高溫/中溫兩相厭氧消化處理混合基質(zhì)的性能評(píng)價(jià)

出　　自： 《中國(guó)給水排水》 1995年第2期第14頁
發(fā)表時(shí)間： 1995-2

趙慶良；王寶貞(哈爾濱建筑大學(xué))；G·庫格爾(聯(lián)邦德國(guó)尼爾河水管會(huì))

摘要：高溫/中溫兩相厭氧消化工藝，用于同時(shí)處理城市污水廠污泥和其它高濃度有機(jī)廢物是一個(gè)嶄新的課題，特別是將高溫水解產(chǎn)酸相反應(yīng)器的溫度提高到75℃、水力停留時(shí)間控制在2.5d更是一種新的嘗試。本課題源于生產(chǎn)實(shí)際需要而開展中試規(guī)模試驗(yàn)研究，目的在于考察高溫/中溫(75℃、2.5d/37℃、10d)兩相厭氧消化反應(yīng)器系統(tǒng)，分別同時(shí)處理污水廠污泥與主要含碳水化合物的廢物(馬鈴薯加工廢物)、污泥與主要含蛋白質(zhì)的廢物(豬血)及污泥與主要含脂類廢物(灌腸加工廢物)時(shí)的效能變化，為擬建實(shí)際規(guī)模高溫/中溫兩相厭氧消化系統(tǒng)提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)施與方法

　　本試驗(yàn)研究采用的是高溫/中溫兩相厭氧消化處理的中試規(guī)模試驗(yàn)設(shè)施，即產(chǎn)酸相的高溫消化作為第一段消化反應(yīng)器FB1，而產(chǎn)甲烷相的中溫消化作為第二段消化反應(yīng)器FB2。因?yàn)樵撓到y(tǒng)是用于研究同時(shí)處理污泥及高濃度有機(jī)廢物時(shí)厭氧消化反應(yīng)器的性能，故在高溫消化反應(yīng)器FB1前分別設(shè)置貯泥罐及有機(jī)廢物罐。FB1和FB2的有效容積分別為0.650m 3 和1.950m 3 。在FB1和FB2的中心軸上裝有螺旋漿攪拌器進(jìn)行機(jī)械攪拌混合。采用外部水浴加熱式交換器、由丙烷氣燃燒進(jìn)行加熱。溫度控制采用Pt100溫度控制器，用以自動(dòng)控制FB1溫度為75±1℃，F(xiàn)B2溫度為37±0.5℃。試驗(yàn)流程見圖1。
　　待處理組合基質(zhì)是由聯(lián)邦德國(guó)GOCH污水處理廠的二次污泥及各不同加工廠的高濃度有機(jī)廢物組成。先后用于該試驗(yàn)研究的有機(jī)廢物有馬鈴薯加工廠產(chǎn)生的馬鈴薯加工廢物，屠宰場(chǎng)的豬血及灌腸加工廠產(chǎn)生的腸類加工廢物，目的在于分別考察污泥消化池在投入主要含有碳水化合物、蛋白質(zhì)或脂質(zhì)的典型高濃度有機(jī)廢物后，增加有機(jī)負(fù)荷時(shí)厭氧消化系統(tǒng)的性能變化。基質(zhì)投配采用半連續(xù)型式，即污泥和高濃度有機(jī)廢物每日分別由貯泥罐和廢物罐每隔8h分三次由泵經(jīng)流量計(jì)IDM投配至FB1，由FB1排出的一級(jí)消化污泥在容器1貯存15 ~30min，再由泵經(jīng)流量計(jì)IDM計(jì)量投配至FB2，經(jīng)FB2消化后的二級(jí)消化污泥經(jīng)容器2后排至地面污泥井，再由泵排出。整個(gè)過程均自動(dòng)進(jìn)行。

　　本試驗(yàn)研究設(shè)計(jì)的產(chǎn)酸相高溫消化反應(yīng)器停留時(shí)間為2.5d，產(chǎn)甲烷相的中溫消化反應(yīng)器停留時(shí)間為9~10d(或14d)，故混合基質(zhì)投配量分別為FB1約0.225m 3 /d、FB2約0.200m 3 /d(或0.140m 3 /d)。按照組合基質(zhì)不同和基質(zhì)比例投加情況，高溫/中溫兩相厭氧消化的研究分為四個(gè)系列連續(xù)進(jìn)行，試驗(yàn)進(jìn)程及各系列持續(xù)時(shí)間如圖2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

