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污泥与餐厨垃圾联合厌氧技术

发布时间:2021-10-6 8:18:02  中国葡京捕鱼软件下载工程网

  1、引言

  污水污泥成分复杂,不仅含有重金属和持久性有机物等有毒有害物质,还含有多种病原体,若不能妥善处理,则会对环境造成二次污染。近年来,随着我国经济的高速发展和葡京捕鱼软件下载量的持续增加,每年产生的污水污泥量也急剧增加。据有关统计数据测算,2016年全国产生的城镇湿污泥4083万吨,2020年将达到5292万吨。

  同时,餐厨垃圾是城市生活垃圾的主要组成之一,其产生量也在逐年增加。由前瞻产业研究院的统计数据得知,2015年全国产生餐厨垃圾9500万吨,到2016年全国餐厨垃圾产生量增至9700万吨,与污泥一样,餐厨垃圾成为了影响环境卫生和公众健康,甚至是威胁食品安全的又一难题。

  2、污泥与餐厨垃圾单独厌氧消化难点

  在废弃物的处理处置与资源化方法中,厌氧消化既可以实现其减容减量,降低或消除废弃物对环境的危害,又能获得沼气形式的清洁能源从而缓解当今的能源供需压力,此方法得到了国内外的青睐。对污水污泥与餐厨垃圾来说,两者均是常见的有机废弃物,然而其单独厌氧消化产沼气效果却并不十分理想。

  污泥有机C含量较低,蛋白质含量较高,相对于有机C而言,蛋白质降解速率较慢,加之污泥中的大部分有机C为被细胞壁所包裹的微生物细胞物质,可生物降解能力较低,所以污泥单独厌氧消化时降解速度较慢,挥发性固体的去除率和产气量一般也较低。同时,由于污泥的C/N较低,厌氧消化时含N物质会较快地溶出而发生氨氮的积累,造成厌氧消化体系营养物质的配比失衡,进而导致厌氧消化进程的抑制。同时,污泥厌氧消化系统能否可持续运行还与其处理规模密切相关。这是因为污泥厌氧消化项目投资大,运行费用高,在规模经济的作用下,大型污泥厌氧消化项目最有可能实现收益与投入的平衡,故停运率较低,而小规模污泥厌氧项目的收益不足以平衡投资和运行费用。

  餐厨垃圾的主要组成成分为水分、碳水化合物、蛋白质、脂肪和盐分,并富含氮、磷、钙、钾等营养元素,其中有机成分在总固体中的含量很高,可高达95%以上。餐厨垃圾的C/N较高,易被生物降解,单独厌氧消化时速度较快。但由于产甲烷菌生长过程相对较缓慢,因此可能引起挥发性有机酸等中间代谢产物的毒性抑制,甚至导致厌氧消化系统的酸化失效。此外,由于餐厨垃圾固体含量高,流动性差,不易与厌氧微生物实现充分的混合,进而影响厌氧效果。

  综上所述,单独对污泥和餐厨垃圾进行厌氧消化时,产沼效率和效果均不理想。

  3、联合厌氧消化的可行性分析

  为了较好解决两者分别进行单独厌氧消化时的一些问题,出现了将餐厨垃圾和污泥进行联合厌氧工艺,并在国内外引起了研究热潮。在国内,付胜涛、严晓菊和于水利,高瑞丽、严群以及赵云飞等都分别开展了分析研究,证实了污泥和餐厨垃圾联合厌氧消化的可行性,主要体现在以下几方面。

  (1)污泥C/N比较低,降解速率慢,污泥单独厌氧发酵时易产生氨氮的抑制,而餐厨垃圾C/N则比较高,却会因餐厨垃圾厌氧消化速度与产甲烷菌生长速度不均衡而引起挥发性有机酸等中间代谢产物积累,甚至引起系统酸化。故两者联合厌氧,即可以调节C/N,提高厌氧系统的生物降解性,从而改善污泥的降解速率,又可以使产生的挥发性有机酸与氨氮等中间代谢产物进行部分中和反应,避免挥发性有机酸等中间代谢产物的积累,调节厌氧过程中的pH值,防止厌氧消化系统的酸化失效,维持厌氧系统的稳定运行。

