UASB對餐廚垃圾和剩余污泥合并處理的試驗研究

柯水洲，趙 芬，李 強（.湖南大學土木工程學院，湖南　長沙4008；.中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南長沙4008）

UASB對餐廚垃圾和剩余污泥合并處理的試驗研究

柯水洲1，趙 芬1，李 強2
（1.湖南大學土木工程學院，湖南長沙410082；2.中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南長沙410082）

在中溫（35℃±2℃）條件下，以餐廚垃圾和剩余污泥為原料，采用UASB反應器進行了兩者合并處理的試驗研究，重點考察了合并處理過程的產氣量和出水COD濃度、p H值、VEA濃度等化學指標的變化。結果表明: UASB反應器對餐廚垃圾和剩余污泥混合液進行連續厭氧消化處理是穩定可行的；該反應器在混合厭氧消化時，最大容積負荷可達17.0 gCOD/（L·d），當容積負荷為16.0 gCOD/（L·d）時，反應器R1和R2的沼氣產量都達到最大，分別為21.19 L/d和19.05 L/d，相應的產甲烷量分別為11.65 L/d和10.29 L/d；應用Monod方程建立了產氣模型，利用該模型模擬的產氣量與試驗實測產氣量的相對誤差小于5%，其可信度高。

餐廚垃圾；剩余污泥；合并處理；UASB反應器；容積負荷；揮發性酯肪酸（VEA）

餐廚垃圾和剩余污泥的產量逐年增加，兩者的處置問題也日益嚴重［1-2］。厭氧處理技術工藝簡單、操作方便、成本低，在餐廚垃圾和剩余污泥資源化處理中的運用越來越廣泛。但已有研究表明［3-5］，餐廚垃圾雖然具有很好的生化性，但是在厭氧消化過程中水解速度過快導致有機酸易積累，且含鹽量高、油脂高，使得反應器中的微生物活性易受到抑制。而剩余污泥單獨處理時，由于可生化性較低、水解過程緩慢，導致微生物的營養供應不足，進而限制了剩余污泥厭氧消化的反應速率，影響了沼氣的產量［6］。近年來，人們對餐廚垃圾與剩余污泥混合處理做了大量的研究和探索。如王永會等［7］的研究表明餐廚垃圾和剩余污泥混合厭氧消化與餐廚垃圾單獨厭氧消化相比，能調節p H值、氨氮濃度和VEA濃度，縮短產氣周期；高瑞麗等［8］將餐廚垃圾與剩余污泥以不同的比例混合進行厭氧消化，結果表明與兩者單獨厭氧消化相比，產氣量和產氣速率都有不同程度的增加；Laffitte等［9］和Demirekler等［10］的研究發現在污泥消化池中加入餐廚垃圾，不僅可以解決餐廚垃圾的污染問題，而且還可以稀釋污泥中的有毒物質，促進物料中的營養平衡，增加反應池的容積利用率，提高沼氣的產氣量。但目前的研究中餐廚垃圾和剩余污泥的合并處理基本都是采用發酵瓶進行的批式厭氧消化，本試驗采用UASB反應器對餐廚垃圾和剩余污泥混合合并處理進行連續式厭氧消化研究，以期為實際工程應用提供依據。

1　材料與方法

1.1試驗材料

本試驗中的餐廚垃圾取自湖南大學某學生食堂，利用粉碎機將餐廚垃圾破碎成漿狀，同時去掉部分油脂，置于4℃冰箱中，備用。剩余污泥取自長沙市某污水處理廠二沉池，污泥樣品采集后統一放置于4℃冰箱中，備用，為了有良好的進液條件，用篩網對其進行過濾，除去少量大顆粒雜質。根據我國餐廚垃圾和剩余污泥的年產量比例（餐廚垃圾的年產量約為9 800萬t，剩余污泥約為2 600萬t，比例約為4∶1），將餐廚垃圾和剩余污泥按照4∶1的比例進行混合。為了縮短馴化時間，兩個UASB反應器R1和R2都采用原處理餐廚垃圾的顆粒污泥作為接種污泥。餐廚垃圾（制漿后）和剩余污泥（濾后）的基本理化性質見表1。

表1　餐廚垃圾和剩余污泥的基本理化性質Table 1 Physical-chemical properties of kitchen wastes and residual sludge

1.2試驗裝置

本試驗裝置工藝流程如圖1所示。單個UASB反應器的空床總容積為4.77 L，其中有效容積為3.18 L；UASB反應器采用連續進液，水浴保持恒溫（35℃±2℃）。

