生物填料厌氧消化工艺与完全混合厌氧消化工艺处理剩余污泥的比较研究

马文林 ， 冯雷雨 ， 王飞翔， 李荣旗， 王 刚

(1.北京建筑大学 应对气候变化研究和人才培养基地， 北京 100044；2.北京科润维德生物技术有限责任公司， 北京 100095)



生物填料厌氧消化工艺与完全混合厌氧消化工艺处理剩余污泥的比较研究

马文林1， 冯雷雨1， 王飞翔1， 李荣旗2， 王 刚2

(1.北京建筑大学 应对气候变化研究和人才培养基地， 北京 100044；2.北京科润维德生物技术有限责任公司， 北京 100095)

在中温条件下，研究生物填料厌氧消化处理工艺(包括未加搅拌和添加搅拌两种工艺)相对于传统厌氧消化工艺对处理污水处理厂剩余污泥的改善作用。结果表明：生物填料厌氧消化罐在6%，8%和10%进料浓度下，日均产气量提高29.87%～214.10%，沼气中甲烷含量提高4.67%～25.53%；系统正常运行下，生物填料厌氧消化工艺的出料沼液平均COD浓度低于传统工艺消化罐47.33%～65.88%；3种工艺处理条件下，沼液的pH值在6.99～7.70之间；碱度在1383～2989 mg·L-1之间，均在正常范围之内，但传统工艺消化罐的碱度变化幅度大于生物填料厌氧消化罐。由此得出结论，采用生物填料厌氧消化处理工艺，能增加污泥厌氧消化系统的稳定性及消化效率，有利于污泥的稳定化和能源化。

生物填料；剩余污泥；厌氧消化

随着我国对污水处理工作的日益重视，城镇污水处理率逐年提高。“十二五”规划中提出，2015年全国所有设市城市和县城具有污水集中处理能力，城市污水处理率提高至85%[1]，这在很大程度上有利于水污染的控制。但大批污水处理厂的投运会产生大量的剩余污泥，根据预测[2]，2015年全国城镇污水处理厂污泥产量(按含水率80%计)将达到3560万t。如此多的污泥产生且其含水率高、含有一定量的有毒有害物质，极易造成环境二次污染，如何对其进行安全高效地处理处置已经成为了国内外研究的热点。污泥处理处置的目标是实现其减量化、稳定化和资源化。由于我国面临资源短缺、能源危机、土壤矿化的国情以及全球气候变化的影响，将污泥“变废为宝”实现其能源化、资源化是未来发展的必然趋势。将污泥中的有机质转化为能源，并将污泥中营养元素转化为有机肥料加以充分的回收利用，减少温室气体排放，将会产生巨大的环境和社会效益[3]。目前在众多污泥稳定化技术中，厌氧消化法由于低能耗、低环境影响以及高效的能量回收在国际上应用最为广泛[4]。但是传统厌氧消化存在运行费用高、污泥处理时间长、产气率与产气量低等问题，导致我国在污泥厌氧消化处理方面发展缓慢。

近些年来众多学者在优化污泥厌氧反应条件、提高厌氧消化效率和稳定性等方面做了大量研究。彭燕[5]等人通过添加沸石生物基材料促进污泥厌氧消化，其结果污泥总固体和挥发性固体去除效果良好，去除率分别高达50.4%～62.8和56.8%～81.4%；金春姬[6]等人研究了添加碱渣对污泥厌氧消化的影响，结果表明，甲烷产量提高了37.9%(碱渣添加量为3.30 g·L-1)；叶彩虹[7]等人研究发现，添加NADPH，乙酰辅酶A和PABA 3种微生物活性促进剂均可促进污泥厌氧消化产气，其中NADPH效果最为显著，产甲烷量比对照组高15.90%。而高凯旋[8]认为在沼气工程中运用搅拌技术能提高沼气的产气效率，但过度搅拌会对厌氧发酸产生负作用，影响沼气发酵的正常运行，其主要负面效应包括：阻碍产甲烷区域的形成和扩张；扰乱互营性菌群空间分布关系等。因此，在厌氧消化处理装置中添加生物填料，比传统厌氧消化处理方法有两方面的益处，既能够维持微生物在消化装置中的均匀分布，同时为甲烷菌营造良好的生存环境，有利于提高剩余污泥厌氧消化处理效率。但目前这方面的研究还较少[5]。

