污泥與餐廚垃圾聯(lián)合厭氧處理設備

污泥與餐廚垃圾聯(lián)合厭氧處理設備污泥與餐廚垃圾聯(lián)合厭氧處理設備

1、引言

　　污水污泥成分復雜，不僅含有重金屬和持久性有機物等有毒有害物質(zhì)，還含有多種病原體，若不能妥善處理，則會(huì )對環(huán)境造成二次污染。近年來(lái)，隨著(zhù)我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和污水處理量的持續增加，每年產(chǎn)生的污水污泥量也急劇增加。據有關(guān)統計數據測算，2016年全國產(chǎn)生的城鎮濕污泥4083萬(wàn)噸，2020年將達到5292萬(wàn)噸。

　　同時(shí)，餐廚垃圾是城市生活垃圾的主要組成之一，其產(chǎn)生量也在逐年增加。由前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的統計數據得知，2015年全國產(chǎn)生餐廚垃圾9500萬(wàn)噸，到2016年全國餐廚垃圾產(chǎn)生量增至9700萬(wàn)噸，與污泥一樣，餐廚垃圾成為了影響環(huán)境衛生和公眾健康，甚至是威脅食品安全的又一難題。

　　2、污泥與餐廚垃圾單獨厭氧消化難點(diǎn)

　　在廢棄物的處理處置與資源化方法中，厭氧消化既可以實(shí)現其減容減量，降低或消除廢棄物對環(huán)境的危害，又能獲得沼氣形式的清潔能源從而緩解當今的能源供需壓力，此方法得到了國內外的青睞。對污水污泥與餐廚垃圾來(lái)說(shuō)，兩者均是常見(jiàn)的有機廢棄物，然而其單獨厭氧消化產(chǎn)沼氣效果卻并不十分理想。

　　污泥有機C含量較低，蛋白質(zhì)含量較高，相對于有機C而言，蛋白質(zhì)降解速率較慢，加之污泥中的大部分有機C為被細胞壁所包裹的微生物細胞物質(zhì)，可生物降解能力較低，所以污泥單獨厭氧消化時(shí)降解速度較慢，揮發(fā)性固體的去除率和產(chǎn)氣量一般也較低。同時(shí)，由于污泥的C/N較低，厭氧消化時(shí)含N物質(zhì)會(huì )較快地溶出而發(fā)生氨氮的積累，造成厭氧消化體系營(yíng)養物質(zhì)的配比失衡，進(jìn)而導致厭氧消化進(jìn)程的抑制。同時(shí)，污泥厭氧消化系統能否可持續運行還與其處理規模密切相關(guān)。這是因為污泥厭氧消化項目投資大，運行費用高，在規模經(jīng)濟的作用下，大型污泥厭氧消化項目最有可能實(shí)現收益與投入的平衡，故停運率較低，而小規模污泥厭氧項目的收益不足以平衡投資和運行費用。

　　餐廚垃圾的主要組成成分為水分、碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪和鹽分，并富含氮、磷、鈣、鉀等營(yíng)養元素，其中有機成分在總固體中的含量很高，可高達95%以上。餐廚垃圾的C/N較高，易被生物降解，單獨厭氧消化時(shí)速度較快。但由于產(chǎn)甲烷菌生長(cháng)過(guò)程相對較緩慢，因此可能引起揮發(fā)性有機酸等中間代謝產(chǎn)物的毒性抑制，甚至導致厭氧消化系統的酸化失效。此外，由于餐廚垃圾固體含量高，流動(dòng)性差，不易與厭氧微生物實(shí)現充分的混合，進(jìn)而影響厭氧效果。

　　綜上所述，單獨對污泥和餐廚垃圾進(jìn)行厭氧消化時(shí)，產(chǎn)沼效率和效果均不理想。

　　3、聯(lián)合厭氧消化的可行性分析

　　為了較好解決兩者分別進(jìn)行單獨厭氧消化時(shí)的一些問(wèn)題，出現了將餐廚垃圾和污泥進(jìn)行聯(lián)合厭氧工藝，并在國內外引起了研究熱潮。在國內，付勝濤、嚴曉菊和于水利，高瑞麗、嚴群以及趙云飛等都分別開(kāi)展了分析研究，證實(shí)了污泥和餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化的可行性，主要體現在以下幾方面。

