高含固率对高氮污泥厌氧消化产气的影响

黄晓艳， 金春姬， 张彩杰

(中国海洋大学 环境科学与工程学院， 山东 青岛 266100)

厌氧消化技术是污泥处理的一种有效方式，不仅能够将污泥减量化和稳定化，消化后的污泥因富含有机肥效成分，适于土地利用，消化过程中产生的沼气可以用来发电[1]，有很好的资源再利用价值。高含固率污泥厌氧消化工艺具有水耗较低[2]、单位容积处理量高[3]、单位容积产气率较高[4]等优势。本研究根据水产品加工厂的污泥经板框压滤机压滤脱水后含固率在15%左右，且含氮高的特点，考察该污泥在高固体含量下的厌氧消化和产气情况，作为后续高含固率高氮污泥厌氧消化的最佳控制条件研究的基础，为实际工程处理污泥提供借鉴。

1 实验方法

1.1 污泥性质

供试污泥取自青岛恩利水产品加工厂。取回后进行密封，并置于4 ℃环境中保存，实验用时预热到反应器设定温度(35℃)。接种污泥取自青岛污水处理厂的消化池，接种污泥取回后，于室温下静置24 h，除去上清液，取下层的活性污泥作为接种污泥。高氮污泥的理化指标经分析测定如表1所示。

表1 高氮污泥的主要性质

1.2 反应装置

反应器为有机玻璃单相厌氧消化反应器，容积2.5 L，有效容积2 L。采用机械搅拌的方式，顶部中心有搅拌轴插入孔；反应器外壁缠绕电热线，温控探头监测反应器内部温度，温控仪控制加热线以维持中温条件(35±1℃)；产气量通过排水法测定。原料通过反应器上方一次性加入，取样口设在反应器侧壁底部。实验装置示意见图1。

1.厌氧消化罐 2.温控加热系统 3.搅拌器 4.取样口5.碳酸氢钠饱和溶液 6.NaOH溶液图1 厌氧消化装置示意

设定三组的含固率分别为7%、10%和13%，对应1号、2号、3号反应器。接种量设定20%，不调节C/N(为泥渣的原始C/N)，35℃条件下进行厌氧消化；总消化时间为80 d。

1.3 监测指标

实验中需要监测的指标包括产气量(排水集气法)、pH、氨氮(水杨酸分光光度法)、挥发性脂肪酸(VFA)(气相色谱法)、挥发性固体含量(重量法)、总氮(凯氏定氮法)、总有机碳(水合热重铬酸钾氧化-比色法)。

2 结果与讨论

2.1 含固率对挥发性脂肪酸VFA的影响

VFA是厌氧消化过程中的重要中间产物，通过对VFA浓度的监测可以了解有机物质的降解进程[5]。图2为三个反应器消化过程中总挥发性脂肪酸、挥发性脂肪单酸和pH值的变化曲线。由图2-1可以看出，TS 13%的1号反应器反应初期VFA浓度随时间增加呈增长趋势，在第9 d达到第一个高峰，浓度为3.9 mg/g。反应的第51 d又出现一个小高峰，浓度为2.2 mg/g。图2-2是TS 10%的2号反应器中VFA浓度的变化曲线。该实验组在第17 d时VFA的浓度为2.8 mg/g，达到峰值。TS 7%的3号反应器中VFA(图2-3)在第32 d达到峰值，浓度为1.9 mg/g。这是因为初始阶段水解发酵菌大量生长繁殖，污泥中可溶性易降解有机物被迅速降解，生成的底物被产酸菌利用产生脂肪酸。此时能够消耗脂肪酸的产酸菌的活性远远小于水解发酵菌，因此三个反应器中都会检测到脂肪酸的积累。由于各组的TS不同，VFA达到峰值的时间和峰值大小各有不同，浓度最高的TS 13%组，积累的VFA浓度最高，且在最短时间内出现峰值。TS越低的实验组，VFA峰值越小。三组反应器消化过程中可检测到的挥发性脂肪酸都是乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，其中乙酸占挥发性脂肪酸的比例最大。比较可知，2号、3号反应器中的VFA变化较1号反应器相对稳定。

图2-1 TS为13%时总VFA、VFA和pH值的变化曲线

图2-2 TS为10%时总VFA、VFA和pH值的变化曲线

图2-3 TS为7%时总VFA、VFA和pH值的变化曲线

2.2 含固率对pH值与氨氮浓度的影响

实验中各组的pH值和氨氮浓度的变化曲线见图3，三个反应器的初始pH值都在8.1以上，启动阶段没有出现明显的pH值降低现象，认为水解产酸阶段挥发性脂肪酸没有大量积累，没有产生酸抑制的现象。TS越高的污泥中，氨氮浓度越高。三个反应器内初始氨氮浓度都很高，分别为5 761、5 695、3 434 mg/L。三组的氨氮浓度在前40 d没有很明显的变化，后半阶段稳定降低。2、3号反应器中的氨氮值最终降解到较小范围，分别为106 mg/L和78 mg/L，1号反应器内最终的氨氮浓度较高，为435 mg/L，氨氮浓度显著下降，分析原因可能是由于实验用污泥中含氮太高，因此体系中很大一部分游离氨挥发，致使测得的氨氮浓度下降。

