餐廚垃圾中溫干式厭氧消化污泥的方法

　　1 引言

　　利用中溫干式厭氧消化技術(shù)處理餐廚垃圾，具有能耗低、有效利用反應器容積并且消化污泥產(chǎn)出量低的優(yōu)點(diǎn).前人對影響反應器產(chǎn)氣效率和運行穩定性的因素進(jìn)行了研究分析，得出餐廚垃圾成分、溫度、TS、攪拌強度及顆粒粒徑等因素會(huì )對厭氧消化造成不同程度的影響.其中，溫度通過(guò)影響污泥中菌群的活性而決定有機物降解速率;中溫條件下進(jìn)行干式厭氧消化，TS對產(chǎn)氣速率的約束較明顯，其含量影響污泥流動(dòng)性并決定攪拌系統的能耗;攪拌強度影響反應器內的速度場(chǎng)和污泥顆粒大小，從而改變反應器內污泥的流變狀態(tài)，影響污泥的均質(zhì)化和氣體的逸出.污泥的流變狀態(tài)則會(huì )改變厭氧消化物料的傳熱與傳質(zhì)，進(jìn)而影響其它與反應器穩定運行有關(guān)的因素.

　　Eshtiaghi等歸納了前人關(guān)于污泥流變性質(zhì)的研究成果：動(dòng)力粘度是污泥流動(dòng)阻力的度量，溫度、TS含量是影響污泥流變性質(zhì)的重要因素，剪切速率與動(dòng)力粘度之間的關(guān)系則可以對不同類(lèi)型的污泥做出流變性質(zhì)的評價(jià).在這些研究中，污泥樣品的TS含量較低(TS≤10%)，且多為市政污泥，對餐廚垃圾厭氧消化污泥的研究較少.

　　本文以餐廚垃圾為進(jìn)料進(jìn)行半連續式和序批式的中溫厭氧消化試驗，以反應器中的厭氧消化污泥為研究對象，通過(guò)繪制粘溫曲線(xiàn)、粘度曲線(xiàn)和流動(dòng)曲線(xiàn)，考察溫度、TS和剪切速率對污泥流變性的影響，以期為厭氧消化反應器的設計，熱交換系統、污泥泵送系統和物料混合系統的優(yōu)化提供基礎數據.

　　2 材料與方法

　　2.1 材料

　　餐廚垃圾取自重慶大學(xué)B區某學(xué)生食堂，人工剔除竹筷、紙張等雜質(zhì)，通過(guò)篩網(wǎng)濾掉流動(dòng)的油脂.半連續式厭氧消化試驗的接種污泥取自重慶市白市驛某沼氣池，經(jīng)馴化后使用.餐廚垃圾和接種污泥的理化特性見(jiàn)表 1.序批式厭氧消化試驗的接種污泥取自運行穩定時(shí)的半連續式厭氧消化反應器.

　　表 1 餐廚垃圾及接種污泥的理化特性

　　2.2 試驗裝置及過(guò)程

　　半連續式試驗采用自制單相CSTR厭氧消化反應器，見(jiàn)圖 1a，反應器有效容積為50 L，頂部進(jìn)料下部出料.關(guān)閉進(jìn)、出料口時(shí)反應器內部形成厭氧狀態(tài).通過(guò)溫控儀控制加熱循環(huán)水，反應器內部溫度維持在中溫(35±2)℃.斜葉式機械攪拌器轉速設定為45 r·min-1，運轉周期為5 min·h-1，每日物料回流比為2 ∶ 1.反應器運行過(guò)程中有機負荷(Organic loading rate，OLR)變化情況見(jiàn)表 2，進(jìn)料前將餐廚垃圾粉碎至粒徑小于2 mm.反應器運行過(guò)程中，進(jìn)料餐廚垃圾TS保持不變，由于反應器運行過(guò)程中受到抑制，本試驗采用加水稀釋的方式降低反應器中的TS，加水稀釋量見(jiàn)表 2.

　　圖 1 厭氧消化試驗裝置圖

表 2 半連續式反應器有機負荷及加水量變化

　　半連續式反應器運行期間，每日定時(shí)從反應器底部出料口取污泥樣品，測定pH、TS、VS/TS以及動(dòng)力粘度，并測定其上清液的VFA、COD及氨氮含量，以評估反應器的運行狀況.

