戴雅， 程洁红
(江苏省电子废弃物工程中心，江苏理工学院化学与环境工程学院，江苏常州2130001)
摘要：为探讨城市污泥高温微好氧一厌氧两级消化耦合工艺( TAD-MAD)中CH4产气情况，考察了不同污泥含同率条件下TAD-MAD工艺中的pH、总碱度、VSS去除率、挥发性脂肪酸(VFA)和沼气产量以及沼气中CH．含量，并与中温厌氧消化工艺(MAD)进行对比。试验结果表明，在未调节污泥初始pH的条件下，在消化过程中污泥pH能维持在6.5—7.8之间，适宜甲烷菌生长。TAD-MAD工艺中高温微好氧消化2d，VFA含量大幅度增加，最高为8 524.70 mg/l，有利于后续中温厌氧消化产甲烷。TAD-MAD工艺系统中累积单位VSS烷产气量和CH4含量均高于MAD工艺。TAD-MAD工艺最佳进泥TSS为7.12n/0，污泥经过24 d的消化，vss去除率能达到40%，而MAD的VSS去除率仅为35.12%。TAD-MAD工艺累积单位VSS甲烷产气量为116.56 m1/gVSS，超过MAD的85.72 m1/gVSS。且TAD-MAD工艺产甲烷持续时问较MAD_丁艺长，CHt含量总体高于MAD工艺，表明TAD-MAD工艺在VSS去除、甲烷产气量和甲烷含量方面均优于MAD 工艺。
关键词：城市污泥； 甲烷； 自热式高温微好氧消化； 中温厌氧消化
自热式高温微好氧消化技术(autotherma1 ther-mophi1ic aerobic digestion，ATAD)是一种高效的生物稳定化、无害化处理方法，与传统好氧消化技术相比，具有反应速率快，停留时问短，有机物去除率高，病原微生物灭活效果好，运行稳定，操作简单等优点，处理后污泥达到我国各类指标标准和美国EPA的503条款的A级污泥标准。本课题组在前期做过大量ATAD方面的研究，并自主研发了ATAD中试装置，取得较好的运行效果。但同时具有消化后污泥脱水性能变差、在微好氧条件下产生大量VFA的特点。好氧消化工艺不能产生甲烷等能源
气体，只是对污泥进行稳定化、无害化处理。因此，本课题组在国内外已有的高温好氧／中温厌氧消化工艺运行经验基础上，针对我国城市污泥的特点，自主开发具有知识产权的新型高温微好氧一厌氧两级消化( TAD-MAD)工艺，利用了ATAD工艺能快速降解VSS的优势，同时又利用了MAD工艺能产生甲烷气体、污泥量少、消化后污泥脱水性能好的特点。且ATAD工艺产生的高温，不仅有利于后续MAD工艺进一步去除病原菌，而且节省MAD工艺的外加能源。
本文采用TAD-MAD工艺处理城市污泥，通过序批式运行，先按照前期中试ATAD装置升温模式，进行高温微好氧消化，再进行中温厌氧消化反应。在2种不同进泥含固率的条件下，考察了污泥的pH、总碱度、VSS去除率、VFA、沼气产量以及沼气中CH4含量情况，并与MAD工艺进行对比，探讨TAD-MAD工艺的运行效果和产气率，为今后污泥处理提供TAD-MAD工艺生物产气运行数据和理论依据。
1 试验材料与方法
1.1 试验用污泥
试验用城市污泥取自江苏省某中小型污水处理厂的剩余污泥。该污水处理厂采用前置预缺氧池的A+A2/0工艺处理城市生活污水，剩余污泥中含有大量可降解有机物，且重金属含量低，适宜用于生物消化处理。将取回的污泥先用100目筛网过筛去除大颗粒物和毛发，然后调节污泥含固率，备用。污泥成分见表1。试验用的接种泥分别取自事先在实验室培养的高温微好氧消化和中温厌氧消化污泥，这些污泥中含有实验所需的高温微好氧消化菌以及厌氧菌。
1.2 试验装置
本研究采用自制的试验装置（见图1），主体反应器（有效容积为21）置于恒温振荡水浴锅中，采用水浴加热的方法控制反应器的温度。试验过程中每日产生的消化气采用排水法收集后排出进行分析。
1.3 试验启动和运行
(1)反应器启动：实验室分别驯化消化良好的高温微好氧消化污泥和中温厌氧消化污泥作为实验中的接种泥。
(2)反应器运行：TAD-MAD工艺是将过筛后的污泥和高温微好氧消化接种泥混合后，先进行ATAD反应，经过高温微好氧消化预处理后的污泥则作为反应器进泥，与一定量MAD接种泥混合后，一次性加入反应器中进行MAD反应，MAD过程中不再投加新泥也不排泥，即采用一次加泥连续消化的方式，对污泥的消化过程中产生的消化气进行产气潜力研究。MAD工艺是将过筛后的污泥和MAD接种泥混合后，也采用一次加泥连续消化的方式，直接进行MAD反应。