试验在中温条件下，采用自制的厌氧消化处理装置，研究生物填料厌氧消化处理工艺相比于传统污泥厌氧消化工艺在系统稳定性及消化效率等方面的影响，为进一步优化污泥厌氧消化工艺条件提供基础数据及理论依据。

1 试验材料及试验设计

1.1 试验场地及材料

试验场地为北京某公司沼气实验室，试验材料为某污水处理厂剩余污泥，污泥贮存于冰箱内(4℃)，使用前将其预热至室温。

经测定，污水厂剩余污泥含水率为79.13%，总固体浓度(TS)为20.87%，挥发性固体浓度(VS)为7.45%；接种沼液含水率为91.54%，总固体浓度(TS)为8.46%，挥发性固体浓度(VS)为4.71%。

1.2 试验装置

试验使用的厌氧消化罐，采用有机玻璃加工制作，总容积8 L，有效消化容积4.8 L，结构如图1所示。共启动了3套试验装置，其中第1套装置采用传统的完全混合厌氧消化工艺，第2套和第3套装置根据“一种微生物附着膜型沼气发酵厌氧反应器及其应用”(专利号ZL200910238790.6)，原理是在厌氧消化装置内安装了生物填料，第2套装置中未添加搅拌器，第3套装置中添加搅拌器。此设计的目的是比较3种污泥厌氧消化处理工艺在厌氧消化处理效率及系统稳定性的优劣。

3套装置在搅拌和填料填充度等设计参数上的设置，见表1。

表1 试验装置关键设计参数对比

图1 试验装置示意图

1.3 试验设计

厌氧消化罐采用半连续进料，设计发酵温度为中温条件(35℃±2℃)，接种物来自于奶牛养殖场已多年稳定运行的牛粪厌氧发酵装置排放的沼液。

试验分启动期和运行期2个阶段。启动时一次性接入的沼液1440 mL(有效容积的30%)，水216 mL和湿污泥24 g(含水率79.13%)，然后每日按照5%(240 mL)的投配率向消化罐补充新鲜污泥，并排放等量发酵液。在启动期内，进料浓度根据厌氧消化反应情况按照2%，4%和6% TS浓度逐步提高。进料TS浓度达到6%，且系统运行稳定后，启动期结束。运行期内，主要研究比较在6%，8%和10%进料TS浓度下3种工艺下厌氧消化罐的厌氧消化反应情况。

1.4 监测指标和分析方法

试验的监测指标包括原料(污泥)和接种物(沼液)的总固体浓度(TS)和挥发性固体浓度(VS)，各消化罐的沼气产量和甲烷含量，消化液的pH值，碱度和COD。其中，污泥和沼液的固体浓度于试验开始时一次性测定；启动期仅测定消化液的pH值；运行期各消化罐的沼气产量每日测定，沼气中甲烷含量每两日测定1次；消化液各项指标每日测定。

各个指标监测方法见表2。

表2 实验监测指标及方法

2 试验结果与分析

2.1 启动期

试验从2014年11月16日开始，初始进料TS浓度为2%；于12月2日将进料TS浓度增加到4%；继续运行7 d，在12月9日将进料TS浓度再次提升到6%，并在6%浓度下运行14 d，启动期结束。启动期各系统的pH值变化情况见图2。