　　序批式試驗裝置見(jiàn)圖 1b，通過(guò)加水將接種污泥稀釋至不同TS水平，取300 mL污泥加入500 mL的廣口瓶，餐廚垃圾和污泥在試驗前粉碎至粒徑小于2 mm，有機負荷設定為4 kg·m-3(以VS計)，每個(gè)TS設兩個(gè)平行試驗.通過(guò)往復式恒溫水浴振蕩器(SHA-C)維持消化溫度35 ℃，振蕩頻率為20 r·min-1.反應結束后測定污泥的TS、VS/TS以及動(dòng)力粘度.

　　2.3 分析方法

　　COD、VFA和氨氮按照標準方法測定;TS和VS/TST利用稱(chēng)重法測定;pH值利用PHS-3C型pH計測定;產(chǎn)氣量利用LML-3型濕式氣體流量計測定.

　　動(dòng)力粘度利用HBDV-Ⅱ+Pro型旋轉粘度計(上海尼潤智能有限公司)測定，配備RTD溫度探頭(精度0.1 ℃)，以及2#~7#共6個(gè)轉子用于測定不同動(dòng)力粘度的流體，轉子的剪切速率范圍為2.09~41.8 s-1，該剪切速率可以認定為層流.

　　2.3.1 溫度對流變特性影響測試

　　通過(guò)水浴加熱將污泥樣品從室溫20 ℃升至70 ℃，隨后自然降溫，粘度計選用3#轉子，固定剪切速率γ為41.8 s-1.取半連續式反應器內的消化污泥，TS分別為26.23%、22.17%、21.41%，測定不同溫度下的動(dòng)力粘度，繪制粘溫曲線(xiàn).

　　2.3.2 TS含量和剪切速率對流變特性影響測試

　　通過(guò)恒溫水浴控制污泥樣品溫度為(35.0±0.1)℃，通過(guò)由低到高的剪切速率(2.09~41.8 s-1)，測定污泥的動(dòng)力粘度，繪制粘度曲線(xiàn).樣品測定時(shí)，半連續式消化污泥TS和對應選用的粘度計轉子分別為29.54%(4#)、26.08%(4#)、24.82%(3#)、22.64%(3#);序批式消化污泥TS和對應選用的粘度計轉子分別為22.48%(3#)、20.13%(3#)、18.40%(3#)、16.46%(3#)、13.96%(2#)、12.09%(2#).

　　2.3.3 厭氧消化污泥的時(shí)間相關(guān)性和觸變性的測定

　　取序批式消化污泥進(jìn)行測定，獲得剪切速率-剪切應力的上升曲線(xiàn)和下降曲線(xiàn)，同時(shí)獲得相應的粘度曲線(xiàn)，污泥TS和粘度計轉子選用同2.3.2節;粘度計使用2#轉子，固定剪切速率γ為31.4 s-1，測定污泥動(dòng)力粘度隨剪切時(shí)間發(fā)生的變化，并記錄剪切時(shí)的溫度變化，繪制溫度時(shí)間曲線(xiàn)和粘度曲線(xiàn)，污泥TS分別為16.46%、13.96%、12.09%.污泥樣品的TS和VS/TS見(jiàn)表 3.

　　表 3 污泥TS、VS/TS及取樣時(shí)間

　　3 試驗結果

　　圖 2表示的是半連續式反應器運行過(guò)程中，消化污泥的TS受有機負荷和加水稀釋影響而發(fā)生的變化.圖 3表示的是半連續式消化污泥的TS和VS/TS隨運行時(shí)間的變化情況.從圖 2中可以看出，保持進(jìn)料的餐廚垃圾TS固定不變會(huì )使反應器內消化污泥的TS逐漸提升，加水稀釋可以快速改變消化污泥TS.從圖 3中可以看出，在反應器運行的第54 d以后，TS波動(dòng)較為明顯，而VS/TS的變化相對較為平穩，一定程度上說(shuō)明污泥中的微生物數量并沒(méi)有隨TS含量的變化而發(fā)生較大波動(dòng).

