绿化废弃物与污水污泥混合比对污水污泥厌氧消化性能的影响

刘长青， 肖丽君， 金秋燕， 薛珊， 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)

随着生态城市的建设和发展，城市绿地面积大幅度增加，绿化废弃物的产量也随之增加。目前绿化废弃物的处理方式主要有堆肥、焚烧和填埋，现有处理方式不仅资源利用率低，而且焚烧处理还会污染大气环境，填埋处理也会增加垃圾填埋场的处理负担[1]，因此寻找经济环保的绿化废弃物处理方式已迫在眉睫。与此同时，在厌氧消化技术处理污水污泥时，由于其易降解有机物含量低、可生物降解物质难溶出等原因，使得污水污泥单独厌氧消化普遍存在消化产气量与有机物转化效率低等问题[2-6]。研究表明单独使用污泥、餐厨垃圾或者秸秆类有机废物进行厌氧消化的效果并不理想[7]。而将两种或两种以上有机废弃物共厌氧消化，可以达到稀释有毒物、平衡营养物[8-9]、保持系统的稳定性的效果[10]，可以有效提高有机质转化效率，提高厌氧消化的产甲烷量与产甲烷率[5,11]。此外，国内外有研究表明[1,12-14]，绿化废弃物与污泥不同TS比例共厌氧消化可以改善混合体系的C/N，提高产甲烷量，且共厌氧消化体系产甲烷量随着HRT的降低而显著提高。然而，干湿两种状态的绿化废弃物及其分别与污水污泥的混合比如何影响混合体系的厌氧消化性能目前尚未有研究涉及，影响了其进一步工程应用。为此，本研究通过考察干湿绿化废弃物与污水污泥不同VS混合比对共厌氧消化产甲烷的影响，为相关工程应用提供一定的基础数据支撑。

1 试验部分

1.1 试验装置

本试验反应器采用的厌氧消化装置为瑞典Bioprocess Control公司生产AMPTSⅡ。该系统主要包括：水浴加热单元、厌氧消化瓶(内置搅拌装置)、碱液吸收瓶(吸收CO2等)、湿式气体计量单元(计量甲烷气体体积)、数据采集系统，其原理简图如图1所示。

图1 AMPTSⅡ系统原理图

1.2 试验材料

试验所用接种污泥、污水污泥分别取自青岛某污水处理厂的厌氧消化池和污泥混合池；绿化废弃物取自绿化草坪。绿化废弃物一部分自然风干，用组织捣碎器粉碎成粉末，作为干绿化废弃物；另一部分直接用组织捣碎器捣碎，作为湿绿化废弃物。污水污泥和绿化废弃物相关参数如表1 所示。

表1 污水污泥和绿化废弃物主要性质参数 (%)

注：TS为总固体含量，VS为挥发性固体含量。

1.3 试验方法

1.3.1 接种污泥的驯化

接种污泥在35℃条件下进行驯化，当污泥产甲烷量低于10 mL·d-1时驯化结束，避免接种污泥中有机质对试验结果的影响。

1.3.2 中温厌氧消化试验

将混合物(绿化废弃物与污水污泥混合样)与接种污泥混合后装入厌氧消化罐中(接种污泥和混合物总体积控制为400 mL)，接种污泥、混合物VS混合比例为2∶1(控制混合物VS总量一致)，同时控制干、湿绿化废弃物与污水污泥VS混合比分别为0∶1，1∶2，1∶3，在35℃下进行中温厌氧消化。反应开始前向反应罐中通入氮气以保证严格厌氧环境，试验采用机械搅拌，搅拌时间和间歇时间均为60 s，待产甲烷量稳定后结束试验。

1.4 测定指标及方法

TS和VS采用重量法[15]；溶解性化学需氧量采用重铬酸钾法[16]；溶解性碳水化合物采用蒽铜比色法[17]；溶解性蛋白质采用AB法[15]测定。

2 结果分析

2.1 绿化废弃物和污水污泥不同VS混合比产气效果

图2是绿化废弃物与污水污泥不同VS混合比物料单位VS累积产甲烷量。由图可知，投加绿化废弃物组较污泥单独厌氧消化混合物料单位VS累积产甲烷量明显增加，绿化废弃物与污水污泥VS混合比越高，单位VS累积产甲烷量越大，且投加湿绿化废弃物较投加干绿化废弃物的产甲烷量高。其中Gw∶S为1∶2组的单位VS累积产甲烷量最高，达291.58 mL·g-1VS，较污泥单独厌氧消化提高了14.29%，较Gd∶S(1∶2)组提高了6.27%。Gw∶S(1∶3)，Gd∶S(1∶2)，Gd∶S(1∶3)组单位VS累积产甲烷量分别为264.15 mL·g-1VS，274.38 mL·g-1VS和260.76 mL·g-1VS，较污泥单独厌氧消化分别提高了3.5%，7.55%和2.21%。

图3是绿化废弃物与污水污泥不同VS混合比的逐日产甲烷量，由图可知，不同VS混合比的混合物料，逐日产甲烷变化趋势是一致的，产甲烷量均为先上升后下降，反应时间达到第5天产甲烷量再次上升然后逐渐下降。在反应周期前2天，由于混合体系中易降解碳源量较为充足，系统内产甲烷菌将其快速转化为沼气[18]，因而混合系统产气出现明显的高峰。在反应周期的第2～5天，系统中初始易降解碳源被完全利用，污水污泥中难降解碳源及绿化废弃物中的纤维素尚无法被产甲烷细菌直接利用，因此系统日产甲烷量开始下降。在易降解碳源被利用的同时，系统内难降解碳源及纤维素开始被厌氧水解细菌水解成小分子碳源[19]，在反应周期第 5～8天，水解生成的小分子碳源开始被产甲烷细菌利用，系统的日产气量再次出现产气高峰。由于混合体系中初始易降解碳源浓度小于难降解碳源浓度，因此由难降解碳源水解产生的第2次产气高峰峰值高于第1次产气高峰。由于绿化废弃物混合系统较单独污水污泥系统营养组分更为丰富，因此，投加绿化废弃物组较污泥单独厌氧消化产甲烷量高。在反应周期第8天后，由于水解形成的小分子物质也被消耗殆尽，因此产甲烷量下降直至反应结束。