　　(1)污泥C/N比較低，降解速率慢，污泥單獨厭氧發(fā)酵時(shí)易產(chǎn)生氨氮的抑制，而餐廚垃圾C/N則比較高，卻會(huì )因餐廚垃圾厭氧消化速度與產(chǎn)甲烷菌生長(cháng)速度不均衡而引起揮發(fā)性有機酸等中間代謝產(chǎn)物積累，甚至引起系統酸化。故兩者聯(lián)合厭氧，即可以調節C/N，提高厭氧系統的生物降解性，從而改善污泥的降解速率，又可以使產(chǎn)生的揮發(fā)性有機酸與氨氮等中間代謝產(chǎn)物進(jìn)行部分中和反應，避免揮發(fā)性有機酸等中間代謝產(chǎn)物的積累，調節厭氧過(guò)程中的pH值，防止厭氧消化系統的酸化失效，維持厭氧系統的穩定運行。

　　(2)污泥中含有大量微生物，適合作為厭氧消化的菌種來(lái)源，而餐廚垃圾含有豐富的可溶醣，可生物降解性較好，非常適合作為厭氧消化的底物，故兩者聯(lián)合厭氧可以促進(jìn)厭氧消化優(yōu)勢菌種的形成，有助于混合底物厭氧消化過(guò)程的進(jìn)行，以縮短厭氧消化時(shí)間。

　　(3)餐廚垃圾和污泥進(jìn)行聯(lián)合厭氧消化可以補充各自成分中缺少的營(yíng)養物質(zhì)，使厭氧消化底物中的營(yíng)養成分達到較好的平衡。

　　(4)餐廚垃圾和污泥聯(lián)合厭氧消化可直接采用現有的污泥消化池，有利于降低成本，并為通過(guò)在污泥消化池中添加餐廚垃圾來(lái)擴大處理規模提供了便利條件，有利于促進(jìn)規模經(jīng)濟效益的實(shí)現。而且根據已有研究成果，在聯(lián)合厭氧消化工藝中，兩種廢棄物的厭氧消化性能得到了明顯改善，沼氣產(chǎn)量也得到了不同程度的提高，從而提高經(jīng)濟效益。

　　4、聯(lián)合厭氧消化技術(shù)研究及應用

　　目前國內外已開(kāi)展了一些污泥和餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化技術(shù)的研究，但總體來(lái)看，國內外的相關(guān)報道并不多，且已有的研究主要集中在污泥和餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化的技術(shù)、經(jīng)濟與工程可行性，以及pH值、溫度、混合比例等工藝參數對聯(lián)合厭氧消化反應過(guò)程的影響分析方面，而對聯(lián)合厭氧消化的協(xié)同反應機理以及其中有機質(zhì)降解調控機制尚缺乏深入系統的研究。尤其是在我國，重復性研究較多，而對擁有自有知識產(chǎn)權的、具有技術(shù)突破性的相關(guān)技術(shù)和設備研發(fā)力度不足。通過(guò)對國內外現有污泥和餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化zhuan利信息的查詢(xún)信息，目前國內聯(lián)合厭氧消化相關(guān)zhuan利僅有60余項，可見(jiàn)目前國內擁有相關(guān)自有知識產(chǎn)權的數量還很有限，特別是與相關(guān)知識產(chǎn)權數量位居前列的日本、韓國和美國相比，更是存在較大差距。

　　在應用方面，一般認為現有的污泥處理設施(如污泥消化池)可直接應用于聯(lián)合厭氧消化工藝，實(shí)現了設備共享。因此，污泥和餐廚垃圾的聯(lián)合厭氧消化從技術(shù)和設施上可行。但整體而言，該技術(shù)目前主要限于實(shí)驗室小規模運行，缺乏大規模應用的數據和經(jīng)驗，遠未達到市場(chǎng)普遍應用的程度。

