污水厂污泥与厨余垃圾厌氧/混合厌氧消化研究进展

李 磊

(同济大学环境科学与工程学院,上海,200092)

1 引 言

根据 2008年中国环境状况公报[1],目前我国城镇污水处理率已提高至 66%,随着我国城市污水产生量及其处理率的不断提高,污水厂的污泥产量呈现不断上升趋势,大量污泥的处理与处置已成为污水处理厂面临的重大挑战。厌氧消化是一种常用的污泥处理方法,但污泥较低的生物可降解能力导致了污泥的低降解率和低产气量。2010年全国对地沟油事件异常关注,而厨余垃圾是制作地沟油的重要原材料,厨余垃圾也是城市生活垃圾(MS W)中有机相的主要来源,以淀粉类、食物纤维类、动物脂肪类等有机物质为主要成分,具有高固体含量、高油脂、高盐分以及易腐发臭、易生物降解等特点[2]。如果将污泥与厨余垃圾进行混合厌氧消化,不仅能够提高进料的固体含量,有助于促进物料的营养平衡,而且能够降低污泥中的重金属离子浓度,提高降解能力。本文从可行性分析和工艺参数两个方面对国内外城市污水厂污泥与厨余垃圾的混合厌氧消化研究进行了总结。

2 城市污水厂污泥和厨余垃圾的厌氧消化技术

2.1 污泥的厌氧消化

随着生物法处理生活污水的广泛应用,大量污泥由此产生,Appels[3]等认为污泥的处置费用将占污水厂运行费用的 50%。厌氧消化在减少污泥体积和质量的同时,还可以以甲烷的形式回收污泥中的部分生物质能,是一种比较好的污泥稳定化和资源化的处理方法。但污泥中的有机物大部分是微生物的细胞物质,被细胞壁所包裹,不利于生物降解,所以将剩余活性污泥单独进行厌氧消化时,挥发性固体(VS)的去除率和产气量都很低。水解过程是剩余活性污泥进行厌氧消化的限速步骤,导致了污泥在厌氧消化过程中存在停留时间长、降解效率低等缺点[4]。为此很多学者采取了各种预处理方法以加速厌氧消化限制步骤的速率 (即加速有机物的水解过程),目前普遍采用的方法有化学法、生物法和热处理法等[3],其中关于热处理法的研究较多,Tanaka[5,6]等便研究了将热处理作为污泥厌氧消化的一种预处理方法,以期提高污泥厌氧消化的效率,但这些方法均需提供额外的能量或试剂,增加了处理成本。

2.2 厨余垃圾的厌氧消化

目前厨余垃圾的主要处理手段包括焚烧、填埋和生物转化等。在美国城市生活垃圾中,厨余垃圾的比例约占 12.7%,其中大部分以填埋方式处置[7]。而我国厨余垃圾约占城市生活垃圾的 37%～62%[8],目前除了少数城市将其单独收集并进行资源化处理利用外,其他通常直接用于喂养牲畜或随其他城市生活垃圾进行填埋处置。厨余垃圾具有较高含水率和生物降解能力,选择填埋处理不仅会产生臭味,而且易生成大量渗滤液;选择焚烧处理其高含水率将不利于焚烧装置而且会造成大量热量的损失。如果将未经处理的厨余垃圾直接用作饲料,食物链的短循环则可能带来疾病感染风险[9]。因此,相比于其他转化技术(如填埋和焚烧),厌氧消化更加适合于厨余垃圾的处理[10]。但若单独采用厨余垃圾作为厌氧发酵产甲烷的原料也会形成酸抑制,不能实现稳定的产甲烷过程,于是 Stabnikova[11]等采用改进的两相消化系统来处理厨余垃圾,其中一相用作厨余垃圾的水解和酸化,另一相用作实现乙酸化和甲烷化,另外也有很多学者尝试通过厨余垃圾与其他有机物料进行混合厌氧消化,以期提高厨余垃圾的厌氧消化效率。

3 城市污水厂污泥与厨余垃圾混合厌氧消化的可行性分析

如果将污泥与厨余垃圾进行混合厌氧消化,不仅可以稀释污泥中的有毒成分,促进物料中营养物质的平衡,而且可以获得更大的单位产气量。在高温条件下,还可以提高无害化的稳定性,加快厌氧消化速率[12]。文中主要通过初沉污泥和剩余活性污泥与厨余垃圾混合厌氧消化的研究分析其可行性。

