垃圾滲濾液與廚余垃圾混合厭氧消化技術(shù)

 摘要:對垃圾滲濾液與廚余垃圾進(jìn)行混合厭氧消化研究,采用中溫批式厭氧消化工藝,考察3 g/L和30 g/L有機負荷(以VS計)條件下厭氧消化過(guò)程中pH值、產(chǎn)氣量、VFA以及甲烷含量的變化,旨在探索有機負荷對厭氧消化產(chǎn)甲烷效果的影響。結果表明,在30 g/L負荷下比3 g/L負荷反應過(guò)程更為穩定,且累計生物氣產(chǎn)量有大幅提高。2種負荷下系統均能進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段,最高甲烷體積分數分別達到77.14%和74.47%,VFA質(zhì)量濃度在反應結束時(shí)分別為300 mg/L和336 mg/L。

關(guān)鍵詞:垃圾滲濾液,廚余垃圾,混合厭氧消化

衛生填埋由于具有成本低、技術(shù)成熟、管理方便等特點(diǎn),是目前我國處理城市生活垃圾的主要方式。在垃圾填埋過(guò)程中,由于壓實(shí)和微生物的生物降解作用,垃圾中所含的污染物隨水分溶出形成垃圾滲濾液[1]。

滲濾液具有污染成分復雜,CODCr、BOD5、氨氮濃度高,營(yíng)養元素比例失調等特點(diǎn),傳統的物理化學(xué)和生物組合工藝都難以保證達標排放。反滲透工藝雖可達到排放標準,但仍存在濃縮液處理、膜污染、建設和運行費用高等問(wèn)題。垃圾滲濾液性質(zhì)隨著(zhù)填埋時(shí)間的變化而變化,對年輕的垃圾填埋場(chǎng)而言,滲濾液中有機物含量高,其中多數為生物可降解物質(zhì),ρ(BOD5)/ρ(CODCr)在0.5左右,具有較好的生物處理可行性[2]。

城市生活垃圾中含有大量的廚余垃圾,是可再生資源,將垃圾滲濾液與廚余垃圾混合厭氧消化,既達到對廚余垃圾進(jìn)行有效生物處理,又能得到可觀(guān)的生物氣產(chǎn)量,在國內外均是一個(gè)創(chuàng )新的研究方向。聯(lián)合厭氧消化是厭氧消化過(guò)程中同時(shí)處理2種或多種來(lái)源的有機廢物。由于聯(lián)合消化可以在消化物料中建立一種良性互補,這樣就能夠提高固體垃圾厭氧消化的產(chǎn)氣量與產(chǎn)氣率,而且工藝設備的共享可以減少成本,提高經(jīng)濟效益[3]。

聯(lián)合厭氧消化是厭氧消化過(guò)程中同時(shí)處理2 種或多種來(lái)源的有機廢物。由于聯(lián)合消化可以在消化物料中建立一種良性互補， 這樣就能夠提高固體垃圾厭氧消化的產(chǎn)氣量與產(chǎn)氣率， 而且工藝設備的共享可以減少成本，提高經(jīng)濟效益[3]。在城市生物質(zhì)垃圾聯(lián)合厭氧消化中， 研究較多的是生物質(zhì)垃圾和市政剩余污泥的聯(lián)合消化。SOSNOWSKI 等[4]對污泥與城市可生化垃圾進(jìn)行了聯(lián)合厭氧消化研究， 發(fā)現加入可生化垃圾使污泥的ρ（C）/ρ（N）由9 ∶ 1 提高到14∶ 1，采用污泥與可生化垃圾按揮發(fā)性固體物（VS）質(zhì)量比75% ∶ 25%的比例混合，甲烷產(chǎn)率達到0.4 ~ 0.6L/g， 并且發(fā)現采用半連續兩相消化效率更高。NEVES 等[5]對咖啡廢物與污泥進(jìn)行了聯(lián)合厭氧消化研究， 發(fā)現咖啡廢物具有較高的水解速率， 獲得了0.24 ~ 0.28 m3/kg（以VS 計）的甲烷產(chǎn)率，VS 去除率達到75% ~ 80%。朱亞蘭等[6]對城市可生化垃圾與厭氧剩余污泥進(jìn)行了批式混合厭氧消化研究， 確定了不同有機負荷條件下的酸化過(guò)程特性。還有一些學(xué)者對生物質(zhì)垃圾與畜禽糞便進(jìn)行了聯(lián)合厭氧消化研究，HAMED 等[7]對牛糞與食品垃圾進(jìn)行聯(lián)合厭氧消化研究， 采用按VS 質(zhì)量比68% ∶ 32%和52% ∶48% 2 種比例對牛糞和食品垃圾進(jìn)行混合， 分別取得了282 L/kg 和311 L/kg 的甲烷產(chǎn)率。HINRICH 等[8]對城市生物質(zhì)垃圾與糞便進(jìn)行高溫聯(lián)合厭氧消化，結果在水力停留時(shí)間14 ~ 18 d， 有機負荷為3.3 ~4.0 g/L 時(shí)，糞便比例為50%時(shí)，系統運行穩定，表現出高的甲烷產(chǎn)率及低的揮發(fā)性有機酸（VFA）濃度，甲烷產(chǎn)率達到0.63 ~ 0.71 L/g。RENE 等[9]采用半連續方式對屠宰場(chǎng)固體廢物、糞便和果蔬廢物進(jìn)行聯(lián)合厭氧消化，3 種物料采用相同的VS 比例混合，在有機負荷0.3 ~ 1.3 kg/m3•d 可以獲得0.3 m3/kg 的甲烷產(chǎn)率，甲烷體積分數達到54% ~ 56%，當進(jìn)一步增加負荷時(shí)， 由于系統有機負荷過(guò)載以及緩沖性能不足，甲烷產(chǎn)量下降。

