接种量及秸秆加入量对城市污泥厌氧发酵产气特性的影响

杨玉婷，周 俊，张雪英，胡芹芹

（1.南京工业大学 环境学院，江苏 南京 211800；2.南京工业大学 生物与制药工程学院，江苏 南京 211800）

接种量及秸秆加入量对城市污泥厌氧发酵产气特性的影响

杨玉婷1，周 俊2，张雪英1，胡芹芹1

（1.南京工业大学 环境学院，江苏 南京 211800；2.南京工业大学 生物与制药工程学院，江苏 南京 211800）

研究不同接种量及秸秆加入量条件下污泥的厌氧消化产气规律，并分析厌氧消化前后污泥性质的变化。实验结果表明：体积比（下同）为10%沼液接种回流污泥（碳氮比为6.16）的产气效率优于20%沼液接种回流的污泥（碳氮比为5.99），但不显著；秸秆的加入使污泥产气效率明显提高，且秸秆加入量对产气量也有显著影响。接种体积比为20%沼液的处理污泥（1 600mL泥）加入20g秸秆（碳氮比为7.53）后，比加入15g秸秆（碳氮比为7.15）产气量增加783mL，碳氮比最高的为10%沼液、15g秸秆污泥，为7.94，其产气总量和CH4含量也较高。同时，厌氧消化改变了污泥的理化性质，消化后的污泥有机质质量分数（不包括秸秆）平均降低2.4%。

城市污泥；厌氧消化；产气效率；理化性质

近年来，随着大量城镇污水处理厂的兴建与运营，作为污水处理副产物的污泥成为新的污染问题。污泥是由有机残片、细菌体、污泥颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体，其中主要成分为重金属和有机污染物。市政污泥是城市废水处理不可避免的副产物，其中含有大量的有机质和营养元素［1］，利用它发酵产气，即可解决环境污染问题，又可制备清洁能源。

污泥厌氧消化是指污泥在无氧条件下，由兼性菌和厌氧细菌，将污泥中可生物降解的有机物分解成CO2、CH4和H2O等，使污泥得到稳定化的过程，是污泥减量化、稳定化的常用手段之一，该技术已在许多国家得到广泛应用［2］。厌氧消化可以减少污泥体积，稳定污泥性质，提高污泥的脱水效果，减少污泥恶臭，提高污泥的卫生质量［3］。同时，污泥厌氧消化过程对污泥中的有毒物质重金属也有一定的影响。因此，污泥厌氧发酵产气效率及污泥性质变化的研究也越来越受到关注。

污泥厌氧发酵主要受温度、接种物、碳氮比等外界因素的控制。因此，如何通过对外界环境的调控来提高污泥的产气效率至关重要。

本文中，笔者主要从如下两个方面进行研究：①不同沼液接种量下污泥的产气效率及污泥理化性质的变化；②外部C源加入量对污泥的产气效率及污泥理化性质的变化，以期初步了解污泥厌氧消化的相关参数及厌氧消化后污泥中重金属的变化，为后期污泥的处置提供技术参数。

1 材料与方法

1.1 原料基本性质

本实验的供试污泥为南京市某污水处理厂的浓缩污泥，秸秆为小麦秸秆，长度均控制为1cm左右，沼液由国家生化工程技术研究中心提供。

浓缩污泥含水率为95.22%（质量分数），有机质质量分数为21.8%，N质量分数为2.41%，P质量分数为0.71%；秸秆的有机质质量分数为75.1%，N质量分数为1.80%，P质量分数为0.78%；沼液的总有机碳（TOC）为2 235mg/L，N质量分数为2.07%，pH为6.87。

1.2 厌氧发酵实验

将浓缩污泥按照不同沼液接种比（体积分数），φ（污泥）∶φ（沼液）=90∶10、80∶20和不同外部C源加入量φ（污泥）∶φ（沼液）∶m（秸秆）=90∶10∶15g，80∶20∶15g；80∶20∶20g进行配比，浓缩污泥为1 600mL，实验温度恒温控制在37℃。实验过程中对厌氧发酵装置进行避光处理，均置于无光培养箱中，且定时对污泥进行搅拌摇匀，每组试验重复3次。

图1 厌氧发酵装置示意Fig.1 Schematic diagram of apparatus for anaerobic digestion

1.3 测试方法

发酵气体中CH4含量变化的测定用注射器在排水集气装置中取气样，于气相色谱仪（SP-6800A）中分析气体成分。

有机质含量的测定采用油浴法［4-5］，对于加入秸秆的沼渣，先取样自然风干，然后将其中的秸秆挑出，泥样粉碎后过150 μm筛，再用油浴法对其进行测定。

P含量的测定采用磷钼蓝分光光度法［6-8］。

N含量的测定采用凯氏定氮法［9-10］。

TOC含量用TOC分析仪（TOC-5000A，日本岛津公司）测定［11］。

重金属含量采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP法）测定［12-13］。

碳氮比（C/N）为化学需氧量（COD）和总氮的比值。

2 结果与讨论

2.1 污泥厌氧消化产气量的比较

污泥厌氧消化产气过程受到多方面因素的影响，本试验主要通过接种沼液及加入秸秆的方式，研究污泥的产气效率。图2为沼液回流接种量及秸秆加入量的污泥在37℃下厌氧消化的产气情况。由图2可知：污泥产气具有相似的变化规律。在第3～7天之间会进入第1个产气高峰期，随后产气量下降，在第9～12天出现第2小高峰后，产气量逐渐变少，直至趋于0。