　　圖 2 半連續式消化污泥TS隨有機負荷、加水量的變化曲線(xiàn)

　　圖 3 半連續式消化污泥TS、VS/TS-時(shí)間變化曲線(xiàn)

　　圖 4表示的是半連續式消化污泥動(dòng)力粘度隨溫度的變化情況.從圖 4可以看出，污泥的動(dòng)力粘度隨溫度的升高而降低，即溫度越高，流動(dòng)性越好.污泥在自然降溫時(shí)的動(dòng)力粘度高于升溫時(shí)的動(dòng)力粘度，說(shuō)明溫度升高的過(guò)程對污泥流變性造成了不可逆的影響.結合表 3，粘度測定的樣品中TS區別明顯，而VS/TS較為接近，可知TS較VS/TS更明顯的影響污泥的流變性質(zhì).從圖 4中還可看出，TS含量越高，溫度對動(dòng)力粘度的影響越明顯;在同一溫度下，污泥TS含量越高，動(dòng)力粘度相應越大.

　　圖 4 半連續式消化污泥溫度-動(dòng)力粘度曲線(xiàn)

　　圖 5a、b分別為半連續式和序批式厭氧消化反應器內污泥的動(dòng)力粘度隨剪切速率的變化.圖 6表示的是不同TS的序批式消化污泥在γ=41.8 s-1下的動(dòng)力粘度值.

　　圖 5 剪切速率-動(dòng)力粘度曲線(xiàn)

　　圖 6 序批式消化污泥動(dòng)力粘度隨TS的變化

　　從圖 5中可以看出，兩種污泥的動(dòng)力粘度均隨著(zhù)剪切速率的提高而減小，并在低剪切速率下(γ<10.4 s-1)隨剪切速率的提高而迅速下降;隨著(zhù)剪切速率繼續增大(γ>20.9 s-1)，減小幅度下降，最后趨于穩定.并且TS含量越低，動(dòng)力粘度值趨于穩定的速度也越快，TS越高，達到穩定值所需要的剪切速率也越大.粘度曲線(xiàn)說(shuō)明餐廚垃圾厭氧消化污泥為非牛頓流體，并具有剪切變稀的特點(diǎn)，TS含量越高這一特征越明顯.結合表 3可以看出，TS比VS/TS更能影響污泥的流變性.而且還可從圖 5看出，在任一相同的剪切速率下，TS含量越高則動(dòng)力粘度越大，并可從圖 6得到證實(shí).對比圖 5a、b，TS相近時(shí)，序批式反應器中污泥的動(dòng)力粘度要高于半連續式.從圖 6可以看出，同一剪切速率下，污泥的動(dòng)力粘度與TS含量之間為非線(xiàn)性關(guān)系，動(dòng)力粘度值隨TS的增大而提高的越來(lái)越快.

　　圖 7表示的是序批式消化污泥的剪切速率-剪切應力曲線(xiàn).從圖 7中可以看出，污泥的流動(dòng)曲線(xiàn)由剪切速率提高時(shí)的上升曲線(xiàn)和剪切速率降低時(shí)的下降曲線(xiàn)構成，兩條不重合并形成順時(shí)針?lè )较虻臏�后環(huán)，說(shuō)明厭氧消化污泥為時(shí)間相關(guān)性流體(陳惠 釗，2003).TS含量越高，上升曲線(xiàn)和下降曲線(xiàn)的差異越大，剪切應力與剪切速率之間的非線(xiàn)性關(guān)系越明顯.

　　圖 7 剪切速率-剪切應力曲線(xiàn)

　　圖 8表示的是固定γ為31.4 s-1時(shí)，序批式消化污泥動(dòng)力粘度和溫度隨剪切時(shí)間的變化關(guān)系.從圖 8中可以看出，污泥的動(dòng)力粘度隨剪切時(shí)間增加而降低，并且在剛開(kāi)始剪切時(shí)動(dòng)力粘度變化快，隨后變化趨于穩定，其粘度變化量見(jiàn)表 4.從表 4中可以看出，粘度測定過(guò)程中污泥溫度變化較小，可認為測定時(shí)溫度對流變性的影響一致.

　　圖 8 序批式消化污泥動(dòng)力粘度和溫度隨剪切時(shí)間的變化　　

表 4 污泥粘度及溫度隨剪切時(shí)間的變化

　　圖 9為中溫厭氧消化污泥在剪切速率由低到高(上升曲線(xiàn))并回落(下降曲線(xiàn))的過(guò)程中相應的粘度曲線(xiàn).從圖 9中可以看出，污泥的動(dòng)力粘度隨剪切速率增加而減小，剪切速率減小時(shí)污泥的動(dòng)力粘度增大，但是污泥動(dòng)力粘度增大的速度比減小的速度慢.TS含量越低，剪切速率升、降形成的粘度曲線(xiàn)越接近，TS含量越高，上升曲線(xiàn)和下降曲線(xiàn)區別越明顯.

