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隨著生態城市的建設和發展,城市綠地面積大幅度增加,綠化廢棄物的產量也隨之增加。目前綠化廢棄物的處理方式主要有堆肥、焚燒和填埋,現有處理方式不僅資源利用率低,而且焚燒處理還會污染大氣環境,填埋處理也會增加垃圾填埋場的處理負擔,因此尋找經濟環保的綠化廢棄物處理方式

已迫在眉睫。與此同時,在黑膜沼氣池厭氧消化技術處理污水污泥時,由于其易降解有機物含量低、可生物降解物質難溶出等原因,使得污水污泥單獨黑膜沼氣池厭氧消化普遍存在消化產氣量與有機物轉化效率低等問題2-6。研究表明單獨使用污泥、餐廚垃圾或者秸稈類有機廢物進行黑膜沼氣池厭氧消化的效果并不理想7。而將兩種

或兩種以上有機廢棄物共黑膜沼氣池厭氧消化,可以達到稀釋  有毒物、平衡營養物”、保持系統的穩定性的效果1,可以有效提高有機質轉化效率,提高黑膜沼氣池厭氧消化的產甲烷量與產甲烷率。此外,國內外有研究表明12-1),綠化廢棄物與污泥不同Ts比例共黑膜沼氣池厭氧消化可以改善混合體系的C/N,提高產甲烷量,且共黑膜沼氣池厭氧消化體系產甲烷量隨著HRT的降低而顯著提高。然而,干濕兩種狀態的綠化廢棄物及其分別與污水污泥的混合比如何影響混合體系的黑膜沼氣池厭氧消化性能目前尚未有研究涉及,影響了其進一步工程應用。為此,本研究通過考察干濕綠化廢棄物與污水污泥不同VS混合比對共黑膜沼氣池厭氧消化產甲烷的影響,為相關工程應用提供一定的基礎數據支撐。1試驗部分

1.1試驗裝置

本試驗反應器采用的黑膜沼氣池厭氧消化裝置為瑞典Bioprocess Control公司生產 AMPSⅡ。該系統主要包括:水浴加熱單元、黑膜沼氣池厭氧消化瓶(內置攪拌裝置)、堿液吸收瓶(吸收CO2等)、濕式氣體計量單元(計量甲烷氣體體積)、數據采集系統,其原理簡圖如圖1所示。

1.2試驗材料

試驗所用接種污泥、污水污泥分別取自青島某污水處理廠的黑膜沼氣池厭氧消化池和污泥混合池;綠化廢棄物取自綠化草坪。綠化廢棄物一部分自然風干,用組織搗碎器粉碎成粉末,作為干綠化廢棄物;另一部分直接用組織搗碎器搗碎,作為濕綠化廢棄物。污水污泥和綠化廢棄物相關參數如表1所示。

1.3試驗方法

1.3.1接種污泥的馴化

接種污泥在35℃條件下進行馴化,當污  烷量低于10mL·d時馴化結束,避免接種示  有機質對試驗結果的影響。

1.3.2中溫黑膜沼氣池厭氧消化試驗

將混合物(綠化廢棄物與污水污泥混合樣  接種污泥混合后裝入黑膜沼氣池厭氧消化罐中(接種污  合物總體積控制為400mL),接種污泥混合物  混合比例為2:1(控制混合物VS總量一致),同2  制干、濕綠化廢棄物與污水污泥VS混合比分  0:1,1:2,1:3,在35℃下進行中溫黑膜沼氣池厭氧消化開始前向反應罐中通入氮氣以保證嚴格黑膜沼氣池厭氧環試驗采用機械攪拌,攪拌時間和間歇時間均為份s待產甲烷量穩定后結束試驗。