3.1 初沉污泥与厨余垃圾的混合厌氧消化

Fu等[13]研究了初沉污泥和厨余垃圾混合中温厌氧消化效果,进料中初沉污泥和垃圾按 VS之比分别为 3∶1和 1∶1,水力停留时间 (HRT)分别采用10 d、13 d、16 d、20 d。在这两种进料条件下,相应的VS去除率分别为 61.8%～66.4%和 67.5%～70.4%,产甲烷率分别为 0.441～0.447 L/gVS和0.47～0.482 L/gVS。各反应器系统中均未出现如pH降低、碱度不足、氨抑制和挥发性有机酸 (VFAs)积累等现象。

3.2 剩余活性污泥与厨余垃圾的混合厌氧消化

付胜涛等[14]研究了混合比例和 HRT对剩余活性污泥和厨余垃圾混合中温厌氧消化过程的影响,混合进料按照总固体含量 (TS)之比分别采用75%∶25%、50%∶50%和 25%∶75%,HRT分别为10d、15d和 20d。在 3种进料比例及 3个 HRT的运行条件下,各系统内 pH值保持在 7.18～7.52,碱度(CaCO3)在 3125～4533 mg/L之间,没有发生 VFAs积累和氨抑制现象,各系统均处于稳定运行状态。

3.3 污泥与MS W中有机组分的混合厌氧消化

Rintala[12,15,16]等研究了污泥 (初沉污泥与剩余活性污泥组成的混合污泥)与MS W中有机组分(其中厨余垃圾所占比例达到 65%以上)分别在中温和高温环境下进行混合厌氧消化时产甲烷的特性。通过混合厌氧消化,甲烷的产量均得到不同程度的提高,在实际规模的厌氧消化反应器中,甲烷产量能够达到物料产甲烷潜力的 90%,且其产甲烷速率和活性随着进料方式和进料量的变化而变化。另外,在混合消化过程中也没有出现丙酸和丁酸抑制乙酸甲烷化的现象,其混合处理的消化池中污泥的甲烷化活性要高于单独处理的消化池中污泥活性;Sosnowski等[12]设计了 5组对照实验,其中单相反应器两组 (污泥对照组和混合反应组),两相反应器 3组(污泥、有机组分对照组和混合反应组),在各组实验中其甲烷浓度均高于 60%,生物产气量的变化范围为 0.4～0.6 dm3/gVSS,另外,两相反应器的产甲烷效率明显高于单相反应器。

Cavinato等[16]研究了高温和中温环境下,剩余活性污泥和MS W中有机组分混合厌氧消化处理工艺,发现高温不仅使得生物产气量增加了50%,而且提高了出水的稳定性,并通过呼吸动力指数(DRI)得到消化后的产物不再需要二级处理(如堆肥)。

已有的针对各种污水厂污泥和厨余垃圾混合厌氧消化的研究结果显示,污泥中添加厨余垃圾后其C/N值增加,可生物降解性相应提高,从而促进了厌氧消化过程。混合厌氧消化不仅可以避免污泥或厨余垃圾单独厌氧消化时存在的VFAs积累、氨抑制等问题,而且在合适条件下可以提高VS去除率和甲烷产量,实现系统的稳定运行并达到较好的处理效果。现有的污泥处理设施 (如污泥消化池)可直接应用于混合厌氧消化工艺中。由此可见,污水厂污泥和厨余垃圾的混合厌氧消化从技术和设施上均是可行的。

4 工艺参数对城市污水厂污泥与厨余垃圾混合厌氧消化的影响

影响城市污水厂污泥与厨余垃圾混合厌氧消化的工艺参数包括温度、pH值、物料的混合比例、HRT、污泥停留时间 (SRT)、VFAs、搅拌强度、金属离子强度等。目前,国内外关于工艺参数对混合厌氧消化影响的研究报道尚且较少,以下主要讨论了温度、HRT和混合比例等工艺参数对混合厌氧消化效果的影响。

4.1 温度

温度是影响水解酸化过程的一个重要因素,一般认为较高的温度有利于提高混合消化的效率。Oleszkiewicz等[17]研究了纸类、厨余垃圾和污泥混合形成的高固体厌氧消化,认为高温 (55℃)工况在VS降解率和产气率方面均优于中温 (35℃)工况,并得到当 TS在 30%～35%范围内时系统运行最佳,TS和需氧量的去除率与停留时间和温度成比例,另外通过中试还发现当负荷超过 9 kgTS/m3·d时系统仍可以正常运行。