(3)反应器运行参数：高温微好氧阶段接种泥约占总污泥体积量的1/3，高温微好氧消化2d，高温微好氧消化温度55℃；中温厌氧消化阶段接种泥约占总污泥体积量的1/3—1/2，中温厌氧消化24 d，中温厌氧消化温度35℃。实验中采用高(TSS=7%)、低(TSS=4%~5%)2种含固率污泥，研究TAD-MAD系统和MAD系统中pH、总碱度、VSS去除率、VFA和沼气产量以及沼气中CH4含量的变化情况。
1.4 分析项目和方法
pH采用雷磁PHS-3C测定仪测定；TSS、VSS采用重量法测定；VFA采用蒸馏后滴定的方法测定；碱度采用滴定法测定；每日产气量采用排水法测定；消化气成分采用岛津GC2014气相色谱仪测定。色谱条件：柱温50℃，平衡时间0.1 min，恒温分析10 min，TCD检测器100℃。
2 试验结果和讨论
2.1VSS去除率
试验采用高(TSS=7%)和低(TSS=4%~5%)2种进泥含固率，考察了TAD-MAD系统和MAD系统中vss去除效果，结果见图2。
由图2可以看出，TAD-MAD工艺污泥VSS去除率比MAD工艺的要高。《城镇污水处理厂污染物排放标准》( GB 18918-2002)中规定：污泥经厌氧消化处理后有机物去除率应不小于40%。依此标准，高含固率TAD-MAD系统运行20 d，污泥能稳定达标，而中温厌氧消化24 d，系统VSS去除率仍小于40%。前期ATAD研究结果显示，ATAD工艺具有VSS去除率高、消化时间短的特点，消化反应10 d时VSS去除率可达44.3%，但同时ATAD工艺不能产生甲烷等能源气体，只是对污泥进行稳定化、无害化处理。因此，TAD-MAD工艺运行效果更好，大大缩短中温厌氧消化时间，提高VSS去除率。此外，从结果看，TSS为7.12%的污泥达到稳定的时间比5.22%要短，因此消化时采用7.12%的含固率较好。
2.2 系统pH和总碱度
试验采用高(TSS=7%)和低(TSS=4%~5%)2种进泥含固率，对TAD-MAD和MAD中的pH、总碱度随停留时间的变化进行了分析，初始pH没有调整，结果分别见图3、图4。通常，在甲烷化阶段中，pH维持在6.5～7.8时，产甲烷菌有较强的活性。所以系统pH和碱度必须维持在适宜的范围内，产甲烷菌才能保持代谢平衡，有利于促进系统的甲烷产气率。
由图3、图4可以看出，TAD-MAD和MAD系统pH和总碱度随停留时间的变化趋势基本一致，均呈现出整体递增的趋势。TAD-MAD中，污泥经过高温微好氧消化反应后，系统pH上升，高含固率污泥( TSS=7.12%)从6.63上升到6.74，总碱度从236.24mg/l上升到1 94.8.95 mg/l;低含固率污泥(TSS=5.22%)从6.53上升到7.01，总碱度从69.69 mg/l上升到1 742.37 mg/l。对TAD-MAD中高温微好氧消化前后污泥上清液中氨氮含量进行测定，高含固率污泥分别为134.4 mg/l和1 575.0 mg/l，低含固率污泥分别为26.32 mg/l和1 178.80 mg/l，氨氮含量大大增加。张岩岩等，认为高温条件会抑制系统中硝化反应的进行，蛋白质脱氨产生的氨氮不能进一步转化为硝态氮，造成系统氨氮浓度增加，致使污泥pH突然上升，总碱度也一起增加。试验中，在初始pH未调节的情况下，TAD-MAD和MAD系统pH可自行维持在6.5—7.8，适宜产甲烷菌生长，保证厌氧消化系统的正常运行。
2.3 产气分析
在污泥厌氧消化产生的沼气中最有利用价值的是其中的CH4，对高(TSS=7%)和低(TSS=4%。5%)2种含固率的TAD-MAD和MAD产气中CH。含量和甲烷产气量进行测定，试验结果分别见图5和图6。
