剩余污泥和粪便厌氧消化产气潜能研究

韩文彪， 王毅琪， 徐 霞， 赵玉柱， 陈 灏

(1.中科院生态环境研究中心鄂尔多斯固体废弃物资源化工程技术研究所， 内蒙古 鄂尔多斯 017000； 2.鄂尔多斯市城市矿产研究开发有限责任公司， 内蒙古 鄂尔多斯 017000； 3.中国科学院生态环境研究中心， 北京 100085)

剩余污泥和粪便厌氧消化产气潜能研究

韩文彪1,2， 王毅琪1,2， 徐 霞1,2， 赵玉柱1,2， 陈 灏1,3

(1.中科院生态环境研究中心鄂尔多斯固体废弃物资源化工程技术研究所， 内蒙古 鄂尔多斯 017000； 2.鄂尔多斯市城市矿产研究开发有限责任公司， 内蒙古 鄂尔多斯 017000； 3.中国科学院生态环境研究中心， 北京 100085)

文章选取污泥和粪便作为研究对象，进行中温批量厌氧消化对照试验。结果表明：污泥和粪便的原料产气潜能分别为27.3 m3·t-1和4.1 m3·t-1，粪便和污泥厌氧发酵周期较短。以粪便和污泥作为厌氧消化原料的发酵过程中，酸化现象不明显，较快进入产甲烷阶段，发酵后期pH值和氨氮值升高。粪便COD，TS，VS产气率分别为0.16 m3·kg-1COD，0.14 m3·kg-1TS和0.24 m3·kg-1VS，污泥COD，TS，VS产气率分别为0.36 m3·kg-1COD，0.55 m3·kg-1TS和0.62 m3·kg-1VS。

污泥； 粪便； 厌氧消化； 产气潜能

城市污水处理厂的污泥和粪便是城市有机废弃物的重要来源，随着城市人口的增多及高度集中，污泥和粪便的产量不断增加[1-3]。污水厂的剩余污泥不仅含有大量有机质和N，P，K等营养元素，而且还含有许多厌氧消化细菌，因此具有很好的发酵特性，最主要的是剩余污泥C/N相对较低[4-5]。污泥和粪便的后处理已经成为严重的环境包袱，如若处理不当，会对城市环境卫生造成很大危害，影响居民的生活和健康[6-7]。厌氧消化技术能够实现有机废弃物污染防治和综合利用的双重目标，达到减量化、无害化、资源化的环保目标[8]。笔者试验通过中温批量厌氧消化实验，初步研究污泥和粪便产沼气性能，为二者处理提供了一条可行的途径，并为其厌氧发酵工程化、产业化提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验原料与接种污泥

试验用粪便取自某垃圾处理厂粪便卸料处，主要为公厕和化粪池渣液(TS=0.61%)，使用时为了提高固形物含量，物料经蒸发浓缩备用；污泥取自某污水处理厂脱水污泥(TS=14.12%)，经胶体磨加水制浆后备用；接种污泥为本实验室厌氧消化后的沼液。发酵底物和接种污泥物料特性见表1。

表1 发酵物料和接种污泥物料特性

1.2 试验方法

1.2.1 试验装置

所用实验装置为自制排水厌氧发酵装置，主要由厌氧发酵瓶、排水集气瓶、积水计量瓶组成(体积均为1 L)。发酵瓶与集气瓶瓶口均用带有玻璃导管的、适宜大小的橡胶塞密封，瓶与瓶之间用橡胶管连接。将连接好的发酵装置放置于恒温水浴箱，温度控制在35℃±1℃。每天晃动搅拌两次(8:00,18:00)，定时测定产气量，每3 d取样测定发酵液指标，根据情况测定气体成分。

