隨著城市人口規(guī)模的迅速擴(kuò)增,城市固體垃圾產(chǎn)量逐年增加,餐廚垃圾和市政污泥是其主要組成部分。固體垃圾含有大量病原菌及有毒有害物質(zhì),對環(huán)境污染嚴(yán)重,需進(jìn)行無害化處理,目前對固體垃圾的處理方式主要有填埋、焚燒、堆肥和沼氣池厭氧消化等。利用沼氣池厭氧消化技術(shù)可使餐廚垃圾和市政污泥進(jìn)行發(fā)酵,產(chǎn)生沼氣,提高能源回收利用率。但由于市政污泥中易降解有機(jī)物含量低、可生物降解物質(zhì)難溶出,單獨沼氣池厭氧發(fā)酵水解酸化速率慢,且其碳氮

比較低,容易產(chǎn)生氨抑制作用,較大程度限制了產(chǎn)甲  烷效率;餐廚垃圾單獨沼氣池厭氧消化,易在產(chǎn)酸階段積累  大量VFAs降低系統(tǒng)pH值,抑制產(chǎn)甲烷菌活性,甚至終止產(chǎn)甲烷過程23。而餐廚垃圾具有生物質(zhì)能高且易被微生物降解等優(yōu)點,因此將餐廚垃圾與市政污泥混合共沼氣池厭氧消化成為國內(nèi)外研究的熱點。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報道6-81,市政污泥與餐廚垃圾混合共沼氣池厭氧消化可改善消化進(jìn)料含固率,平衡營養(yǎng)物質(zhì)成分,能有效解決單獨沼氣池厭氧消化時市政污泥有機(jī)質(zhì)不足和

餐廚垃圾有機(jī)酸積累等問題。有關(guān)研究表明-10  餐廚垃圾與市政污泥的混合比例對沼氣池厭氧消化的產(chǎn)氣  性能影響顯著。鑒此,本試驗以餐廚垃圾和市政污  泥為消化原料進(jìn)行混合發(fā)酵,研究了不同VS混合比下沼氣池厭氧消化的產(chǎn)氣效果,進(jìn)而確定最佳混合比例,提高沼氣池厭氧消化的產(chǎn)氣性能

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

試驗所用市政污泥取自青島市某污水處理廠,該污水處理廠主要處理高濃度有機(jī)生活污水,因此生物泥的有機(jī)質(zhì)含量較高。試驗中生污泥、接種污泥分別取自該污水處理廠沼氣池厭氧消化池進(jìn)泥、消化罐,  餐廚垃圾取自學(xué)校餐廳。污泥及餐廚垃圾的固體含量如表1所示

1.2試驗裝置

試驗所用沼氣池厭氧消化裝置為瑞典 Bioprocess Col公司生產(chǎn)的 AMPTS-(圖1)。試驗中,接種污泥與試驗污泥(餐廚垃圾與生污泥的混合樣)按Vs比例為2:1投加,同時控制餐廚垃圾與生污泥的vs比例為0:1,2:1,1:1,1:2和1:3。將試驗污泥與接種污泥混合后裝入沼氣池厭氧消化反應(yīng)罐(接種污泥和試驗污泥總體積為400mL),在反應(yīng)開始前向反應(yīng)罐中通氮氣5min保證沼氣池厭氧狀態(tài),然后在恒溫(35℃±0.5℃)條件運行15d。

1.3分析測試方法

TS和VS采用重量法;將待測樣品在500rmin-的轉(zhuǎn)速下離心30min,取上清液,用重鉻酸

鉀法測定溶解性COD,蒽酮比色法2測定溶解性碳水化合物, Folin-酚試劑法測定蛋白質(zhì);采用HACH便攜式pH計測定pH值。

2結(jié)果與分析

2.1不同餐廚垃圾和市政污泥混合比對產(chǎn)氣性能的影響

物料單位VS產(chǎn)氣量是評價沼氣池厭氧消化效率高低的重要指標(biāo)。為此,對不同混合比條件下各類底物單位VS產(chǎn)氣量進(jìn)行比較,結(jié)果如圖2和圖3所示。

