UASB对餐厨垃圾和剩余污泥合并处理的试验研究

柯水洲，赵 芬，李 强（.湖南大学土木工程学院，湖南　长沙4008；.中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南长沙4008）

UASB对餐厨垃圾和剩余污泥合并处理的试验研究

柯水洲1，赵 芬1，李 强2
（1.湖南大学土木工程学院，湖南长沙410082；2.中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南长沙410082）

在中温（35℃±2℃）条件下，以餐厨垃圾和剩余污泥为原料，采用UASB反应器进行了两者合并处理的试验研究，重点考察了合并处理过程的产气量和出水COD浓度、p H值、VEA浓度等化学指标的变化。结果表明: UASB反应器对餐厨垃圾和剩余污泥混合液进行连续厌氧消化处理是稳定可行的；该反应器在混合厌氧消化时，最大容积负荷可达17.0 gCOD/（L·d），当容积负荷为16.0 gCOD/（L·d）时，反应器R1和R2的沼气产量都达到最大，分别为21.19 L/d和19.05 L/d，相应的产甲烷量分别为11.65 L/d和10.29 L/d；应用Monod方程建立了产气模型，利用该模型模拟的产气量与试验实测产气量的相对误差小于5%，其可信度高。

餐厨垃圾；剩余污泥；合并处理；UASB反应器；容积负荷；挥发性酯肪酸（VEA）

餐厨垃圾和剩余污泥的产量逐年增加，两者的处置问题也日益严重［1-2］。厌氧处理技术工艺简单、操作方便、成本低，在餐厨垃圾和剩余污泥资源化处理中的运用越来越广泛。但已有研究表明［3-5］，餐厨垃圾虽然具有很好的生化性，但是在厌氧消化过程中水解速度过快导致有机酸易积累，且含盐量高、油脂高，使得反应器中的微生物活性易受到抑制。而剩余污泥单独处理时，由于可生化性较低、水解过程缓慢，导致微生物的营养供应不足，进而限制了剩余污泥厌氧消化的反应速率，影响了沼气的产量［6］。近年来，人们对餐厨垃圾与剩余污泥混合处理做了大量的研究和探索。如王永会等［7］的研究表明餐厨垃圾和剩余污泥混合厌氧消化与餐厨垃圾单独厌氧消化相比，能调节p H值、氨氮浓度和VEA浓度，缩短产气周期；高瑞丽等［8］将餐厨垃圾与剩余污泥以不同的比例混合进行厌氧消化，结果表明与两者单独厌氧消化相比，产气量和产气速率都有不同程度的增加；Laffitte等［9］和Demirekler等［10］的研究发现在污泥消化池中加入餐厨垃圾，不仅可以解决餐厨垃圾的污染问题，而且还可以稀释污泥中的有毒物质，促进物料中的营养平衡，增加反应池的容积利用率，提高沼气的产气量。但目前的研究中餐厨垃圾和剩余污泥的合并处理基本都是采用发酵瓶进行的批式厌氧消化，本试验采用UASB反应器对餐厨垃圾和剩余污泥混合合并处理进行连续式厌氧消化研究，以期为实际工程应用提供依据。

1　材料与方法

1.1试验材料

本试验中的餐厨垃圾取自湖南大学某学生食堂，利用粉碎机将餐厨垃圾破碎成浆状，同时去掉部分油脂，置于4℃冰箱中，备用。剩余污泥取自长沙市某污水处理厂二沉池，污泥样品采集后统一放置于4℃冰箱中，备用，为了有良好的进液条件，用筛网对其进行过滤，除去少量大颗粒杂质。根据我国餐厨垃圾和剩余污泥的年产量比例（餐厨垃圾的年产量约为9 800万t，剩余污泥约为2 600万t，比例约为4∶1），将餐厨垃圾和剩余污泥按照4∶1的比例进行混合。为了缩短驯化时间，两个UASB反应器R1和R2都采用原处理餐厨垃圾的颗粒污泥作为接种污泥。餐厨垃圾（制浆后）和剩余污泥（滤后）的基本理化性质见表1。

表1　餐厨垃圾和剩余污泥的基本理化性质Table 1 Physical-chemical properties of kitchen wastes and residual sludge

1.2试验装置

本试验装置工艺流程如图1所示。单个UASB反应器的空床总容积为4.77 L，其中有效容积为3.18 L；UASB反应器采用连续进液，水浴保持恒温（35℃±2℃）。