　　2.1 混合基質(zhì)及消化反應(yīng)器的特性
　　污泥與各高濃度有機(jī)廢物形成的混合基質(zhì)及有關(guān)高溫/中溫厭氧消化反應(yīng)器系統(tǒng)各參數(shù)的變化特性示于表1，其中各值都是經(jīng)多次分析測(cè)定后計(jì)算所得平均值。由該表可以看出:只有在試驗(yàn)系列3—2中混合基質(zhì)在FB2中的停留時(shí)間為14d，其余皆為t FB1 =2.5d，t FB2 =10d；在用以處理污泥與豬血的試驗(yàn)系列3-2中，兩相厭氧消化系統(tǒng)承受較高的總固體負(fù)荷、有機(jī)負(fù)荷，其平均值分別為25.31kgTS/m 3 ·d和16.32kgVS/m 3 ·d；FB2承受的負(fù)荷變化均較平穩(wěn)，可見在某種程度上它起了均勻負(fù)荷的作用。
　　2.2 pH值變化
　　對(duì)于厭氧消化過程運(yùn)行而言，經(jīng)常檢測(cè)pH 值并掌握其變化趨勢(shì)顯得尤為重要。在本試驗(yàn)系列1至系列4中，分別對(duì)原生污泥、高濃度有機(jī)廢物(包括馬鈴薯加工廢物、豬血、腸類加工廢物)，二者按比例混合樣，F(xiàn)B1消化后及FB2 消化后污泥的pH值進(jìn)行檢測(cè)。
　　混合基質(zhì)經(jīng)高溫消化2.5d后，其pH值時(shí)而略高于或時(shí)而低于進(jìn)料混合基質(zhì)pH值。但從總的測(cè)定結(jié)果計(jì)算，混合基質(zhì)經(jīng)高溫消化后pH值低于消化前的pH值，這表明進(jìn)料混合基質(zhì)經(jīng)75℃停留2.5d的短時(shí)高溫消化后確實(shí)發(fā)生了酸化，即復(fù)雜的有機(jī)化合物諸如碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等發(fā)生了水解產(chǎn)酸；經(jīng)FB1消化后的污泥再經(jīng)中溫消化10d(或試驗(yàn)系列3-2中的14d)后，正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下pH值平均升高至7.44~8.05左右，即第一段產(chǎn)酸相的產(chǎn)物進(jìn)行了甲烷發(fā)酵(堿性發(fā)酵)。

　　需指出的是在試驗(yàn)系列1中，F(xiàn)B2消化后污泥的pH值在5月6日只有6.54，其原因可能是在4月12日(全天)及4月13日(5個(gè)小時(shí))先后兩次發(fā)生消化器加熱干擾現(xiàn)象，溫度降至25~30℃；再則是4月27日由于投配污泥至FB1的流量計(jì)(IDM)發(fā)生干擾，只投配了100%馬鈴薯加工廢物。這兩種干擾可能造成甲烷菌生長(zhǎng)環(huán)境的擾動(dòng)，致使PH值下降。為了恢復(fù)FB2消化反應(yīng)器的PH值至7.5左右，于5月6日在FBI消化后污泥中一次投加4290 gNaOH(20%體積)，均勻混合后抽至FB2中，結(jié)果經(jīng)過10d左右時(shí)間PH值即升至7.40以上，一直穩(wěn)定運(yùn)行。
　　2.3 TS與VS變化
　　TS反映了厭氧消化前后基質(zhì)中總固體的變化情況，而VS則反映了總固體TS中有機(jī)組分改變。表2則是各試驗(yàn)系列中TS與VS的平均去除率，在系列3投加污泥與豬血的試驗(yàn)中，TS與VS值最大；在整個(gè)試驗(yàn)過程中，F(xiàn)BI消化后污泥的TS與VS在很大程度上取決于進(jìn)料基質(zhì)的TS與VS大小，這與文獻(xiàn)中結(jié)論一致 [1] ，且其去除TS與VS能力不大，因?yàn)楦邷禺a(chǎn)酸相主要目的在于水解產(chǎn)酸而不在于對(duì)TS 和VS的去除；經(jīng)FBZ消化后污泥的TS與VS 變化幅度較小，且絕大部分TS與VS都是在中溫消化段去除的，其平均去除率為η TS =16.94 ~44.11%，η VS =33.61~49.38%。

