申世峰，郭興芳，顧 淼，李 勱，熊會斌

（中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074）

1 引言

截至2019 年底，城鎮(zhèn)污水處理廠干污泥產(chǎn)生量達(dá)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(jìn)行合理處理和處置。厭氧消化可降解污泥中的有機(jī)物同時(shí)產(chǎn)生沼氣，是實(shí)現(xiàn)污泥減量化、穩(wěn)定化及能源化，提升污水處理廠碳補(bǔ)償和碳減排能力的重要技術(shù)措施。

我國污水處理廠污泥有機(jī)物含量普遍偏低，遠(yuǎn)低于國外75%～85%的平均有機(jī)物含量，且季節(jié)性波動大，導(dǎo)致傳統(tǒng)厭氧消化存在有機(jī)物降解率低、產(chǎn)氣量低等問題［2-3］，限制了厭氧消化技術(shù)的應(yīng)用。近年來，為解決厭氧消化技術(shù)的應(yīng)用瓶頸，常采用物理化學(xué)等手段對污泥進(jìn)行預(yù)處理促進(jìn)細(xì)胞破解，其中熱堿聯(lián)合預(yù)處理具有操作簡便、預(yù)處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景［4］。此外，通過污泥與餐廚垃圾聯(lián)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(chǎn)生經(jīng)濟(jì)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(yù)處理的堿投加量、污泥與餐廚垃圾協(xié)同處理投配比等關(guān)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(jié)論不一致［6-7］，無法很好地支撐技術(shù)工程應(yīng)用。為此，本研究首先考察污泥有機(jī)物含量對厭氧消化性能的影響，及采用污泥預(yù)處理、污泥與餐廚垃圾協(xié)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(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，旨在為污泥厭氧消化系統(tǒng)效能提升及技術(shù)的工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

采用完全混合式厭氧反應(yīng)器，有效池容為14 L，包括反應(yīng)罐、攪拌機(jī)、水熱夾套、熱水循環(huán)泵、濕式防腐氣體流量及pH 和溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控探頭等，進(jìn)出樣采用蠕動泵。反應(yīng)裝置見圖1。反應(yīng)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(fā)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(yàn)裝置Figure 1 Equipment of anaerobic digestion reactor

2.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用污泥為北方某城市污泥處理工程的進(jìn)泥，該進(jìn)泥為城區(qū)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(zhì)后靜沉除油，經(jīng)食物粉碎機(jī)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(zhì)見表1。

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

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 污泥厭氧消化試驗(yàn)

采用厭氧反應(yīng)器開展污泥直接厭氧消化試驗(yàn)，試驗(yàn)期間污泥有機(jī)物含量為44.00%～68.00%，進(jìn)料含固率為9.3%～11.7%，厭氧反應(yīng)器投泥負(fù)荷（以VS 計(jì)）為2.29～3.30 kg/（m3·d），消化溫度為（35.0±0.3）℃，時(shí)間為22 d。

2.3.2 污泥預(yù)處理

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

表2 不同預(yù)處理方法處理參數(shù)Table 2 Processing parameters of different pretreatment methods

2.3.3 污泥熱堿水解試驗(yàn)

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

2.3.4 污泥餐廚垃圾協(xié)同消化試驗(yàn)

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(zhì)，其中投配比按照污泥與餐廚垃圾的VS 含量計(jì)。而后采用厭氧反應(yīng)器，選擇典型投配比開展協(xié)同消化試驗(yàn)，進(jìn)料前保證物料充分混合均勻，進(jìn)料含固率為11.2%～12.0%，厭氧消化反應(yīng)器投料負(fù)荷為3.02～3.69 kg/（m3·d），消化溫度和時(shí)間為（35.0±0.3）℃和22 d。

2.3.5 不同措施下連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)

采用兩個(gè)平行運(yùn)行的厭氧反應(yīng)器，分別開展污泥預(yù)處理單獨(dú)厭氧消化和污泥預(yù)處理后與餐廚垃圾協(xié)同厭氧消化連續(xù)試驗(yàn)，試驗(yàn)期間污泥和餐廚垃圾有機(jī)物含量為55.76%～57.83% 和86.22%～91.11%，進(jìn)料含固率為9.3%～11.0%。污泥預(yù)處理采用加堿熱水解，控制反應(yīng)壓力、溫度、堿投加量（以VS 計(jì)） 和時(shí)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(dú)厭氧消化時(shí)投料負(fù)荷（以VS 計(jì)）為2.31～2.96 kg/（m3·d），污泥和餐廚垃圾協(xié)同消化時(shí)投料負(fù)荷（以VS 計(jì)）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(jì)），消化溫度和時(shí)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(fā)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(zhì)采用凱氏定氮法；碳水化合物采用蒽酮-硫酸法［10］。