图2 各试验装置启动期内pH值变化情况

由图2可知，自11月16日启动试验至11月21日期间，3个消化罐的pH值都呈现稳定下降趋势，表明此时厌氧消化反应以有机物的酸化反应占主导，系统中有机酸浓度增加，导致pH值下降，系统的甲烷菌活性还没有建立起来。相比较，装置1消化罐的消化液pH值高于装置2和装置3的，表明装置2和装置3的有机物酸化反应启动速度较快。

11月21日之后，各试验装置的消化液pH值开始出现缓慢回升，表明厌氧消化过程的甲烷转化能力在逐步建立并趋于稳定，因此于12月2日提高进料TS浓度为4%。在进料TS浓度增加后，3个系统都没有出现pH值下降的情况，表明此时系统已经建立了良好的甲烷转化能力，能够适应4%的进料TS浓度。在4%的进料TS浓度下继续运行7 d，于12月9日再次将进料TS浓度升高至6%。

在进料TS浓度增加到6%以后，3个系统显现的pH值情况总体仍然呈上升趋势，但pH值波动幅度较4%浓度情况下的大，说明进料TS浓度增加到6%，固体负荷量开始对系统的稳定性产生影响。比较6%负荷期间的pH值情况，能够清楚区分出，装置1的平均pH值最高，装置2的居中，装置3的最低。仅依靠pH值的数据，不能够清楚分析出其原因所在，一种比较可能的解释是，装置2和装置3比装置1有高的有机物酸化水解能力，而有搅拌的情况又比没有搅拌的情况有更强的酸化水解能力。系统在6% TS负荷下继续运行14 d，pH值有所波动，但基本处于稳定状态，至12月23日启动期结束。

2.2 运行期

运行期为2014年12月27日至2015年1月27日，共21 d。期间，分别于2015年1月6日和11日提高进料TS浓度至8%和10%。

2.2.1 产气量

图3表示了3个消化罐运行期内的产气量情况。

图3 各试验装置运行期内产气量情况

比较图3中不同负荷阶段不同消化罐的产气量变化情况可知，进料浓度由6%经8%升至10%，装置1的产气量呈减少趋势，装置2的产气量呈增加趋势，装置3的产气量基本不变。

3个消化罐在各个进料TS浓度下的日平均产气情况如表3所示。

表3 各消化罐的日平均产气量 (mL)

比较表3中数值可以得到，在6%浓度下，装置2和装置3相比装置1分别增加31.60%和29.87%；在8%浓度下，装置2和装置3相比装置1分别增加101.94%和45.04%；在10%浓度下，装置2和装置3相比装置1分别增加214.10%和86.54%。这说明装置2和装置3的消化能力总体高于装置1；而在两个处理系统中，装置2又比装置3的消化能力要好。究其原因，厌氧消化罐中不安装填料时，会有较多厌氧微生物随污泥的排出一并流失，添加载体(填料)会截留更多发酵微生物，同时生物填料会增加厌氧微生物与料液的接触面积，从而提高消化罐的消化效率。但在有填料的情况下再使用搅拌装置反而不利于产气效率的提高，可能是因为搅拌强度过高，扰乱了互营性菌群空间分布关系，同时强度过高的搅拌也会造成厌氧微生物的流失。

2.2.2 甲烷含量

表4表示了运行期内不同负荷阶段各试验装置沼气中甲烷的平均含量情况。

表4 各消化罐沼气中甲烷平均含量 (%)

从表4数据看，在6%，8%和10% 进料TS浓度下，装置2和装置3沼气中甲烷含量都高于装置1的，而装置2又高于装置3，这与前面产气量的规律相同。相对于装置1，装置2和装置3的沼气中甲烷含量分别提高16.82%～25.53%，4.67%～14.81%，说明添加生物填料为产甲烷菌创造了更好的生存条件，有利于提高污泥厌氧消化系统的甲烷产生能力。

2.2.3 化学需氧量(COD)