图2 混合物料单位VS累积产甲烷量

图3 混合物料日产甲烷量

2.2 不同VS混合比绿化废弃物和污水污泥VS转化率比较

在混合物VS总量相同的条件下，VS转化率是评价系统厌氧消化效果的重要指标，厌氧消化前后VS含量和VS转化率如图4所示。由图4可知，污泥单独厌氧消化VS转化率为40.09%，随着绿化废弃物的增加，VS转化率显著提高。其中Gw∶S为1∶2组VS转化率最高为54.79%，较污泥单独厌氧消化提高了14.7%。

图4 不同组分厌氧消化前后VS含量及VS转化率

由图4可以看出，投加绿化废弃物后，混合系统VS转化率明显提高，这与图2产甲烷结果基本相符。主要是因为污水污泥中有机物主要存在于微生物细胞内，厌氧消化过程中微生物细胞破胞效率低，产甲烷菌可利用有机底物量低，导致最终产气率较低，VS转化率低[20]。投加绿化废弃物后，增加了混合系统中的可利用有机物含量，有效地提高了VS的转化率，从而促进了厌氧混合菌群的生长及代谢活性，进而提高了共厌氧消化系统的产甲烷量[21-22]。谢经良[1]等在研究城市绿化修剪草与污水厂污泥共厌氧消化处理中指出，投加绿化修剪草可以提高污泥消化系统的产甲烷量与VS转化率，与本试验研究结果一致。

2.3 绿化废弃物和污水污泥不同VS混合比溶解性有机物转化率

图5是厌氧消化前后SCOD含量和SCOD转化率，由图可知，绿化废弃物和污水污泥VS混合比越高，SCOD转化率越高，其中Gw∶S为1∶2组较Gw∶S为1∶3组SCOD转化率高3.61%，因此，绿化废弃物与污水污泥VS混合比的增加，提高了系统的溶解性有机物转化率，从而提高了产甲烷量。

图5 不同组分厌氧消化前后SCOD含量及SCOD转化率

为了进一步了解不同有机物类型在厌氧消化前后转化率情况，分别研究了溶解性碳水化合物及溶解性蛋白质厌氧消化前后的含量和转化率，如图6和图7所示。由图可知，相同VS混合比下投加湿绿化废弃物组溶解性碳水化合物和溶解性蛋白质转化率均较投加干绿化废弃物组高，其中Gw∶S(1∶2)组较Gd∶S(1∶2)组溶解性碳水化合物和溶解性蛋白质转化率分别提高0.93%，9.04%。由于与碳水化合物相比，蛋白质降解所产生的沼气中甲烷含量最高[23]。本实验中，投加湿绿化废弃物后，溶解性蛋白质的转化率明显高于溶解性碳水化合物的转化率，因此投加湿绿化废弃物较投加干绿化废弃物单位VS累积产甲烷量高。

图6 不同组分厌氧消化前后溶解性碳水化合物含量及转化率

图7 不同组分厌氧消化前后溶解性蛋白质含量及转化率

由图7知，投加绿化废弃物后溶解性蛋白质含量也显著提高，其中Gw∶S(1∶2)组含量最高达1220 mg·L-1，较污泥单独厌氧消化提高了64.86%。溶解性蛋白质含量高，其降解、释放并转化形成的铵可进一步转化为碳酸氢铵，提高了碱度，增强了系统的缓冲能力[24]。因此，图3在反应周期2～5天内投加绿化废弃物组逐日产气甲烷量下降速度较污泥单独厌氧消化组慢。

由图5～图7知，Gw∶S(1∶2)组SCOD，溶解性碳水化合物和溶解性蛋白质转化率较污泥单独厌氧消化分别提高了2.28%，10.22%，16.89%。在总的VS一定的条件下，投加绿化废弃物提高了系统中溶解性有机物质的转化率，这是产甲烷量提高的根本原因。

3 结论

(1)在相同VS条件下，绿化废弃物与污水污泥混合体系的甲烷产量与有机物转化率均明显高于单纯污水污泥体系；绿化废弃物与污水污泥不同VS混合比对共厌氧消化体系单位VS累积产甲烷量有明显的影响，Gw∶S(1∶2)组单位VS累积产甲烷量最高，达291.58 mL·g-1VS，较污泥单独厌氧消化提高了14.29%，较Gd∶S(1∶2)组提高了6.27%。

(2)相同VS混合比条件下，投加湿绿化废弃物较投加干绿化废弃物产甲烷量更高，其中湿绿化废弃物和污泥VS混合比为1∶2时产甲烷效果最佳。

(3)投加绿化废弃物后VS转化率明显提高，其中Gw∶S(1∶2)组VS转化率最高为54.79%，较污泥单独厌氧消化提高了14.7%，说明该VS比下的有机物利用程度高，厌氧消化效果显著。

(4)最优产气工况Gw∶S(1∶2)组SCOD，溶解性碳水化合物和溶解性蛋白质的转化率较污泥单独厌氧消化分别提高了2.28%，10.22%，16.89%。溶解性有机物转化率的提高是产甲烷量提高的根本原因。