由图5、图6可知，TAD-MAD产气中CH。含量和累积单位VSS甲烷产气量高于MAD。高含固率TAD-MAD产气初期CH4含量逐步上升，第13天达到最大(79.1%)，随后略有下降并趋于平稳，维持在73.76%—75.71%之间。高温下易发生溶胞作用，释放出大量有机质（VFA、SCOD含量均有所增加，见图7和表2），产甲烷菌可快速利用的这些有机质，提高系统CH4产气率，但后续中温厌氧消化时，系统中微生物需要一定的适应期，造成TAD-MAD工艺CH4产气高峰延迟。低含固率污泥流动性好，低含固率TAD-MAD系统中产甲烷菌与易降解有机质接触更为充分，CH。产气高峰提前，系统启动较快，CH4含量最大达83.47%，高于高含固率TAD-MAD工艺。但由于污泥浓度低，单位微生物接触到的可降解有机质较少，16 d后CH4含量逐渐下降，低于高含固率TAD-MAD工艺。图6中，消化反应18 d，TAD-MAD累积单位VSS甲烷产气量超过MAD的；消化反应20 d，高含固率TAD-MAD累积单位VSS甲烷产气量超过低含固率TAD-MAD的。直至消化反应结束，高含固率TAD-MAD中CH4含量和累积单位VSS甲烷产气量分别达75.71%和116.56 m1/gVSS，均高于低含固率TAD-MAD的46.11%和101.31 m1/gVSS以及高含固率MAD的40.3%和85.7 m1/gVSS。因此，TAD-MAD工艺能有效促进沼气中CH4含量的提高，且24 d消化反应结束时，TSS为7.12%的TAD-MAD产气中CH。含量和累积单位VSS甲烷产气量最高，因此消化时采用7.12%的含固率较好。
2.4 挥发性脂肪酸(VFA)
VFA是厌氧消化过程中重要的中间产物，产甲烷菌可以用VFA产CH4。TAD-MAD工艺和MAD工艺中VFA含量随消化时间的变化趋势见图7。
由图7可见，与MAD工艺相比，TAD-MAD工艺显著提高了系统中VFA含量，高含固率TAD-MAD中VFA含量在第2天达到最大值8 524.7 mg/l。一方面，随着污泥中溶解性有机物含量减少，水解产酸菌水解生成的VFA越来越少；另一方面，高温微好氧消化过程中生成的VFA很快又被产甲烷菌利用，因此随着消化时间的进行，VFA含量在逐渐减少。从表2中得出，高、低不同含固率TAD-MAD原泥VFA含量分别为293.58 mg/l和177.99 mg/l，经高温微好氧消化2d预处理，VFA含量分别增加到6 651.14mg/l和6 794.38 mg/l，分别提高了21.7倍和37.2倍。一方面，由于进入系统中的污泥浓度较高，很容易导致高温好氧消化初期氧供给不足，使得系统处于厌氧和微好氧状态，易产生大量VFA，而VFA很容易被产甲烷菌利用产生大量CH4，这与图5中反应初期沼气中CH4含量急剧上升相吻合。另一方面，溶胞作用的产生也能促进VFA含量的增加。高温微好氧预处理后，溶胞反应发生，胞内物质被释放到污泥中，致使污泥上清液中SCOD浓度急剧上升，VFA含量大幅度增加，这和程洁红等研究结果一致。 但高浓度的VFA并没有使TAD-MAD系统出现明显抑制，这与刘晓玲等研究结果一致。高含固率TAD-MAD结束时，污泥中VFA含量737.07 mg/l，沼气中CH4含量为75.71%，VSS去除率超过40%，沼气中甲烷含量稳定，系统甲烷产气率较高。因此，TAD-MAD中高温微好氧预处理可明显增加系统VFA含量，促进后续中温厌氧消化甲烷产气，尤其是当TSS=7.12%时，VFA含量更高，因此，选用含固率7.12%时TAD-MAD产气效果更好。
3结论
(1)TAD-MAD工艺成功启动并运行稳定，消化反应22 d，VSS去除率>40%，而MAD工艺才35.12%。因此，高温微好氧消化预处理可缩短污泥停留时间，提高TAD-MAD系统VSS去除率，解决MAD污泥停留时间长、VSS去除率低的难题。
(2)初始pH未调节，TAD-MAD系统中pH维持在6.5—7,8，适宜产甲烷菌生长，产甲烷菌具有较高活性。
( 3)TAD-MAD工艺产气中CH4含量和累积单位vss甲烷产气量均高于MAD工艺。其中，低含固率TAD -MAD工艺启动较快，产气中CH4最高达83.47%。但消化16 d后，高含固率TAD-MAD工艺中CH4含量开始高于低含固率TAD-MAD工艺，并维持在73.76%—75.71%，直至反应结束，高含固率TAD-MAD工艺中累积单位VSS产气量最高达116.56 m1/gVSS。因此，TAD-MAD工艺中选用高含固率污泥，产气效果更好。
(4)高温微好氧消化预处理可以促进污泥中溶胞作用发生，提高TAD-MAD系统中VFA和SCOD含量，但高浓度的VFA含量并没有使TAD-MAD系统中出现明显抑制。