由于廚余垃圾ρ（C）/ρ（N）相對偏高，在厭氧消化過(guò)程中容易造成揮發(fā)性脂肪酸累積。將氨氮含量較高的滲濾液與廚余垃圾進(jìn)行混合厭氧消化， 可以調節物料的ρ（C）/ρ（N），提高反應過(guò)程的穩定性[10]。鑒于目前國內外關(guān)于垃圾滲濾液與廚余垃圾混合厭氧消化方面的研究鮮有報道， 本實(shí)驗旨在研究此種處理方式的可行性以及產(chǎn)甲烷效果， 探索厭氧消化過(guò)程中各指標的變化規律， 從而為垃圾滲濾液處理與廚余垃圾資源化提供新的參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗原料

實(shí)驗所用的廚余垃圾取自西南交通大學(xué)北園生活區垃圾場(chǎng)，垃圾滲濾液取自成都長(cháng)安垃圾填埋場(chǎng)，為早期滲濾液，實(shí)驗前先在中溫下培養一段時(shí)間，相關(guān)原料及滲濾液性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 試驗方法及裝置

實(shí)驗采用批式進(jìn)料， 即將實(shí)驗物料一次性投入反應器中，反應結束后一次性排出，分別考察有機負荷為3 g/L 和30 g/L（以VS 計）下的厭氧消化情況。批式實(shí)驗裝置以1 L 抽濾瓶作為厭氧發(fā)酵罐，置于恒溫水浴中，保持溫度為35 ℃。消化產(chǎn)生的氣體進(jìn)入裝有飽和碳酸氫鈉溶液的集氣瓶中， 采用排水法收集。實(shí)驗裝置如圖1 所示。

1.3 分析方法

總固體（TS）： 重量法（CJ/T56-2004）；VS： 烘干法；VFA： 蒸餾滴定法；pH 值: pHS-25 型精密pH計；產(chǎn)氣量：排水集氣法；氣體成分：GC•7AG 氣相色譜儀；COD：重鉻酸鉀法（GB 11914-89）。

2 實(shí)驗結果及討論

圖2 為3 g/L 和30 g/L 有機負荷（以VS 計）條件下pH 值及VFA 變化曲線(xiàn)。

由圖2 可以看出，2 種負荷水解酸化和甲烷化過(guò)程呈現出類(lèi)似的趨勢，pH 值表現為先下降后上升，而VFA 則為先上升后下降。以30 g/L 有機負荷為例， 由于物料的水解酸化，pH 值在第2 天下降至6.7，并在隨后的的3 d 保持在此水平。與pH 值的變化相對應，VFA 質(zhì)量濃度則呈現上升的趨勢，在第5天上升至13 080 mg/L。之后，由于發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的CO2與物料中含氮有機物的脫氨作用共同形成碳酸氫銨溶液， 使反應系統具有緩沖能力，pH 值逐漸上升至中性范圍。VFA 從第5 天開(kāi)始逐漸下降，pH 值則繼續緩慢上升。從圖2 可以明顯看出，在30 g/L 負荷下，從第5 天至第27 天，pH 值始終處于7.0 ~ 7.5之間， 說(shuō)明系統具有較高的緩沖性能， 系統運行穩定。此后VFA 繼續下降，但較之前一階段，下降速率趨于緩慢，pH 值則繼續上升。至實(shí)驗結束時(shí)，VFA 質(zhì)量濃度下降至336 mg/L，pH 值上升至8.0。pH 值是厭氧消化過(guò)程的重要指標， 不僅影響厭氧微生物的活性，還對中間代謝產(chǎn)物的毒性有重要影響，因此保持pH 值的相對穩定， 對于厭氧消化過(guò)程的穩定運行有重要作用[11]。在滲濾液的厭氧處理中，常因pH值的過(guò)快上升而在反應后期造成氨氮的嚴重抑制，從而影響處理效果。而在廚余垃圾的厭氧消化過(guò)程中， 又常因為物料快速水解酸化引起pH 值的快速下降，進(jìn)而造成VFA 累積現象[12]。從本實(shí)驗結果可以看出， 將滲濾液與廚余垃圾混合厭氧消化，pH 值在較長(cháng)的時(shí)間內處于相對穩定的狀態(tài)， 且處于厭氧微生物較為適應的范圍內， 這對厭氧消化的效果是極為有利的。圖3 是3 g/L 和30 g/L 有機負荷（以VS 計）條件下VFA 與產(chǎn)氣量變化曲線(xiàn)。