由圖2知,不同餐廚垃圾和市政污泥混合比下的日產(chǎn)氣量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。混合物料中易降解的有機(jī)物容易在短時間內(nèi)被微生物利用,產(chǎn)生沼氣,因此混合比為2:1,1:1,1:2,1:3和0:1組在前2天內(nèi)出現(xiàn)最大產(chǎn)氣量,分別為62.74mL·gws·d  57.06mL·g-Vs·d-1,65.36mL·g-Vs·d-163.64m·gVs·d和51.62mL·g-sd-。由于加入餐廚垃圾后物料中單位VS所含有機(jī)物的  組分發(fā)生改變,從而導(dǎo)致不同混合比下單位VS日  產(chǎn)氣量不同。混合比為2:1,1:1和1:2組在第8天出現(xiàn)  第2次高峰,而混合比為1:3和0:1組并未出現(xiàn),可能是  因為前3組中餐廚垃圾所占比例較高,其中的蛋白質(zhì)、  脂肪等較難降解物質(zhì)在后期水解產(chǎn)氣引起的s量  不同混合比下沼氣池厭氧消化15d沼氣的累計  如圖3所示。由圖3可以看出,投加不同量餐廚垃  圾的各組反應(yīng)系統(tǒng)累計產(chǎn)氣量均高于污泥單獨沼氣池厭氧  消化組。污泥單獨沼氣池厭氧消化的累計產(chǎn)氣量為

290.99mL·gVs,而混合比為2:1,1:1,1:2和1:3組的累計沼氣產(chǎn)量達(dá)到451.29mL·gVs,422.71mL,gVS,36.53ml·gVs和384.21ml·gVs比污泥單獨沼氣池厭氧消化分別提高了55.09%,  45.27%,36.27%和32.04%。造成不同混合比產(chǎn)氣差異的主要原因在于物料的組成成分,市政污泥  中含有一定量的胞外聚合物(EPS),不易發(fā)生水解  限制了產(chǎn)沼過程3,而餐廚垃圾中的有機(jī)物易水解  酸化,改善了系統(tǒng)環(huán)境,同時促進(jìn)了剩余污泥中EPS  的降解,促進(jìn)了產(chǎn)甲烷過程。劉建偉等在研究城  市生活垃圾與污水廠剩余污泥聯(lián)合沼氣池厭氧消化產(chǎn)氣性  能的研究中指出,生活垃圾與剩余污泥VS比為2:1  時,沼氣池厭氧消化產(chǎn)氣量最高,與本實驗研究結(jié)果一致。  由此可知,餐廚垃圾的投加可以提高污泥沼氣池厭氧消化  的產(chǎn)氣效果。在本實驗中,餐廚垃圾所占比例越大  日產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)氣量越高。此外,混合比為2:1  1:1,1:2,1:3和0:1的各組反應(yīng)系統(tǒng)從開始產(chǎn)氣到  最高累計產(chǎn)氣量所用時間分別為11d,9d,8d,7d和6d,說明沼氣池厭氧消化產(chǎn)氣持續(xù)的時間隨著混合物料中餐廚垃圾所占比例的提高而延長。

2.2不同餐廚垃圾和市政污泥混合比下溶解性有機(jī)物的濃度變化及其轉(zhuǎn)化率

有機(jī)物在沼氣池厭氧消化過程中首先要被水解成可溶性的小分子物質(zhì)才可以進(jìn)一步被利用,因此消化過程中底物被利用的情況可以被系統(tǒng)中溶解性有機(jī)物的變化很好的反映出來。由圖4~圖6可以看出,溶解性有機(jī)物的濃度隨時間先上升后下降,在反應(yīng)時間到達(dá)7~9d時出現(xiàn)小高峰,之后趨于平緩。在前兩天內(nèi)SCOD、溶解性碳水化合物、溶解性蛋白