1.4測定指標及方法

TS和VS采用重量法;溶解性化學需氧量  用重鉻酸鉀法;溶解性碳水化合物采用慈出法);溶解性蛋白質采用AB法測定。

2結果分析

2.1綠化廢棄物和污水污

效果  圖2是綠化廢棄物與污水污泥不同V混合  物料單位Ⅴs累積產甲烷量。由圖可知,投加  廢棄物組較污泥單獨黑膜沼氣池厭氧消化混合物料單位V第  積產甲烷量明顯增加,綠化廢棄物與污水污泥  混合比越高,單位VS累積產甲烷量越大,且投加  綠化廢棄物較投加干綠化廢棄物的產甲烷量高。其中Cw:S為1:2組的單位VS累積產甲烷量最高,291.58mL·g-lVs,較污泥單獨黑膜沼氣池厭氧消化提高了14.29%,較Gd:S(1:2)組提高了6.27%。G(1:3),Gd:S(1:2),Gd:S(1:3)組單位ⅤS累積產甲烷量分別為264.15mL·gVs,274.38mL:g和260.76mL·gVs,較污泥單獨黑膜沼氣池厭氧消化分別提高了3.5%,7.55%和2.21%。

圖3是綠化廢棄物與污水污泥不同S混合比的逐日產甲烷量,由圖可知,不同Vs混合比的混合物料,逐日產甲烷變化趨勢是一致的,產甲烷量均為先上升后下降,反應時間達到第5天產甲烷量再  上升然后逐漸下降。在反應周期前2天,由于混會  體系中易降解碳源量較為充足,系統內產甲烷菌

其快速轉化為沼氣,因而混合系統產氣出現明顯的高峰。在反應周期的第2~5天,系統中初始易降  解碳源被完全利用,污水污泥中難降解碳源及綠化  廢棄物中的纖維素尚無法被產甲烷細菌直接利用,因此系統日產甲烷量開始下降。在易降解碳源被利用的同時,系統內難降解碳源及纖維素開始被黑膜沼氣池厭氧水解細菌水解成小分子碳源),在反應周期第58天,水解生成的小分子碳源開始被產甲烷細菌利用,系統的日產氣量再次出現產氣高峰。由于混合體系中初始易降解碳源濃度小于難降解碳源濃度,因此由難降解碳源水解產生的第2次產氣高峰峰值高于第1次產氣高峰。由于綠化廢棄物混合系統較單獨污水污泥系統營養組分更為豐富,因此,投加綠化廢棄物組較污泥單獨黑膜沼氣池厭氧消化產甲烷量高。在反  應周期第8天后,由于水解形成的小分子物質也被消耗殆盡,因此產甲烷量下降直至反應結束。

2.2不同VS混合比綠化廢棄物和污水污泥VS轉」化率比較

在混合物VS總量相同的條件下,VS轉化率是評價系統黑膜沼氣池厭氧消化效果的重要指標,黑膜沼氣池厭氧消化前后Vs含量和VS轉化率如圖4所示。由圖4可知,污泥單獨黑膜沼氣池厭氧消化VS轉化率為40.09%,隨著綠化廢棄物的增加,Vs轉化率顯著提高。其中Cw:s為1:2組VS轉化率最高為54.79%,較污泥單獨黑膜沼氣池厭氧

由圖4可以看出,投加綠化廢棄物后,混合系統VS轉化率明顯提高,這與圖2產甲烷結果基本相符。主要是因為污水污泥中有機物主要存在于微生物細胞內,黑膜沼氣池厭氧消化過程中微生物細胞破胞效率低,  產甲烷菌可利用有機底物量低,導致最終產氣率較低,VS轉化率低0。投加綠化廢棄物后,增加了混合系統中的可利用有機物含量,有效地提高了VS的轉化率,從而促進了黑膜沼氣池厭氧混合菌群的生長及代謝活性,進而提高了共黑膜沼氣池厭氧消化系統的產甲烷量  21-2。謝經良等在研究城市綠化修剪草與污水廠污泥共黑膜沼氣池厭氧消化處理中指出,投加綠化修剪草可以提高污泥消化系統的產甲烷量與Vs轉化率,與本試驗研究結果一致。