由圖3 可以看出，2 種負荷下產(chǎn)氣量均出現了先上升、后下降然后又上升的趨勢。以30 g/L 有機負荷為例，產(chǎn)氣量在試驗起始階段緩慢上升，與之對應的是VFA 的質(zhì)量濃度上升并達到最高點(diǎn)(13 080mg/L)，此階段產(chǎn)生的氣體主要是物料在水解酸化過(guò)程中產(chǎn)生的N2和CO2。之后產(chǎn)氣量繼續上升，并在第11 天達到第一個(gè)峰值(310 mL)，VFA 則開(kāi)始下降，這是因為系統中的丁酸、丙酸、乙醇等在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用下逐漸轉化為乙酸， 在此過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的H2和CO2。之后由于系統逐漸過(guò)渡到產(chǎn)甲烷階段，產(chǎn)甲烷細菌將乙酸轉化為CH4和CO2，從第12 天開(kāi)始產(chǎn)氣量快速上升， 并在第17 天達到最高點(diǎn)(710 mL)，VFA 則快速下降。此后隨著(zhù)VFA 被降解至較低的水平，產(chǎn)氣量快速下降。由實(shí)驗結果可以看出， 與3 g/L 相比，30 g/L 負荷下具有更快的水解酸化速率，VFA 快速到達最高點(diǎn)之后又被快速降解。而在3 g/L 負荷下，VFA 上升緩慢，在較長(cháng)一段時(shí)間內處于較高的濃度，pH 值長(cháng)時(shí)間處于酸性范圍內，分子態(tài)有機酸對產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌產(chǎn)生了抑制，系統形成抑制性穩態(tài)[13]，這可能是系統在長(cháng)達10 d 的時(shí)間內停止產(chǎn)氣的原因。2 種負荷下，產(chǎn)氣量在產(chǎn)甲烷階段均表現為快速上升后又快速下降的特點(diǎn)， 這是因為在批式厭氧消化系統中， 中間產(chǎn)物的濃度處于動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，前期底物豐富，產(chǎn)氣量快速上升，而隨著(zhù)底物濃度快速下降，產(chǎn)氣量也隨之下降。圖4 為3 g/L 和30 g/L 有機負荷（以VS 計）條
件下甲烷含量變化曲線(xiàn)。

由圖4 可以看出， 30g/L 負荷下在第12 天之前，系統中幾乎沒(méi)有甲烷產(chǎn)生。從第12 天開(kāi)始， 甲烷含量逐漸上升。從第17 天到第28 天， 甲烷體積分數穩定在60% ~ 80%范圍內，最高達到74.5%。而在3 g/L 下， 系統在第25 天到第31 天甲烷含量處于較高水平，之后便迅速下降。由實(shí)驗結果可以看出，30 g/L 負荷比3 g/L 更快進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段，且穩定產(chǎn)甲烷的時(shí)間更長(cháng)。其主要原因是在30 g/L 下， 系統pH 值變化更為穩定，pH值長(cháng)時(shí)間穩定在產(chǎn)甲烷菌適宜的弱堿性環(huán)境中，產(chǎn)甲烷細菌得以快速生長(cháng)增殖， 并成長(cháng)為系統的優(yōu)勢菌種。而在3 g/L 負荷下，由于有機負荷偏低，微生物缺乏足夠的碳源，從而造成厭氧微生物生長(cháng)緩慢。圖5 表示的是2 種有機負荷下的累計生物氣產(chǎn)量，從圖中可以看出，30 g/L 負荷下比3 g/L 負荷產(chǎn)氣量有了大幅度提升， 可見(jiàn)在30 g/L 負荷下由于營(yíng)養結構更為合理，反應過(guò)程更為穩定，可獲得更好的厭氧消化效果。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

3 結論

（1）將廚余垃圾與垃圾滲濾液進(jìn)行混合厭氧消化具有可行性，利用垃圾滲濾液氨氮含量高的特性，可以有效地調節物料的ρ（C）/ρ（N），增加系統的緩沖性能，使水解酸化及甲烷化過(guò)程穩定進(jìn)行。

（2）在30 g/L 負荷（以VS 計）下反應過(guò)程更為穩定，pH 值在較長(cháng)的時(shí)間內處于厭氧微生物適宜的范圍內， 而在3 g/L 負荷下出現了一段時(shí)間的停滯期。2 種負荷反應結束時(shí)，VFA 質(zhì)量濃度分別被降解至300，336 mg/L，說(shuō)明消化效果良好。

（3）在批式反應條件下，3 g/L 負荷和30 g/L 負荷（以VS 計）均能順利進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段，且甲烷體積分數可達到理想水平(60% ～ 80%)。相比3 g/L 負荷，在30 g/L 負荷下系統更快進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段，且穩定產(chǎn)甲烷的時(shí)間更長(cháng)，且累計生物氣產(chǎn)量比3 g/L負荷有了較大幅度的提升。(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院)