剩余污泥和糞便厭氧消化產氣潛能研究

韓文彪， 王毅琪， 徐 霞， 趙玉柱， 陳 灝

(1.中科院生態環境研究中心鄂爾多斯固體廢棄物資源化工程技術研究所， 內蒙古 鄂爾多斯 017000； 2.鄂爾多斯市城市礦產研究開發有限責任公司， 內蒙古 鄂爾多斯 017000； 3.中國科學院生態環境研究中心， 北京 100085)

剩余污泥和糞便厭氧消化產氣潛能研究

韓文彪1,2， 王毅琪1,2， 徐 霞1,2， 趙玉柱1,2， 陳 灝1,3

(1.中科院生態環境研究中心鄂爾多斯固體廢棄物資源化工程技術研究所， 內蒙古 鄂爾多斯 017000； 2.鄂爾多斯市城市礦產研究開發有限責任公司， 內蒙古 鄂爾多斯 017000； 3.中國科學院生態環境研究中心， 北京 100085)

文章選取污泥和糞便作為研究對象，進行中溫批量厭氧消化對照試驗。結果表明：污泥和糞便的原料產氣潛能分別為27.3 m3·t-1和4.1 m3·t-1，糞便和污泥厭氧發酵周期較短。以糞便和污泥作為厭氧消化原料的發酵過程中，酸化現象不明顯，較快進入產甲烷階段，發酵后期pH值和氨氮值升高。糞便COD，TS，VS產氣率分別為0.16 m3·kg-1COD，0.14 m3·kg-1TS和0.24 m3·kg-1VS，污泥COD，TS，VS產氣率分別為0.36 m3·kg-1COD，0.55 m3·kg-1TS和0.62 m3·kg-1VS。

污泥； 糞便； 厭氧消化； 產氣潛能

城市污水處理廠的污泥和糞便是城市有機廢棄物的重要來源，隨著城市人口的增多及高度集中，污泥和糞便的產量不斷增加[1-3]。污水廠的剩余污泥不僅含有大量有機質和N，P，K等營養元素，而且還含有許多厭氧消化細菌，因此具有很好的發酵特性，最主要的是剩余污泥C/N相對較低[4-5]。污泥和糞便的后處理已經成為嚴重的環境包袱，如若處理不當，會對城市環境衛生造成很大危害，影響居民的生活和健康[6-7]。厭氧消化技術能夠實現有機廢棄物污染防治和綜合利用的雙重目標，達到減量化、無害化、資源化的環保目標[8]。筆者試驗通過中溫批量厭氧消化實驗，初步研究污泥和糞便產沼氣性能，為二者處理提供了一條可行的途徑，并為其厭氧發酵工程化、產業化提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗原料與接種污泥

試驗用糞便取自某垃圾處理廠糞便卸料處，主要為公廁和化糞池渣液(TS=0.61%)，使用時為了提高固形物含量，物料經蒸發濃縮備用；污泥取自某污水處理廠脫水污泥(TS=14.12%)，經膠體磨加水制漿后備用；接種污泥為本實驗室厭氧消化后的沼液。發酵底物和接種污泥物料特性見表1。

表1 發酵物料和接種污泥物料特性

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗裝置

所用實驗裝置為自制排水厭氧發酵裝置，主要由厭氧發酵瓶、排水集氣瓶、積水計量瓶組成(體積均為1 L)。發酵瓶與集氣瓶瓶口均用帶有玻璃導管的、適宜大小的橡膠塞密封，瓶與瓶之間用橡膠管連接。將連接好的發酵裝置放置于恒溫水浴箱，溫度控制在35℃±1℃。每天晃動攪拌兩次(8:00,18:00)，定時測定產氣量，每3 d取樣測定發酵液指標，根據情況測定氣體成分。