1.3试验方法

由于UASB反应器R1和R2已停止运行6个月，其颗粒污泥中微生物已经进入休眠期，故在处理餐厨垃圾和剩余污泥之前，首先需对微生物进行复壮和驯化。

1.3.1启动与复壮阶段

以葡萄糖、氮、磷及微量元素等配制的营养液［11］为基质，在中温（35℃±2℃）条件下启动UASB反应器，完成对反应器内颗粒污泥的培养。复壮阶段两个UASB反应器的进水条件控制见表2。

图1　UASB反应器工艺流程Eig.1 UASB process system

表2　复壮阶段UASB反应器的进水条件Table 2 Influent conditions in rejuvenation stage

1.3.2驯化阶段

驯化阶段仍采用中温（35℃±2℃）条件，两个UASB反应器的进水COD浓度为3 000 mg/L，水力停留时间控制在24 h，容积负荷为3.0 g COD/（L·d），餐厨垃圾和剩余污泥的混合浆液在进水中的比例逐渐增加，由25%逐步增大至100%，最终完成颗粒污泥的驯化过程。驯化阶段两个UASB反应器的进水条件控制见表3。

表3　驯化阶段UASB反应器的进水条件Table 3 Influent conditions in domestication stage

1.3.3处理阶段

UASB反应器的复壮阶段和驯化阶段完成后，已具备对餐厨垃圾和剩余污泥合并处理的条件，这时控制温度条件为中温（35℃±2℃），控制进水桶浆液的p H值在7.2±0.5范围内（李东等［12］研究表明，调节酸化阶段p H=7.2的食物垃圾与废纸联合厌氧消化能够避免挥发性脂肪酸抑制，保证消化稳定性并提高消化性能），水力停留时间始终控制在24 h，初期进水COD浓度为4 000 mg/L，随后以1 000 mg/L的梯度逐渐提高COD浓度，并最终增加至末期的18 000 mg/L，相应的容积负荷也从最初的4.0 gCOD/（L·d）增加到末期的18.0 gCOD/（L·d）。采用两个UASB反应器进行平行试验，其试验工况相同。

1.4检测指标与方法

试验中总固体含量（TS）、挥发性固体含量（VS）采用烘干法测定［13］；总碳（TC）、总氮（TN）采用哈希测定仪测定；化学需氧量（COD）采用重铬酸钾滴定法［13］测定；挥发性脂肪酸（VEA）的总量采用比色法测定［14］；p H值由PHS-3C型p H仪测定；产气量采用液体置换法测定，为了尽量降低气体在水中的溶解量，提高测量准确性，利用饱和NaCl溶液作为置换液；沼气中甲烷含量通过液体置换系统测定［15］。

2　结果与分析

复壮阶段总共历时63 d，在第63 d时UASB反应器R1和R2中的COD去除率都分别达到了98.5%和96.4%，反应器运行正常稳定，复壮成功，可进入驯化阶段。

驯化阶段从第64 d至第100 d，总共历时37 d，到驯化末期，两个UASB反应器COD去除率都达到了97%以上，p H值稳定在7.2～8.0之间，产气量在3.3 L/d左右，达到了驯化预期目标，可进入处理阶段。

厌氧消化处理阶段从第101 d至第265 d，总共历时165 d，在容积负荷不大于16.0 gCOD/（L·d）时，即第101～245 d内，两个UASB反应器稳定运行，第246～265 d时，反应器逐渐酸化。

2.1处理阶段出水COD浓度及其去除率的变化

厌氧消化处理阶段两个UASB反应器出水COD浓度及其去除率的变化情况见图2和图3。

由图2和图3可以看出:UASB反应器R1和R2出水COD浓度在第245 d前基本上在1 000 mg/L以内波动，且绝大部分在100～600 mg/L之间，COD去除率大都保持在90%以上；UASB反应器R1和R2的进水容积负荷每增加一次，出水COD浓度就会先上升后又下降，这主要是因为UASB反应器R1和R2里面的微生物经过驯化已经适应处理餐厨垃圾和剩余污泥的混合浆液，但当提高容积负荷时，微生物仍需要适应一段时间，随后出水COD浓度又稳步下降；在第165 d左右，由于UASB反应器R2的液面出现大量的絮状污泥导致出水口堵塞，出水COD浓度突然增大，COD去除率下降，但经过清通调整后其反应器又逐渐恢复了稳定；处理末期，容积负荷为17.0 gCOD/（L·d）时，反应器R1和R2的COD去除率大幅度下降，继续升高容积负荷至18.0 gCOD/（L·d）时，两个反应器出水COD浓度先后超过4 000 mg/L，COD去除率也降到了60%以下，说明UASB反应器趋于恶化，容积负荷已达到最大。

