污泥厭氧消化產沼性能強化的工程措施研究＊

申世峰，郭興芳，顧 淼，李 勱，熊會斌

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300074）

1 引言

截至2019 年底，城鎮污水處理廠干污泥產生量達到1.163×107t 左右［1］。污泥作為污水中大部分污染物的載體，必須進行合理處理和處置。厭氧消化可降解污泥中的有機物同時產生沼氣，是實現污泥減量化、穩定化及能源化，提升污水處理廠碳補償和碳減排能力的重要技術措施。

我國污水處理廠污泥有機物含量普遍偏低，遠低于國外75%～85%的平均有機物含量，且季節性波動大，導致傳統厭氧消化存在有機物降解率低、產氣量低等問題［2-3］，限制了厭氧消化技術的應用。近年來，為解決厭氧消化技術的應用瓶頸，常采用物理化學等手段對污泥進行預處理促進細胞破解，其中熱堿聯合預處理具有操作簡便、預處理效果好等優點，具有廣泛的應用前景［4］。此外，通過污泥與餐廚垃圾聯合厭氧消化處理，可提高厭氧消化效率，更高效地回收沼氣并產生經濟效益［5］，成為提升厭氧消化性能的重要措施。但對于污泥熱堿預處理的堿投加量、污泥與餐廚垃圾協同處理投配比等關鍵控制因素對厭氧消化性能的影響研究仍不充分或研究結論不一致［6-7］，無法很好地支撐技術工程應用。為此，本研究首先考察污泥有機物含量對厭氧消化性能的影響，及采用污泥預處理、污泥與餐廚垃圾協同處理措施對厭氧消化性能的提升效果，并對堿投加量、污泥與餐廚垃圾投配比等關鍵參數進行優化，旨在為污泥厭氧消化系統效能提升及技術的工程應用提供技術參考。

2 材料與方法

2.1 試驗裝置

采用完全混合式厭氧反應器，有效池容為14 L，包括反應罐、攪拌機、水熱夾套、熱水循環泵、濕式防腐氣體流量及pH 和溫度實時監控探頭等，進出樣采用蠕動泵。反應裝置見圖1。反應器直接加入某厭氧消化工程消化污泥，消化污泥總固體（TS）和揮發性固體（VS）含量為6.17 g/L 和3.09 g/L，含水率為91.22%。

圖1 厭氧消化試驗裝置Figure 1 Equipment of anaerobic digestion reactor

2.2 試驗材料

試驗所用污泥為北方某城市污泥處理工程的進泥，該進泥為城區4 座污水處理廠脫水后的混合污泥，所用餐廚垃圾取自單位食堂，主要包括剩米飯、蔬菜和肉類等，分揀雜質后靜沉除油，經食物粉碎機粉碎至粒徑1～2 mm 顆粒，放置冰箱保存待用，污泥和餐廚垃圾基本性質見表1。

表1 污泥和餐廚垃圾性質Table 1 The characteristics of sludge and kitchen waste

2.3 試驗方法

2.3.1 污泥厭氧消化試驗

采用厭氧反應器開展污泥直接厭氧消化試驗，試驗期間污泥有機物含量為44.00%～68.00%，進料含固率為9.3%～11.7%，厭氧反應器投泥負荷（以VS 計）為2.29～3.30 kg/（m3·d），消化溫度為（35.0±0.3）℃，時間為22 d。

2.3.2 污泥預處理

向錐形瓶中加入同等質量污泥，并置于恒溫水浴鍋或高壓鍋中分別進行熱處理、熱堿處理、熱水解及熱堿水解預處理，具體處理參數見表2。

表2 不同預處理方法處理參數Table 2 Processing parameters of different pretreatment methods

2.3.3 污泥熱堿水解試驗

向錐形瓶中加入同等質量污泥和不同質量NaOH，NaOH 投加量（以VS 計）為0.02～0.12 g/g，然后置于高壓鍋中進行熱堿水解預處理，反應壓力、溫度及時間分別控制在0.14 MPa、124 ℃及45 min。

2.3.4 污泥餐廚垃圾協同消化試驗

首先在不同燒杯中加入不同投配比下的污泥和餐廚垃圾，充分混勻后考察不同投配比下混合物料的性質，其中投配比按照污泥與餐廚垃圾的VS 含量計。而后采用厭氧反應器，選擇典型投配比開展協同消化試驗，進料前保證物料充分混合均勻，進料含固率為11.2%～12.0%，厭氧消化反應器投料負荷為3.02～3.69 kg/（m3·d），消化溫度和時間為（35.0±0.3）℃和22 d。

