1、城市可生化垃圾与厌氧剩余污泥混合厌氧消化研究城市可生化垃圾与厌氧剩余污泥混合厌氧消化研究2009-06-09环卫科技网作者:朱亚兰张文阳王凤等摘要:试验研究了不同有机负荷下，城市可生化垃圾与城市污水处理厂厌氧剩余污泥混合物中温厌氧消化。试验结果表明，有机负荷以VS计算为0.5g/(Ld)和1.0g(Ld)的消化试验，酸化过程可逆，酸化低值点分别为6.08和5.18，最高甲烷气体积分数分别为81%、77%。有机负荷高于1.5g/(Ld)的消化系统酸化过程不可逆，系统出现VFA积累，形成酸抑制。酸化低值点随有机负荷增大降低。所有有机负荷的氨氮质量浓度在试验过程中持续缓慢上升。有机负荷越高，系统氨氮
2、质量浓度越高。关键词:城市生活垃圾;有机负荷;厌氧消化厌氧消化是一种有效的、经济的废物处理技术，是发达国家处理城市可生化垃圾的主要手段之一。影响厌氧消化过程的因素有许多，其中pH值和有机负荷是影响厌氧消化的重要环境因素和基础因素。在合成乙酸废水厌氧消化试验中，比较试验初始pH值为7和4.5的消化过程发现，pH为4.5的消化过程较长，甲烷的产量可增加30%。对城市可生化垃圾的厌氧试验pH测试表明，控制pH值为7左右，可得到最大的甲烷产量。由于pH变化会使发酵细菌的代谢途径发生变化。某些试验通过控制不同的pH条件，以获得不同的有机酸产物。当pH从5变到7时，其有机酸在厌氧过程中的主要产物从丁酸逐渐
3、向乙酸和丙酸转变。有机负荷的增减，会影响到消化系统的产气量和处理程度。研究表明，较高的有机负荷可获得较大的产气量。厌氧消化系统的pH值与有机负荷存在着相互作用、相互制约的关系。Bernd在对土豆生产过程中产生的废物厌氧消化中发现，逐渐增加消化系统的有机负荷，将破坏厌氧过程的稳定性，导致系统甲烷产量逐步降低，直至厌氧过程的稳定性被彻底破坏。D.F.lango等对城市垃圾和居民污水混合物进行厌氧消化研究表明，有机负荷以VS计算为2.9kg(m3d)的消化系统对TS、VS、COD的去除率较高，甲烷产量也最高，且整个消化过程中，pH值一直在厌氧菌适宜的范围内变化。Comez等在有机垃圾与市政污泥厌氧消
4、化试验中，有机负荷以VS计算可达到3.3kg/(m3d)，pH值可在适宜甲烷菌活动的范围内变化。进一步增加有机负荷，将破坏厌氧系统的稳定性，产甲烷量下降。这与付胜涛等的研究结果一致。试验研究的目的是在试验所设定的周期内，探讨在不同有机负荷条件下，厌氧消化水解酸化过程的可逆与不可逆条件，以及相关因素的变化情况。考虑到城市污水处理厂剩余厌氧消化污泥中的微生物量大的特点，将其作为厌氧消化微生物供体，来处理城市可生化垃圾。1研究方法1.1试验方法试验所用的原料为城市可生化垃圾与城市污水处理厂厌氧剩余污泥。城市可生化垃圾主要来自西南交通大学北园生活区垃圾场，厌氧剩余污泥取自成都市三瓦窑污水处理厂。城市可
5、生化垃圾与污泥性质见表1。设计6组试验，见表2。表中，有机负荷、可生化垃圾以及接种物量以VS计算，固含量以7S计算。表1城市可生化垃圾与污泥性质%表2试验设计注:1#-4#消化试验采样时间为2007-05;5#-8#消化试验采样时间为2007-06。实验分别采集2次垃圾。由于季节的原因，2次垃圾的样品在含水率等方面还是有一些区别。手工分选出可生化成分，破碎至粒径为1-5cm。试验采用厌氧消化工艺，以500mL和1L抽滤瓶作为厌氧消化罐。采用1次性投料法，将城市可生化垃圾与污泥按照不同的有机负荷所需的物料量在抽滤瓶中棍合后，将其密封，置于恒温水浴中，温度为35。消化产生的气体进入装有饱和碳酸氢钠
6、溶液的集气瓶中，采用排水法收集。沼气收集后，用气相色谱仪监测沼气成分。在厌氧消化过程中不进行任何因素的调节。填料时不添加自来水，而是用污泥调节消化罐的有机负荷。实验周期为30d，各个消化系统接种物量一定，可生化垃圾按照不同有机负荷进行填料。可生化垃圾与接种物的比值见表2。试验不考虑接种污泥本身的产气量。图1为试验的装置。图1试验装置1.2分析方法TS和VS:称重法;CODcr:重铬酸钾法;挥发性脂肪酸(VFA):滴定法，以乙酸计;氨氮:滴定法;产气量:排水法;气体成分:气相色谱仪;TKN:凯式定氮法。pH值:日岛PHS-3C型精密pH计。2结果与讨论2.1不同有机负荷酸化低值点比较图2表示的是
7、不同有机负荷厌氧消化过程的pH、VFA变化曲线。有机物厌氧消化依次分为液化、产酸、产甲烷3个阶段，每个阶段各有其独特的微生物类群起作用。消化反应在水解酸化阶段，声pH剧下降。第3天，绝大多数消化系统出现了最低pH值，这与O.Stabnikova在对食品废物进行厌氧消化试验所观察到的现象一致。由图2可见，有机负荷为0.5的消化系统pH值经过其酸化低值点6.08后，逐渐上升至7.0左右。随着系统内挥发性有机酸被逐渐转化成为产甲烷阶段利用的基质，使得系统VFA质量浓度持续下降，至269mg/L。有机负荷为1.0g/(Ld)的消化系统酸化低值点为5.18，该消化系统产酸阶段的pH值一直保持在5.0-6
