不同TS浓度下污水厂剩余污泥和生活垃圾混合厌氧消化特性研究

刘建伟，夏雪峰

（1.北京市可持续城市排水系统构建与风险控制工程技术研究中心（北京建筑大学），北京 100044；2.北京建筑大学北京应对气候变化研究和人才培养基地，北京 100044；3.北京建筑大学环境与能源工程学院，北京 100044）

近年来，城市污水处理厂发展迅速，在改善城市水环境方面发挥着越来越重要的作用。城市污水厂污水的处理大都以生物处理工艺为主，在污水处理过程中会产生大量的剩余污泥，如果处理或处置不当会带来严重的二次污染问题。由于污水厂剩余污泥中含有一定量的有机质和非常丰富的N、P、K 等营养元素，并且含有可以进行厌氧消化的微生物，因此厌氧消化成为污水厂对剩余污泥实行稳定化、减量化和资源化处理的最广泛采用的处理技术［1］。但是，由于污水厂剩余污泥中的C／N 值较低，采用单一污泥原料进行厌氧消化处理时往往不会有很高的产气率和很好的有机物去除效果。与此同时，随着我国社会经济的快速发展和人民生活水平的提高，城市生活垃圾的产量逐年递增，并成为困扰社会环境的另一大难题。目前，将生活垃圾分选后得到的有机质进行厌氧消化处理，在国内外已得到越来越多的应用［2］。然而，虽然生活垃圾有机质含量丰富、C／N 值高，但成分较为单一，且可能含有纤维素、半纤维素和木质素等难降解有机物，采用单一生活垃圾物料进行厌氧消化处理未必能取得理想的效果。有研究表明，采用污水厂剩余污泥和生活垃圾两种物料进行混合厌氧消化处理可以得到较好的有机物去除效果［3］。

厌氧消化是一个较为复杂的反应过程，TS 浓度、温度、C／N、接种物和pH 值等都会影响反应的顺利进行。其中，TS浓度是影响厌氧消化过程较为关键的限制性因素之一［4］。目前，对于TS 浓度对污水厂剩余污泥和生活垃圾混合厌氧消化影响的研究较少。鉴于此，本文以污水厂剩余污泥和生活垃圾混合物料为研究对象，通过试验研究了不同TS浓度下混和物料厌氧消化的特性。本试验分别设置TS浓度为1%、3%、6%和10%共4种工况，通过批次试验，对比不同TS浓度下混合物料厌氧消化的产气量、气体中甲烷体积百分含量、物料COD 去除率、消化液pH 值和VFAs浓度的变化情况，研究结果可为污水厂剩余污泥和生活垃圾混合厌氧消化的TS浓度选择提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验采用的污水厂剩余污泥取自北京市某城市污水处理厂，是经过脱水后的剩余污泥；生活垃圾取自北京市海淀区某城市生活垃圾中转站，原生垃圾经过手工分选得到其中的有机组分，再通过粉碎机将其充分粉碎，并加水使用胶体磨多次研磨；接种污泥取自北京市某城市污水处理厂，是厌氧消化污泥经过3个月的35℃中温厌氧驯化而得到的污泥。污水厂剩余污泥和生活垃圾物料每2周制备1次，并置于4℃冰箱中保存待用。试验材料的主要参数见表1。

表1 污水厂剩余污泥、生活垃圾和接种污泥的主要参数Table 1 Characteristics of sewage sludge from sewage plants，garbage and digested sludge

1.2 试验装置

本试验所用的厌氧消化装置为容积1L的血清瓶，气体的收集和计量采用与血清瓶相连的容积1 L的广口瓶。将连接并密封好的血清瓶置于恒温水浴箱，温度控制在35℃±1℃；每天摇晃搅拌2 次（8∶00和18∶00各1次），每次3min。

1.3 试验方法

试验采用分批厌氧消化的方式，分别设置TS浓度为1%、3%、6%和10%共4种工况，每组工况设置两组平行。根据试验条件的不同，在血清瓶中投加相应的消化底物和接种污泥，其中消化底物为污水厂剩余污泥和生活垃圾的混合物（VS 比为1∶2），消化底物与接种污泥的VS 比为1∶1，加蒸馏水定容至1.0L，向血清瓶中通5min氮气保证厌氧状态，并在35℃±1℃下进行厌氧消化试验。每天记录不同TS浓度下厌氧消化过程中产气量并测定气体中甲烷含量（以体积分数计），每隔3d取样分析物料COD 浓度、厌氧消化液pH 值和VFAs浓度的变化情况。