1.3試驗方法

由于UASB反應器R1和R2已停止運行6個月，其顆粒污泥中微生物已經進入休眠期，故在處理餐廚垃圾和剩余污泥之前，首先需對微生物進行復壯和馴化。

1.3.1啟動與復壯階段

以葡萄糖、氮、磷及微量元素等配制的營養液［11］為基質，在中溫（35℃±2℃）條件下啟動UASB反應器，完成對反應器內顆粒污泥的培養。復壯階段兩個UASB反應器的進水條件控制見表2。

圖1　UASB反應器工藝流程Eig.1 UASB process system

表2　復壯階段UASB反應器的進水條件Table 2 Influent conditions in rejuvenation stage

1.3.2馴化階段

馴化階段仍采用中溫（35℃±2℃）條件，兩個UASB反應器的進水COD濃度為3 000 mg/L，水力停留時間控制在24 h，容積負荷為3.0 g COD/（L·d），餐廚垃圾和剩余污泥的混合漿液在進水中的比例逐漸增加，由25%逐步增大至100%，最終完成顆粒污泥的馴化過程。馴化階段兩個UASB反應器的進水條件控制見表3。

表3　馴化階段UASB反應器的進水條件Table 3 Influent conditions in domestication stage

1.3.3處理階段

UASB反應器的復壯階段和馴化階段完成后，已具備對餐廚垃圾和剩余污泥合并處理的條件，這時控制溫度條件為中溫（35℃±2℃），控制進水桶漿液的p H值在7.2±0.5范圍內（李東等［12］研究表明，調節酸化階段p H=7.2的食物垃圾與廢紙聯合厭氧消化能夠避免揮發性脂肪酸抑制，保證消化穩定性并提高消化性能），水力停留時間始終控制在24 h，初期進水COD濃度為4 000 mg/L，隨后以1 000 mg/L的梯度逐漸提高COD濃度，并最終增加至末期的18 000 mg/L，相應的容積負荷也從最初的4.0 gCOD/（L·d）增加到末期的18.0 gCOD/（L·d）。采用兩個UASB反應器進行平行試驗，其試驗工況相同。

1.4檢測指標與方法

試驗中總固體含量（TS）、揮發性固體含量（VS）采用烘干法測定［13］；總碳（TC）、總氮（TN）采用哈希測定儀測定；化學需氧量（COD）采用重鉻酸鉀滴定法［13］測定；揮發性脂肪酸（VEA）的總量采用比色法測定［14］；p H值由PHS-3C型p H儀測定；產氣量采用液體置換法測定，為了盡量降低氣體在水中的溶解量，提高測量準確性，利用飽和NaCl溶液作為置換液；沼氣中甲烷含量通過液體置換系統測定［15］。

2　結果與分析

復壯階段總共歷時63 d，在第63 d時UASB反應器R1和R2中的COD去除率都分別達到了98.5%和96.4%，反應器運行正常穩定，復壯成功，可進入馴化階段。

馴化階段從第64 d至第100 d，總共歷時37 d，到馴化末期，兩個UASB反應器COD去除率都達到了97%以上，p H值穩定在7.2～8.0之間，產氣量在3.3 L/d左右，達到了馴化預期目標，可進入處理階段。

厭氧消化處理階段從第101 d至第265 d，總共歷時165 d，在容積負荷不大于16.0 gCOD/（L·d）時，即第101～245 d內，兩個UASB反應器穩定運行，第246～265 d時，反應器逐漸酸化。

2.1處理階段出水COD濃度及其去除率的變化

厭氧消化處理階段兩個UASB反應器出水COD濃度及其去除率的變化情況見圖2和圖3。

由圖2和圖3可以看出:UASB反應器R1和R2出水COD濃度在第245 d前基本上在1 000 mg/L以內波動，且絕大部分在100～600 mg/L之間，COD去除率大都保持在90%以上；UASB反應器R1和R2的進水容積負荷每增加一次，出水COD濃度就會先上升后又下降，這主要是因為UASB反應器R1和R2里面的微生物經過馴化已經適應處理餐廚垃圾和剩余污泥的混合漿液，但當提高容積負荷時，微生物仍需要適應一段時間，隨后出水COD濃度又穩步下降；在第165 d左右，由于UASB反應器R2的液面出現大量的絮狀污泥導致出水口堵塞，出水COD濃度突然增大，COD去除率下降，但經過清通調整后其反應器又逐漸恢復了穩定；處理末期，容積負荷為17.0 gCOD/（L·d）時，反應器R1和R2的COD去除率大幅度下降，繼續升高容積負荷至18.0 gCOD/（L·d）時，兩個反應器出水COD濃度先后超過4 000 mg/L，COD去除率也降到了60%以下，說明UASB反應器趨于惡化，容積負荷已達到最大。