图2　处理阶段UASB反应器出水COD浓度的变化情况Eig.2 Variation of effluent COD concentration with time in processing phase

图3　处理阶段UASB反应器COD去除率的变化情况Eig 3 Variation of COD removal rate with time in processing phase

2.2处理阶段出水p H值及VFA浓度的变化

厌氧消化处理阶段两个UASB反应器出水p H值和挥发性脂肪酸（VEA）浓度的变化情况见图4和图5。

由图4和图5可以看出:处理初期，UASB反应器R1和R2出水的p H值一直保持在6.8～8.2范围内，在第245 d以后反应器R1和R2出水的p H值开始下降，第250 d时进水p H值突然降至6.80，立即增加碳酸氢钠缓冲溶液进行调整，在第251～252 d出水p H值有短暂上升，然后又大幅度地下降并最终分别降至4.44和3.85（见图4），说明此时反应器已经酸化，且不可逆，与朱亚兰等［16］研究相符。消化初期，反应器 R1和R2出水的VEA浓度都有所提高，此时反应器R1和R2出水的VEA浓度（乙酸计）极大值分别为6.54 mmol/L和6.66 mmol/L，经过一段时间的运行，其VEA浓度都有所下降，每次容积负荷提高时VEA浓度都会有短暂的回升；除了第165 d左右反应器R2出水的VEA浓度突然增大以外，反应器R1和R2出水的VEA浓度大多在2.0～8.0 mmol/L范围内波动，说明反应器运行良好；在第250 d左右VEA浓度突然升高，并在第260 d左右VEA浓度大幅度上升，并分别达到13.45 mmol/L和16.67 mmol/L，超过了反应器的酸化警戒值12.5 mmol/L，并处于仍在下降的趋势中，在第265 d，反应器R1和R2的VEA浓度分别达到18.78 mmol/L和19.77 mmol/L（见图5）。UASB反应器突然酸化，这主要是因为:①系统容积负荷过高使反应过程中的VEA积累，进而使反应器中的p H值降低，p H值低于6.5后甲烷菌的生长代谢和对氢的利用受到抑制，产氢产乙酸菌也就不能正常降解丙酸、丁酸和乙醇等，更加快了反应器中VEA积累；②末期反应器开始酸化后，产生的VEA主要以丙酸和丁酸组成［17］，非离子状态的酸会抑制微生物的活性［18］，张波等［19］的研究还表明餐厨垃圾和剩余污泥都含有大量的蛋白质，而蛋白质分解形成氨，当游离氨大量积累时具有很强的毒性，会抑制产甲烷菌的生长；③第250 d时由于混合液中酸性物质过多，缓冲溶液不够，使进水呈弱酸性，更是加速降低了整个反应器内的p H值，虽然立即增加了缓冲溶液调整，但此时酸化已不可逆。结合这些原因，可以推断UASB反应器中形成了恶性循环并最终导致系统迅速酸化。

图4　处理阶段UASB反应器出水p H值的变化情况Eig.4 Variation of p H with time in processing phase

图5　处理阶段UASB反应器出水VEA浓度的变化情况Eig.5 Variation of VEA with time in processing phase

2.3处理阶段沼气产量及其甲烷含量的变化

厌氧消化处理阶段UASB反应器沼气产量的变化情况见图6。

图6　处理阶段UASB反应器沼气产量的变化情况Eig.6 Variation of biogas production with time in processing phase

由图6中可以看出:UASB反应器R1和R2的沼气产量基本上随着容积负荷的提高而增加，且第160 d以前两个UASB反应器的沼气产量都在稳步上升，第160 d后反应器R2中的微生物数量减小，导致其沼气产量大减，降至4.09 L/d，经过十多天的恢复，其沼气产量又上升到正常水平，但后期其沼气产量一直略低于反应器R1；在第240 d左右，两个UASB反应器沼气产量达到最大，反应器R1和R2的沼气产量分别为21.19 L/d和19.05 L/d，此时容积负荷为16.0 gCOD/（L·d），随后虽然容积负荷有所提升，但沼气产量却没有相应提高，分析可能此时VEA过度积累，p H值下降，产甲烷菌受到抑制，所以沼气产量也急剧下降；直到第264 d左右，反应器R1和R2的沼气产量相继为零，此时两个反应器均酸化。