質(zhì)大幅增加,是餐廚垃圾及市政污泥中大量非溶解  性有機(jī)物水解酸化造成的,這一點可以從圖7pH值  在前兩天迅速下降的趨勢中體現(xiàn)出來。在反應(yīng)時間  2-7d內(nèi),由于微生物的轉(zhuǎn)化速率加快而導(dǎo)致溶解  性有機(jī)物迅速下降。在反應(yīng)時間7~9d時由于混  合物料中難溶有機(jī)物的水解,出現(xiàn)第2次高峰。由  圖4~圖6可以看出2:1組在反應(yīng)初期溶解性有機(jī)  物含量最高,這說明餐廚垃圾在混合物料中所占的  比例越大,溶解性有機(jī)物含量就越高。  圖8反應(yīng)了不同混合比下溶解性有機(jī)物的轉(zhuǎn)化  率。污泥單獨沼氣池厭氧消化時,SCOD,溶解性碳水化合  物,溶解性蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化率分別為64.09%,  52.21%,52.08%。而投加了餐廚垃圾的混合樣  2:1,1:1,1:2和1:3組相比于單獨沼氣池厭氧消化的市政  污泥在SCOD的轉(zhuǎn)化率上分別提高15.91%  5.14%,14.12%,11.97%;溶解性碳水化合物轉(zhuǎn)化  率分別提高42.17%,41.74%,40.82%,40.46%;  溶解性蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化率分別提高11.05%,9.17%  8.79%,7.92%。其中,混合比為2:1組溶解性有機(jī)物的轉(zhuǎn)化率最高

2.3不同餐廚垃圾和市政污泥混合比下VS去除

在沼氣池厭氧消化過程中,物料中一部分可降解的有  機(jī)物質(zhì)被微生物轉(zhuǎn)化為沼氣,另一部分用于微生物自身的生長和繁殖。經(jīng)過沼氣池厭氧消化,混合物料的vs  含量下降,并逐漸達(dá)到穩(wěn)定化狀態(tài)。在餐廚垃圾與市政污泥的沼氣池厭氧消化過程中,底物的降解率是考察沼氣池厭氧消化的一項重要指標(biāo),可用污泥VS去除率來表示。圖9反應(yīng)了不同混合比下vs的去除率。由圖9知市政污泥單獨沼氣池厭氧消化時Vs的去除率為40.53%,隨著餐廚垃圾在混合物料中所占比例的提高,VS去除率也逐漸增加,混合比為1:3,1:2,1:1和2:1的VS去除率分別達(dá)到50.17%,52.90%,56.57%和66.51%,比污泥單獨沼氣池厭氧消化分別提高了4.17%,6.9%,10.57%和20.51%。這表明,添  加適當(dāng)比例的餐廚垃圾可提高沼氣池厭氧消化程度,能夠  促進(jìn)沼氣池厭氧消化的順利進(jìn)行,且餐廚垃圾所占的比例越高,VS去除率越高。

3結(jié)論

(1)餐廚垃圾與市政污泥混合共沼氣池厭氧消化可以  改善產(chǎn)氣性能,提高產(chǎn)氣量。本試驗條件下,混合比為2:1,1:1,1:2和1:3的消化系統(tǒng)累計產(chǎn)氣量分別  為451.29mL·gVs,42.71mL·g-vs,396.53mL·g-Vs和384.21mL·g-Vs,比污泥單獨沼氣池厭氧  消化分別提高了55.09%,45.27%,36.27%和32.04%,其中混合比例為2:1時產(chǎn)氣效果最佳。

2)污泥沼氣池厭氧消化時投加餐廚垃圾還可以提高有機(jī)物的轉(zhuǎn)化率,混合比為1:3,1:2,1和2:1時消化系統(tǒng)VS的去除率分別達(dá)到50.17%,52.90%,56.57%和6651%,比污泥單獨沼氣池厭氧消化分別提高  了4.17%,6.9%,10.57%和20.51%;混合比為2:1  組的反應(yīng)系統(tǒng)有機(jī)物轉(zhuǎn)化率最高,其SCOD,溶解性  蛋白質(zhì)及溶解性碳水化合物轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到  80.00%,94.38%和63.32%,比單獨沼氣池厭氧消化的市  政污泥分別提高了15.91%,42.17%及11.24%。

摘自《中國沼氣》2018第二期  劉長青 薛珊 金秋燕 肖麗君 李曉東  Taha F Marhaba

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