2.3.5 不同措施下連續運行試驗

采用兩個平行運行的厭氧反應器，分別開展污泥預處理單獨厭氧消化和污泥預處理后與餐廚垃圾協同厭氧消化連續試驗，試驗期間污泥和餐廚垃圾有機物含量為55.76%～57.83% 和86.22%～91.11%，進料含固率為9.3%～11.0%。污泥預處理采用加堿熱水解，控制反應壓力、溫度、堿投加量（以VS 計） 和時間分別為0.11～0.14 MPa、120～124 ℃、0.05～0.08 g/g 和45～60 min。污泥單獨厭氧消化時投料負荷（以VS 計）為2.31～2.96 kg/（m3·d），污泥和餐廚垃圾協同消化時投料負荷（以VS 計）為3.14～3.55 kg/（m3·d），污泥和餐廚垃圾投配比為1∶1～3∶4（以VS 計），消化溫度和時間均為（35.0±0.3)℃和22 d。

2.4 分析方法

含水率、TS 和VS 檢測采用重量法；pH 采用電極法測定；揮發性脂肪酸（VFA）采用蒸餾后滴定法；堿度采用電位滴定法［8］；SCOD 采用重鉻酸鉀法；脂肪采用酸水解法［9］；蛋白質采用凱氏定氮法；碳水化合物采用蒽酮-硫酸法［10］。

3 結果與討論

3.1 污泥有機物含量對厭氧消化性能影響

不同污泥有機物含量對厭氧消化性能的影響如圖2 所示。

圖2 不同有機物含量下厭氧消化性能Figure 2 Performance of anaerobic digestion under different organic content

3 組試驗進泥含固率為9.3%～11.7%，穩定運行期間，厭氧消化系統的pH 和VFA/堿度分別為6.81～7.27 和0.01～0.05。由圖2 可知，隨著污泥有機物含量降低，厭氧消化系統有機物降解率和產氣量顯著下降，有機物含量由61.69%～67.44% 降低至52.01%～60.14% 和44.00%～46.55% 時，厭氧消化系統有機物降解率平均降低21.5% 和40.4%，單位物料產氣量平均降低59.5%和82.4%，去除單位有機物產氣量平均降低26.8% 和42.3%。可知，有機物含量是影響污泥厭氧消化性能的關鍵因素，是導致我國大部分厭氧消化系統不能正常運行的主要原因之一［11］。

3.2 不同預處理對污泥有機物溶出效果影響

熱處理、熱堿處理、熱水解及熱堿水解4 種預處理方法下污泥有機物溶出效果如圖3 所示。4種預處理方式處理后，SCOD 濃度分別提高35.44%、39.16%、57.77%及68.93%，蛋白質和碳水化合物的溶出規律與SCOD 相似，溶解性蛋白質分別提高14.63%、19.51%、21.95% 及43.90%，溶解性碳水化合物分別提高74.30%、109.51%、126.06%及133.96%。其中熱水解和加堿聯合預處理效果最好，高溫條件下污泥絮體結構解體、微生物細胞破碎，絮體內部及表面的胞外聚合物溶解，胞內有機物被釋放，液相中的SCOD 、蛋白質、碳水化合物含量增加。堿的加入提高了污泥的pH 環境，可降低微生物細胞對溫度的抵抗力，增大污泥破解率，促使蛋白質、核酸及糖類物質水解或分解，進一步促進有機物溶出。

圖3 不同預處理方法下SCOD、蛋白質和碳水化合物的溶出效果Figure 3 The dissolution effect on SCOD,protein and carbohydrates with different pretreatment methods

3.3 不同堿投加量對污泥熱堿水解效果影響

進一步考察堿投加量對熱堿水解預處理有機物溶出效果的影響，如圖4 所示。反應壓力、溫度和時間分別為0.14 MPa、124 ℃和45 min，堿投加量（以VS 計）由0.02 g/g 提升至0.10 g/g 時，有機物溶出效果逐步提升，SCOD、溶解性蛋白質和溶解性碳水化合物含量提升倍數分別達到122.8%、84.2%、206.3%。繼續增加堿投加量，有機物溶出效果反而降低，主要由于高堿投加量會導致有機物的炭化現象發生。