比较氨氮浓度和pH值的变化可以看出，高含固率高氮污泥的水解酸化阶段不同于其他研究中体现出的污泥水解酸化规律，可能是由于该污泥中氮含量和起始pH值过高，足以中和水解阶段产生的大量脂肪酸。整个消化过程中，氨氮浓度显著高于Appels[9]研究的氨氮抑制阈值，但是并没有对产气量造成影响，表明经过驯化后的产甲烷菌不受高氨氮浓度的影响。

图3 pH和氨氮浓度的变化曲线

2.3 含固率对产气的影响

3组含固率不同的污泥在厌氧消化反应过程中的日产气量和累积产气量变化如图4所示。由图4-1可知，三组反应器在物料投加后的第3、4天都出现不等量的产气。1号反应器内的产甲烷菌于第12 d开始出现并逐渐适应环境，系统再次产气，26 d时达到产气高峰，最高日产气量达到1 789 ml。在第26 d到第53 d，产气量先缓慢降低，后逐渐上升，53 d时达到第二个产气高峰1 386 ml/d，然后缓慢降低至反应结束。2号反应器在第9 d开始再次产气， 22 d时达到产气高峰1 783 ml/d，反应进行到第52 d时再次出现一个产气小高峰，之后呈稳定下降的趋势。3号反应器于第8 d开始再次产气，产气高峰出现在第29 d，为1 188 ml/d，持续该产气水平约10 d左右，开始逐渐下降。之所以出现两个峰值，是因为厌氧消化反应的前半阶段分解可溶性易降解有机物，而在易降解有机物消耗殆尽以后，微生物开始分解难降解有机物，该时期内易溶性有机物的浓度升高，产气量也相应增大，并达到一个小的峰值。由于该实验的接种量较大，所以启动时间不长，即启动阶段的日产气速率增长较快。由于3号反应器在启动初期反应器出现故障，因此延迟了一周时间，将该时间排除在外可以得到：TS越高的反应组，出现产气高峰越晚，但由于污泥浓度较高，因此日产气量大。对比可知，2号反应器较1号和3号启动时间短，稳定性高，产气量大。

图4-1 污泥的日产气量变化

图4-2为累积产气量的变化曲线。总体来看3组不同TS条件下厌氧消化的累积产气量都呈先慢后快又慢的增长趋势，但是1号反应器的产气量在整个厌氧消化过程中增长速度始终较慢。2号反应器的累积产气量最多，其次是1号，3号的产气量最少。

图4-2 污泥的总产气量变化

计算所得的平均日产气量、单位VS产气率和单位体积污泥的产气量见表2。2号的单位VS产气量572 ml高于美国污水处理厂设计手册中确定该指标的最低限0.5 L/g[10]。2号的产气能力较1、3号强。

表2 平均日产气量、单位VS产气率和单位污泥产气量

2.4 污泥的消化效率

3种条件下厌氧消化后污泥性质见表3。可见污泥最终的VS浓度、TN含量、TOC含量和氨氮的浓度与污泥的初始浓度有关，初始浓度越高的污泥，消化后的各项指标相应较高。从表3可以看出，各组的VS都得到有效降解，TS越低的反应组，VS的降解效率越高。

表3 污泥厌氧消化后的主要泥质参数

3 结论

(1) 高含固率、高氮的水产品加工厂污泥在TS为10%的条件下，厌氧消化过程中pH值、氨氮浓度、VFA等各指标比TS为7%、13%条件时更为稳定，产气率较高，降解效率相对较好。

(2) 不同TS的污泥厌氧消化反应中，VFA达到峰值的时间和峰值大小各有不同，含固率越高，积累的VFA浓度最高，且达到峰值所用时间最短。高氮污泥厌氧消化过程中可检测到的挥发性脂肪酸都是乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，乙酸所占比例最大。

(3) 污泥初始pH值和氨氮浓度较高，厌氧消化的水解产酸过程不会造成大量VFA的积累。由于其自身的高pH值足够中和水解产酸，不会发生酸抑制现象。

(4) TS越高的反应组，出现产气高峰越晚，日产气量越大。不同TS条件下厌氧消化的累积产气量都呈先慢后快又慢的增长趋势，TS为10%的实验组产气最稳定，且累积产气量最大。

(5) 在接种量20%的条件下，高含固率高氮污泥可以在15 d内顺利启动，并能有效地降低氨氮和总氮浓度，分解有机物，降低挥发性固体含量。

(6) 小试规模的污泥处理，因污泥混合均匀性存在局限而不具有典型代表性。应该考虑在小试基础上，进一步进行中试试验。

(7) 本研究所得到的厌氧消化周期不是有机质消化彻底所需的时间，实验结束时污泥中仍含有有机质，只是由于反应器规模和产气量的局限，检测不到气体。

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