　　2.4 COD變化
　　COD是衡量生化反應(yīng)器去除有機(jī)物的另一項(xiàng)有機(jī)污染指標(biāo)。在整個(gè)試驗(yàn)系列中，分別檢測(cè)了原生污泥、高濃度有機(jī)物(包括馬鈴薯加工廢物、豬血和腸類加工廢物)、二者的混合基質(zhì)、FB1和FB2的消化后污泥COD值，表3是檢測(cè)結(jié)果的典型值。混合基質(zhì)經(jīng)FB1高溫消化后，多數(shù)情形下COD值略高，這可能是由于混合基質(zhì)中難于生物降解或氧化的高分子有機(jī)物變成了易于降解與氧化的小分子的原故，這與文獻(xiàn)中用于處理污泥的兩根消化結(jié)論一致 [2] 經(jīng)FB1高溫消化后的污泥，進(jìn)一步經(jīng)FB2中溫消化后COD值大幅度降低，在試驗(yàn)系列1、2、3一1、3-2和4中，F(xiàn)B2對(duì)COD的平均去除率分別為50%、61%、55%、55%和51%。可見，與TS和VS的去除一樣，COD也主要是在FB2 中降解去除的。

　　2.5 日產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣車的變化
　　在5月6日，對(duì)應(yīng)于最低PH值6.54，其FB2產(chǎn)氣量?jī)H為0.097m 3 /d(0.51m 3 /m 3 RS)，而投加堿后產(chǎn)氣量迅速回升至 2.34m 3 /d(11.64m 3 /m 3 RS)，進(jìn)一步　　說明在甲烷發(fā)酵的FB2 反應(yīng)器內(nèi)保持堿性條件是多么重要。各試驗(yàn)系列中的日產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率的平均值列于表4，其中包括投加單位重量VS產(chǎn)氣率(Gm,vs。)和分解去除單位重量VS產(chǎn)氣率(Gm,vs r )的平均值。由該表可見，主要產(chǎn)氣相FB2平均日產(chǎn)氣量，系列4中為最高達(dá)4.020m 3 /d；處理單位體積組合基質(zhì)產(chǎn)氣率，系列3-2中為最大23.73m 3 /m 3 RS，這可能是由于基質(zhì)在FB2中停留時(shí)間較長(zhǎng)，進(jìn)料相對(duì)較少之故。單位重量VS比產(chǎn)氣率也在系列3-2中為最大，其值為0.702m 3 /kgVS 0 ；分解去除單位重量VS時(shí)的比產(chǎn)氣率在系列1中為最高，其值為1.861m 3 /kgVS r

　　2.6 CH₄ 的體積組成和比產(chǎn)率變化
　　厭氧消化的主要目的不僅穩(wěn)定有機(jī)物，還產(chǎn)生CH₄ 氣體，因而CH₄ 產(chǎn)量及產(chǎn)率是衡量厭氧過程的又一重要指標(biāo)。一些文獻(xiàn)資料表明 [3，4] :運(yùn)行良好的中溫厭氧消化池產(chǎn)氣中CH₄ 的體積組成多在60~70%左右，也可能低于或高出此范圍。在本試驗(yàn)過程中，高溫消化FB1 反應(yīng)器僅產(chǎn)生少量或沒有CH₄ ，大部分為CO₂ 和H 2 ；而中溫消化FB2反應(yīng)器則產(chǎn)生大量CH₄ ，這與文獻(xiàn)中結(jié)論基本一致 [5] 。將各試驗(yàn)系列中用以處理不同組合基質(zhì)時(shí)CH₄ 平均組成，系統(tǒng)處理單位重量VS的CH₄ 比產(chǎn)率 、系統(tǒng)去除單位重量VS的CH₄ 比產(chǎn)率 和系統(tǒng)去除單位重量COD時(shí)CH₄ 比產(chǎn)率 的平均值列于表5。FB2產(chǎn)CH₄ 的平均體積組成為65~75%(干擾除外)，F(xiàn)B2處理單位重量VS時(shí)CH₄ 平均產(chǎn)率為0.397~0.511m 3 /kgVS 0 ；分別去除單位重量VS時(shí)CH₄ 平均產(chǎn)率為1.087~1.25m 3 /kgVS；從理論上講 [6、7、8] ,分解每kgCOD或BOD u 的CH₄ 產(chǎn)率為0.35m 3 CH₄ /kgCOD r ，但試驗(yàn)中由于基質(zhì)種類、負(fù)荷率、pH、混合及溫度等諸多因素影響，以COD去除表示的CH₄ 平均產(chǎn)率在試驗(yàn)系列1和2中低于理論值，而在系列3和4中均高于理論值，介于0.265~0.504m 3 /kgCOD r 之間。
表5 C 4 的平均體積組成和比產(chǎn)率

