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隨著城市人口規模的迅速擴增,城市固體垃圾產量逐年增加,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,對環境污染嚴重,需進行無害化處理,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可使餐廚垃圾和市政污泥進行發酵,產生沼氣,提高能源回收利用率。但由于市政污泥中易降解有機物含量低、可生物降解物質難溶出,單獨沼氣池厭氧發酵水解酸化速率慢,且其碳氮

比較低,容易產生氨抑制作用,較大程度限制了產甲  烷效率;餐廚垃圾單獨沼氣池厭氧消化,易在產酸階段積累  大量VFAs降低系統pH值,抑制產甲烷菌活性,甚至終止產甲烷過程23。而餐廚垃圾具有生物質能高且易被微生物降解等優點,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外研究的熱點。據有關文獻報道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料含固率,平衡營養物質成分,能有效解決單獨沼氣池厭氧消化時市政污泥有機質不足和

餐廚垃圾有機酸積累等問題。有關研究表明-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  泥為消化原料進行混合發酵,研究了不同VS混合比下沼氣池厭氧消化的產氣效果,進而確定最佳混合比例,提高沼氣池厭氧消化的產氣性能

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生活污水,因此生物泥的有機質含量較高。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泥、消化罐,  餐廚垃圾取自學校餐廳。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罐(接種污泥和試驗污泥總體積為400mL),在反應開始前向反應罐中通氮氣5min保證沼氣池厭氧狀態,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;采用HACH便攜式pH計測定pH值。

2結果與分析

2.1不同餐廚垃圾和市政污泥混合比對產氣性能的影響

物料單位VS產氣量是評價沼氣池厭氧消化效率高低的重要指標。為此,對不同混合比條件下各類底物單位VS產氣量進行比較,結果如圖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氣量均呈現先上升后下降的趨勢。混合物料中易降解的有機物容易在短時間內被微生物利用,產生沼氣,因此混合比為2:1,1:1,1:2,1:3和0:1組在前2天內出現最大產氣量,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所含有機物的  組分發生改變,從而導致不同混合比下單位VS日  產氣量不同。混合比為2:1,1:1和1:2組在第8天出現  第2次高峰,而混合比為1:3和0:1組并未出現,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、  脂肪等較難降解物質在后期水解產氣引起的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  圾的各組反應系統累計產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組的累計沼氣產量達到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),不易發生水解  限制了產沼過程3,而餐廚垃圾中的有機物易水解  酸化,改善了系統環境,同時促進了剩余污泥中EPS  的降解,促進了產甲烷過程。劉建偉等在研究城  市生活垃圾與污水廠剩余污泥聯合沼氣池厭氧消化產氣性  能的研究中指出,生活垃圾與剩余污泥VS比為2:1  時,沼氣池厭氧消化產氣量最高,與本實驗研究結果一致。  由此可知,餐廚垃圾的投加可以提高污泥沼氣池厭氧消化  的產氣效果。在本實驗中,餐廚垃圾所占比例越大  日產氣量和累計產氣量越高。此外,混合比為2:1  1:1,1:2,1:3和0:1的各組反應系統從開始產氣到  最高累計產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氣持續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物的濃度變化及其轉化率

有機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才可以進一步被利用,因此消化過程中底物被利用的情況可以被系統中溶解性有機物的變化很好的反映出來。由圖4~圖6可以看出,溶解性有機物的濃度隨時間先上升后下降,在反應時間到達7~9d時出現小高峰,之后趨于平緩。在前兩天內SCOD、溶解性碳水化合物、溶解性蛋白

質大幅增加,是餐廚垃圾及市政污泥中大量非溶解  性有機物水解酸化造成的,這一點可以從圖7pH值  在前兩天迅速下降的趨勢中體現出來。在反應時間  2-7d內,由于微生物的轉化速率加快而導致溶解  性有機物迅速下降。在反應時間7~9d時由于混  合物料中難溶有機物的水解,出現第2次高峰。由  圖4~圖6可以看出2:1組在反應初期溶解性有機  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,溶解性有機物含量就越高。  圖8反應了不同混合比下溶解性有機物的轉化  率。污泥單獨沼氣池厭氧消化時,SCOD,溶解性碳水化合  物,溶解性蛋白質的轉化率分別為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的轉化率上分別提高15.91%  5.14%,14.12%,11.97%;溶解性碳水化合物轉化  率分別提高42.17%,41.74%,40.82%,40.46%;  溶解性蛋白質的轉化率分別提高11.05%,9.17%  8.79%,7.92%。其中,混合比為2:1組溶解性有機物的轉化率最高

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  機物質被微生物轉化為沼氣,另一部分用于微生物自身的生長和繁殖。經過沼氣池厭氧消化,混合物料的vs  含量下降,并逐漸達到穩定化狀態。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,可用污泥VS去除率來表示。圖9反應了不同混合比下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  加適當比例的餐廚垃圾可提高沼氣池厭氧消化程度,能夠  促進沼氣池厭氧消化的順利進行,且餐廚垃圾所占的比例越高,VS去除率越高。

3結論

(1)餐廚垃圾與市政污泥混合共沼氣池厭氧消化可以  改善產氣性能,提高產氣量。本試驗條件下,混合比為2:1,1:1,1:2和1:3的消化系統累計產氣量分別  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物的轉化率,混合比為1:3,1:2,1和2:1時消化系統VS的去除率分別達到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  組的反應系統有機物轉化率最高,其SCOD,溶解性  蛋白質及溶解性碳水化合物轉化率分別達到  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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