基于厌氧共消化技术处理污泥与城市有机垃圾的研究

摘 要：为了研究基于厌氧共消化技术对污泥和城市有机垃圾的处理，本文以污水处理厂剩余污泥和职工餐厅中餐厨垃圾作为研究对象，通过厌氧消化（MAD）试验，分析了污泥与有机垃圾对MAD产气的影响以及对MAD稳定性的影响，研究结果表明，随着厌氧消化反应（MAD）时间延长，MAD累积气量逐渐增大，当污泥与餐厨垃圾混合比为8∶2时，MAD产气性能显著提高。随着厌氧消化反应（MAD）时间延长，污泥与餐厨垃圾各混合比溶液的SCOD（化学需氧量）和TVFAs（乙醇及挥发性脂肪酸）浓度均先增大再减小。随着厌氧消化反应（MAD）时间延长，污泥与餐厨垃圾各混合比溶液的pH值（酸碱度）均先减小再增大，TAN（总氨氮）均逐渐增大。

关键词：厌氧消化技术；污泥处理；有机垃圾；产气量

中图分类号：X 799" 文献标志码：A

随着城市快速发展，需要处理的污水逐渐增多，污水厂剩余污泥也相应增多。学者们针对如何有效处理剩余污泥，实现保护环境和经济增长的双重效益进行了多方面研究，王文标等[1]研究了硫酸盐对厌氧消化的影响及强化工艺，认为废水中的硫酸盐成分会对厌氧生物处理效能产生一定的抑制作用。陈天逸等[2]对活性碳介导厌氧铁氨氧化脱氮效能及影响因素进行了研究，研究结果表明，pH值为6～7时有助于提高出水NH4+-N去除率。张波等[3]研究了高浓度氨氮对厌氧膜生物反应器处理养猪废水的抑制影响，研究结果表明，高浓度氨氮主要抑制了乙酸降解微生物的比产甲烷活性，而生物炭的投加利于维持污泥在高氨氮浓度下的乙酸盐降解产甲烷能力。孙志国等[4]对强化循环厌氧反应器处理印染废水的厌氧颗粒污泥特性进行了研究，研究结果表明，随着HRT缩短，系统内SS和VSS的含量都呈先减少后增加的趋势。雷立帆等[5]对中温和高温条件下餐厨垃圾厌氧发酵产气动力学进行了研究，研究结果表明，高温厌氧发酵最大产甲烷潜能比中温发酵高32.37%。以上学者研究了硫酸盐对厌氧消化的影响，分析了餐厨垃圾厌氧发酵产气动力学规律。

然而，学者们未系统考虑厌氧共消化技术对不同混合比例的污泥和餐厨垃圾的处理，基于此，本文以污水处理厂剩余污泥和职工餐厅中餐厨垃圾作为研究对象，通过厌氧消化（MAD）试验研究了基于厌氧共消化技术对污泥和城市有机垃圾进行处理的技术，分析了污泥与有机垃圾对MAD产气的影响以及对MAD稳定性的影响。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

本次研究以污水处理厂处理污水后的剩余污泥以及工业园内职工餐厅的餐厨垃圾作为研究对象，在35℃下通过不同剂量的CaO2（过氧化钙）对不同混合比例的污泥和餐厨垃圾进行中温厌氧消化（MAD）试验，试验设备如图1所示。将采集好的污泥储存在容器中，并在4℃条件下保存，将收集后的餐厨垃圾去掉骨头和纸巾后，采用破碎机打碎混匀，再加入适量去离子水稀释，然后过8目筛后存储。试验所用的接种物取自酒厂的厌氧发酵池，在35℃下，将接种物在震荡速率为150r/min的振荡器中进行培养备用。

1.2 试验方法

在污泥的预处理过程中，先将污泥离心脱水后再加入离子水，将溶液内固体含量调配为5%左右，放入2L的烧杯中，然后在烧杯中加入纯度为32.5%的CaO2（过氧化钙），CaO2的剂量为0.32g/gVS，将混合溶液搅拌均匀后在室温下放置48h。