2.3綠化廢棄物和污水污泥不同VS混合比溶解性有機物轉化率

圖5是黑膜沼氣池厭氧消化前后SCOD含量和SCOD轉化率,由圖可知,綠化廢棄物和污水污泥VS混合比越高,SCOD轉化率越高,其中Gw:S為1:2組較Gw:S為1:3組SCOD轉化率高3.61%,因此,綠化廢棄物與污水污泥VS混合比的增加,提高了系統的溶解性有機物轉化率,從而提高了產甲烷量。

為了進一步了解不同有機物類型在黑膜沼氣池厭氧消化前后轉化率情況,分別研究了溶解性碳水化合物及溶

解性蛋白質黑膜沼氣池厭氧消化前后的含量和轉化率,如圖6和圖7所示。由圖可知,相同VS混合比下投加濕綠化廢棄物組溶解性碳水化合物和溶解性蛋白質轉化率均較投加干綠化廢棄物組高,其中Gw:S(1:2)組較Gd:S(1:2)組溶解性碳水化合物和溶解性蛋白質轉化率分別提高0.93%,9.04%。由于與碳水化合物相比,蛋白質降解所產生的沼氣中甲烷含量最高23。本實驗中,投加濕綠化廢棄物后,溶解性蛋白質的轉化率明顯高于溶解性碳水化合物的轉化率,因此投加濕綠化廢棄物較投加干綠化廢棄物單位VS累積產甲烷量高

由圖7知,投加綠化廢棄物后溶解性蛋白質含  量也顯著提高,其中Gw:S(1:2)組含量最高達1220mg·L,較污泥單獨黑膜沼氣池厭氧消化提高了64.86%。溶解性蛋白質含量高,其降解、釋放并轉化形成的銨可進一步轉化為碳酸氫銨,提高了堿度,增強了系統的緩沖能力2。因此,圖3在反應周期2~5天內投加綠化廢棄物組逐日產氣甲烷量下降速度較污泥單獨黑膜沼氣池厭氧消化組慢。

由圖5~圖7知,Gw:S(1:2)組SCOD,溶解性  碳水化合物和溶解性蛋白質轉化率較污泥單獨黑膜沼氣池厭氧  消化分別提高了2.28%,10.22%,16.89%。飛總  的VS一定的條件下,投加綠化廢棄物提高了系統  中溶解性有機物質的轉化率,這是產甲烷量提高的根本原因。

3結論

(1)在相同VS條件下,綠化廢棄物與污水污泥  混合體系的甲烷產量與有機物轉化率均明顯高于單  純污水污泥體系;綠化廢棄物與污水污泥不同Ws  混合比對共黑膜沼氣池厭氧消化體系單位VS累積產甲烷量有  明顯的影響,Cw:S(1:2)組單位VS累積產甲烷量  最高,達291.58mL·g-Vs,較污泥單獨黑膜沼氣池厭氧消化提高了14.29%,較Gd:S(1:2)組提高了6.27%。

(2)相同VS混合比條件下,投加濕綠化廢棄物較投加干綠化廢棄物產甲烷量更高,其中濕綠化廢棄物和污泥VS混合比為1:2時產甲烷效果最佳。

(3)投加綠化廢棄物后VS轉化率明顯提高,其中Gw:S(1:2)組VS轉化率最高為54.79%,較污泥單獨黑膜沼氣池厭氧消化提高了14.7%,說明該VS比下的有機物利用程度高,黑膜沼氣池厭氧消化效果顯著。

(4)最優產氣工況Cw:s(1:2)組SCo,溶解性  碳水化合物和溶解性蛋白質的轉化率較污泥單獨厭  氧消化分別提高了2.28%,10.2%,16.89%。溶  解性有機物轉化率的提高是產甲燒量提高的根本原因。

摘自《中國沼氣》第三期 劉長青 肖麗君 金秋燕 薛珊 李曉東 Taha F Marhaba

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