1.恒温水浴箱； 2.取样口； 3.发酵瓶； 4.储气瓶； 5.橡胶塞； 6.导管； 7.储水瓶图1 厌氧消化实验装置

1.2.2 分析项目及测定方法

实验的主要分析项目如下[9]：TS(固含率)，使用烘箱以105℃～110℃的温度， 烘干24 h至恒重后测定；VS(挥发性固体)，将烘干后的物料用马弗炉以550℃灼烧1 h，前后质量差值即为VS；氨氮，采用凯氏定氮法进行测定；pH值，采用pH计进行测定(5-3C型pH测定仪)；COD，采用重铬酸钾法进行测定；气体成分，气相色谱法(GC112A气象色谱仪)；气体体积，排水法。

1.2.3 试验设计

试验以脱水污泥和粪便为原料，采用湿式中温厌氧发酵工艺，研究各自产特性变化和沼气潜能，发酵周期为40 d，温度为35℃±1℃。试验设置污泥组、粪便组，同时设置一个空白参比组(只有菌种)，每个实验组设两组平行，每天搅拌两次(8:00和18:00)，每次3 min。每天量取产气体积，不产气时发酵结束。

2 结果与讨论

2.1 对pH值的影响

厌氧发酵pH值变化是生物菌群厌氧消化、气液两相间CO2平衡、液相内酸碱平衡以及固液两相溶解平衡共同作用的结果[10]。由图2可知，在整个厌氧消化过程中，各组pH值都呈先下降后缓慢上升的趋势，粪便和污泥最高值出现在第33天，分别为7.93和7.85。粪便组从第9天起，pH值都大于7.5，超出了厌氧消化器正常运行时的适宜值[11]。造成pH值变化的主要原因是，实验开始后由于产酸菌的作用使可溶性有机物被转化为多种酸性物质，主要为VFA，且此时产酸的速度大于它被产甲烷菌利用而产气的速度，发酵罐的酸性物质逐渐增多，造成算积累，pH值呈下降趋势；待产甲烷菌逐渐适应，消化逐渐稳定后,产酸作用与产甲烷作用达到动态平衡，pH逐渐上升[12]。

图2 厌氧消化过程中pH值的变化

图3 厌氧消化过程中日产气量的变化

2.2 对产气量的影响

日产气量见图3，累积产气量结果见图4。由图3可知，3组日产气量走势相似，发酵初期产气量随发酵时间逐渐升高，之后产气量相对稳定，随后产气量随发酵时间逐渐减少直至不产气。污泥各检测点日产气量都大于粪便。三组的产气高峰都出现在第8天，对照为343.8 mL，粪便为562.5 mL，污泥为645.8 mL。由图4可知，试验结束后，对照、粪便和污泥累计产气量分别为2970.2 mL，5834.0 mL，8821.3 mL。减去对照，粪便和污泥的净累计产气量分别为2870.8 mL，5972.9 mL。

图4 厌氧消化过程中累积产气量的变化

2.3 对甲烷含量的影响

沼气中甲烷含量的多少直接关系到沼气的品质。通常甲烷的含量在50%～70%，二氧化碳在30%[13]。由图5可知，以粪便、污泥作为底物，厌氧发酵系统较快进入稳定状态，发酵从第9天起开始，沼气甲烷含量达70%以上，且随着发酵时间，甲烷含量逐渐升高，并持续到发酵结束，表明厌氧系统处于稳定状态。各实验组甲烷含量峰值分别为菌种81.48%，粪便79.5%，污泥79.32%。

图5 厌氧消化过程中甲烷含量的变化

2.4 对氨氮的影响

在厌氧消化的过程中，氮的平衡是非常重要的因素，由于细胞的增殖很少，故只有很少的氮转化为细胞，大部分可生物降解的氮都转化为消化液中的氨氮，因此消化液中氨氮的浓度都高于进料中氨氮的浓度[14-15]。毕东苏[16]等通过试验证明，在污泥发酵系统中总氮的损失是以氨态氮的挥发为主。

