餐厨垃圾与市政污泥混合比对共厌氧消化性能的影响

刘长青, 薛 珊, 金秋燕, 肖丽君, 李晓东， Taha F Marhaba

(青岛理工大学 环境与市政工程学院, 山东 青岛 266033)

随着城市人口规模的迅速扩增，城市固体垃圾产量逐年增加，餐厨垃圾和市政污泥是其主要组成部分。固体垃圾含有大量病原菌及有毒有害物质，对环境污染严重，需进行无害化处理，目前对固体垃圾的处理方式主要有填埋、焚烧、堆肥和厌氧消化等。利用厌氧消化技术可使餐厨垃圾和市政污泥进行发酵，产生沼气，提高能源回收利用率[1]。但由于市政污泥中易降解有机物含量低、可生物降解物质难溶出，单独厌氧发酵水解酸化速率慢，且其碳氮比较低，容易产生氨抑制作用，较大程度限制了产甲烷效率；餐厨垃圾单独厌氧消化，易在产酸阶段积累大量VFAs降低系统pH值，抑制产甲烷菌活性，甚至终止产甲烷过程[2-5]。而餐厨垃圾具有生物质能高且易被微生物降解等优点，因此将餐厨垃圾与市政污泥混合共厌氧消化成为国内外研究的热点。据有关文献报道[6-8]，市政污泥与餐厨垃圾混合共厌氧消化可改善消化进料含固率，平衡营养物质成分，能有效解决单独厌氧消化时市政污泥有机质不足和餐厨垃圾有机酸积累等问题。有关研究表明[9-10]，餐厨垃圾与市政污泥的混合比例对厌氧消化的产气性能影响显著。鉴此，本试验以餐厨垃圾和市政污泥为消化原料进行混合发酵，研究了不同VS混合比下厌氧消化的产气效果，进而确定最佳混合比例，提高厌氧消化的产气性能。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用市政污泥取自青岛市某污水处理厂，该污水处理厂主要处理高浓度有机生活污水，因此生物泥的有机质含量较高。试验中生污泥、接种污泥分别取自该污水处理厂厌氧消化池进泥、消化罐，餐厨垃圾取自学校餐厅。污泥及餐厨垃圾的固体含量如表1所示：

表1 接种污泥、生污泥和餐厨垃圾性质 (%)

注：TS为总固体，VS为挥发性固体。

1.2 试验装置

试验所用厌氧消化装置为瑞典Bioprocess Control公司生产的AMPTS-Π(图1)。试验中，接种污泥与试验污泥(餐厨垃圾与生污泥的混合样)按VS比例为2∶1投加，同时控制餐厨垃圾与生污泥的VS比例为0∶1，2∶1，1∶1，1∶2和1∶3。将试验污泥与接种污泥混合后装入厌氧消化反应罐(接种污泥和试验污泥总体积为400 mL)，在反应开始前向反应罐中通氮气5 min保证厌氧状态，然后在恒温(35℃±0.5℃)条件运行15 d。

图1 产甲烷潜力测试仪

1.3 分析测试方法

TS和VS采用重量法[11];将待测样品在5000 r·min-1的转速下离心30 min,取上清液，用重铬酸钾法[11]测定溶解性COD，蒽酮比色法[12]测定溶解性碳水化合物，Folin-酚试剂法[13]测定蛋白质；采用HACH便携式pH计测定pH值。

2 结果与分析

2.1 不同餐厨垃圾和市政污泥混合比对产气性能的影响

物料单位VS产气量是评价厌氧消化效率高低的重要指标[14]。为此，对不同混合比条件下各类底物单位VS产气量进行比较，结果如图2和图3所示。

图2 不同混合比例下沼气日产气量

图3 不同混合比例下累计沼气产量

由图2知，不同餐厨垃圾和市政污泥混合比下的日产气量均呈现先上升后下降的趋势。混合物料中易降解的有机物容易在短时间内被微生物利用，产生沼气，因此混合比为2∶1，1∶1，1∶2，1∶3和0∶1组在前2天内出现最大产气量，分别为62.74 mL·g-1VS·d-1，57.06 mL·g-1VS·d-1，65.36 mL·g-1VS·d-1，63.64 mL·g-1VS·d-1和51.62 mL·g-1VS·d-1。由于加入餐厨垃圾后物料中单位VS所含有机物的组分发生改变，从而导致不同混合比下单位VS日产气量不同。混合比为2∶1,1∶1和1∶2组在第8天出现第2次高峰，而混合比为1∶3和0∶1组并未出现，可能是因为前3组中餐厨垃圾所占比例较高，其中的蛋白质、脂肪等较难降解物质在后期水解产气引起的[10]。