　　圖 9 剪切速率-粘度曲線(xiàn)

　　4 討論

　　4.1 溫度對流變特性的影響

　　有研究表明，對于低TS含量的污泥，動(dòng)力粘度隨溫度降低而升高，Baudez等研究表明污泥的動(dòng)力粘度會(huì )隨溫度提高而降低.對于溫度影響污泥粘度的機理，研究者從溫度對污泥組分、附著(zhù)微生物和結構等方面做出分析：Baudez等認為溫度的變化會(huì )影響污泥的空間結構及組分的改變，使污泥的流變性質(zhì)發(fā)生不可逆的變化;厭氧消化過(guò)程中細菌對溫度波動(dòng)非常敏感，對溫度變化需要一定的適應期;Baroutian等認為當污泥受熱時(shí)，由于熱運動(dòng)導致分子之間的凝聚力減少，從而導致了剪切應力以及粘度隨之降低;Forster則論證了污泥顆粒表面包括蛋白質(zhì)和多糖在內的聚合物數量越多，污泥的流動(dòng)性就會(huì )越差.

　　有研究表明，對TS含量為25%~30%的生活垃圾進(jìn)行厭氧消化，中溫條件下產(chǎn)氣效率很低，高溫時(shí)產(chǎn)氣正常.從溫度方面分析，同樣的TS含量下，溫度越高，污泥中的微生物活性越強，傳質(zhì)效率因物料分子間凝聚力的減小而提高，污泥動(dòng)力粘度減小，流動(dòng)性增強，從而有效的提高了反應速度，使反應器能正常運行.

　　筆者認為，溫度對污泥的空間結構和流變性影響很大，溫度提高時(shí)，表面張力減小和分子熱運動(dòng)加劇以及污泥中微生物的活性增強導致污泥顆粒之間的凝聚力減小，動(dòng)力粘度降低;在降溫時(shí)污泥顆粒之間的凝聚力提升，同時(shí)溫度的改變對厭氧消化污泥的空間結構造成了不可逆的影響，導致降溫時(shí)的動(dòng)力粘度高于升溫時(shí)的粘度值.作為進(jìn)料的餐廚垃圾提供的豐富有機質(zhì)則影響了污泥表面聚合物的成分及數量，增強了污泥空間結構的穩定性，比較同一溫度下的動(dòng)力粘度，TS含量越高，這種影響越明顯.

　　4.2 TS含量對流變特性的影響

　　對于高TS含量的污泥，Dentel and Dursun考察了TS為14%~28%的污泥脫水泥餅的流變性;通過(guò)配制TS為28.84%~37.30%的造紙污泥漿體，郭光明等的研究結果顯示TS越高，動(dòng)力粘度越高，這和TS小于10%時(shí)TS對污泥動(dòng)力粘度的影響一致.研究人員分析了TS含量影響污泥粘度的機理：Abu-Jdayil等認為T(mén)S含量的提高使污泥顆粒直徑彼此更為接近，導致污泥顆粒之間的相互作用更強，導致動(dòng)力粘度提高;Pevere等的研究顯示TS含量不變時(shí)，顆粒直徑的減小會(huì )增加顆粒彼此之間接觸的表面積，從而增加污泥的極限粘度.

　　分析圖 5、圖 6可以看出，半連續式和序批式試驗的污泥均表現出TS含量越高，動(dòng)力粘度值越大的特點(diǎn)，與此同時(shí)，各樣品VS/TS之間的差別并不明顯，說(shuō)明TS對污泥的流變性有重要影響.結合圖 5和圖 9，比較污泥在同一剪切速率時(shí)的動(dòng)力粘度值，在相近的TS范圍內，序批式污泥的動(dòng)力粘度相對較高，可能因為序批式污泥的粒徑更小且比較均勻，相互之間接觸的表面積較大，增強了污泥顆粒之間的相互作用.污泥TS越高，污泥顆粒數量越多，顆粒之間相互作用的機會(huì )越增加，導致污泥的TS越大動(dòng)力粘度越高.