厌氧消化处理阶段两个UASB反应器所产气体中甲烷含量的变化情况见图7。

图7　处理阶段UASB反应器所产气体中甲烷含量的变化情况Eig.7 Variation of methane content with time in processing phase

由图7可以看出:在厌氧消化初期，两个反应器所产气体中的甲烷含量都较低，随着产甲烷菌对餐厨垃圾和剩余污泥混合液的不断适应，所产气体中甲烷含量也逐渐提高，基本在42%～57%之间波动，且波动较频繁，与容积负荷无明显关系，可能与混合液的各组分含量有关［20］。

3　讨 论

3.1合并处理的优势

吴阳春［21］的研究表明，餐厨垃圾单独处理时，在进水有机物浓度为12.0 gCOD/L时，沼气产量达到最大，为16.5 L/d，相应的产甲烷量为8.10 L/d。本试验中在容积负荷为16.0 gCOD/（L·d）时，UASB反应器R1和R2的沼气产量达到最大，分别为21.19 L/d和19.05 L/d，相应的产甲烷量分别为11.65 L/d和10.29 L/d，经对比分析可知，相对于餐厨垃圾单独处理，加入剩余污泥后的合并处理容积负荷提高了33.3%，沼气产量提高了21.9%，甲烷含量提高了35.4%。

戴前进等［22］的研究表明，剩余污泥的消化性能差、产气率低，不适合单独厌氧消化。而本试验将餐厨垃圾和剩余污泥合并处理，在水力停留时间为24 h的条件下，COD去除率就可以稳定在90%以上，这说明剩余污泥中加入餐厨垃圾之后，有机物降解更充分，消化性能更好。

3.2产气模型的建立

对有机物进行厌氧生物降解是一个复杂的过程，不仅包括微生物作用，还包括生物化学作用。厌氧生物动力学就是把这种复杂的厌氧消化过程用简单明了的数学表达式加以描述。一个好的厌氧生物动力学模型能准确地预测出试验结果，并且可为系统的运行和维护提供参考依据，能较好地提高系统的稳定性及处理效率，大大减少系统的运行费用。

为了便于建立厌氧生物动力学模型，需考察主要因素对有机物降解与甲烷产量的影响，从而建立起相对简便有效的产气模型。在对UASB反应器进行具体分析之前，需先做以下几点假设:①UASB反应器在整个运行过程中始终处于稳定状态；②待处理的餐厨垃圾和剩余污泥混合液中不含具有活性的微生物，剩余污泥只作为基质为反应器内的厌氧微生物提供有机物，且废液中的有机物均溶于水中；③UASB反应器内的微生物一直处于对数增殖期，厌氧颗粒污泥均质增长，密度均匀；④UASB反应器内有机物经过微生物降解后所产生的气体全部视为甲烷。

在反应器理论与Monod方程的基础上，经过一定假设和详细分析后，根据实测数据对其进行拟合，确定相应的模型中的待求参数，可得到产气模型如下:

将求得的产气模型与反应器R1和R2厌氧消化处理阶段的实测数据进行误差分析，结果显示反应器稳定运行时，反应器R1和R2的相对误差分别为0.54%～6.35%和0.05%～4.93%，说明该模型可信度高，可作为工程运用的参考依据。

4　结 论

（1）在中温试验条件下，采用UASB反应器对餐厨垃圾和剩余污泥进行合并厌氧消化处理是连续稳定可行的，在容积负荷为16 gCOD/（L·d）时，沼气产量最大，COD去除率较高，建议在此负荷运行，且运行过程中应随时检测并控制进水p H值，以防止因进水酸化导致反应器酸化。

（2）将餐厨垃圾和剩余污泥合并处理优于单独处理，可以提高容积负荷和沼气产量；污泥中难降解的有机物加入餐厨垃圾中易处理的有机物后，有利于前者的处理。

（3）基于Monod方程的产气模型，与UASB反应器稳定运行时的实际产气量相对误差基本小于

5%，可信度高，能够较好地预测餐厨垃圾和剩余污泥合并处理过程中的甲烷产量。

［1］胡新军，张敏，余俊锋，等.中国餐厨垃圾处理的现状、问题和对策［J］.生态学报，2012，31（14）:4575-4584.

［2］廖选停，盛健.城市污泥处理处置及综合利用研究现状与建议［J］.安全与环境工程，2006，13（2）:62-65.

［3］王延昌，袁巧霞，谢景欢，等.餐厨垃圾厌氧发酵特性的研究［J］.环境工程学报，2009，3（9）:1677-1682.