不同混合比下厌氧消化15 d沼气的累计产量如图3所示。由图3可以看出，投加不同量餐厨垃圾的各组反应系统累计产气量均高于污泥单独厌氧消化组。污泥单独厌氧消化的累计产气量为290.99 mL·g-1VS，而混合比为2∶1，1∶1，1∶2和1∶3组的累计沼气产量达到451.29 mL·g-1VS，422.71 mL·g-1VS，396.53 mL·g-1VS和384.21 mL·g-1VS，比污泥单独厌氧消化分别提高了55.09%，45.27%，36.27%和32.04%。造成不同混合比产气差异的主要原因在于物料的组成成分，市政污泥中含有一定量的胞外聚合物(EPS)，不易发生水解，限制了产沼过程[15]，而餐厨垃圾中的有机物易水解酸化，改善了系统环境，同时促进了剩余污泥中EPS的降解，促进了产甲烷过程。刘建伟[16]等在研究城市生活垃圾与污水厂剩余污泥联合厌氧消化产气性能的研究中指出，生活垃圾与剩余污泥VS比为2∶1时，厌氧消化产气量最高，与本实验研究结果一致。由此可知，餐厨垃圾的投加可以提高污泥厌氧消化的产气效果。在本实验中，餐厨垃圾所占比例越大，日产气量和累计产气量越高。此外，混合比为2∶1，1∶1，1∶2，1∶3和0∶1的各组反应系统从开始产气到最高累计产气量所用时间分别为11 d，9 d，8 d，7 d和6 d，说明厌氧消化产气持续的时间随着混合物料中餐厨垃圾所占比例的提高而延长。

2.2 不同餐厨垃圾和市政污泥混合比下溶解性有机物的浓度变化及其转化率

有机物在厌氧消化过程中首先要被水解成可溶性的小分子物质才可以进一步被利用，因此消化过程中底物被利用的情况可以被系统中溶解性有机物的变化很好的反映出来[17]。由图4～图6可以看出，溶解性有机物的浓度随时间先上升后下降，在反应时间到达7～9 d时出现小高峰，之后趋于平缓。在前两天内SCOD、溶解性碳水化合物、溶解性蛋白质大幅增加，是餐厨垃圾及市政污泥中大量非溶解性有机物水解酸化造成的，这一点可以从图7pH值在前两天迅速下降的趋势中体现出来。在反应时间2～7 d内，由于微生物的转化速率加快而导致溶解性有机物迅速下降。在反应时间7～9 d时由于混合物料中难溶有机物的水解，出现第2次高峰。由图4～图6可以看出2∶1组在反应初期溶解性有机物含量最高，这说明餐厨垃圾在混合物料中所占的比例越大，溶解性有机物含量就越高。

图4 不同混合比例下SCOD浓度变化

图5 不同混合比例下溶解性碳水化合物浓度变化

图6 不同混合比例下溶解性蛋白质浓度变化

图7 不同混合比例下pH值变化

图8反应了不同混合比下溶解性有机物的转化率。污泥单独厌氧消化时，SCOD，溶解性碳水化合物，溶解性蛋白质的转化率分别为64.09%，52.21%，52.08%。而投加了餐厨垃圾的混合样2∶1，1∶1，1∶2和1∶3组相比于单独厌氧消化的市政污泥在SCOD的转化率上分别提高15.91%，15.14%，14.12%，11.97%；溶解性碳水化合物转化率分别提高42.17%，41.74%，40.82%，40.46%；溶解性蛋白质的转化率分别提高11.05%，9.17%，8.79%，7.92%。其中，混合比为2∶1组溶解性有机物的转化率最高。

图8 不同混合比例下有机物转化率

2.3 不同餐厨垃圾和市政污泥混合比下VS去除率

在厌氧消化过程中，物料中一部分可降解的有机物质被微生物转化为沼气，另一部分用于微生物自身的生长和繁殖。经过厌氧消化，混合物料的VS含量下降，并逐渐达到稳定化状态。在餐厨垃圾与市政污泥的厌氧消化过程中，底物的降解率是考察厌氧消化的一项重要指标，可用污泥VS去除率来表示。图9反应了不同混合比下VS的去除率。由图9知市政污泥单独厌氧消化时VS的去除率为40.53%，随着餐厨垃圾在混合物料中所占比例的提高，VS去除率也逐渐增加，混合比为1∶3，1∶2，1∶1和2∶1的VS去除率分别达到50.17%，52.90%，56.57%和66.51%，比污泥单独厌氧消化分别提高了4.17%，6.9%，10.57%和20.51%。这表明，添加适当比例的餐厨垃圾可提高厌氧消化程度，能够促进厌氧消化的顺利进行，且餐厨垃圾所占的比例越高，VS去除率越高。

图9 不同混合比例下VS去除率

3 结论

(1)餐厨垃圾与市政污泥混合共厌氧消化可以改善产气性能，提高产气量。本试验条件下，混合比为2∶1，1∶1，1∶2和1∶3的消化系统累计产气量分别为451.29 mL·g-1VS，422.71 mL·g-1VS ，396.53 mL·g-1VS和384.21 mL·g-1VS，比污泥单独厌氧消化分别提高了55.09%，45.27%，36.27%和32.04%，其中混合比例为2∶1时产气效果最佳。

(2)污泥厌氧消化时投加餐厨垃圾还可以提高有机物的转化率，混合比为 1∶3，1∶2，1∶1和2∶1时消化系统VS的去除率分别达到50.17%，52.90%，56.57%和66.51%，比污泥单独厌氧消化分别提高了4.17%，6.9%，10.57%和20.51%；混合比为2∶1组的反应系统有机物转化率最高，其SCOD，溶解性蛋白质及溶解性碳水化合物转化率分别达到80.00%，94.38%和63.32%，比单独厌氧消化的市政污泥分别提高了15.91%，42.17%及11.24%。

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