厌氧消化过程中氨氮的变化如图6所示，由于粪便是富氮原料，原料中氨态氮浓度较大，COD含量较低，在厌氧消化过程中发酵液氨态氮浓度大于污泥组发酵液氨态氮浓度，但污泥组发酵液氨态氮浓度随着发酵时间逐渐升高，发酵结束时氨氮浓度达到1786.32 mg·L-1。厌氧发酵实验发现，在中温时，随着氨氮浓度的提高，消化状况逐渐恶化。氨氮浓度升高抑制了产甲烷菌的活动，这就阻碍了乙酸、进而丙酸的充分降解，从而造成有机酸积累的后果。对于氨氮在厌氧消化过程中产生抑制性的原因，不同的研究者有不同的结论。但大多数研究者认为离子化的NH3是氨氮产生抑制性的主要原因[17]。

图6 厌氧消化过程中氨氮的变化

2.5 对COD的影响

不同物料对厌氧消化COD的影响如图7所示，由图可知,在发酵过程中，各处理的COD曲线随着发酵时间的变化而上下波动，总体来看，各实验组的COD均呈现下降，但下降趋势不是很大。主要是随着发酵的进行，有机质不断分解，并且以甲烷的形态释放出来，因此造成COD下降[18]。

图7 厌氧消化过程中COD的变化

2.6 对TS和VS的影响

不同物料下的TS与VS去除率如图8所示。厌氧发酵结束后，各处理的TS和VS去除率均有很大的变化，其中污泥的TS和VS去除率最大，分别为47.19%，55.93%；粪便的TS和VS去除率次之，分别为35.06%，47.18%；菌种的TS和VS去除率分别为9.89%和6.19%。因此，总体来看，粪便和污泥进行厌氧发酵可以有效进行减量化，是其无害化处理的有效途径。

图8 厌氧消化TS和VS的降解率

3 结论

结果表明，以粪便、污泥为原料进行中温厌氧消化，其厌氧系统酸化现象不明显，可以较快进入稳定状态，直至产气结束，沼气甲烷含量相对较高，粪便组甲烷含量最高79.5%，污泥组甲烷含量达79.32%。 粪便COD，TS，VS产气率分别为0.16 m3·kg-1COD，0.14 m3·kg-1TS和0.24 m3·kg-1VS，污泥COD，TS，VS产气率分别为0.36 m3·kg-1COD，0.29 m3·kg-1TS和0.62 m3·kg-1VS。经计算，污泥和粪便的原料产气潜能分别为27.3 m3·t-1，4.1 m3·t-1。由于笔者试验所用粪便主要为化粪池渣液，部分有机物已被降解，因此，试验粪便产气率比新鲜粪便产气率[19]相对较低。

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Biogas Production of Excess Sludge and Excrement /

HAN Wen-biao1,2, WANG Yi-qi1,2, XU Xia1,2, ZHAO Yu-zhu1,2, CHEN Hao1,3/

(1.Ordos Institute of Solid Waste Technology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Ordos 017000, China； 2.Ordos Urban Mining Research and Development Co Ltd, Ordos 017000,China； 3.Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China)

Under the temperature of 35 ℃, excess sludge and excrement were taking as raw materials for anaerobic digestion. The results showed that the biogas production potential of the sludge and excrement were 27.3 m3·t-1and 4.1 m3·t-1respectively, and the digestion period of both raw material were short. The acidification of the sludge and excrement were not obvious, and anaerobic digestion device operated normally, the pH and ammonia nitrogen increased during the later the fermentation period. The gas yield of excrement were 0.16 m3·kg-1COD， 0.14 m3·kg-1TS and 0.24 m3·kg-1VS respectively, and that for sludge were 0.36 m3·kg-1COD，0.55 m3·kg-1TS and 0.62 m3·kg-1VS respectively.

sludge; excrement; anaerobic digestion; gas production potential

2015-12-16

2015-12-24

项目来源： “十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAC25B03)

韩文彪(1986-)，男，汉族，内蒙古乌兰察布市人，工程师，研究方向为城市有机废弃物处置与利用， E-mail：13664875366@163.com

S216.4; X705; X713

A

1000-1166(2017)01-0049-04