  (2)污泥中含有大量微生物,适合作为厌氧消化的菌种来源,而餐厨垃圾含有丰富的可溶醣,可生物降解性较好,非常适合作为厌氧消化的底物,故两者联合厌氧可以促进厌氧消化优势菌种的形成,有助于混合底物厌氧消化过程的进行,以缩短厌氧消化时间。

  (3)餐厨垃圾和污泥进行联合厌氧消化可以补充各自成分中缺少的营养物质,使厌氧消化底物中的营养成分达到较好的平衡。

  (4)餐厨垃圾和污泥联合厌氧消化可直接采用现有的污泥消化池,有利于降低成本,并为通过在污泥消化池中添加餐厨垃圾来扩大处理规模提供了便利条件,有利于促进规模经济效益的实现。而且根据已有研究成果,在联合厌氧消化工艺中,两种废弃物的厌氧消化性能得到了明显改善,沼气产量也得到了不同程度的提高,从而提高经济效益。

  4、联合厌氧消化技术研究及应用

  目前国内外已开展了一些污泥和餐厨垃圾联合厌氧消化技术的研究,但总体来看,国内外的相关报道并不多,且已有的研究主要集中在污泥和餐厨垃圾联合厌氧消化的技术、经济与工程可行性,以及pH值、温度、混合比例等工艺参数对联合厌氧消化反应过程的影响分析方面,而对联合厌氧消化的协同反应机理以及其中有机质降解调控机制尚缺乏深入系统的研究。尤其是在我国,重复性研究较多,而对拥有自有知识产权的、具有技术突破性的相关技术和设备研发力度不足。通过对国内外现有污泥和餐厨垃圾联合厌氧消化专利信息的查询信息,目前国内联合厌氧消化相关专利仅有60余项,可见目前国内拥有相关自有知识产权的数量还很有限,特别是与相关知识产权数量位居前列的日本、韩国和美国相比,更是存在较大差距。

  在应用方面,一般认为现有的污泥处理设施(如污泥消化池)可直接应用于联合厌氧消化工艺,实现了设备共享。因此,污泥和餐厨垃圾的联合厌氧消化从技术和设施上可行。但整体而言,该技术目前主要限于实验室小规模运行,缺乏大规模应用的数据和经验,远未达到市场普遍应用的程度。

  5、研究热点及方向

  5.1 影响联合厌氧消化的参数

  目前,国内外关于工艺参数对联合厌氧消化影响的研究报道还较少,并且主要集中在混合比例、水力停留时间、温度、pH值这4项参数上,而对固体停留时间、搅拌强度等其他重要参数研究较少。

  5.1.1 混合比例

  污泥和餐厨垃圾的混合比例不同会导致碳水化合物、蛋白质、脂肪含量的不同,进而对底物的消化过程、联合厌氧消化效率、沼气产量和甲烷含量产生重要影响。

  Beno等通过对餐厨垃圾、蔬菜垃圾与污水污泥在不同混合比例条件下消化效果的实验研究,发现餐厨垃圾和蔬菜垃圾进行单独厌氧消化时的沼气产量很低,且沼气中的甲烷含量也不高,只有5%左右;而添加一定量的污泥后,沼气产量明显增多,将两者分别与污泥按照77:23的比例混合时,酸抑制得以完全解除,沼气中的甲烷含量也上升至49%。在段妮娜等对脱水污泥、餐厨垃圾单独厌氧消化以及湿重混合比例分别为4:1、3:2和2:3条件下的五种厌氧消化系统进行了研究,考察了半连续干法厌氧消化的产气性能、有机质降解性能和系统稳定性。结果表明,固体停留时间为20d时,随着进料中餐厨垃圾所占比例的增大,混合物料的水解速率常数也随之增大,降解率随之提高,产气率和甲烷产率亦呈现上升趋势,同时系统内pH值、总碱度、总氨氮和游离氨氮呈下降趋势。

