张月， 李勇， 郭志伟， 倪海亮， 张洪
（苏州科技学院环境学院，江苏苏州 215009）
摘要：为了使污泥和餐厨垃圾2类同体废弃物得到更加资源化处理，将污水厂污泥和餐厨垃圾按TS之比4：1进行混合两相厌氧消化，研究产甲烷相中不同的投配率对发酵效果的影响，试验设定的3个投配率分别为8%.12%1:1116%。研究结果表明，产甲烷相中投配率为16%时，系统稳定时总的SCOD去除率和总的vs去除率最高，分别74%和88.07%；日产气量最大，为888.07 mL/(gVS' d);产气中甲烷的百分含量最高，为74%。因此产甲烷相巾投配率16%是本实验的最佳投配率。
关键词：脱水污泥；餐厨垃圾；两相厌氧消化；产甲烷
餐厨垃圾产生量大，含水率高，有机物丰富，易腐烂变质，在运输和处理过程中会污染周围环境。另一方面，由于污水处理量的不断增加，随之产生大量污泥。如何能够在处理餐厨垃圾的同时也能使得剩余污泥得到合理的处置，是实现餐厨垃圾和剩余污泥资源化利用的有效途径。
有机固废的厌氧消化技术是利用微生物降解底物，不仅有较高的处理效率，而且还可以得到生物气能源和有机肥料。与单相厌氧消化相比，两相厌氧消化技术将产酸阶段和产甲烷阶段分别置于2个反应器中，分别为产酸菌和产甲烷菌提供最适的生存坏境，因此可以获得更高的沼气产率和更稳定的运行系统。本试验利用两相厌氧消化技术，将污水厂的脱水污泥和餐厨垃圾按TS比4:1进行共发酵，研究产甲烷相中不同的投配率（每天进料体积占消化器有效容积的百分数，与HRT互为倒数关系）对消化体系日产甲烷量，产气中甲烷百分比以及对有机物去除率的影响，为优化市政污泥与餐厨垃圾混合两相厌氧消化工艺参数提供理论依据。
1实验部分
1.1实验材料
污泥取自苏州高新区第一污水处理厂经压滤脱水后的污泥，取回密封保存，每周取一次。餐厨垃圾取自苏州科技学院石湖校区第一食堂，包括米饭、蔬菜和肉类，取回经撇油处理后用豆浆机绞成流体状于4℃保存，每周制备一次。脱水污泥和餐厨垃圾相关参数平均值如表1所示。
1.2 实验装置与实验方法
实验所用装置如图1所示，水解产酸相所用的发酵罐体积为10 L，有效体积为9L，产甲烷相所用发酵罐体积为5L，有效体积为3L。消化过程中产生的气体用集气袋收集，每次进出料结束后用集气袋向发酵罐内充人氮气2 min，以保证发酵罐内的厌氧环境。
将脱水污泥和餐厨垃圾按TS之比为4:1投入到水解产酸发酵罐中，并调节含水率为850/,左右，发酵的水浴温度为(55±1)℃，搅拌速率为100 r/min，每天进出料一次，待各监测指标稳定后将出料收集起来，存满9L后经脱氮工艺(出料离心后取上清液，调节pH为8左右，絮凝剂(PAM)投加量为12.5 mg/L，吹脱强度为20 L/h，吹脱时间为10 h）吹脱氨氮并调节pH后分别投入3个产甲烷发酵罐中，并按照试验设定的投配率(8%、12%、16%)每天进出料一次，产甲烷发酵罐的水浴温度和搅拌速度和水解产酸发酵罐相同。
1.3测定指标及方法
VS采用重量法测定；pH值采用雷磁PHS-3E pH计测定；样品经4 000 r/min离心15 min后取上清液用分光光度法测定VFAs和SCOD；产气量用集气袋法测；产气中的甲烷百分比用高性能GC9800气相色谱仪测。
2结果与讨论
2.1水解产酸相投配率的确定
两相厌氧消化中水解产酸阶段产生的VFAs作为产甲烷反应中产甲烷菌利用的底物。水解产酸阶段发酵的时间一方面通过VFAs浓度稳定程度来确定，另一方面通过产生的氨氮浓度达到饱和的情况来决定。图2表示的是水解产酸相静态反应中VFAs和氨氮浓度的变化，可以看出VFAs浓度在反应的第6天达到最高，为4 819.25 mg/L，随后呈下降趋势，说明水解酸化程度在第6天达到最高。氨氮浓度在第6天达到饱和，为950 mg/L，此后趋于稳定。由于第6天反应进入酸化阶段，氨氮浓度达到饱和即6d为脱氮最佳时间，故选择6d为水解产酸时间，即连续进出料时水解产酸相投配率为16.7%。