圖2　處理階段UASB反應器出水COD濃度的變化情況Eig.2 Variation of effluent COD concentration with time in processing phase

圖3　處理階段UASB反應器COD去除率的變化情況Eig 3 Variation of COD removal rate with time in processing phase

2.2處理階段出水p H值及VFA濃度的變化

厭氧消化處理階段兩個UASB反應器出水p H值和揮發性脂肪酸（VEA）濃度的變化情況見圖4和圖5。

由圖4和圖5可以看出:處理初期，UASB反應器R1和R2出水的p H值一直保持在6.8～8.2范圍內，在第245 d以后反應器R1和R2出水的p H值開始下降，第250 d時進水p H值突然降至6.80，立即增加碳酸氫鈉緩沖溶液進行調整，在第251～252 d出水p H值有短暫上升，然后又大幅度地下降并最終分別降至4.44和3.85（見圖4），說明此時反應器已經酸化，且不可逆，與朱亞蘭等［16］研究相符。消化初期，反應器 R1和R2出水的VEA濃度都有所提高，此時反應器R1和R2出水的VEA濃度（乙酸計）極大值分別為6.54 mmol/L和6.66 mmol/L，經過一段時間的運行，其VEA濃度都有所下降，每次容積負荷提高時VEA濃度都會有短暫的回升；除了第165 d左右反應器R2出水的VEA濃度突然增大以外，反應器R1和R2出水的VEA濃度大多在2.0～8.0 mmol/L范圍內波動，說明反應器運行良好；在第250 d左右VEA濃度突然升高，并在第260 d左右VEA濃度大幅度上升，并分別達到13.45 mmol/L和16.67 mmol/L，超過了反應器的酸化警戒值12.5 mmol/L，并處于仍在下降的趨勢中，在第265 d，反應器R1和R2的VEA濃度分別達到18.78 mmol/L和19.77 mmol/L（見圖5）。UASB反應器突然酸化，這主要是因為:①系統容積負荷過高使反應過程中的VEA積累，進而使反應器中的p H值降低，p H值低于6.5后甲烷菌的生長代謝和對氫的利用受到抑制，產氫產乙酸菌也就不能正常降解丙酸、丁酸和乙醇等，更加快了反應器中VEA積累；②末期反應器開始酸化后，產生的VEA主要以丙酸和丁酸組成［17］，非離子狀態的酸會抑制微生物的活性［18］，張波等［19］的研究還表明餐廚垃圾和剩余污泥都含有大量的蛋白質，而蛋白質分解形成氨，當游離氨大量積累時具有很強的毒性，會抑制產甲烷菌的生長；③第250 d時由于混合液中酸性物質過多，緩沖溶液不夠，使進水呈弱酸性，更是加速降低了整個反應器內的p H值，雖然立即增加了緩沖溶液調整，但此時酸化已不可逆。結合這些原因，可以推斷UASB反應器中形成了惡性循環并最終導致系統迅速酸化。

圖4　處理階段UASB反應器出水p H值的變化情況Eig.4 Variation of p H with time in processing phase

圖5　處理階段UASB反應器出水VEA濃度的變化情況Eig.5 Variation of VEA with time in processing phase

2.3處理階段沼氣產量及其甲烷含量的變化

厭氧消化處理階段UASB反應器沼氣產量的變化情況見圖6。

圖6　處理階段UASB反應器沼氣產量的變化情況Eig.6 Variation of biogas production with time in processing phase

由圖6中可以看出:UASB反應器R1和R2的沼氣產量基本上隨著容積負荷的提高而增加，且第160 d以前兩個UASB反應器的沼氣產量都在穩步上升，第160 d后反應器R2中的微生物數量減小，導致其沼氣產量大減，降至4.09 L/d，經過十多天的恢復，其沼氣產量又上升到正常水平，但后期其沼氣產量一直略低于反應器R1；在第240 d左右，兩個UASB反應器沼氣產量達到最大，反應器R1和R2的沼氣產量分別為21.19 L/d和19.05 L/d，此時容積負荷為16.0 gCOD/（L·d），隨后雖然容積負荷有所提升，但沼氣產量卻沒有相應提高，分析可能此時VEA過度積累，p H值下降，產甲烷菌受到抑制，所以沼氣產量也急劇下降；直到第264 d左右，反應器R1和R2的沼氣產量相繼為零，此時兩個反應器均酸化。