预处理的污泥和餐厨垃圾进行厌氧共消化反应（在120mL的血清瓶中进行），在试验过程中，设置了4种不同的污泥与餐厨垃圾混合比，第1种全污泥，第1种污泥与餐厨垃圾混合比为5∶5，第3种混合比为7∶3，第4种混合比为8∶2，将全污泥试验作为对照试验，全污泥溶液在试验前需要采用NaOH溶液和HCl溶液调节pH值为7.0±0.1，NaOH和HCl溶液浓度均为2mol/L，然后按照混合比将污泥与餐厨垃圾混合均匀，将接种物和混合均匀的基质溶液放入消化反应瓶中，基质溶液与接种物的体积比为5∶1。将接种后的基质溶液进行密封，密封前将氮吹入反应瓶中，形成厌氧环境，厌氧消化反应试验在恒温空气浴摇床中进行，并保持试验温度为35℃，摇床振动速率为150r/min。试验过程中，每种消化反应均进行3次，在消化期间每1d进行1次取样测定，待反应产气停止时，试验结束。

试验结束后，将反应后的溶液置入离心管中，分离出沼液和沼渣，然后测定沼液中的pH（酸碱度）、TAN（总氨氮）、SCOD（化学需氧量）、TVFAs（乙醇及挥发性脂肪酸）和FAN（游离氨），测定沼渣中的TP（总磷）、TN（总氮）、TK（总钾）。其中pH、TAN、SCOD、VFAs和FAN的采用《水和废水监测分析方法》中规定的方法进行测定，TP、TN、TK采用《土壤农化分析》中规定的方法进行测定。

2 试验结果与分析

2.1 污泥与有机垃圾对MAD产气的影响

在不同污泥与餐厨垃圾混合比条件下，污泥与餐厨垃圾理在厌氧消化反应（MAD）日产气量与累积气量历时变化，如图2所示。

由图2（a）可知，当进行厌氧消化反应（MAD）第1d时，不同污泥与餐厨垃圾混合比溶液产气量最大，混合比分别为全污泥、5∶5、7∶3、8∶2时，MAD产气量分别为9.21mL/gVS、44.34mL/gVS、69.12mL/gVS、65.60mL/gVS。随着反应时间延长，不同混合比的溶液产气量逐渐减小，当第5d时，混合比为5∶5的溶液产气量降至最小，其值几乎为0。全污泥溶液在反应后第8d，产气量达到第2个峰值，峰值产气量为16.79mL/gVS，随着反应持续进行，在第32d降至0.23mL/gVS。混合比为7∶3的溶液在第7d产气量达到最小，随着反应时间持续，产气量逐渐增大，在第21d达到第2个峰值，峰值产气量为24.26mL/gVS，随着时间延长，产气量再次减小，然后再增大。混合比为8∶2的溶液在第12d的产气量达到第2个峰值，峰值产气量为31.22mL/gVS，随着反应时间持续，产气量逐渐减小，当反应进行至24d时，产气量增至第3个峰值。

由图2（b）可知，随着厌氧消化反应（MAD）时间延长，不同污泥与餐厨垃圾混合比溶液产累积气量逐渐增大。当反应时间在1d～9d范围时，混合比为7∶3的溶液产气量最大，全污泥溶液产气量最小，当反应时间大于9d时，混合比为8∶2的溶液产气量最大，混合比为5∶5的溶液产气量最小。因此，当采用厌氧共消化技术对污泥和有机垃圾进行处理时，污泥与餐厨垃圾混合比为8∶2时，可提高厌氧共消化反应时的产气性能。