　　5、研究熱點(diǎn)及方向

　　5.1 影響聯(lián)合厭氧消化的參數

　　目前，國內外關(guān)于工藝參數對聯(lián)合厭氧消化影響的研究報道還較少，并且主要集中在混合比例、水力停留時(shí)間、溫度、pH值這4項參數上，而對固體停留時(shí)間、攪拌強度等其他重要參數研究較少。

　　5.1.1 混合比例

　　污泥和餐廚垃圾的混合比例不同會(huì )導致碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪含量的不同，進(jìn)而對底物的消化過(guò)程、聯(lián)合厭氧消化效率、沼氣產(chǎn)量和甲烷含量產(chǎn)生重要影響。

　　Beno等通過(guò)對餐廚垃圾、蔬菜垃圾與污水污泥在不同混合比例條件下消化效果的實(shí)驗研究，發(fā)現餐廚垃圾和蔬菜垃圾進(jìn)行單獨厭氧消化時(shí)的沼氣產(chǎn)量很低，且沼氣中的甲烷含量也不高，只有5%左右;而添加一定量的污泥后，沼氣產(chǎn)量明顯增多，將兩者分別與污泥按照77:23的比例混合時(shí)，酸抑制得以*解除，沼氣中的甲烷含量也上升至49%。在段妮娜等對脫水污泥、餐廚垃圾單獨厭氧消化以及濕重混合比例分別為4:1、3:2和2:3條件下的五種厭氧消化系統進(jìn)行了研究，考察了半連續干法厭氧消化的產(chǎn)氣性能、有機質(zhì)降解性能和系統穩定性。結果表明，固體停留時(shí)間為20d時(shí)，隨著(zhù)進(jìn)料中餐廚垃圾所占比例的增大，混合物料的水解速率常數也隨之增大，降解率隨之提高，產(chǎn)氣率和甲烷產(chǎn)率亦呈現上升趨勢，同時(shí)系統內pH值、總堿度、總氨氮和游離氨氮呈下降趨勢。

　　國內外同時(shí)對兩者的最佳混合比例開(kāi)展了實(shí)驗研究。NamHyoHeo等通過(guò)模擬食品廢物和活性污泥混合物料的單級厭氧消化過(guò)程發(fā)現，在兩種有機物混合比例為1:1、水力停留時(shí)間為10d的反應條件下，揮發(fā)性固體去除率達到最高，為53.7%，COD也達到了最佳去除效果，去除率可達53.6%。付勝濤等對剩余活性污泥與餐廚垃圾的聯(lián)合厭氧消化系統開(kāi)展了實(shí)驗研究，發(fā)現當剩余活性污泥與餐廚垃圾進(jìn)料總固體含量比為1:1時(shí)，pH值、堿度和氨氮要高于總固體含量比分別為3:1和1:3，而且在同一水力停留時(shí)間下運行，具有最大的緩沖能力，穩定性和處理效果都比較理想。此外，趙云飛、李靖也同樣得到了1:1的最佳混合比例結論，但是也有一些研究人員卻得出不同的最佳混合比例結論。高瑞麗等通過(guò)對35℃下厭氧消化系統的試驗研究得出結論，即當剩余污泥與餐廚垃圾質(zhì)量比為2:1時(shí)，沼氣產(chǎn)量和甲烷含量均達到最大值，分別比剩余污泥單獨厭氧消化時(shí)的產(chǎn)氣量提高了5倍和1.5倍。

　　從以上研究結果看，得出的污泥與餐廚垃圾最佳混合比例存在差異，這主要是由作為研究對象的污泥與餐廚垃圾來(lái)源不同，其各自的C/N也不同，加之實(shí)驗條件不同而造成的。