2.2不同投配率下pH值的变化
pH是厌氧消化反应重要的参数之一，它对厌氧消化体系的影响从本质上来说是对生物体内酶活性的影响。图3表示了消化过程中系统pH值的变化，反应开始10 d内，由于易降解的餐厨垃圾的水解酸化，水解产酸发酵罐的pH值降到4.71，此后由于体系产生的VFAs(挥发性脂肪酸)、氨氮、溶解在发酵液中的C02等综合作用，pH值稳定在5.2左右，此pH值和Dong-Yeol Lee等研究结果相近。虽然正常的厌氧发酵过程中pH有一个自身调节过程，但对于两相厌氧反应器，若想获得更高的产气率，在物料进入产甲烷相发酵罐之前需要调节pH值，不同投配率的产甲烷发酵罐开始时pH值都为7左右，反应开始后由于产甲烷菌对环境有个适应的过程，3个产甲烷发酵罐中pH值50 d后均稳定在8左右，这与一般认为的产甲烷菌有较强活性时的pH值6.5—7.8接近。
2.3不同投配率下VFAs浓度的变化
在厌氧消化产甲烷反应中，VFAs是产甲烷代谢过程中的重要中间产物，它的浓度变化可以反映发酵过程中产酸的速率，当反应的产酸速率大于产甲烷速率时，会出现VFAs的积累，使pH降低，抑制产甲烷菌对VFAs的利用，从而加剧了VFAs的积累，使反应进入酸积累的恶性循环。
图4表示了消化过程中VFAs浓度的变化，可以看出水解产酸发酵罐中VFAs经过一段时间的积累，最终波动稳定在10 000mg/L。这是因为水解产酸发酵罐中的pH在5.0左右，不适合产甲烷菌降解VFAs产生甲烷。
产甲烷发酵罐开始时VFAs浓度高于产酸段的VFAs浓度，这是因为物料在产甲烷发酵罐中稳定了几天后才开始测样，这期间产酸发酵罐中部分没有完全水解的有机物继续水解，导致VFA浓度升高。3个不同投配率的产甲烷发酵罐在前45 d处于培训期，VFAs浓度呈现先升高后降低的趋势，稳定时浓度为5 000 mg/L左右。产甲烷菌将乙酸、C02、H2等转化为甲烷．一方面解除了产物对产酸菌的抑制作用使得VFAs浓度升高，另一方面产甲烷菌大量利用VFAs产甲烷，当消耗速率大于产生速率时，VFAs浓度就会降低。从图4可以看出不同的投配率下VFAs的变化趋势基本一致，且稳定时的VFAs浓度也差别不大，但投配率对VFAs达到稳定所需的时间有一定的影响，投配率越小，VFAs浓度达到稳定所需的时间越短，这可能是因为投配率越小，每天进料中有机物相对较少，其分解转化成供产甲烷菌利用的有机酸也越少，达到稳定的时间也相对较短。
2.4不同投配率下SCOD浓度的变化及去除率
有机物在厌氧消化的过程中首先要被水解成可溶性的小分子有机物才能进一步被利用，因此反应体系中溶解性有机碳的变化可以很好地反映消化过程中底物被利用的情况。图5表示了消化过程中SCOD浓度随时间的变化和各产甲烷发酵罐总的SCOD的去除率。可以看出在反应的前10 d水解产酸发酵罐中物料的有机物水解速率较快，SCOD浓度逐步升至37 400 mg/L，随后呈现波动下降的趋势，最终稳定在21 000 mg/L左右。各产甲烷发酵罐中SCOD浓度在发酵前30 d内下降速率较快，随后降低趋势平缓，可以看出不同投配率下各产甲烷发酵罐中SCOD变化趋势相似，但发酵30—55 d内，整体上发酵罐中SCOD浓度随着投配率的增加而降低，最终8%、12%和16%投配率下产甲烷发酵罐稳定时SCOD浓度分别为11 098、9 509、8 309 mg/L，总的SCOD去除率分别为65.93%、70.81Vo、74.49cV0。可见，16%投配率下稳定时SCOD浓度最低，总的SCOD去除率最高，这可能是因为投配率越高，每天产甲烷发酵罐进料中有机物相对较多，产甲烷菌可利用的底物相对较多，产甲烷菌数量较多，活性较高，对有机物的去除率较高。
2.5不同投配率下VS去除率的变化