　　2.7 有機(jī)酸
　　有機(jī)酸是厭氧消化過程中有機(jī)物降解時(shí)產(chǎn)生的重要中間產(chǎn)物，大部分CH₄ 氣體都是源于有機(jī)酸的進(jìn)一步分解而形成的，因此由厭氧消化最終排泥中有機(jī)酸的含量可以大致判定厭氧操作過程的好壞，它是厭氧消化過程中另一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。
　　在試驗(yàn)過程中，用蒸餾法測(cè)定有機(jī)酸(VFA)含量，每周進(jìn)行兩次，樣品包括污泥與高濃度有機(jī)廢物(分別為馬鈴薯加工廢物、豬血及腸類加工廢物)的比例組合樣、　　FB1和FB2 消化后的污泥。混合基質(zhì)的VFA介于2023~5802mgHAc/L之間，各系列中平均VFA濃度在3113~4300mgHAc/L之間，比一般報(bào)導(dǎo)的原生污泥VFA濃度　　(500~1500mgHAc/L)高，表明待處理混合基質(zhì)(尤其是污泥)在運(yùn)送到試驗(yàn)場(chǎng)所之前或在其貯存過程中已經(jīng)發(fā)生了酸化。混合基質(zhì)經(jīng)FB1高溫消化后，在系列1和2中VFA平均濃度分別為3746mgHAc/L和4369mgHAc/L，與其在進(jìn)料基質(zhì)中VFA濃度(分別為3452mgHAc/L和4300mgHAc/L)基本上相等；而在系列3和4中，VFA濃度大幅度升高。當(dāng)經(jīng)FB1消化后的污泥進(jìn)一步經(jīng)FB2中溫消化后，在穩(wěn)定狀態(tài)下VFA濃度大幅度降低，平均在43~433mgHAc/L之間。在5月6日檢測(cè)的FB2消化后污泥的VFA濃度高達(dá)　　4397mgHAc/L，因而pH值降低至6.54 時(shí)產(chǎn)氣及產(chǎn)CH₄ 幾乎停止，而在投加堿10d以后VFA降低至常態(tài)，并保持穩(wěn)定狀態(tài)。
　　在系列3-1中，由于系統(tǒng)處理混合基質(zhì)的有機(jī)負(fù)荷增高(參見表1)，因而FB2消化后污泥的VFA濃度也高達(dá)1712mgHAc/L，當(dāng)延長(zhǎng)水力停留時(shí)間由10d至試驗(yàn)系列3-2的14d 后，盡管有機(jī)負(fù)荷仍在增加，但FB2中VFA逐步下降至433mgHAc/L。從各試驗(yàn)系列FB2中VFA濃度的變化，投加堿或適當(dāng)延長(zhǎng)其水力停留時(shí)間(減少負(fù)荷)是恢復(fù)中溫消化反應(yīng)器的彌補(bǔ)措施。不過在系列3-1中，盡管FB2中VFA 濃度升高，但系統(tǒng)仍在正常運(yùn)行，產(chǎn)氣和產(chǎn)CH₄ 也并未因此而降低或中止。有資料表明 [9、10] ，運(yùn)行良好的厭氧消化反應(yīng)器，VFA濃度應(yīng)<500mgHAc/L，最好是<300mgHAc/L。醋酸濃度在200~400mgHAc/L，通常認(rèn)為是正常的、良好消化 [7] 。從這些觀點(diǎn)來看，高溫/中溫兩相厭氧消化系統(tǒng)在未有外在因素干擾或負(fù)荷恒定條件下，基本處于滿意運(yùn)行狀態(tài)。

3 試驗(yàn)結(jié)論

　　高溫/中溫兩相厭氧消化用于分別同時(shí)處理城市污水廠污泥和一定比例的其它高濃度有機(jī)廢物(主要含碳水化合物的馬鈴薯加工廢物、主要含蛋白質(zhì)的豬血及主要含脂肪的灌腸加工廢物)，在技術(shù)上是可行和有效的。通過對(duì)評(píng)價(jià)厭氧消化反應(yīng)器系統(tǒng)的幾項(xiàng)重要指標(biāo)，如pH 值、TS與VS變化、COD變化、產(chǎn)氣和產(chǎn)CH4 率及有機(jī)酸濃度的試驗(yàn)結(jié)果、分析與討論可知，控制高溫產(chǎn)酸相在75℃和2.5d可基本達(dá)到水解與產(chǎn)酸的目的，控制中溫產(chǎn)甲烷相在37℃和10d(或14d)可達(dá)到最大產(chǎn)氣與產(chǎn)CH4 的目的。在外界環(huán)境條件不變或系統(tǒng)不受加熱變化等因素的影響時(shí)，高溫/中溫兩相厭氧消化系統(tǒng)具有較大的穩(wěn)定性。

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作者簡(jiǎn)介:趙慶良，哈爾濱建筑大學(xué)土木水利站博士后、講師。
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