厭氧消化處理階段兩個UASB反應器所產氣體中甲烷含量的變化情況見圖7。

圖7　處理階段UASB反應器所產氣體中甲烷含量的變化情況Eig.7 Variation of methane content with time in processing phase

由圖7可以看出:在厭氧消化初期，兩個反應器所產氣體中的甲烷含量都較低，隨著產甲烷菌對餐廚垃圾和剩余污泥混合液的不斷適應，所產氣體中甲烷含量也逐漸提高，基本在42%～57%之間波動，且波動較頻繁，與容積負荷無明顯關系，可能與混合液的各組分含量有關［20］。

3　討 論

3.1合并處理的優勢

吳陽春［21］的研究表明，餐廚垃圾單獨處理時，在進水有機物濃度為12.0 gCOD/L時，沼氣產量達到最大，為16.5 L/d，相應的產甲烷量為8.10 L/d。本試驗中在容積負荷為16.0 gCOD/（L·d）時，UASB反應器R1和R2的沼氣產量達到最大，分別為21.19 L/d和19.05 L/d，相應的產甲烷量分別為11.65 L/d和10.29 L/d，經對比分析可知，相對于餐廚垃圾單獨處理，加入剩余污泥后的合并處理容積負荷提高了33.3%，沼氣產量提高了21.9%，甲烷含量提高了35.4%。

戴前進等［22］的研究表明，剩余污泥的消化性能差、產氣率低，不適合單獨厭氧消化。而本試驗將餐廚垃圾和剩余污泥合并處理，在水力停留時間為24 h的條件下，COD去除率就可以穩定在90%以上，這說明剩余污泥中加入餐廚垃圾之后，有機物降解更充分，消化性能更好。

3.2產氣模型的建立

對有機物進行厭氧生物降解是一個復雜的過程，不僅包括微生物作用，還包括生物化學作用。厭氧生物動力學就是把這種復雜的厭氧消化過程用簡單明了的數學表達式加以描述。一個好的厭氧生物動力學模型能準確地預測出試驗結果，并且可為系統的運行和維護提供參考依據，能較好地提高系統的穩定性及處理效率，大大減少系統的運行費用。

為了便于建立厭氧生物動力學模型，需考察主要因素對有機物降解與甲烷產量的影響，從而建立起相對簡便有效的產氣模型。在對UASB反應器進行具體分析之前，需先做以下幾點假設:①UASB反應器在整個運行過程中始終處于穩定狀態；②待處理的餐廚垃圾和剩余污泥混合液中不含具有活性的微生物，剩余污泥只作為基質為反應器內的厭氧微生物提供有機物，且廢液中的有機物均溶于水中；③UASB反應器內的微生物一直處于對數增殖期，厭氧顆粒污泥均質增長，密度均勻；④UASB反應器內有機物經過微生物降解后所產生的氣體全部視為甲烷。

在反應器理論與Monod方程的基礎上，經過一定假設和詳細分析后，根據實測數據對其進行擬合，確定相應的模型中的待求參數，可得到產氣模型如下:

將求得的產氣模型與反應器R1和R2厭氧消化處理階段的實測數據進行誤差分析，結果顯示反應器穩定運行時，反應器R1和R2的相對誤差分別為0.54%～6.35%和0.05%～4.93%，說明該模型可信度高，可作為工程運用的參考依據。

4　結 論

（1）在中溫試驗條件下，采用UASB反應器對餐廚垃圾和剩余污泥進行合并厭氧消化處理是連續穩定可行的，在容積負荷為16 gCOD/（L·d）時，沼氣產量最大，COD去除率較高，建議在此負荷運行，且運行過程中應隨時檢測并控制進水p H值，以防止因進水酸化導致反應器酸化。

（2）將餐廚垃圾和剩余污泥合并處理優于單獨處理，可以提高容積負荷和沼氣產量；污泥中難降解的有機物加入餐廚垃圾中易處理的有機物后，有利于前者的處理。

（3）基于Monod方程的產氣模型，與UASB反應器穩定運行時的實際產氣量相對誤差基本小于

5%，可信度高，能夠較好地預測餐廚垃圾和剩余污泥合并處理過程中的甲烷產量。

［1］胡新軍，張敏，余俊鋒，等.中國餐廚垃圾處理的現狀、問題和對策［J］.生態學報，2012，31（14）:4575-4584.

［2］廖選停，盛健.城市污泥處理處置及綜合利用研究現狀與建議［J］.安全與環境工程，2006，13（2）:62-65.

［3］王延昌，袁巧霞，謝景歡，等.餐廚垃圾厭氧發酵特性的研究［J］.環境工程學報，2009，3（9）:1677-1682.