污泥稳定化的目标是将易腐败的有机物进行分解转化，在厌氧消化过程中，沼气发酵细菌自身生长及代谢活动会消耗一部分物质和能量，同时还会利用发酵液中营养成分生产沼气，因此，污泥厌氧消化过程也是COD被利用和去除的一个过程[9]。图4表示了运行期内各试验装置沼的COD浓度变化情况。表5列出了各负荷阶段各消化罐出料沼液的平均COD浓度。

图4 各试验装置运行期内沼液的COD变化情况

进料固体浓度/%装置1装置2装置36636217291862329828410524232276

由图4和表5中的曲线和数据可知，装置2和装置3沼液中的COD浓度显著低于装置1。相比装置1沼液的COD， 6%进料TS浓度下，装置2降低65.88%，装置3降低54.25%；8%进料TS浓度下，装置2降低52.17%，装置3降低54.41；10%进料TS浓度下，装置2降低55.73%，装置3降低47.33%。由此表明，厌氧消化罐中加入生物填料可以有效提高消化器的有机物降解能力。装置2和装置3相比，总体上装置2中沼液COD浓度要低，说明装置2有最好的有机物降解能力，这与前面各装置的甲烷生产能力数据相一致，装置2的甲烷生产能力最高，其沼液中的COD浓度最低，表明有更多的有机物被利用生产甲烷。

2.2.4 pH值

由图5曲线和数据可知，3个装置在运行期内，pH值范围在6.99～7.70之间，基本都在适宜范围之内，但装置2的pH值明显高于装置1和装置3，分析其原因是由于装置2消耗挥发性脂肪酸较快，碱度比其他两组高。

图5 各试验装运行期内pH值变化情况

彭燕，何国伟[5]等研究了添加沸石生物基对厌氧消化的影响，在其设置的实验中，反应器上清液pH值大多稳定在6～7，添加生物填料对污泥厌氧消化pH值影响不大。而在试验中，装置3的pH值略高于装置1，装置2的pH值明显高于其他两组。分析原因，试验使用的生物填料非常容易使微生物附着其上，可显著增加产甲烷菌与物料的接触面积，提高其利用转化挥发性有机酸等消化中间产物的效率。

2.2.5 碱度

碱度是厌氧消化系统运行好坏的重要标志，它显示了对系统消化过程中产生的挥发性脂肪酸的中和能力，能使系统pH值保持在适宜的范围之内，是系统缓冲能力的重要体现。研究表明[11-12]，厌氧反应器的合适碱度为2000～4000 mg·L-1，正常范围为1000～5000 mg·L-1(以碳酸钙计)，正常运行的厌氧反应器碱度应小于5000 mg·L-1。

由图6曲线和数据可知，3个装置在稳定运行阶段，碱度范围在1383～2989 mg·L-1之间，在正常范围之内；装置2碱度高于装置1和装置3，这是导致装置2的 pH值偏高的原因之一；装置2的碱度稳定性也明显好于装置1和装置3，表明装置2有最好的系统稳定性；装置1的碱度变化幅度大于装置2和装置3，说明装置1的系统稳定性低于装置2和装置3。

图6 各试验装置运行期内的碱度变化情况

3 结论

试验对传统污泥厌氧消化处理装置，从生物填料和搅拌两方面进行改造，通过比较研究得出以下结论：

(1)对传统污泥厌氧消化装置进行添加生物填料和停止搅拌的工艺改造，可取得良好的污泥稳定化和资源化效果；

(2)此次研究中，装置2有最好的处理效果，与装置1相比， 出料沼液COD浓度降低52.17%～65.88%，日均产气量提高31.60%～214.10%，沼气中甲烷含量增加16.82%～25.53%。同时，消化液pH值和碱度的波动幅度最小，表明使用生物填料有利于提高厌氧消化系统抵抗有机物冲击负荷的能力，有利于提高消化系统稳定性。

(3)在添加了生物填料的厌氧消化装置中进行搅拌，并不能提高厌氧消化效率，原因可能是搅拌强度过高，破坏了微生物菌群的安静生长环境，不利于有食物链关系的不同微生物形成稳定的群落结构。