　　5.1.2 水力停留時(shí)間

　　國內外還對水力停留時(shí)間進(jìn)行了研究，得到的結果基本一致，即隨著(zhù)水力停留時(shí)間的增大，聯(lián)合厭氧反應更加*，系統運行更加趨于穩定，從而使揮發(fā)性固體去除率和產(chǎn)甲烷率也更高。

　　Fu等研究在不同混合比例和水力停留時(shí)間條件下初沉污泥和餐廚垃圾的混合中溫厭氧消化效果，研究發(fā)現，當初沉污泥和垃圾按照揮發(fā)性固體之比為3:1和1:1時(shí)，在水力停留時(shí)間分別為10d、13d、16d、20d的條件下，揮發(fā)性固體去除率和產(chǎn)甲烷率隨著(zhù)水力停留時(shí)間的增大而提高，各厭氧消化系統中均未出現pH值降低、堿度不足、氨抑制和揮發(fā)性有機酸積累等現象。

　　Oleszkiewicz等研究了紙類(lèi)、餐廚垃圾和污泥混合形成的高固體厭氧消化，研究結果顯示，聯(lián)合厭氧消化系統隨著(zhù)水力停留時(shí)間的增加，總固體含量和需氧量的去除率也隨之提高。

　　付勝濤等通過(guò)對剩余活性污泥和餐廚垃圾的混合中溫厭氧消化過(guò)程的實(shí)驗研究發(fā)現，按照剩余活性污泥和餐廚垃圾總固體含量之比分別為3:1、1:1、1:3的進(jìn)料比例，水力停留時(shí)間分別設定為10d、15d和20d，當餐廚垃圾的總固體含量所占比例提高時(shí)，揮發(fā)性有機酸隨著(zhù)水力停留時(shí)間的增大而提高，但總體來(lái)說(shuō)揮發(fā)性有機酸相差并不明顯，各厭氧消化系統pH值在7.18～7.52范圍內浮動(dòng)，均未出現揮發(fā)性有機酸積累和氨抑制現象，運行穩定。另外，同一進(jìn)料比例在不同水力停留時(shí)間條件下，氨氮濃度會(huì )隨水力停留時(shí)間的增大而提高，但單位揮發(fā)性固體甲烷產(chǎn)率和氣體產(chǎn)率差異不大。

　　5.1.3 pH值

　　pH值作為厭氧消化過(guò)程中重要的控制因素，影響著(zhù)產(chǎn)甲烷菌的活性和底物的水解效率，若pH值<6.3，會(huì )抑制產(chǎn)甲烷菌對揮發(fā)性有機酸的利用，導致?lián)]發(fā)性有機酸的積累，這樣會(huì )進(jìn)一步導致ph值的下降，從而形成惡性循環(huán)。而根據yadvikas等的研究，若ph值>7.8，又會(huì )造成NH4+向NH3的轉化，對厭氧消化系統產(chǎn)生毒性抑制?？梢?jiàn)，pH值過(guò)高或過(guò)低時(shí)，都不利于聯(lián)合厭氧消化的進(jìn)行。

　　為了保證厭氧消化系統內有足夠濃度的厭氧菌并保持其具有足夠的生物活性，pH值通常應維持在7.0～7.5，以提供厭氧菌最佳的生長(cháng)代謝環(huán)境。

　　5.1.4 溫度

　　溫度也是影響污泥和餐廚垃圾混合物料聯(lián)合厭氧消化過(guò)程的一個(gè)重要因素，一般認為較高的溫度有利于促進(jìn)厭氧消化的反應進(jìn)程，提高聯(lián)合厭氧消化效率，同時(shí)也有利于混合物料中總固體含量和需氧量的去除率。

　　Oleszkiewicz等以紙類(lèi)、餐廚垃圾和污泥三者混合的高固體厭氧消化系統為對象進(jìn)行了研究，得出如下結論：相對于35℃的厭氧反應溫度，厭氧消化系統在55℃條件下的揮發(fā)性固體降解率和產(chǎn)氣率均較高，并且在此溫度范圍內，總固體含量和需氧量的去除率亦隨溫度的提高而提高。