8、.0的范围。此后，pH值自动上升至7.0以上。消化初期的水解酸化反应，产生酸性物质，使系统VFA质量浓度急剧上升至5448mg/L;进入到产甲烷阶段，系统的VFA质量浓度下降至304mg/L。可以判断这2个有机负荷消化系统的酸化低值点是可逆酸化点。图2不同有机负荷与pH值、VFA变化曲线有机负荷为1.5g/(Ld)的消化系统pH值在酸化低值点出现后，有所上升，但一直保持在5.06.0范围之间。VFA质量浓度在消化前期急剧上升，消化中期和后期系统VFA质量浓度略有下降，但降解不多。试验结束时，VFA质量浓度为6073mg/L，主要是在水解酸化阶段，系统的VFA大量积累，系统不能过渡到产甲烷阶段，
9、消化反应受到了一定程度的酸抑制。有机负荷高于1.5g/(Ld)的其他消化试验VFA变化趋势与1.5g/(Ld)的类似，在试验周期内，酸化低值点为不可逆酸化点，有机负荷越高，酸化低值点pH值越低。由图3可见，有机负荷增加到6.5g/(Ld)时，最低的酸化点已降至4.07。图3不同有机负荷酸化低值点比较2.2不同有机负荷对产气量及气体成分的影响图4描述了有机负荷为0.5、1.0、1.5g/(Ld)的消化系统日产气量曲线。3个消化系统出现酸化低值点前1天，系统产生大量气体。经过监测，气体成分中主要是CO2，体积分数在50%以上，此时没有CH4产生。水解酸化过程中，产气量急剧下降，有机负荷为0.5g/
10、(Ld)和1.0g/(Ld)的消化系统，pH值自动上升至7.0以上。消化反应进入到产甲烷阶段，产气量有所恢复，气体成分中，CO2的体积分数逐渐减少，甲烷气体积分数逐渐增加，有机负荷为0.5、1.0g/(Ld)时平均甲烷的体积分数为34%和42%，最高甲烷气体积分数分别达到81%和77%。图4不同有机负荷日产气量变化曲线图5为有机负荷为0.5g/(Ld)和1.0g/(Ld)时消化系统甲烷气体积分数及累积产甲烷量。由图可见，有机负荷为1.0g/(Ld)时总的累积产甲烷量为有机负荷为0.5g/(Ld)时的2倍。有机负荷为1.5g/(Ld)的消化系统进入到酸化阶段后，日产气量很小，酸化过程在试验周期内
11、不可逆，VFA大量积累，消化反应不能进入到产甲烷阶段，气体成分中几乎没有甲烷气产生。有机负荷高于1.5g/(Ld)的其他试验出现了酸抑制，日产气量变化趋势与1.5g/(Ld)的类似。图5有机负荷0.5和1.0时最高甲烷体积分数及累积产甲烷量2.3不同有机负荷对氨氮的影响图6描述的是有机负荷为0.5、1.0、1.5g/(Ld)时消化系统闻NH4+-N的变化情况。从图中可见，3个有机负荷的消化系统氨氮变化趋势基本一致，总的变化趋势都是持续缓慢上升。厌氧消化过程中，大部分的有机氮被还原为消化液中的NH4+-N，因此消化中后期的氨氮质量浓度都高于消化初期。消化前期，有机负荷为1.5g/(Ld)的水解酸
12、化时间较其他2个负荷长，故氨氮质量浓度最低。但是，到消化反应的后期，NH4+-N的浓度与有机负荷成正比，有机负荷越高，NH4+-N也越高。根据试验测定，有机负荷为4.5g/(Ld)时其氨氮质量浓度已高达1.6g/L以上，而当氨氮质量浓度处于1.53g/L时，对消化运行将有抑制作用。图6不同有机负荷氨氮变化曲线3结论(1)在试验周期内，有机负荷0.5g/(Ld)和1.0g/(Ld)的消化试验，消化反应顺利进行到产甲烷阶段，酸化过程可逆，其酸化低值点为可逆酸化点。有机负荷高于1.5g/(Ld)的消化试验，出现酸抑制现象，其酸化过程不可逆，酸化低值点为不可逆酸化点。有机负荷0.5g/(Ld)和1.0
13、g/(Ld)的酸化低值点为6.08和5.18。有机负荷越大，酸化低值点越低，有机负荷增加至6.5g/(Ld)，酸化低值点下降至4.07。(2)VFA作为厌氧消化第1阶段产酸细菌产物，在有机负荷为0.5g/(Ld)和1.0g/(Ld)的试验中，大部分均能在后续产甲烷阶段被消耗，甲烷累积产气量分别为507mL和1044mL，平均甲烷体积分数为34%和42%，最高甲烷体积分数分别为81%和77%。有机负荷高于1.5g/(Ld)的消化试验VFA持续上升，系统出现酸抑制，几乎没有甲烷产生。(3)可生化垃圾中的氮在试验过程中大部分转化为消化液中的氨氮，所以氨氮质量浓度表现为持续缓漫上升，其浓度与有机负荷成正比，有机负荷越高，NH4+-N质量浓度越高。我最近在玩和讯微博，很方便，很实用，你也来和我一起玩吧!去看看我的微博吧!
