李 磊

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海,200092)

1 引 言

根據(jù) 2008年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)[1],目前我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理率已提高至 66%,隨著我國(guó)城市污水產(chǎn)生量及其處理率的不斷提高,污水廠的污泥產(chǎn)量呈現(xiàn)不斷上升趨勢(shì),大量污泥的處理與處置已成為污水處理廠面臨的重大挑戰(zhàn)。厭氧消化是一種常用的污泥處理方法,但污泥較低的生物可降解能力導(dǎo)致了污泥的低降解率和低產(chǎn)氣量。2010年全國(guó)對(duì)地溝油事件異常關(guān)注,而廚余垃圾是制作地溝油的重要原材料,廚余垃圾也是城市生活垃圾(MS W)中有機(jī)相的主要來源,以淀粉類、食物纖維類、動(dòng)物脂肪類等有機(jī)物質(zhì)為主要成分,具有高固體含量、高油脂、高鹽分以及易腐發(fā)臭、易生物降解等特點(diǎn)[2]。如果將污泥與廚余垃圾進(jìn)行混合厭氧消化,不僅能夠提高進(jìn)料的固體含量,有助于促進(jìn)物料的營(yíng)養(yǎng)平衡,而且能夠降低污泥中的重金屬離子濃度,提高降解能力。本文從可行性分析和工藝參數(shù)兩個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)外城市污水廠污泥與廚余垃圾的混合厭氧消化研究進(jìn)行了總結(jié)。

2 城市污水廠污泥和廚余垃圾的厭氧消化技術(shù)

2.1 污泥的厭氧消化

隨著生物法處理生活污水的廣泛應(yīng)用,大量污泥由此產(chǎn)生,Appels[3]等認(rèn)為污泥的處置費(fèi)用將占污水廠運(yùn)行費(fèi)用的 50%。厭氧消化在減少污泥體積和質(zhì)量的同時(shí),還可以以甲烷的形式回收污泥中的部分生物質(zhì)能,是一種比較好的污泥穩(wěn)定化和資源化的處理方法。但污泥中的有機(jī)物大部分是微生物的細(xì)胞物質(zhì),被細(xì)胞壁所包裹,不利于生物降解,所以將剩余活性污泥單獨(dú)進(jìn)行厭氧消化時(shí),揮發(fā)性固體(VS)的去除率和產(chǎn)氣量都很低。水解過程是剩余活性污泥進(jìn)行厭氧消化的限速步驟,導(dǎo)致了污泥在厭氧消化過程中存在停留時(shí)間長(zhǎng)、降解效率低等缺點(diǎn)[4]。為此很多學(xué)者采取了各種預(yù)處理方法以加速厭氧消化限制步驟的速率 (即加速有機(jī)物的水解過程),目前普遍采用的方法有化學(xué)法、生物法和熱處理法等[3],其中關(guān)于熱處理法的研究較多,Tanaka[5,6]等便研究了將熱處理作為污泥厭氧消化的一種預(yù)處理方法,以期提高污泥厭氧消化的效率,但這些方法均需提供額外的能量或試劑,增加了處理成本。

2.2 廚余垃圾的厭氧消化

目前廚余垃圾的主要處理手段包括焚燒、填埋和生物轉(zhuǎn)化等。在美國(guó)城市生活垃圾中,廚余垃圾的比例約占 12.7%,其中大部分以填埋方式處置[7]。而我國(guó)廚余垃圾約占城市生活垃圾的 37%～62%[8],目前除了少數(shù)城市將其單獨(dú)收集并進(jìn)行資源化處理利用外,其他通常直接用于喂養(yǎng)牲畜或隨其他城市生活垃圾進(jìn)行填埋處置。廚余垃圾具有較高含水率和生物降解能力,選擇填埋處理不僅會(huì)產(chǎn)生臭味,而且易生成大量滲濾液;選擇焚燒處理其高含水率將不利于焚燒裝置而且會(huì)造成大量熱量的損失。如果將未經(jīng)處理的廚余垃圾直接用作飼料,食物鏈的短循環(huán)則可能帶來疾病感染風(fēng)險(xiǎn)[9]。因此,相比于其他轉(zhuǎn)化技術(shù)(如填埋和焚燒),厭氧消化更加適合于廚余垃圾的處理[10]。但若單獨(dú)采用廚余垃圾作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的原料也會(huì)形成酸抑制,不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)甲烷過程,于是 Stabnikova[11]等采用改進(jìn)的兩相消化系統(tǒng)來處理廚余垃圾,其中一相用作廚余垃圾的水解和酸化,另一相用作實(shí)現(xiàn)乙酸化和甲烷化,另外也有很多學(xué)者嘗試通過廚余垃圾與其他有機(jī)物料進(jìn)行混合厭氧消化,以期提高廚余垃圾的厭氧消化效率。