1.恒溫水浴箱； 2.取樣口； 3.發酵瓶； 4.儲氣瓶； 5.橡膠塞； 6.導管； 7.儲水瓶圖1 厭氧消化實驗裝置

1.2.2 分析項目及測定方法

實驗的主要分析項目如下[9]：TS(固含率)，使用烘箱以105℃～110℃的溫度， 烘干24 h至恒重后測定；VS(揮發性固體)，將烘干后的物料用馬弗爐以550℃灼燒1 h，前后質量差值即為VS；氨氮，采用凱氏定氮法進行測定；pH值，采用pH計進行測定(5-3C型pH測定儀)；COD，采用重鉻酸鉀法進行測定；氣體成分，氣相色譜法(GC112A氣象色譜儀)；氣體體積，排水法。

1.2.3 試驗設計

試驗以脫水污泥和糞便為原料，采用濕式中溫厭氧發酵工藝，研究各自產特性變化和沼氣潛能，發酵周期為40 d，溫度為35℃±1℃。試驗設置污泥組、糞便組，同時設置一個空白參比組(只有菌種)，每個實驗組設兩組平行，每天攪拌兩次(8:00和18:00)，每次3 min。每天量取產氣體積，不產氣時發酵結束。

2 結果與討論

2.1 對pH值的影響

厭氧發酵pH值變化是生物菌群厭氧消化、氣液兩相間CO2平衡、液相內酸堿平衡以及固液兩相溶解平衡共同作用的結果[10]。由圖2可知，在整個厭氧消化過程中，各組pH值都呈先下降后緩慢上升的趨勢，糞便和污泥最高值出現在第33天，分別為7.93和7.85。糞便組從第9天起，pH值都大于7.5，超出了厭氧消化器正常運行時的適宜值[11]。造成pH值變化的主要原因是，實驗開始后由于產酸菌的作用使可溶性有機物被轉化為多種酸性物質，主要為VFA，且此時產酸的速度大于它被產甲烷菌利用而產氣的速度，發酵罐的酸性物質逐漸增多，造成算積累，pH值呈下降趨勢；待產甲烷菌逐漸適應，消化逐漸穩定后,產酸作用與產甲烷作用達到動態平衡，pH逐漸上升[12]。

圖2 厭氧消化過程中pH值的變化

圖3 厭氧消化過程中日產氣量的變化

2.2 對產氣量的影響

日產氣量見圖3，累積產氣量結果見圖4。由圖3可知，3組日產氣量走勢相似，發酵初期產氣量隨發酵時間逐漸升高，之后產氣量相對穩定，隨后產氣量隨發酵時間逐漸減少直至不產氣。污泥各檢測點日產氣量都大于糞便。三組的產氣高峰都出現在第8天，對照為343.8 mL，糞便為562.5 mL，污泥為645.8 mL。由圖4可知，試驗結束后，對照、糞便和污泥累計產氣量分別為2970.2 mL，5834.0 mL，8821.3 mL。減去對照，糞便和污泥的凈累計產氣量分別為2870.8 mL，5972.9 mL。

圖4 厭氧消化過程中累積產氣量的變化

2.3 對甲烷含量的影響

沼氣中甲烷含量的多少直接關系到沼氣的品質。通常甲烷的含量在50%～70%，二氧化碳在30%[13]。由圖5可知，以糞便、污泥作為底物，厭氧發酵系統較快進入穩定狀態，發酵從第9天起開始，沼氣甲烷含量達70%以上，且隨著發酵時間，甲烷含量逐漸升高，并持續到發酵結束，表明厭氧系統處于穩定狀態。各實驗組甲烷含量峰值分別為菌種81.48%，糞便79.5%，污泥79.32%。

圖5 厭氧消化過程中甲烷含量的變化

2.4 對氨氮的影響

在厭氧消化的過程中，氮的平衡是非常重要的因素，由于細胞的增殖很少，故只有很少的氮轉化為細胞，大部分可生物降解的氮都轉化為消化液中的氨氮，因此消化液中氨氮的濃度都高于進料中氨氮的濃度[14-15]。畢東蘇[16]等通過試驗證明，在污泥發酵系統中總氮的損失是以氨態氮的揮發為主。