图2 污泥的产气量随发酵时间的变化Fig.2 Biogas volume during fermentation period

秸秆的加入，使得污泥的产气量大幅增加。从图2可以看出：秸秆的加入使污泥的产气效率大增，产气总量差异显著，可能因为秸秆富含C源，C为污泥中微生物的生命活动提供了能源，又是形成CH4的主要物质。因此通过加入适量秸秆调节污泥中的碳氮比，微生物的厌氧发酵容易启动，而且可以达到很好的产气效果［14-15］。

图3为厌氧消化体系对产气效率及碳氮比的影响。由图3可知，未加秸秆时，接种20%沼液的污泥与接种10%沼液的污泥产气效率相似。加入15g秸秆时，接种20%沼液污泥的产气效率比接种10%沼液的污泥低。接种体积比10%、20%沼液的污泥，加入15g秸秆后，产气量分别提高3 940.5和2 451mL，接种20%沼液的污泥，加入20g秸秆时比加入15g秸秆时产气量增加783mL。通过进一步分析发现，秸秆的加入改变了污泥初始的碳氮比，未加秸秆时10%、20%沼液接种量的碳氮比分别为6.16和5.99，加15g秸秆时10%、20%沼液接种量的碳氮比分别为7.94和7.15，加20g秸秆时20%沼液接种量的碳氮比为7.53。因此，可以推测污泥的产气效率与污泥的初始碳氮比有关，碳氮比越高，产气效率越好［15］。

图3 污泥厌氧消化过程产气总量及碳氮比对比Fig.3 Contrast of total gas production and C/N during sludge anaerobic digestion

2.2 厌氧消化过程中CH4体积分数的变化

研究表明，污泥厌氧发酵产CH4的效率主要是由产CH4菌来决定［16］。随着厌氧反应器中有机负荷的增加及运行时间的增长，污泥中的微生物群落会逐渐趋于一种稳定的趋势，即反应开始后产气量会逐步上升，但随着反应的进行，有机物不断消耗，产CH4菌活性降低，产气效率也会随之降低［16］。

由图4可知：无论是否加入秸秆，CH4的变化趋势都具有相似的规律。整个厌氧消化过程中，不加入秸秆的污泥CH4体积分数变化都比较接近。在接种同量沼液的情况下，控制秸秆加入量，加入量多的CH4体积分数相对较高。

图4 厌氧发酵过程中产CH4的体积分数Fig.4 Methane volume percentage during sludge fermentation period

由图4还可以看出，污泥厌氧消化过程中CH4占气体体积分数最高的是接种20%沼液+20g秸秆的污泥。说明加入秸秆的污泥中有机质含量都较高，更有利于CH4的产生。由图4不难发现，加入秸秆污泥的CH4体积分数明显高于未加入秸秆污泥的CH4体积分数。由此可见，通过调节污泥中的碳氮比可以有效促进CH4的产生。污泥在厌氧消化过程中会产生CO2、CH4、H2S等气体，在厌氧发酵后期出现了CH4百分比降低的现象，可能是因为消化后期由于C源的消耗，CH4的产率降低，而CO2、H2S等气体仍在产生。

2.3 厌氧消化前后风干泥样中有机质质量分数的变化

图5为污泥厌氧消化前后有机质质量分数的变化。由图5可知：变化最大的是接种20%沼液+20g秸秆沼渣，有机质降低了3.475%。变化最小的是接种10%沼液沼渣，有机质减少了1.56%。由图5还可知：沼液、秸秆的加入，增加了污泥的有机质质量分数，但消化后有机质质量分数降低。相对于未加秸秆的污泥，加入秸秆污泥有机质的前后变化较大。

厌氧消化后污泥的有机质质量分数降低，这和消化过程中CH4的产生有很大关系。在厌氧消化过程中，污泥中的有机碳通过水解产酸，最终生成CH4气体，而有机质主要被厌氧发酵体系中的产CH4菌所消耗［17］。

图5 污泥厌氧消化前后有机质质量分数的变化Fig.5 Change of mass fraction for organic matter before and after anaerobic digestion

2.4 厌氧消化前后风干泥样中P质量分数的变化

图6为厌氧消化前后风干混样中的P含量的变化情况。由图6可知，厌氧消化后污泥中的P质量分数略有增加。变化最大的是接种20%沼液沼渣，从0.71%增加到0.83%。变化最小的是接种10%沼液+15g秸秆沼渣，从 0.741%增加到0.79%。分析其原因可能是由于厌氧发酵之后污泥总量减少，导致P相对“浓缩”［18］。

图6 污泥厌氧消化前后P质量分数的变化Fig.6 Change of mass fraction for phosphorus before and after sludge anaerobic digestion