3 城市污水廠污泥與廚余垃圾混合厭氧消化的可行性分析

如果將污泥與廚余垃圾進(jìn)行混合厭氧消化,不僅可以稀釋污泥中的有毒成分,促進(jìn)物料中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的平衡,而且可以獲得更大的單位產(chǎn)氣量。在高溫條件下,還可以提高無害化的穩(wěn)定性,加快厭氧消化速率[12]。文中主要通過初沉污泥和剩余活性污泥與廚余垃圾混合厭氧消化的研究分析其可行性。

3.1 初沉污泥與廚余垃圾的混合厭氧消化

Fu等[13]研究了初沉污泥和廚余垃圾混合中溫厭氧消化效果,進(jìn)料中初沉污泥和垃圾按 VS之比分別為 3∶1和 1∶1,水力停留時(shí)間 (HRT)分別采用10 d、13 d、16 d、20 d。在這兩種進(jìn)料條件下,相應(yīng)的VS去除率分別為 61.8%～66.4%和 67.5%～70.4%,產(chǎn)甲烷率分別為 0.441～0.447 L/gVS和0.47～0.482 L/gVS。各反應(yīng)器系統(tǒng)中均未出現(xiàn)如pH降低、堿度不足、氨抑制和揮發(fā)性有機(jī)酸 (VFAs)積累等現(xiàn)象。

3.2 剩余活性污泥與廚余垃圾的混合厭氧消化

付勝濤等[14]研究了混合比例和 HRT對(duì)剩余活性污泥和廚余垃圾混合中溫厭氧消化過程的影響,混合進(jìn)料按照總固體含量 (TS)之比分別采用75%∶25%、50%∶50%和 25%∶75%,HRT分別為10d、15d和 20d。在 3種進(jìn)料比例及 3個(gè) HRT的運(yùn)行條件下,各系統(tǒng)內(nèi) pH值保持在 7.18～7.52,堿度(CaCO3)在 3125～4533 mg/L之間,沒有發(fā)生 VFAs積累和氨抑制現(xiàn)象,各系統(tǒng)均處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

3.3 污泥與MS W中有機(jī)組分的混合厭氧消化

Rintala[12,15,16]等研究了污泥 (初沉污泥與剩余活性污泥組成的混合污泥)與MS W中有機(jī)組分(其中廚余垃圾所占比例達(dá)到 65%以上)分別在中溫和高溫環(huán)境下進(jìn)行混合厭氧消化時(shí)產(chǎn)甲烷的特性。通過混合厭氧消化,甲烷的產(chǎn)量均得到不同程度的提高,在實(shí)際規(guī)模的厭氧消化反應(yīng)器中,甲烷產(chǎn)量能夠達(dá)到物料產(chǎn)甲烷潛力的 90%,且其產(chǎn)甲烷速率和活性隨著進(jìn)料方式和進(jìn)料量的變化而變化。另外,在混合消化過程中也沒有出現(xiàn)丙酸和丁酸抑制乙酸甲烷化的現(xiàn)象,其混合處理的消化池中污泥的甲烷化活性要高于單獨(dú)處理的消化池中污泥活性;Sosnowski等[12]設(shè)計(jì)了 5組對(duì)照實(shí)驗(yàn),其中單相反應(yīng)器兩組 (污泥對(duì)照組和混合反應(yīng)組),兩相反應(yīng)器 3組(污泥、有機(jī)組分對(duì)照組和混合反應(yīng)組),在各組實(shí)驗(yàn)中其甲烷濃度均高于 60%,生物產(chǎn)氣量的變化范圍為 0.4～0.6 dm3/gVSS,另外,兩相反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷效率明顯高于單相反應(yīng)器。

Cavinato等[16]研究了高溫和中溫環(huán)境下,剩余活性污泥和MS W中有機(jī)組分混合厭氧消化處理工藝,發(fā)現(xiàn)高溫不僅使得生物產(chǎn)氣量增加了50%,而且提高了出水的穩(wěn)定性,并通過呼吸動(dòng)力指數(shù)(DRI)得到消化后的產(chǎn)物不再需要二級(jí)處理(如堆肥)。