厭氧消化過程中氨氮的變化如圖6所示，由于糞便是富氮原料，原料中氨態氮濃度較大，COD含量較低，在厭氧消化過程中發酵液氨態氮濃度大于污泥組發酵液氨態氮濃度，但污泥組發酵液氨態氮濃度隨著發酵時間逐漸升高，發酵結束時氨氮濃度達到1786.32 mg·L-1。厭氧發酵實驗發現，在中溫時，隨著氨氮濃度的提高，消化狀況逐漸惡化。氨氮濃度升高抑制了產甲烷菌的活動，這就阻礙了乙酸、進而丙酸的充分降解，從而造成有機酸積累的后果。對于氨氮在厭氧消化過程中產生抑制性的原因，不同的研究者有不同的結論。但大多數研究者認為離子化的NH3是氨氮產生抑制性的主要原因[17]。

圖6 厭氧消化過程中氨氮的變化

2.5 對COD的影響

不同物料對厭氧消化COD的影響如圖7所示，由圖可知,在發酵過程中，各處理的COD曲線隨著發酵時間的變化而上下波動，總體來看，各實驗組的COD均呈現下降，但下降趨勢不是很大。主要是隨著發酵的進行，有機質不斷分解，并且以甲烷的形態釋放出來，因此造成COD下降[18]。

圖7 厭氧消化過程中COD的變化

2.6 對TS和VS的影響

不同物料下的TS與VS去除率如圖8所示。厭氧發酵結束后，各處理的TS和VS去除率均有很大的變化，其中污泥的TS和VS去除率最大，分別為47.19%，55.93%；糞便的TS和VS去除率次之，分別為35.06%，47.18%；菌種的TS和VS去除率分別為9.89%和6.19%。因此，總體來看，糞便和污泥進行厭氧發酵可以有效進行減量化，是其無害化處理的有效途徑。

圖8 厭氧消化TS和VS的降解率

3 結論

結果表明，以糞便、污泥為原料進行中溫厭氧消化，其厭氧系統酸化現象不明顯，可以較快進入穩定狀態，直至產氣結束，沼氣甲烷含量相對較高，糞便組甲烷含量最高79.5%，污泥組甲烷含量達79.32%。 糞便COD，TS，VS產氣率分別為0.16 m3·kg-1COD，0.14 m3·kg-1TS和0.24 m3·kg-1VS，污泥COD，TS，VS產氣率分別為0.36 m3·kg-1COD，0.29 m3·kg-1TS和0.62 m3·kg-1VS。經計算，污泥和糞便的原料產氣潛能分別為27.3 m3·t-1，4.1 m3·t-1。由于筆者試驗所用糞便主要為化糞池渣液，部分有機物已被降解，因此，試驗糞便產氣率比新鮮糞便產氣率[19]相對較低。

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Biogas Production of Excess Sludge and Excrement /

HAN Wen-biao1,2, WANG Yi-qi1,2, XU Xia1,2, ZHAO Yu-zhu1,2, CHEN Hao1,3/

(1.Ordos Institute of Solid Waste Technology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Ordos 017000, China； 2.Ordos Urban Mining Research and Development Co Ltd, Ordos 017000,China； 3.Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China)

Under the temperature of 35 ℃, excess sludge and excrement were taking as raw materials for anaerobic digestion. The results showed that the biogas production potential of the sludge and excrement were 27.3 m3·t-1and 4.1 m3·t-1respectively, and the digestion period of both raw material were short. The acidification of the sludge and excrement were not obvious, and anaerobic digestion device operated normally, the pH and ammonia nitrogen increased during the later the fermentation period. The gas yield of excrement were 0.16 m3·kg-1COD， 0.14 m3·kg-1TS and 0.24 m3·kg-1VS respectively, and that for sludge were 0.36 m3·kg-1COD，0.55 m3·kg-1TS and 0.62 m3·kg-1VS respectively.

sludge; excrement; anaerobic digestion; gas production potential

2015-12-16

2015-12-24

項目來源： “十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAC25B03)

韓文彪(1986-)，男，漢族，內蒙古烏蘭察布市人，工程師，研究方向為城市有機廢棄物處置與利用， E-mail：13664875366@163.com

S216.4; X705; X713

A

1000-1166(2017)01-0049-04