3 結(jié)果與討論

3.1 污泥有機(jī)物含量對厭氧消化性能影響

不同污泥有機(jī)物含量對厭氧消化性能的影響如圖2 所示。

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

3 組試驗(yàn)進(jìn)泥含固率為9.3%～11.7%，穩(wěn)定運(yùn)行期間，厭氧消化系統(tǒng)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(jī)物含量降低，厭氧消化系統(tǒng)有機(jī)物降解率和產(chǎn)氣量顯著下降，有機(jī)物含量由61.69%～67.44% 降低至52.01%～60.14% 和44.00%～46.55% 時(shí)，厭氧消化系統(tǒng)有機(jī)物降解率平均降低21.5% 和40.4%，單位物料產(chǎn)氣量平均降低59.5%和82.4%，去除單位有機(jī)物產(chǎn)氣量平均降低26.8% 和42.3%?？芍?，有機(jī)物含量是影響污泥厭氧消化性能的關(guān)鍵因素，是導(dǎo)致我國大部分厭氧消化系統(tǒng)不能正常運(yùn)行的主要原因之一［11］。

3.2 不同預(yù)處理對污泥有機(jī)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(yù)處理方法下污泥有機(jī)物溶出效果如圖3 所示。4種預(yù)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(zhì)和碳水化合物的溶出規(guī)律與SCOD 相似，溶解性蛋白質(zhì)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(lián)合預(yù)處理效果最好，高溫條件下污泥絮體結(jié)構(gòu)解體、微生物細(xì)胞破碎，絮體內(nèi)部及表面的胞外聚合物溶解，胞內(nèi)有機(jī)物被釋放，液相中的SCOD 、蛋白質(zhì)、碳水化合物含量增加。堿的加入提高了污泥的pH 環(huán)境，可降低微生物細(xì)胞對溫度的抵抗力，增大污泥破解率，促使蛋白質(zhì)、核酸及糖類物質(zhì)水解或分解，進(jìn)一步促進(jìn)有機(jī)物溶出。

圖3 不同預(yù)處理方法下SCOD、蛋白質(zhì)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(jìn)一步考察堿投加量對熱堿水解預(yù)處理有機(jī)物溶出效果的影響，如圖4 所示。反應(yīng)壓力、溫度和時(shí)間分別為0.14 MPa、124 ℃和45 min，堿投加量（以VS 計(jì)）由0.02 g/g 提升至0.10 g/g 時(shí)，有機(jī)物溶出效果逐步提升，SCOD、溶解性蛋白質(zhì)和溶解性碳水化合物含量提升倍數(shù)分別達(dá)到122.8%、84.2%、206.3%。繼續(xù)增加堿投加量，有機(jī)物溶出效果反而降低，主要由于高堿投加量會導(dǎo)致有機(jī)物的炭化現(xiàn)象發(fā)生。

圖4 不同堿投加量對熱堿水解預(yù)處理有機(jī)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(xié)同厭氧消化

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

圖5 不同污泥和餐廚垃圾投配比（按VS 計(jì)）下混合物料性質(zhì)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(jī)物含量由44.04%提升至81.39%；有機(jī)物組成中碳水化合物和蛋白質(zhì)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(zhì)占比由51.85%降低至26.18%，投配比為3∶2～3∶4 時(shí)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(jī)物含量、改善C/N、調(diào)節(jié)有機(jī)物構(gòu)成，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)比例平衡。

不同投配比下協(xié)同厭氧消化性能如圖6 所示。不同投配比下厭氧消化系統(tǒng)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(nèi)［12］，陳恒寶等［13］的研究表明兩者協(xié)同處理能夠克服單獨(dú)厭氧消化的缺點(diǎn)，提高系統(tǒng)緩沖能力和運(yùn)行穩(wěn)定性。穩(wěn)定運(yùn)行期間，投配比為1∶1～3∶4時(shí)協(xié)同厭氧消化效果最佳，單位物料平均產(chǎn)氣量和去除單位有機(jī)物平均產(chǎn)氣量（以VS 計(jì)）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(shí)（以VS 計(jì)），混合消化系統(tǒng)脫氫酶和輔酶活性最高，產(chǎn)甲烷潛力最佳。

圖6 不同污泥和餐廚垃圾投配比（按VS 計(jì)）下協(xié)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(xù)穩(wěn)定運(yùn)行效果

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

表3 不同措施下厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行效果Table 3 Stable operation effect of anaerobic digestion system under different measures

4 結(jié)論

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

2） 熱水解和堿聯(lián)合預(yù)處理有利于促進(jìn)污泥絮體結(jié)構(gòu)解體和微生物細(xì)胞破碎，促使蛋白質(zhì)、碳水化合物等有機(jī)質(zhì)溶出，大幅增加液相SCOD、蛋白質(zhì)、碳水化合物含量，且堿投加量（以VS 計(jì)）宜控制在0.02～0.10 g/g。

3） 污泥與餐廚垃圾協(xié)同處理可提高有機(jī)物含量、改善C/N、調(diào)節(jié)有機(jī)物構(gòu)成，可提高厭氧消化系統(tǒng)緩沖能力和運(yùn)行穩(wěn)定性，且污泥和餐廚垃圾投配比（以VS 計(jì)）為1∶1～3∶4 時(shí)協(xié)同厭氧消化效果最佳。

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