由图2可知，当第1d进行厌氧消化反应（MAD）时，污泥与餐厨垃圾混合比溶液产气量最大，随着厌氧消化反应（MAD）时间延长，不同污泥与餐厨垃圾混合比溶液产累积气量逐渐增大。当反应时间大于9d时，混合比为8∶2的溶液产气量最大，因此，当采用厌氧共消化技术对污泥和有机垃圾进行处理时，使污泥与餐厨垃圾混合比为8∶2，可提高厌氧共消化反应时的产气性能。

2.2 污泥与有机垃圾对MAD稳定性的影响

在不同污泥与餐厨垃圾混合比条件下，污泥与餐厨垃圾理在厌氧消化反应（MAD）时SCOD（化学需氧量）、TVFAs（乙醇及挥发性脂肪酸）的浓度变化如图3所示。

由图3（a）可知，随着厌氧消化反应（MAD）时间延长，污泥与餐厨垃圾各混合比溶液的SCOD（化学需氧量）浓度均呈先增大再减小的趋势。当溶液混合比分别为全污泥、5∶5、7∶3、8∶2时，SCOD的初始浓度分别为4295.72mg/L、28577.4mg/L、19391.0mg/L、9558.29mg/L，当溶液为全污时，SCOD的初始浓度最小。当反应进行第5d时，全污泥和混合比为8∶2溶液的SCOD浓度达到峰值，峰值浓度分别为5422.1mg/L、15097.83mg/L，当反应进行第15d时，混合比为7∶3溶液的SCOD浓度达到峰值，峰值浓度为25622.96mg/L，当反应进行第30d时，混合比为5∶5溶液的SCOD浓度达到峰值，峰值浓度为35298.7mg/L。在相同反应时间下，混合比为5∶5溶液的SCOD浓度始终最大。

由图3（b）可知，随着厌氧消化反应（MAD）时间延长，污泥与餐厨垃圾各混合比溶液的TVFAs（乙醇及挥发性脂肪酸）浓度均呈先增大再减小的趋势。当反应进行第5d时，全污泥和混合比为8∶2溶液的TVFAs浓度达到峰值，峰值浓度分别为3550.85mg/L、10948.16mg/L，当反应进行第10d时，混合比为5∶5溶液的TVFAs浓度达到峰值，峰值浓度为25750.83mg/L，当反应进行第15d时，混合比为7∶3溶液的TVFAs浓度达到峰值，峰值浓度为29260.32mg/L。因此，当污泥中加入一定比例的餐厨垃圾时，可显著提高混合溶液的TVFAs浓度。

由图3可知，随着厌氧消化反应（MAD）时间延长，污泥与餐厨垃圾各混合比溶液的SCOD（化学需氧量）和TVFAs（乙醇及挥发性脂肪酸）浓度均呈先增大再减小的趋势，与其他混合比溶液相比，混合比为5∶5溶液的SCOD浓度始终最大，混合比为7∶3溶液在反应15d的TVFAs浓度最大，因此，当污泥中加入一定比例的餐厨垃圾时，可显著提高混合溶液的SCOD和TVFAs浓度。

在不同污泥与餐厨垃圾混合比条件下，污泥与餐厨垃圾理在厌氧消化反应（MAD）时PH（酸碱度）变化和TAN（总氨氮）、FAN（游离氨）的浓度变化如图4所示。

由图4（a）可知，随着厌氧消化反应（MAD）时间延长，污泥与餐厨垃圾各混合比溶液的pH值（酸碱度）均先减小再增大。在反应初期，溶液混合比分别为全污泥、5∶5、7∶3、8∶2时的pH值分别为6.62、6.81、7.36、7.76，当反应进行第5d时，各溶液的pH值均降至最低值，溶液均出现不同程度的酸化，在相同反应时间下，溶液混合比为5∶5时的pH值始终最小。