　　4.3 剪切速率對流變特性的影響

　　圖 5可以看出，污泥屬于剪切變稀的非牛頓流體.攪拌會(huì )對污泥產(chǎn)生剪切作用，污泥顆粒間的凝聚力傾向于恢復污泥的空間結構，剪切應力傾向于破壞污泥結構，在臨界狀態(tài)時(shí)，污泥結構完全破壞，污泥發(fā)生流動(dòng).因而剪切速率增大時(shí)污泥的空間結構破壞，粘度值降低，流動(dòng)性增強，相應的傳質(zhì)傳熱效率提升.從圖 5圖 6中可以看出，γ<10.4 s-1時(shí)，攪拌速度相對較低，但流動(dòng)性較差;γ>20.9 s-1時(shí)，動(dòng)力粘度隨剪切速率的提高改變較小，對應的剪切應力增大，增大了能耗并且不利于微生物的生長(cháng).結合圖 7進(jìn)行分析，當污泥維持較好的流動(dòng)性時(shí)，TS含量越低污泥實(shí)現均質(zhì)化耗用的能量也就越少，隨著(zhù)TS含量的提高，污泥實(shí)現均質(zhì)化需要更高的剪切速率，意味著(zhù)能耗的提高和物料之間傳質(zhì)傳熱效果的下降.

　　4.4 污泥的觸變性與時(shí)間相關(guān)性

　　圖 7中剪切速率-剪切應力的上升曲線(xiàn)與下降曲線(xiàn)不重合，形成滯后環(huán)，說(shuō)明餐廚垃圾厭氧消化污泥為時(shí)間相關(guān)性流體.滯后環(huán)同時(shí)也是流體觸變性的度量，觸變性不同的流體，滯后環(huán)形狀也有所差異，污泥TS含量越高，滯后環(huán)面積越大，觸變性也越強.

　　污泥的觸變性指的是時(shí)間相關(guān)性流體受施加的剪切應力作用會(huì )導致內部結構的破壞，破壞程度與剪切速率及剪切時(shí)間成正相關(guān)，從而出現圖 7污泥在固定的剪切速率下動(dòng)力粘度隨剪切時(shí)間增加逐漸下降的現象.圖 9中剪切速率變化時(shí)，污泥動(dòng)力粘度的增大速度慢于減小速度，這是因為在剪切速率增大的過(guò)程中，污泥結構受到破壞，污泥顆粒逐漸恢復其結構需要一定的時(shí)間，因而剪切速率減少時(shí)出現粘度恢復較慢的情況.從圖 8和圖 9可以判斷污泥為具有時(shí)間相關(guān)性的觸變性流體，并且TS含量越高，這一特征越明顯.

　　餐廚垃圾進(jìn)行中溫干式厭氧消化，研究污泥觸變性的意義在于：攪拌速度決定了剪切速率，影響反應器內的速度場(chǎng)以及剪切力場(chǎng)，進(jìn)而改變污泥的流變性質(zhì)并對傳質(zhì)和傳熱起主導作用，對污泥顆粒的粒徑和生長(cháng)狀態(tài)造成影響.剪切應力與污泥TS含量直接相關(guān)，在輸送污泥時(shí)如果攪拌產(chǎn)生的剪切應力不夠高，會(huì )使污泥難以維持均質(zhì)流并可能導致管路堵塞;對于厭氧消化反應器，攪拌不適或者污泥長(cháng)時(shí)間靜置會(huì )導致污泥結構重建造成靜止不動(dòng)的區域，這會(huì )嚴重影響污泥均質(zhì)化，而這種效應會(huì )隨TS含量的提高變得更為明顯.因而對于高TS含量的餐廚垃圾厭氧消化污泥，反應器的設計和攪拌系統及泵送系統的優(yōu)化，污泥的觸變性是需要考慮的重要因素.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　5 結論

　　1)餐廚垃圾中溫厭氧消化污泥屬于剪切變稀的非牛頓流體，具有時(shí)間相關(guān)性，為觸變性流體，并具有一定的剪切應力.

　　2)餐廚垃圾中溫厭氧消化污泥隨著(zhù)溫度提高，動(dòng)力粘度降低，流動(dòng)性增強，溫度變化對污泥流變性有不可逆的影響.

　　3)餐廚垃圾進(jìn)行中溫厭氧消化，系統內污泥TS>12%時(shí)，攪拌剪切速率γ介于10.4~20.9 s-1較為合適.

　　4)在同一剪切速率下，餐廚垃圾中溫厭氧消化污泥的TS含量越高，動(dòng)力粘度越大，流動(dòng)性也越差.

　　5)TS含量越高，溫度、TS含量以及剪切速率對污泥流變性的影響越明顯.