已有的針對(duì)各種污水廠污泥和廚余垃圾混合厭氧消化的研究結(jié)果顯示,污泥中添加廚余垃圾后其C/N值增加,可生物降解性相應(yīng)提高,從而促進(jìn)了厭氧消化過程。混合厭氧消化不僅可以避免污泥或廚余垃圾單獨(dú)厭氧消化時(shí)存在的VFAs積累、氨抑制等問題,而且在合適條件下可以提高VS去除率和甲烷產(chǎn)量,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行并達(dá)到較好的處理效果?，F(xiàn)有的污泥處理設(shè)施 (如污泥消化池)可直接應(yīng)用于混合厭氧消化工藝中。由此可見,污水廠污泥和廚余垃圾的混合厭氧消化從技術(shù)和設(shè)施上均是可行的。

4 工藝參數(shù)對(duì)城市污水廠污泥與廚余垃圾混合厭氧消化的影響

影響城市污水廠污泥與廚余垃圾混合厭氧消化的工藝參數(shù)包括溫度、pH值、物料的混合比例、HRT、污泥停留時(shí)間 (SRT)、VFAs、攪拌強(qiáng)度、金屬離子強(qiáng)度等。目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于工藝參數(shù)對(duì)混合厭氧消化影響的研究報(bào)道尚且較少,以下主要討論了溫度、HRT和混合比例等工藝參數(shù)對(duì)混合厭氧消化效果的影響。

4.1 溫度

溫度是影響水解酸化過程的一個(gè)重要因素,一般認(rèn)為較高的溫度有利于提高混合消化的效率。Oleszkiewicz等[17]研究了紙類、廚余垃圾和污泥混合形成的高固體厭氧消化,認(rèn)為高溫 (55℃)工況在VS降解率和產(chǎn)氣率方面均優(yōu)于中溫 (35℃)工況,并得到當(dāng) TS在 30%～35%范圍內(nèi)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行最佳,TS和需氧量的去除率與停留時(shí)間和溫度成比例,另外通過中試還發(fā)現(xiàn)當(dāng)負(fù)荷超過 9 kgTS/m3·d時(shí)系統(tǒng)仍可以正常運(yùn)行。

Lee等[18,19]研究了超高溫 (70℃)條件下厭氧消化反應(yīng)器的運(yùn)行性能,并且采用了兩相厭氧消化系統(tǒng),其中酸化反應(yīng)器在超高溫條件下運(yùn)行,甲烷化反應(yīng)器分別在中溫 (35℃)、高溫 (55℃)和超高溫(65℃)條件下運(yùn)行。當(dāng)廚余垃圾和剩余污泥的體積添加比為 20∶80時(shí),酸化發(fā)酵反應(yīng)器的最佳運(yùn)行工況為：反應(yīng)器溫度為 70℃、HRT為 3.1天、SRT為4天。甲烷化反應(yīng)器的最佳溫度條件為 55℃,此時(shí)甲烷的平均轉(zhuǎn)化效率和 VS的平均去除率分別為65%和 64%,系統(tǒng)能夠維持較低的氨氮濃度和良好的穩(wěn)定運(yùn)行。超高溫厭氧消化系統(tǒng)適合處理含有高濃度的蛋白質(zhì)、脂類和不可生物降解的固態(tài)物質(zhì)。

4.2 HRT

付勝濤等[14]研究了混合比例和 HRT對(duì)混合中溫厭氧消化過程的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)廚余垃圾的 TS所占比例為25%和50%時(shí)不同HRT條件下VFAs相差不大,但當(dāng)其比例提高至 75%時(shí),VFAs隨著HRT的提高而提高的,但均未出現(xiàn)酸抑制現(xiàn)象。另外,同一進(jìn)料比例在不同 HRT條件下,氨氮的濃度是隨著HRT的提高而提高的,但單位VS甲烷產(chǎn)率和氣體產(chǎn)率相差并不明顯。