1.4 分析方法

产气量采用湿式气体流量计测定；产气中甲烷含量采用HP6890型气相色谱仪测定；COD 浓度采用哈希COD 快速测定法测定；pH 值采用雷磁pHSJ24A 型pH 计测定；VFAs浓度采用滴定法测定，以乙酸计。

2 结果与讨论

2.1 不同TS浓度下厌氧消化的产气情况

本试验对不同TS浓度的混合物料厌氧消化过程中的产气情况进行了研究，其日产气量和累计产气量的试验结果分别见图1和图2。

由图1可以看出：在厌氧消化反应一开始，各不同TS浓度的试验组均开始产气，且在整个厌氧消化周期内表现出前期日产气量高、后期日产气量低，直至日产气量稳定的特点，但各试验组日产气高峰期出现时间以及最高日产气量均存在差异。其中，TS浓度为1%和10%的两个试验组，日产气高峰期均出现在反应前期，峰值分别为452mL／d和436mL／d，随后日产气量逐渐降低；TS浓度为3%的试验组，在第11天和第19天各出现一个日产气高峰期，峰值分别为502mL／d和537mL／d，且在第二个日产气高峰期后，日产气量逐渐降低；而TS浓度为6%的试验组，仅在第13天出现了日产气高峰期，峰值为438mL／d。

此外，不同TS浓度的混合物料对厌氧消化的产气周期也有一定影响。其中，TS 浓度为10%的试验组产气周期最长，可持续至第35天左右；而TS浓度为1%的试验组产气周期最短，产气主要发生在前20天。这与何晶晶等［5］对叶菜类蔬菜垃圾湿式厌氧消化的研究结果相似，也发现物料TS 浓度对于厌氧消化反应持续时间有影响，当物料TS 浓度较高时，厌氧消化反应的迟滞期延长。

由图2可以看出：各不同TS浓度的试验组累计产气量有明显的差异。其中，累计产气量最高的是TS浓度为3%的试验组，厌氧消化反应结束时，累计产气量达7 905mL；其次是TS浓度为6%的试验组，累计产气量为7 612mL；累计产气量最低的是TS浓度为1%的试验组，累计产气量仅为6 129mL，而TS浓度为10%的试验组累计产气量为6 371mL。

结合图1和图2分析可知，不同TS 浓度的混合物料厌氧消化的日产气量和累计产气量均存在差异。其中，TS浓度为3%的混合物料厌氧消化的日产气量和累计产气量均最高；而TS 浓度为1%和10%的两组混合物料厌氧消化的日产气量和累计产气量均相对较低。

不同TS 浓度的混合物料进行厌氧消化过程中，产气量和产气周期等特性不同，主要是因为TS浓度会对厌氧消化的传质过程和系统有机负荷产生影响。混合物料TS 浓度较低时，含水率较高，气-固-液传质效果好，产气周期短，但部分固体颗粒会沉积于反应器底部，使得厌氧消化反应进行得不完全，而且系统有机负荷较低，影响产气量；混合物料TS浓度较高时，有机负荷较高，产气量较高，但混合物料TS浓度过高时，含水率很低，消化液黏度高，气-固-液传质过程受阻碍，同时系统内有机负荷过量增加、VFAs积累、pH 值降低，影响高效微生物菌群特别是产甲烷菌的作用，产气周期较长［6］。

因此，混合物料TS浓度过高或过低都不利于厌氧消化的顺利进行。基于TS浓度对于混合物料厌氧消化产气的影响特性，在污水厂剩余污泥和生活垃圾混合厌氧消化处理工程应用中，应将混合物料TS浓度调整至合适范围，以保证较高的厌氧消化产气量、较短的产气周期。