4 建议

在污泥厌氧消化装置中添加生物填料，对厌氧消化效率和系统稳定性都具有促进作用。本试验以事实证明了这种影响的客观存在，但在定量研究和机理探索方面未进行深入研究，此外，未对填料填充密度进行量化研究，需在以后的研究中进一步加强。

[1] 国家发展和改革委员会,住房城乡建设部,环境保护部.《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》[Z/OL]. http://www.gov.cn/gongbao/content/2012/content_2137640.htm，2012-04-19.

[2] 张 勇.我国污泥处理处置现状及发展前景[J].中国资源综合利用,2014,32(10):23-26.

[3] 戴晓虎.我国城镇污泥处理处置现状及思考[J].给水排水,2012,38(2):1-5.

[4] 曹秀芹,陈爱宁,甘一萍，等.污泥厌氧消化技术的研究与进展[J].环境工程,2008,26:215-223.

[5] 彭 燕,何国伟,黄晓武,等.沸石生物基材料促进污泥消化工艺研究[J].环境工程,2013,31(2):104-108.

[6] 金春姬,赵振焕,彭 刚,等.添加碱渣对污泥厌氧消化的影响研究[J].中国给水排水,2008,24(11):30-33.

[7] 叶彩虹,袁文祥,袁海平,等.添加剂对污泥厌氧消化性能的影响[J].环境化学,2012,31(4):516-521.

[8] 高凯旋.关于搅拌在沼气发酵过程中的作用[J].中国沼气,2015,33(3):69-71.

[9] 马文林,肖 冰,张君枝,等.奶牛场挤奶间废水对牛粪厌氧消化过程影响[J].中国沼气,2014,32(3):32-35.

[10] Yadvika, Santosh. Enhancement of biogas production from solid substrates using different techniques-a review[J]. Bioresource Technology,2004,95(1):1-10.

[11] 史 骏.城市污水处理厂污泥处理工艺试验及优化研究[D].北京：北京工业大学,2002.

[12] 任南琪,王爱杰.厌氧生物技术原理与应用[M].北京：化学工业出版社,2004:30.

Comparison of Anaerobic Filter Process with Traditional Complete Mixed Anaerobic Process Treating Excess Sludge

MA Wen-lin1， FENG Lei-yu1， WANG Fei-xiang1， LI Rong-qi2， WANG Gang2

(1. Beijing Research and Education Center for Climate Change Response, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044,China; 2. Beijing Created Biotechnology COLTD, Beijing 100095, China)

Under the condition of medium temperature, biological filler anaerobic process (including stirring and non-stirring) were compared with traditional anaerobic process(completely mixed anaerobic process).The results showed that, under influent COD concentration of 6%,8% and 10%, the biological filler obtained higher average daily biogas production, 29.87%～214.10% higher than that of traditional process, and the methane content in biogas increased by 4.67%～25.53%. The average COD concentration of effluent from the filter process was 47.33%～65.88% lower compared with that from traditional process. The pH of biogas slurry was between 6.99 and 7.70 under all the three process. And alkalinity was 1383～2989 mg·L-1, which were within the normal range. However, the change of alkalinity in the traditional process was bigger than that in the biological filler.

biological filler; excess sludge; anaerobic digestion

2015-09-28

2015-12-23

项目来源： 北京应对气候变化研究和人才培养基地专项及开放课题基金(PXM2014-014210-000037)；北京市教委科技计划(KM201310016008)；环境科学与工程专业建设专项(PXM2014-014210-0001)；本科生科研训练(48041615002)

马文林(1968-)，女，汉族，博士，主要研究方向为应对气候变化、水环境生态修复技术和固体废物资源化处理与利用，E-mail: mawenlin@bucea.edu.cn

S216.4; X703

A

1000-1166(2016)01-0037-06