 d 的條件下，產甲烷反應器有機物去除率和甲烷產量相差不大，且均遠高于其他HRT(5、10 d)時。較短的HRT 意味著更高的處理效果、更小的反應器體積及更好的經濟性。因此，在產酸相HRT 為5 d 的條件下，產甲烷相最佳HRT為20 d。

2.3 污泥與餐廚垃圾共消化效果分析

在沼氣產量方面，本研究中利用污泥與餐廚垃圾共消化產沼氣，進料含水率為95%～96%，當兩相系統HRT 為25 ～35 d 時，單位體積進料產沼氣量高達18.1～22.0 L/L。而污水污泥(含水率96%)單獨厭氧消化時，產生的沼氣量一般為8 ～12 倍污泥量［7］。污泥與餐廚垃圾聯合厭氧消化可以顯著提高沼氣產量，獲取更高的經濟效益。

在有機物去除效果方面，本研究中利用污泥與餐廚垃圾共消化，兩相系統VS 去除率達到54.9%～64.7%，而污水污泥單獨厭氧消化VS 去除率一般為40%左右［8，9］。污泥與餐廚垃圾共消化時VS 去除率與污泥單獨厭氧消化相比明顯提高，這可能是由于污泥中所添加的餐廚垃圾更易于降解的緣故。然而，所觀察到的現象并不能說明與單獨厭氧消化相比，共消化時污泥自身有機質降解效果是否有提高。因此，有必要分別對餐廚垃圾和污水污泥進行單獨厭氧消化，并將消化效果與共消化進行對比，以探討共消化對污泥自身有機質降解效果的影響。

在系統穩定性方面，本研究中利用污泥與餐廚垃圾共消化，獲得了穩定的運行效果，兩相均無需外加試劑調節pH。而餐廚垃圾由于有機物含量高，單獨厭氧消化容易發生酸積累和代謝產物反饋抑制現象。Beno 等［10］對廚余垃圾和蔬菜垃圾進行單獨厭氧消化，出現了明顯的酸積累現象，氣體產量很低，其中甲烷含量僅有5%。污泥與餐廚垃圾共消化，可以克服餐廚垃圾單獨消化所存在的問題，降低厭氧消化系統控制復雜性。

本研究中污泥與餐廚垃圾直接混合后作為產酸相進泥，當產酸相HRT 為5 d 時揮發酸產量和酸化率最高，但5 d 的HRT 對產酸相來說偏長，在實際工程中可能導致產酸罐體積偏大，制約經濟效益。污水污泥有機質含量低，酸化效果可能不明顯;此外，有分析認為污泥與餐廚垃圾兩者厭氧消化產沼氣的高峰并不一致，餐廚垃圾的產氣高峰可能滯后，因此在產酸相可僅對餐廚垃圾進行單獨預酸化，再將酸化產物與污泥混合進入產甲烷相進行共消化，以降低產酸反應器體積，其技術可行性和工藝控制參數有待進一步探究。

2.4 相分離效果分析

產酸菌世代周期短，適宜在酸性條件下生存代謝;而產甲烷菌世代周期較長，適宜在pH 為6.8 ～7.4 范圍內生存代謝。把產酸相和產甲烷相分離，可以分別為產酸菌和產甲烷菌創造最佳的生存環境。兩相分離常用的方法是將動力學控制法和物理化學法中的pH 調節法相結合，即控制產酸相在較短的HRT 條件下運行的同時，調節其pH 在酸性(4.0 ～6.5)范圍內。本研究中利用污泥與餐廚垃圾兩相厭氧共消化，產酸相HRT 為1 ～5 d，產甲烷相HRT 為5 ～30 d，在無需任何外加酸堿試劑調節的情況下，產酸相和產甲烷相pH 就能分別維持在4.6 ～5.5 和7.3 ～7.4，基本實現了產酸相和產甲烷相的分離。

然而，通過動力學控制實現相分離并不意味著產酸發酵菌群與產甲烷菌群的安全分離，產酸相中仍有可能存在產甲烷菌。本研究中，不同HRT(1、3和5 d)的條件下產酸相產生的氣體中均有甲烷檢出，甲烷含量為4.5%～11.5%，即使HRT 縮短至1 d，產酸相產生的氣體中甲烷含量仍然達到4.5%。然而，兩相系統仍取得了高效的消化效果，最大VS去除率和沼氣產率分別達到64.70%和0.98 L /g VS去除。高廷耀等［11］以污泥為基質研究兩相系統運行效果也觀察到了類似的現象，這表明在產酸相存在輕微的產甲烷作用并不影響有機物的水解和發酵，同樣也不影響兩相系統的運行性能，把抑制產酸相產甲烷菌活性作為兩相系統運行成功與否標志的做法有待商榷。

張錄等［12］研究發現(如表7)，即使兩相系統并未實現徹底的相分離，產甲烷相中產甲烷菌的數量仍然要比產酸相多一個數量級，而產酸相中同型產乙酸菌和丁酸產乙酸菌則明顯多于產甲烷相，蛋白質分解菌、淀粉分解菌及纖維素分解菌等菌群數量則相差不大。這表明相分離并沒有將產酸微生物與產甲烷微生物截然分開，只是通過對運行參數的控制，限制了產酸相中產甲烷菌的增殖、強化了產酸菌群功能，同時增加了產甲烷相中產甲烷菌的數量。

表7 產甲烷罐和產酸罐各菌群數量Tab.7 Bacterium Population of Methanogenic and Acidogenic Reactors

值得注意的是，產甲烷相中由丙酸產氫產乙酸菌的菌群數量也要比產酸相多一個數量級，這表明產甲烷相中較低的氫分壓環境有利于丙酸的轉化降解，這也解釋了兩相系統可以在一定程度上克服丙酸積累的原因。本研究中產酸相出泥丙酸含量雖然高達27.0%～33.4%，但后續產甲烷相對丙酸的轉化利用均比較徹底，不同HRT 的條件下產甲烷相pH 都穩定在7.1 ～7.2，出泥中VFA 含量均不超過600 mg/L，沒有發現丙酸積累現象。

3 結論

(1)當產酸相HRT 為5 d 時，產酸反應器揮發酸產量最高，且丙酸含量較小，產酸效果最優。

(2)當產甲烷相HRT 為20 d 時，產甲烷反應器運行效果較佳，單位體積進泥(96%含水率)產沼氣量達到20.4 L/L、沼氣產率為0.69 L/g VS去除、甲烷含量為71.3%、VS 去除率為64.7%。

(3)與餐廚垃圾和污水污泥分別單獨厭氧消化相比，兩者聯合厭氧消化沼氣產量、有機物去除效果及運行穩定性均有顯著提高。

(4)本研究采用動力學控制方法即可基本實現產酸相和產甲烷相的分離，雖然產酸相仍存在輕微的產甲烷作用，但并不影響有機物的水解和酸化，也不影響兩相系統的運行效果。

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