2.2 不同TS浓度下厌氧消化产气中甲烷体积百分含量的变化

本试验对不同TS浓度的混合物料厌氧消化过程中，产生沼气中的甲烷体积百分含量的变化情况进行了研究，其试验结果见图3。

由图3可以看出：对于不同TS 浓度的混合物料，产生沼气中的甲烷体积百分含量均随着厌氧消化时间的延长呈先升高后缓慢下降的趋势。在厌氧消化反应的第1天，TS浓度为1%、3%、6%和10%的混合物料产气中的甲烷体积百分含量均较低，仅分别为33%、35.2%、34.85%和32.5%；之后，随着产气微生物菌群特别是产甲烷菌的不断生长繁殖，沼气中的甲烷体积百分含量逐渐升高，在反应的第15天或20天时，TS浓度为1%、3%、6%和10%的各试验组产气中的甲烷体积百分含量达最高值，分别为66.4%、69.1%、67.5%和64.4%。值得注意的是，TS浓度为1%的试验组，产气中的甲烷体积百分含量增加较快，在第10天甲烷体积百分含量就已超过60%，同时，在反应后期产气中的甲烷体积百分含量降低也较快，在第30天时甲烷体积含量降低至58.3%。究其原因，可能是混合物料TS浓度较低时，系统气-液-固传质相对较好，甲烷化进程较快，甲烷体积百分含量高峰值出现时间较早；而混合物料TS浓度较高时，气-液-固传质相对较差，而且由于系统内有机负荷高、原料易酸化等原因，甲烷体积百分含量高峰值出现时间相对延迟。

总体说来，混合物料的TS浓度对于产气中甲烷体积百分含量值以及最高体积百分含量值出现的时间有一定影响，但影响不大。当然，TS浓度对于厌氧消化消化过程的影响程度还取决于混合物料的配比和组成特性。本研究中厌氧消化物料为污水厂剩余污泥和生活垃圾的混合物，污水厂剩余污泥中存在一定量的不易于生物降解的胞外聚合物（EPS）等有机化合物，而生活垃圾中含有一定量脂肪和蛋白质等组分，两者起到协同作用［7-8］，使得厌氧系统顺利进入产甲烷阶段。与单一物料的厌氧消化相比，混合物料厌氧消化过程更稳定，不易产生酸化现象。

2.3 不同TS浓度下厌氧消化过程中COD 浓度的变化

本试验对不同TS浓度的混合物料在厌氧消化过程中，物料COD 浓度的变化情况进行了研究，其试验结果见图4。

由图4可以看出：各不同TS 浓度的混合物料在厌氧消化过程中，物料COD 浓度均呈下降趋势，但TS 浓度不同，COD 浓度降低程度不同。其中，TS浓度为3%的试验组，COD 浓度降低程度最大，从初始的39 763 mg／L 降低至反应终期的20 007 mg／L，COD 去除率达49.68%；TS浓度为1%的试验组，COD 浓度降低程度最小，从初始的COD 为38 659 mg／L 降低至反应终期 的28 286 mg／L，COD 去除率仅为26.83%；TS浓度为6%和10%的试验组，COD 去除率分别为44.20%和30.17%。同时，各不同TS浓度的混合物料在厌氧消化过程中，COD 的降解速率也不同。其中，TS浓度为3%的试验组，COD 降解速率最大，TS浓度为6%的试验组次之，而TS浓度为1%和10%的试验组COD降解速率变化曲线均较为平缓。

不同TS 浓度的混合物料厌氧消化过程中，COD降解程度和降解速率均不同，这主要源于不同TS浓度的混合物料中COD 的生物降解难易程度存在差异，TS浓度过高或过低均不利于COD 的生物降解。特别是当TS浓度较高时，厌氧消化液含水率较低、流动性差，COD 不易被生物降解［9-10］。

总体说来，TS浓度为3%的试验组，COD 去除效果最好，TS浓度过高或过低均不利于COD 的去除。这与第2.1节中不同TS浓度下厌氧消化产气量情况的试验结果一致，即TS浓度为3%的试验组累计产气量为最大，气体的产生即源于消化液中溶解性COD 的生物降解，因此COD 降解率越高的试验组，对应的产气量也越高。

2.4 不同TS浓度下厌氧消化过程pH 值的变化

本试验对不同TS浓度的混合物料在厌氧消化过程中，厌氧消化液pH 值的变化情况进行了研究，其试验结果见图5。

由图5可以看出：各不同TS 浓度的混合物料厌氧消化过程中，厌氧消化液pH 值均有不同程度的变化，各试验组pH 值总体呈先下降后升高的趋势，在厌氧消化后期逐渐稳定，且TS浓度越高，pH值变化越大。其中，TS 浓度为10%的试验组，pH值在第12天即降低至5.39的最低值；而TS浓度为1%的试验组，在厌氧消化期内pH 值一直保持在6.82以上。在厌氧消化反应的后期，各不同TS浓度的试验组pH 值均维持在7.0～7.2之间。