  国内外同时对两者的最佳混合比例开展了实验研究。NamHyoHeo等通过模拟食品废物和活性污泥混合物料的单级厌氧消化过程发现,在两种有机物混合比例为1:1、水力停留时间为10d的反应条件下,挥发性固体去除率达到最高,为53.7%,COD也达到了最佳去除效果,去除率可达53.6%。付胜涛等对剩余活性污泥与餐厨垃圾的联合厌氧消化系统开展了实验研究,发现当剩余活性污泥与餐厨垃圾进料总固体含量比为1:1时,pH值、碱度和氨氮要高于总固体含量比分别为3:1和1:3,而且在同一水力停留时间下运行,具有最大的缓冲能力,稳定性和处理效果都比较理想。此外,赵云飞、李靖也同样得到了1:1的最佳混合比例结论,但是也有一些研究人员却得出不同的最佳混合比例结论。高瑞丽等通过对35℃下厌氧消化系统的试验研究得出结论,即当剩余污泥与餐厨垃圾质量比为2:1时,沼气产量和甲烷含量均达到最大值,分别比剩余污泥单独厌氧消化时的产气量提高了5倍和1.5倍。

  从以上研究结果看,得出的污泥与餐厨垃圾最佳混合比例存在差异,这主要是由作为研究对象的污泥与餐厨垃圾来源不同,其各自的C/N也不同,加之实验条件不同而造成的。

  5.1.2 水力停留时间

  国内外还对水力停留时间进行了研究,得到的结果基本一致,即随着水力停留时间的增大,联合厌氧反应更加彻底,系统运行更加趋于稳定,从而使挥发性固体去除率和产甲烷率也更高。

  Fu等研究在不同混合比例和水力停留时间条件下初沉污泥和餐厨垃圾的混合中温厌氧消化效果,研究发现,当初沉污泥和垃圾按照挥发性固体之比为3:1和1:1时,在水力停留时间分别为10d、13d、16d、20d的条件下,挥发性固体去除率和产甲烷率随着水力停留时间的增大而提高,各厌氧消化系统中均未出现pH值降低、碱度不足、氨抑制和挥发性有机酸积累等现象。

  Oleszkiewicz等研究了纸类、餐厨垃圾和污泥混合形成的高固体厌氧消化,研究结果显示,联合厌氧消化系统随着水力停留时间的增加,总固体含量和需氧量的去除率也随之提高。

  付胜涛等通过对剩余活性污泥和餐厨垃圾的混合中温厌氧消化过程的实验研究发现,按照剩余活性污泥和餐厨垃圾总固体含量之比分别为3:1、1:1、1:3的进料比例,水力停留时间分别设定为10d、15d和20d,当餐厨垃圾的总固体含量所占比例提高时,挥发性有机酸随着水力停留时间的增大而提高,但总体来说挥发性有机酸相差并不明显,各厌氧消化系统pH值在7.18~7.52范围内浮动,均未出现挥发性有机酸积累和氨抑制现象,运行稳定。另外,同一进料比例在不同水力停留时间条件下,氨氮浓度会随水力停留时间的增大而提高,但单位挥发性固体甲烷产率和气体产率差异不大。

  5.1.3 pH值

  pH值作为厌氧消化过程中重要的控制因素,影响着产甲烷菌的活性和底物的水解效率,若pH值<6.3,会抑制产甲烷菌对挥发性有机酸的利用,导致挥发性有机酸的积累,这样会进一步导致pH值的下降,从而形成恶性循环。而根据YadvikaS等的研究,若pH值>7.8,又会造成NH4+向NH3的转化,对厌氧消化系统产生毒性抑制。可见,pH值过高或过低时,都不利于联合厌氧消化的进行。

  为了保证厌氧消化系统内有足够浓度的厌氧菌并保持其具有足够的生物活性,pH值通常应维持在7.0~7.5,以提供厌氧菌最佳的生长代谢环境。

  5.1.4 温度

  温度也是影响污泥和餐厨垃圾混合物料联合厌氧消化过程的一个重要因素,一般认为较高的温度有利于促进厌氧消化的反应进程,提高联合厌氧消化效率,同时也有利于混合物料中总固体含量和需氧量的去除率。