2.5 厌氧消化前后风干泥样中N质量分数的变化

由图7可知：消化后污泥中的N质量分数都降低了约0.5%。变化最大的是接种20%沼液+15g秸秆的沼渣，降低了 0.7%。变化最小的是接种10%沼液的沼渣，减少了0.4%。接种20%沼液的沼渣中N的减少量更明显，平均达到了0.66%，而接种10%沼液的沼渣中平均N含量降低了0.34%。厌氧发酵过程中总N损失的主因是上清液中NH3N的挥发，同时也存在因硝化、反硝化作用而导致的总N损失；而固相中的有机N先会转化为液相中的铵盐形式，然后再消耗掉［19］。

图7 污泥厌氧消化前后N质量分数的变化Fig.7 Variation of mass fraction for nitrogen content before and after sludge anaerobic digestion

2.6 污泥厌氧消化前后重金属含量的变化

表1为污泥厌氧消化前后重金属含量的变化。由表1可知：厌氧消化前后，Pb2+、Hg2+、Cr3+含量无明显变化。而Cu2+、Ni2+、Zn2+含量在厌氧消化前后的变化如图8所示。由图8可知：厌氧消化前后，Cu2+含量变化最大的是接种20%沼液+20g秸秆的沼渣，增加了39.5mg/kg，变化最小的是接种20%沼液的沼渣，增加了15.0mg/kg；Zn2+含量变化最大的是接种20%沼液+15g秸秆的沼渣，增加了29.0mg/kg，变化最小的是接种20%沼液的沼渣，增加了5.0mg/kg；Ni2+含量变化最大的是接种10%沼液的沼渣，增加了8.6mg/kg，变化最小的是接种20%沼液+20g秸秆的沼渣，增加了7.1mg/kg。

厌氧消化后重金属元素的总量是呈增加趋势，可见厌氧消化一定程度上会使重金属发生富集，但会导致重金属从不稳定态向硫化物等稳定态的形式转化，造成生物可利用性降低，从而提高消化污泥的农用价值［20-22］。

表1 污泥厌氧消化前后重金属含量的变化Table 1 The change of heavy metal before and after anaerobic digestion（mg·kg-1）

图8 污泥厌氧消化前后重金属含量的变化Fig.8 Changes of heavy metal before and after anaerobic digestion

3 结论

通过控制变量法研究了5种不同配比污泥在37℃时厌氧消化的产气效率，且对厌氧消化前后污泥的理化性质进行分析。结果表明：

1）接种体积比为10%沼液污泥的产气效率优于接种20%沼液的污泥，但不显著；秸秆的加入使污泥产气效率明显提高。接种体积比10%、20%沼液的污泥，加入15g秸秆后，产气量分别提高3 940.5和2 451mL。接种20%沼液的污泥加入20g秸秆时比加入 15g秸秆时产气量增加了783mL。

2）厌氧消化改变了沼渣的理化性质，消化后的污泥有机质质量分数平均降低2.4%，P平均升高0.08%，N平均降低0.5%。

3）厌氧消化后沼渣污泥中Cu2+、Ni2+含量明显升高，Zn2+含量也略有升高，而Pb2+、Hg2+、Cr3+含量无明显变化。

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（责任编辑 周晓薇）

Effect of recirculated-inoculation and straw supplement on biogas production of municipal sludge

YANG Yuting1，ZHOU Jun2，ZHANG Xueying1，HU Qinqin1
（1.College of Environment，Nanjing Tech University，Nanjing 211800，China；2.College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 211800，China）

Anaerobic fermentation of sludge was studied under different inoculation and straw content，as well as the changes of sludge properties before and after anaerobic fermentation.The biogas production efficiency of sludge with 10%（volume ratio，the same below）biogas slurry inoculation reflux（C/N was 6.16）was better than that with 20% （C/N was 5.99）；the biogas production efficiency of sludge was improved by adding straw.Biogas production of sludge with 20%biogas slurry（1 600mL sludge）and 20g straw（C/N was 7.53）was 783mL more than that with 20%biogas slurry and 15g straw（C/N was 7.15），C/N of sludge with 10%biogas slurry and 15g straw was 7.94 which was the highest，and its total gas production and methane volume percentage were also higher than others.Meanwhile，the physicochemical properties of sludge was changed through anaerobic fermentation，the organic matter（does not include straw）of sludge reduced 2.4%（mass ratio）on average after anaerobic fermentation.

municipal sludge；anaerobic fementation；biogas production efficiency；physicochemical properties

X705

A

1672-3678（2015）02-0013-06

10.3969/j.issn.1672-3678.2015.02.003

2014-01-18

国家自然科学基金（21207065、21307058）；江苏省青年自然科学基金（BK20130931）；江苏省高校自然科学研究面上项目（13KJB610006）；2014年江苏省大学生创新创业训练计划重点项目（201410291028Z）；中国科学院环境与应用微生物重点实验室开放基金项目（KLCAS-2013-05）

杨玉婷（1990—），女，江苏南通人，硕士研究生，研究方向：城市污泥的资源化；张雪英（联系人），副教授，E-mail：xueyingzhang@163.com