圖4 不同堿投加量對熱堿水解預處理有機物溶出效果的影響Figure 4 The effect of different alkaline dosage on the dissolution effect of organic matter by alkaline-thermal hydrolysis pretreatment

3.4 污泥與餐廚垃圾協同厭氧消化

污泥和餐廚垃圾投配比是影響協同厭氧消化性能的關鍵因素，不同污泥與餐廚垃圾投配比例下混合物料性質如圖5 所示。

圖5 不同污泥和餐廚垃圾投配比（按VS 計）下混合物料性質Figure 5 Properties of mixtures with different sludge and kitchen waste dosage ratios （calculated by VS）

隨著餐廚垃圾投配量增加，混合物料有機物含量由44.04%提升至81.39%；有機物組成中碳水化合物和蛋白質占比變化較大，其中碳水化合物占比由22.28% 提升至56.24%，蛋白質占比由51.85%降低至26.18%，投配比為3∶2～3∶4 時脂肪占比相對較高，為10.58%～11.88%。此外由于餐廚垃圾pH 較低，隨著餐廚垃圾投配量增加，混合物料pH 由6.60 降低至4.91。污泥與餐廚垃圾混合可提高有機物含量、改善C/N、調節有機物構成，促進營養物質比例平衡。

不同投配比下協同厭氧消化性能如圖6 所示。不同投配比下厭氧消化系統的pH 和VFA/堿度分別為7.10～7.31 和0.01～0.06，均保持在適宜的范圍內［12］，陳恒寶等［13］的研究表明兩者協同處理能夠克服單獨厭氧消化的缺點，提高系統緩沖能力和運行穩定性。穩定運行期間，投配比為1∶1～3∶4時協同厭氧消化效果最佳，單位物料平均產氣量和去除單位有機物平均產氣量（以VS 計）分別為41.69～42.36 m3/m3和0.98～1.01 m3/kg，相比5∶2 的投配比，分別提高94.9%～98.0%和38.3%～41.9%。王永會等［14］的研究也表明餐廚垃圾與污泥混合比例為1∶1 時（以VS 計），混合消化系統脫氫酶和輔酶活性最高，產甲烷潛力最佳。

圖6 不同污泥和餐廚垃圾投配比（按VS 計）下協同厭氧消化性能Figure 6 Co-digestion performance with different sludge and kitchen waste dosage ratios （calculated by VS）

3.5 不同措施下連續穩定運行效果

污泥熱堿水解預處理厭氧消化和污泥預處理后與餐廚垃圾協同厭氧消化運行效果如表3 所示。通過污泥預處理、污泥與餐廚垃圾協同處理措施，可提升厭氧消化系統有機物降解率和產氣性能，與有機物含量為52.01%～60.14% 和61.69%～67.44% 時單純污泥厭氧消化相比，厭氧消化系統平均有機物降解率分別提高28.4% 和137.4%，單位物料平均產氣量分別提高68.3% 和459.0%，去除單位有機物平均產氣量分別提高20.4%和90.4%。

表3 不同措施下厭氧消化系統穩定運行效果Table 3 Stable operation effect of anaerobic digestion system under different measures

4 結論

1） 有機物含量是影響污泥厭氧消化性能的關鍵因素，污泥有機物含量由61.69%～67.44% 降低至52.01%～60.14% 和44.00%～46.55% 時，系統有機物降解率平均降低21.5%和40.4%，去除單位有機物產氣量平均降低26.8%和42.3%。

2） 熱水解和堿聯合預處理有利于促進污泥絮體結構解體和微生物細胞破碎，促使蛋白質、碳水化合物等有機質溶出，大幅增加液相SCOD、蛋白質、碳水化合物含量，且堿投加量（以VS 計）宜控制在0.02～0.10 g/g。

3） 污泥與餐廚垃圾協同處理可提高有機物含量、改善C/N、調節有機物構成，可提高厭氧消化系統緩沖能力和運行穩定性，且污泥和餐廚垃圾投配比（以VS 計）為1∶1～3∶4 時協同厭氧消化效果最佳。

4）通過污泥熱堿水解預處理、與餐廚垃圾協同消化措施可提高污泥厭氧消化性能，其中有機物降解率分別提高28.4% 和137.4%，去除單位有機物平均產氣量分別提高20.4%和90.4%。