总体看来，各试验组在厌氧消化前期，pH 值下降较为迅速，主要是由于污水厂剩余污泥和生活垃圾的混合物料易于水解酸化，产生大量VFAs又不能立即被产甲烷菌充分利用，因而积累了大量VFAs，导致系统pH 值迅速下降［11］；同时，各试验组的TS浓度越高，pH 值降低越多，这是因为TS浓度较高的试验组，有机负荷较高，VFAs的积累量相对较高，使得系统pH 值下降较多，但随着反应的进行，至厌氧消化后期的过程中，产甲烷菌逐渐利用产生的VFAs，再加上系统自身一定的缓冲能力，缓解了混合物料易水解导致的pH 值急剧下降的情况，使pH 值逐渐上升。

一般说来，产甲烷菌对生长环境的pH 值极为敏感，其最适宜的pH 值范围为6.8～7.5，这时不会对产甲烷菌造成影响［12］。本研究中TS 浓度为1%和3%的试验组，大部分反应时间内系统pH 值均在此最佳范围内，为产甲烷菌提供了适合的pH值条件；而TS浓度为10%的试验组，系统pH 值大部分偏离最佳范围，从而对产气情况造成影响。

2.5 不同TS浓度下厌氧消化过程中VFAs浓度的变化

VFAs是衡量厌氧消化过程微生物代谢状态的一个重要指标。本试验对不同TS浓度的混合物料在厌氧消化过程中，厌氧消化液VFAs浓度的变化情况进行了研究，其试验结果见图6。

由图6可以看出：在厌氧反应期内，各不同TS浓度的试验组VFAs浓度均呈现先升高、后降低、最后趋于平缓的趋势。TS浓度较高时，VFAs浓度升高越快，达到的最高VFAs浓度值也越高，而TS浓度较低时，VFAs产生速率较为平缓，达到的最高VFAs浓度值较低。比如，在第8天时，TS 浓度为10%的试验组VFAs浓度达最高值为4 895mg／L，而TS浓度为1%的试验组VFAs浓度也达最高值却仅为1 760mg／L，这说明混合物料TS浓度不同，厌氧消化系统内VFAs的产生特性存在差异。这是因为混合物料TS浓度越高，厌氧消化反应的有机负荷越大，有越多的有机物可以被水解和转化为VFAs，并造成一定程度的VFAs积累［13-14］。除了TS浓度为10%的试验组外，其他各试验组内积累的VFAs浓度均未超过可能对甲烷菌造成抑制作用的VFAs浓度范围［15-16］。

结合第2.4节的结果，厌氧消化系统pH 值的变化特性与VFAs的产生特性相关，VFAs浓度越高，系统pH 值降低越多。相对于VFAs的产生，pH 值变化有一定的延迟效应，如TS 浓度为10%的试验组，在第8 天时VFAs浓度达最高值4 895 mg／L，而pH 值却在第12天左右降至最低值5.39。

3 结论

（1）不同TS浓度的混合物料厌氧消化过程中的最高日产气量和累计产气量均存在差异。其中，TS浓度为3%的试验组，混合物料厌氧消化系统的最高日产气量和累计产气量均达最大值，分别为537mL和7 905mL；TS浓度高于或低于3%的试验组，系统最高日产气量和累计产气量均降低。

（2）TS浓度对混合物料厌氧消化系统产生的气体中甲烷体积百分含量高峰值有一定影响。TS浓度较低时，系统甲烷化进程较快，甲烷体积百分含量高峰值出现时间较早；TS浓度较高时，系统甲烷体积百分含量高峰值出现时间相对延迟。

（3）TS 浓度越高，厌氧消化液pH 值降低越多，VFAs浓度积累也更高。混合物料TS 浓度分别为1%、3%和6%的试验组，没有出现因VFAs浓度积累而产生的酸抑制现象，而TS浓度为10%的试验组，厌氧消化液VFAs 浓度最高达4 895 mg／L，pH 值降低至5.39的最低值。

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