厌氧发酵过程中有机物被微生物降解会导致反应器中物料的VS发生变化，故用体系中VS的去除率可以很好地反映底物被消耗的程度。图6表示了消化过程中VS的去除率随发酵时间的变化趋势，可以看出水解产酸发酵罐中的VS去除率在前10 d升高至51%，随后稳定在47.55%，3个产甲烷发酵罐中VS去除率前几天均降低至32%左右，这是因为产甲烷发酵罐中的微生物需要一段时间适应，经过30 d左右的培训期，这期间各投配率下VS去除率都呈现波动的趋势，最终稳定时8%、12%和16%投配率的产甲烷发酵罐中，VS去除率分别为25.06%、33. 71%和40.04%，整个消化中VS去除率分别为72.60%、81.25%和88.07%。可见，16%投配率下总的VS去除率最高。
2.6不同投配率下日产气量的变化
厌氧消化的主要目的是把有机物转化为生物气能源，物料中单位VS产气量是评价厌氧消化效率高低的重要指标。图7表示的是消化过程中每天每消耗1gVS产生的气体体积，水解产酸发酵罐在第10天左右出现一个产气高峰，日产气量达1 102.76 mL/(gVS -d)，3个产甲烷发酵罐的日产气量第20天和第30天左右出现2个产气高峰，不同投配率的产甲烷发酵罐日产气量在前40 d的培训期内都在波动，最终稳定时16%投配率下日产气量较高，为888.07 mL/( gVS - d)，8%、12%投配率下日产气量分别为678.94、748.20mL/(gVS-d)。
2.7 不同投配率下甲烷百分比的变化
有机固废厌氧消化过程中产甲烷菌会利用短链脂肪酸或H。和CO。产生甲烷。图8表示了消化过程中甲烷百分含量的变化，可以看出水解产酸发酵罐中甲烷百分比一直很低，这是因为水解产酸阶段pH值为5左右，不适合产甲烷菌生存。3个产甲烷发酵罐产气成分在刚开始测的时侯甲烷百分比就比较高，这是因为产气成分是在物料进入产甲烷发酵罐几天以后才开始测。产气中甲烷百分比在前40 d的培训期呈现波动趋势，由图8可以看出稳定时16%投配率的产甲烷发酵罐产气中甲烷的百分含量最高，约为74%，8%和12%投配率下甲烷百分比分别为64%和70%左右。
3结论
pH是厌氧消化过程中的重要参数，本实验水解产酸相的pH稳定在5.2左右，产酸性能良好；为提供给产甲烷菌一个良好的生存环境，有必要调节产甲烷相的pH，使其维持在6.5—8，有利于产甲烷发酵罐的运行。
不同的投配率的VFAs变化趋势基本一致，且稳定时的VFAs浓度也差别不大，维持在5 000 mg/L左右；但投配率对VFAs达到稳定所需的时间有一定的影响，8%、12%和16%发酵罐中VFAs达稳定时间约为44、50和54 d。
不同投配率下SCOD浓度稳定时所需的时间都是45 d左右，所以投配率对产甲烷反应达到稳定所需的时间影响不大；但投配率对稳定时的SCOD浓度及总的SCOD去除率有一定影响。投配率为8%、12%和16%时，稳定时SCOD浓度分别为11 098、9 509、8 309 mg/L，总的SCOD去除率分别为65.93%、70.81%、74.49%。
VS的去除率随着投配率的增加整体呈升高趋势，最终稳定时8%、12%和16%投配率的产甲烷发酵罐中VS去除率分别为25.06%、33.71%和40.04%．整个消化中VS去除率分别为72.60%、81.25%和88.07%。
不同投配率对产甲烷发酵罐日产气量和产气中甲烷的百分含量都有一定影响。投配率为8%、12%和16%时，日产气量分别678.94、748.20和888.07mL/( gVS -d)，产气中甲烷的百分含量分别为64%、70%和74%。
脱水污泥和餐厨垃圾TS比为4:1进行混合两相厌氧消化时，16%的投配率是产甲烷相的最佳投配率，在此投配率下，产甲烷相稳定时总的SCOD去除率和总的VS去除率最高，分别74%和88.07%，日产气量最大，为888.07 mL/( gVS -d)，产气中甲烷的百分含量最高，为74%。