4.3 混合比例

混合比例對(duì)混合厭氧消化的效率有著重要影響。Beno等[20]研究了污水廠污泥與廚余垃圾和蔬菜垃圾的混合消化,并設(shè)計(jì)了 3組實(shí)驗(yàn),第一組分別對(duì)廚余垃圾和蔬菜垃圾進(jìn)行單獨(dú)厭氧消化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)氣體產(chǎn)量很低,其甲烷含量也只有 5%,這可能是由于酸抑制作用;第二組實(shí)驗(yàn)將廚余垃圾、蔬菜垃圾和污泥按照一定比例(分別為48%∶26%∶26%)進(jìn)行混合,結(jié)果發(fā)現(xiàn)氣體產(chǎn)量明顯增多,但其甲烷含量仍然維持較低的水平 (只有 3%),這可能是因?yàn)樘砑右欢康奈勰嚯m然提高了其余兩種組分的水解效率,但產(chǎn)甲烷菌未能成為優(yōu)勢(shì)菌種,進(jìn)而導(dǎo)致甲烷含量較低;第三組實(shí)驗(yàn)將廚余垃圾和蔬菜垃圾分別與污泥進(jìn)行混合(污泥與廚余垃圾和污泥與蔬菜垃圾比例均為 77%：23%),此時(shí)甲烷含量急劇升高至49%,本組實(shí)驗(yàn)中酸抑制得到了完全解除且產(chǎn)甲烷菌成為了優(yōu)勢(shì)菌種。

付勝濤等發(fā)現(xiàn)當(dāng)剩余活性污泥與廚余垃圾進(jìn)料TS比為 50%∶50%時(shí),pH值、堿度和氨氮相應(yīng)地要高于其他 2個(gè)階段 (TS比分別為 75%∶25%和25%∶75%)在同一 HRT下的運(yùn)行結(jié)果,具有最大的緩沖能力,穩(wěn)定性和處理效果都比較理想。

可以看出,不同的 HRT和混合比例對(duì)混合厭氧消化的影響很大,Beno和付勝濤等的研究結(jié)果對(duì)城市污水廠污泥和廚余垃圾混合厭氧消化工藝參數(shù)的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。除溫度、HRT和混合比例外,其他重要的工藝參數(shù)目前研究較少,如 pH值、攪拌強(qiáng)度等,這些問題的確定還需要進(jìn)一步的研究。

5 展 望

我國(guó) 2009年《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術(shù)政策》[21]鼓勵(lì)城鎮(zhèn)污水處理廠采用污泥厭氧消化工藝,產(chǎn)生的沼氣可綜合利用,但厭氧消化后污泥在園林綠化、農(nóng)業(yè)利用前,應(yīng)按要求進(jìn)行無害化處理。

2010年 6月,由國(guó)家環(huán)境保護(hù)部等部門聯(lián)合擬定了《關(guān)于加強(qiáng)生活垃圾處理和污染綜合治理工作的意見 (征求意見稿)》[22],其中明確指出需要加強(qiáng)餐廚垃圾管理。要求到 2015年年底前,全國(guó) 36個(gè)大城市實(shí)現(xiàn)餐飲行業(yè)餐廚垃圾集中收集和處理,各城市應(yīng)制定規(guī)劃,合理布局,建設(shè)餐廚垃圾集中處理設(shè)施。

因此,通過厭氧消化處理污水廠污泥和廚余垃圾對(duì)于該類有機(jī)廢物的減量化和資源化有著重要意義。但各自進(jìn)行單獨(dú)厭氧消化處理又存在一定的弊端,若將兩者進(jìn)行混合厭氧消化,直接利用現(xiàn)有的污泥處理設(shè)施(如污泥消化池),有望增加厭氧消化工藝的穩(wěn)定性,提高甲烷產(chǎn)量和甲烷效率。兩種有機(jī)廢物混合厭氧消化的優(yōu)越性已經(jīng)得到相關(guān)研究的證實(shí)。目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市污水廠污泥和廚余垃圾的混合厭氧消化研究報(bào)道尚且不多,已有的研究則集中于污泥與MS W中有機(jī)組分的混合消化以及溫度、混合比例、HRT等工藝參數(shù)對(duì)混合厭氧消化的影響。除此之外,污泥和廚余垃圾混合厭氧消化中尚存很多問題值得進(jìn)一步探討,如混合厭氧消化存在哪些不足、如何確定最佳工況條件下各工藝參數(shù)(如溫度、混合比例、pH值、攪拌強(qiáng)度等)、污泥消化池的設(shè)計(jì)是否需要調(diào)整等等。

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