［4］占美丽，董蕾，孙英杰，等.青岛市餐厨垃圾与菜市场垃圾混合高温厌氧消化研究［J］.环境工程学报，2013，7（5）:1945-1950.

［5］Pei Z J，Liu J，Shi E M，et al.High-solid anaerobic co-digestion of food waste and rice straw for biogas production［J］.Journal of Northeast Agricultural University，2014，21（4）:61-66.

［6］Sosnowski P，Wieczorek A，Ledakowicz S.Anaerobic co-digestion of sewage sludge and organic fraction of municipal solid wastes［J］.Advancesin Environmental Research，2003，7:609-616.

［7］王永会，赵明星，阮文权.餐厨垃圾与剩余污泥混合消化产沼气协同效应［J］.环境工程学报，2014，8（6）:2536-2541.

［8］高瑞丽，严群，阮文权.添加厨余垃圾对剩余污泥厌氧消化产沼气过程的影响［J］.生物加工过程，2008，6（5）:31-35.

［9］Laffitte T S，Eoster C E.Dual anaerobic co-digestion of sewage and confectionery water［J］.Bioresource Technology，2000，71: 77-82.

［10］Demirekler E，Anderson G K.Effect of sewage sludge addition on the start-up of anaerobic of OEMSW［J］.Environmental Technology，1998，19:837-843.

［11］韩青青.常温条件下UASB反应器对苯酚的降解研究［D］.长沙:湖南大学，2005.

［12］李东，孙永明，袁振宏.食物垃圾和废纸联合厌氧消化产甲烷［J］.环境科学学报，2005，25（5），665-668.

［13］魏复盛.水与废水监测分析方法［M］.第3版.北京:中国环境科学出版社，1989.

［14］任南琪，王爱杰，冯玉杰，等.厌氧生物技术原理与应用［M］.北京:化工工业出版社，2004.

［15］马随涛.一种简易的沼气中甲烷含量的测定装置和测定方法［J］.新农村（黑龙江），2012（2）:125.

［16］朱亚兰，张文阳，王凤，等.城市可生化垃圾与厌氧剩余污泥混合厌氧消化研究［J］.工业安全与环保，2008，34（7）:9-11.

［17］张波，史红钻，张丽丽，等.p H对厨余废物两相厌氧消化中水解和酸化过程的影响［J］.环境科学学报，2005，25（5）:665-669.

［18］Babel S，Eukushi K，Sitanrassamee B.Effect of acid speciation on solid waste liquefaction in anaerobic acid digester［J］.Water Research，2004，38:2417-2423.

［19］张波，徐剑波，蔡伟民.有机废物厌氧消化过程中氨氮的抑制性影响［J］.中国沼气，2003，21（3）:26-29.

［20］李晓风.油脂对餐厨垃圾厌氧消化抑制效应的试验研究［D］.重庆:重庆大学，2010.

［21］吴阳春.餐厨垃圾废水中温厌氧消化试验研究［D］.长沙:湖南大学，2011.

［22］戴前进，李艺，方先金.城市污水处理厂剩余污泥厌氧消化试验研究［J］.中国给水排水，2006，22（23）:95-98.

Study on the Co-digestion of Kitchen Wastes and Residual Sludge in UASB Reactors

KE Shuizhou1，ZHAO Een1，LI Qiang2
（1.College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China；2.China Machinery International Engineering Design and Research Institute Co.，Ltd.，Changsha 410082，China）

This paper uses kitchen wastes and residual sludge as the raw material to conduct continuous anaerobic digestion in UASB reactors under the condition of the medium temperature（35℃±2℃）.In the anaerobic co-digestion process，the paper monitors chemical index changes of p H value，COD，volatile fatty acids（VEA）in digested liquid and gas production.The results show that the anaerobic digestion is stable and feasible；the maximum organic load of the mixture system achieves 17.0 gCOD/（L·d）.When the load is 16.0 gCOD/（L·d），the maximum gas productions of the two reactors（R1and R2）reach 21.19 L/d and 19.05 L/d，of which the methane production is 11.65 L/d and 10.29 L/d respectively.The paper applies Monod equation to establishing the gas dynamic model，which proves high credibility for the relative error of the gas production between the test and the simulation is within 5%.

kitchen wastes；residual sludge；co-digestion；UASB reactor；organic load；volatile fatty acids

X799.3

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.010

1671-1556（2015）05-0059-05

2015-02-02

2015-03-10

柯水洲（1964—），男，硕士，教授，主要从事给水与废水处理技术等方面的研究。E-mail:szkyr@126.com