Lee等[18,19]研究了超高温 (70℃)条件下厌氧消化反应器的运行性能,并且采用了两相厌氧消化系统,其中酸化反应器在超高温条件下运行,甲烷化反应器分别在中温 (35℃)、高温 (55℃)和超高温(65℃)条件下运行。当厨余垃圾和剩余污泥的体积添加比为 20∶80时,酸化发酵反应器的最佳运行工况为：反应器温度为 70℃、HRT为 3.1天、SRT为4天。甲烷化反应器的最佳温度条件为 55℃,此时甲烷的平均转化效率和 VS的平均去除率分别为65%和 64%,系统能够维持较低的氨氮浓度和良好的稳定运行。超高温厌氧消化系统适合处理含有高浓度的蛋白质、脂类和不可生物降解的固态物质。

4.2 HRT

付胜涛等[14]研究了混合比例和 HRT对混合中温厌氧消化过程的影响,发现当厨余垃圾的 TS所占比例为25%和50%时不同HRT条件下VFAs相差不大,但当其比例提高至 75%时,VFAs随着HRT的提高而提高的,但均未出现酸抑制现象。另外,同一进料比例在不同 HRT条件下,氨氮的浓度是随着HRT的提高而提高的,但单位VS甲烷产率和气体产率相差并不明显。

4.3 混合比例

混合比例对混合厌氧消化的效率有着重要影响。Beno等[20]研究了污水厂污泥与厨余垃圾和蔬菜垃圾的混合消化,并设计了 3组实验,第一组分别对厨余垃圾和蔬菜垃圾进行单独厌氧消化,结果发现气体产量很低,其甲烷含量也只有 5%,这可能是由于酸抑制作用;第二组实验将厨余垃圾、蔬菜垃圾和污泥按照一定比例(分别为48%∶26%∶26%)进行混合,结果发现气体产量明显增多,但其甲烷含量仍然维持较低的水平 (只有 3%),这可能是因为添加一定量的污泥虽然提高了其余两种组分的水解效率,但产甲烷菌未能成为优势菌种,进而导致甲烷含量较低;第三组实验将厨余垃圾和蔬菜垃圾分别与污泥进行混合(污泥与厨余垃圾和污泥与蔬菜垃圾比例均为 77%：23%),此时甲烷含量急剧升高至49%,本组实验中酸抑制得到了完全解除且产甲烷菌成为了优势菌种。

付胜涛等发现当剩余活性污泥与厨余垃圾进料TS比为 50%∶50%时,pH值、碱度和氨氮相应地要高于其他 2个阶段 (TS比分别为 75%∶25%和25%∶75%)在同一 HRT下的运行结果,具有最大的缓冲能力,稳定性和处理效果都比较理想。

可以看出,不同的 HRT和混合比例对混合厌氧消化的影响很大,Beno和付胜涛等的研究结果对城市污水厂污泥和厨余垃圾混合厌氧消化工艺参数的选择具有一定的指导意义。除温度、HRT和混合比例外,其他重要的工艺参数目前研究较少,如 pH值、搅拌强度等,这些问题的确定还需要进一步的研究。

5 展 望

我国 2009年《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策》[21]鼓励城镇污水处理厂采用污泥厌氧消化工艺,产生的沼气可综合利用,但厌氧消化后污泥在园林绿化、农业利用前,应按要求进行无害化处理。

2010年 6月,由国家环境保护部等部门联合拟定了《关于加强生活垃圾处理和污染综合治理工作的意见 (征求意见稿)》[22],其中明确指出需要加强餐厨垃圾管理。要求到 2015年年底前,全国 36个大城市实现餐饮行业餐厨垃圾集中收集和处理,各城市应制定规划,合理布局,建设餐厨垃圾集中处理设施。

因此,通过厌氧消化处理污水厂污泥和厨余垃圾对于该类有机废物的减量化和资源化有着重要意义。但各自进行单独厌氧消化处理又存在一定的弊端,若将两者进行混合厌氧消化,直接利用现有的污泥处理设施(如污泥消化池),有望增加厌氧消化工艺的稳定性,提高甲烷产量和甲烷效率。两种有机废物混合厌氧消化的优越性已经得到相关研究的证实。目前,国内外关于城市污水厂污泥和厨余垃圾的混合厌氧消化研究报道尚且不多,已有的研究则集中于污泥与MS W中有机组分的混合消化以及温度、混合比例、HRT等工艺参数对混合厌氧消化的影响。除此之外,污泥和厨余垃圾混合厌氧消化中尚存很多问题值得进一步探讨,如混合厌氧消化存在哪些不足、如何确定最佳工况条件下各工艺参数(如温度、混合比例、pH值、搅拌强度等)、污泥消化池的设计是否需要调整等等。

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