［4］占美麗，董蕾，孫英杰，等.青島市餐廚垃圾與菜市場垃圾混合高溫厭氧消化研究［J］.環境工程學報，2013，7（5）:1945-1950.

［5］Pei Z J，Liu J，Shi E M，et al.High-solid anaerobic co-digestion of food waste and rice straw for biogas production［J］.Journal of Northeast Agricultural University，2014，21（4）:61-66.

［6］Sosnowski P，Wieczorek A，Ledakowicz S.Anaerobic co-digestion of sewage sludge and organic fraction of municipal solid wastes［J］.Advancesin Environmental Research，2003，7:609-616.

［7］王永會，趙明星，阮文權.餐廚垃圾與剩余污泥混合消化產沼氣協同效應［J］.環境工程學報，2014，8（6）:2536-2541.

［8］高瑞麗，嚴群，阮文權.添加廚余垃圾對剩余污泥厭氧消化產沼氣過程的影響［J］.生物加工過程，2008，6（5）:31-35.

［9］Laffitte T S，Eoster C E.Dual anaerobic co-digestion of sewage and confectionery water［J］.Bioresource Technology，2000，71: 77-82.

［10］Demirekler E，Anderson G K.Effect of sewage sludge addition on the start-up of anaerobic of OEMSW［J］.Environmental Technology，1998，19:837-843.

［11］韓青青.常溫條件下UASB反應器對苯酚的降解研究［D］.長沙:湖南大學，2005.

［12］李東，孫永明，袁振宏.食物垃圾和廢紙聯合厭氧消化產甲烷［J］.環境科學學報，2005，25（5），665-668.

［13］魏復盛.水與廢水監測分析方法［M］.第3版.北京:中國環境科學出版社，1989.

［14］任南琪，王愛杰，馮玉杰，等.厭氧生物技術原理與應用［M］.北京:化工工業出版社，2004.

［15］馬隨濤.一種簡易的沼氣中甲烷含量的測定裝置和測定方法［J］.新農村（黑龍江），2012（2）:125.

［16］朱亞蘭，張文陽，王鳳，等.城市可生化垃圾與厭氧剩余污泥混合厭氧消化研究［J］.工業安全與環保，2008，34（7）:9-11.

［17］張波，史紅鉆，張麗麗，等.p H對廚余廢物兩相厭氧消化中水解和酸化過程的影響［J］.環境科學學報，2005，25（5）:665-669.

［18］Babel S，Eukushi K，Sitanrassamee B.Effect of acid speciation on solid waste liquefaction in anaerobic acid digester［J］.Water Research，2004，38:2417-2423.

［19］張波，徐劍波，蔡偉民.有機廢物厭氧消化過程中氨氮的抑制性影響［J］.中國沼氣，2003，21（3）:26-29.

［20］李曉風.油脂對餐廚垃圾厭氧消化抑制效應的試驗研究［D］.重慶:重慶大學，2010.

［21］吳陽春.餐廚垃圾廢水中溫厭氧消化試驗研究［D］.長沙:湖南大學，2011.

［22］戴前進，李藝，方先金.城市污水處理廠剩余污泥厭氧消化試驗研究［J］.中國給水排水，2006，22（23）:95-98.

Study on the Co-digestion of Kitchen Wastes and Residual Sludge in UASB Reactors

KE Shuizhou1，ZHAO Een1，LI Qiang2
（1.College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China；2.China Machinery International Engineering Design and Research Institute Co.，Ltd.，Changsha 410082，China）

This paper uses kitchen wastes and residual sludge as the raw material to conduct continuous anaerobic digestion in UASB reactors under the condition of the medium temperature（35℃±2℃）.In the anaerobic co-digestion process，the paper monitors chemical index changes of p H value，COD，volatile fatty acids（VEA）in digested liquid and gas production.The results show that the anaerobic digestion is stable and feasible；the maximum organic load of the mixture system achieves 17.0 gCOD/（L·d）.When the load is 16.0 gCOD/（L·d），the maximum gas productions of the two reactors（R1and R2）reach 21.19 L/d and 19.05 L/d，of which the methane production is 11.65 L/d and 10.29 L/d respectively.The paper applies Monod equation to establishing the gas dynamic model，which proves high credibility for the relative error of the gas production between the test and the simulation is within 5%.

kitchen wastes；residual sludge；co-digestion；UASB reactor；organic load；volatile fatty acids

X799.3

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.010

1671-1556（2015）05-0059-05

2015-02-02

2015-03-10

柯水洲（1964—），男，碩士，教授，主要從事給水與廢水處理技術等方面的研究。E-mail:szkyr@126.com