由图4（b）可知，随着厌氧消化反应（MAD）时间延长，污泥与餐厨垃圾各混合比溶液的TAN（总氨氮）均呈逐渐增大的趋势，在反应初期，当溶液混合比分别为全污泥、5∶5、7∶3、8∶2时，溶液中TAN浓度分别为335.8mg/L、410.09mg/L、425.55mg/L、338.56mg/L，当反应时间为35d时，溶液中TAN浓度达到最大，最大浓度分别为891.08mg/L、899.15mg/L、1241.33mg/L、1024.19mg/L。在相同反应时间下，溶液混合比为8∶2时的TAN浓度始终最大。

由图4（c）可知，当厌氧消化反应（MAD）时间为5d时，污泥与餐厨垃圾各混合比溶液的FAN（游离氨）的浓度达到最小，随着反应时间持续延长，FAN（游离氨）的浓度逐渐增大。当反应时间为10d时，全污泥和混合比为8∶2溶液FAN（游离氨）的浓度达到峰值，与其他2种溶液相比，FAN（游离氨）的浓度略有增大。当反应时间为35d时，混合比为5∶5和7∶3溶液FAN（游离氨）的浓度达到峰值，其中混合比为7∶3溶液FAN（游离氨）的浓度增大明显，相比其他溶液，FAN（游离氨）的浓度最大。

由图4可知，随着厌氧消化反应（MAD）时间延长，污泥与餐厨垃圾各混合比溶液的pH值（酸碱度）均先减小再增大，TAN（总氨氮）均逐渐增大。当反应进行第5d时，各溶液的pH值和FAN（游离氨）的浓度降至最低值，溶液出现不同程度的酸化，当反应时间为35d时，溶液中TAN浓度达到最大，在相同反应时间下，溶液混合比为8∶2时的TAN浓度始终最大。

3 结语

本文以污水处理厂剩余污泥和职工餐厅中餐厨垃圾作为研究对象，通过厌氧消化（MAD）试验，研究了基于厌氧共消化技术对污泥和城市有机垃圾进行处理的技术，分析了污泥与有机垃圾对MAD产气的影响以及对MAD稳定性的影响，可得如下结论。1）当第1d进行厌氧消化反应（MAD）时，污泥与餐厨垃圾混合比溶液产气量最大，当反应时间持续延长时，MAD累积气量逐渐增大。当反应时间大于9d时，与其他溶液相比，混合比为8∶2的溶液产气量最大，因此，当污泥与餐厨垃圾混合比为8∶2时，可提高厌氧共消化反应时的产气性能。2）随着厌氧消化反应（MAD）时间延长，污泥与餐厨垃圾各混合比溶液的SCOD（化学需氧量）和TVFAs（乙醇及挥发性脂肪酸）浓度均先增大再减小，与其他溶液相比，混合比为5∶5溶液的SCOD浓度始终最大，当污泥中加入一定比例的餐厨垃圾时，可显著提高混合溶液的SCOD和TVFAs浓度。3）随着厌氧消化反应（MAD）时间延长，污泥与餐厨垃圾各混合比溶液的PH值（酸碱度）均先减小再增大，TAN（总氨氮）均逐渐增大。当反应进行第5d时，各溶液的pH值和FAN（游离氨）的浓度降至最低值，溶液出现不同程度的酸化。

参考文献

[1]王文标，谢靖，谢丽.硫酸盐对厌氧消化的影响及强化工艺研究进展[J].净水技术，2024，43（增刊1）：8-14.

[2]陈天逸，李宁，吴琼，等.活性碳介导厌氧铁氨氧化脱氮效能及影响因素[J].环境科技，2024，37（3）：12-18.

[3]张波，王高骏，付鹏，等.高浓度氨氮对厌氧膜生物反应器处理养猪废水的抑制影响及生物炭缓解效能[J].环境工程学报，2024，18（5）：1283-1291.

[4]孙志国，毕深涛.强化循环厌氧反应器处理印染废水的厌氧颗粒污泥特性研究[J].能源与环境，2024（2）：12-15+69.

[5]雷立帆，陈金阳，于欣卉，等.中温和高温条件下餐厨垃圾厌氧发酵产气动力学的研究[J].中国沼气，2024，42（2）：31-37.