  Oleszkiewicz等以纸类、餐厨垃圾和污泥三者混合的高固体厌氧消化系统为对象进行了研究,得出如下结论:相对于35℃的厌氧反应温度,厌氧消化系统在55℃条件下的挥发性固体降解率和产气率均较高,并且在此温度范围内,总固体含量和需氧量的去除率亦随温度的提高而提高。

  5.2 物料的预处理

  5.2.1 污泥的预处理

  采用污泥预处理技术有助于破坏污泥中的颗粒成分,使厌氧菌所需的有机质释放出来,从而有效加快厌氧消化过程,增加产气量。污泥预处理技术有很多,其中碱处理法和热处理法工艺简单,已具备工程应用条件,且基建投资、运行成本相对较低;超声波处理法和臭氧氧化法的预处理效果显著,但需继续进行工艺优化和配套设备的开发工作;与以上四项污泥预处理方法相比,其他技术属于新兴技术,还需要开展进一步探讨和研究。此外,选择两种或两种以上预处理技术进行优化组合,如热处理法与碱处理法结合应用,可以达到更好的污泥预处理和后续厌氧消化效果。

  5.2.2 餐厨垃圾的预处理

  餐厨垃圾中富含大量油分,油脂降解性差,会对微生物生长代谢产生不利影响,所以应进行除油处理。分离出去的油脂可通过制肥皂或生物柴油等途径实现资源再利用,而剩余固体部分再与污泥联合厌氧消化。目前餐厨垃圾除油技术可归纳为四大类,见表。

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  同时,餐厨垃圾盐分含量也很高,同样会对后续厌氧消化过程产生不良影响,也应在预处理阶段加以去除,可以采用水冲洗的方式,使餐厨垃圾得到稀释,从而降低含盐率,也可以研发专门适用于高盐分底物的厌氧消化技术,在这方面,国内外已开展了一些工作,如彭绪亚等高盐分餐厨垃圾湿式单级厌氧消化研究。

  此外,餐厨垃圾尺寸较大,品种较杂,应先对其进行分选、破碎处理,以减小其颗粒粒径,从而提高可生物降解程度。

  5.3 工艺的优化

  5.3.1 消化液回流

  Delia等通过研究和分析认为,将消化流出物回流可减少微生物流失,促进底物的充分降解,从而提高沼气产量。在国内,王星等以餐厨垃圾单独厌氧消化系统为研究对象,探讨了消化液回流比与有机负荷率对厌氧消化反应的影响,研究发现,当出现抑制作用时,将消化液回流可有助于缓解此抑制作用。但对于污泥和餐厨垃圾的联合厌氧消化产沼系统,消化液回流是否会产生影响以及产生何种影响还未见相关研究报道。

  5.3.2 增加中间脱氮除硫环节

  污泥与餐厨垃圾联合厌氧消化产甲烷过程中会产生氨氮、S2-,从而对产甲烷阶段有抑制作用。为了解决这一问题,李勇等提出,在厌氧消化过程产酸阶段挥发性有机酸和氨氮浓度相对较高时可增加中间脱氮除硫环节,并通过正交优化试验提出了最佳脱氮除硫的工艺条件,而加入此脱氮除硫环节后,氨氮去除率为87.6%,不仅能有效减轻氨氮、S2-对厌氧消化过程产甲烷阶段的抑制作用,还有利于后期H2S处理的成本控制。

  5.3.3 先产氢再产甲烷工艺

  在先产氢再产甲烷工艺方面,WangCC等开展了一定的研究,经过研究证明,先产氢再产甲烷工艺可提高甲烷化阶段H2和CO2的产生比例,使厌氧消化过程产生充足的H2与CO2化合,与不产氢而直接产甲烷的工艺相比,甲烷产量可得到大幅提高。

  6、结语

  餐厨垃圾与污泥联合厌氧消化产沼技术可使两种废物更好地达到“减量化、无害化和资源化”目标,从而实现废物处理的双赢,降低其对生态环境发生污染的风险。(来源:北京京城环保股份有限公司)

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