　　5.2 物料的預處理

　　5.2.1 污泥的預處理

　　采用污泥預處理技術(shù)有助于破壞污泥中的顆粒成分，使厭氧菌所需的有機質(zhì)釋放出來(lái)，從而有效加快厭氧消化過(guò)程，增加產(chǎn)氣量。污泥預處理技術(shù)有很多，其中堿處理法和熱處理法工藝簡(jiǎn)單，已具備工程應用條件，且基建投資、運行成本相對較低;超聲波處理法和臭氧氧化法的預處理效果xian著(zhù)，但需繼續進(jìn)行工藝優(yōu)化和配套設備的開(kāi)發(fā)工作;與以上四項污泥預處理方法相比，其他技術(shù)屬于新興技術(shù)，還需要開(kāi)展進(jìn)一步探討和研究。此外，選擇兩種或兩種以上預處理技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，如熱處理法與堿處理法結合應用，可以達到更好的污泥預處理和后續厭氧消化效果。

　　5.2.2 餐廚垃圾的預處理

　　餐廚垃圾中富含大量油分，油脂降解性差，會(huì )對微生物生長(cháng)代謝產(chǎn)生不利影響，所以應進(jìn)行除油處理。分離出去的油脂可通過(guò)制肥皂或生物柴油等途徑實(shí)現資源再利用，而剩余固體部分再與污泥聯(lián)合厭氧消化。目前餐廚垃圾除油技術(shù)可歸納為四大類(lèi)，見(jiàn)表。

　　同時(shí)，餐廚垃圾鹽分含量也很高，同樣會(huì )對后續厭氧消化過(guò)程產(chǎn)生不良影響，也應在預處理階段加以去除，可以采用水沖洗的方式，使餐廚垃圾得到稀釋?zhuān)瑥亩档秃}率，也可以研發(fā)專(zhuān)門(mén)適用于高鹽分底物的厭氧消化技術(shù)，在這方面，國內外已開(kāi)展了一些工作，如彭緒亞等高鹽分餐廚垃圾濕式單級厭氧消化研究。

　　此外，餐廚垃圾尺寸較大，品種較雜，應先對其進(jìn)行分選、破碎處理，以減小其顆粒粒徑，從而提高可生物降解程度。

　　5.3 工藝的優(yōu)化

　　5.3.1 消化液回流

　　Delia等通過(guò)研究和分析認為，將消化流出物回流可減少微生物流失，促進(jìn)底物的充分降解，從而提高沼氣產(chǎn)量。在國內，王星等以餐廚垃圾單獨厭氧消化系統為研究對象，探討了消化液回流比與有機負荷率對厭氧消化反應的影響，研究發(fā)現，當出現抑制作用時(shí)，將消化液回流可有助于緩解此抑制作用。但對于污泥和餐廚垃圾的聯(lián)合厭氧消化產(chǎn)沼系統，消化液回流是否會(huì )產(chǎn)生影響以及產(chǎn)生何種影響還未見(jiàn)相關(guān)研究報道。

　　5.3.2 增加中間脫氮除硫環(huán)節

　　污泥與餐廚垃圾聯(lián)合厭氧消化產(chǎn)甲烷過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生氨氮、S2-，從而對產(chǎn)甲烷階段有抑制作用。為了解決這一問(wèn)題，李勇等提出，在厭氧消化過(guò)程產(chǎn)酸階段揮發(fā)性有機酸和氨氮濃度相對較高時(shí)可增加中間脫氮除硫環(huán)節，并通過(guò)正交優(yōu)化試驗提出了最佳脫氮除硫的工藝條件，而加入此脫氮除硫環(huán)節后，氨氮去除率為87.6%，不僅能有效減輕氨氮、S2-對厭氧消化過(guò)程產(chǎn)甲烷階段的抑制作用，還有利于后期H2S處理的成本控制。

　　5.3.3 先產(chǎn)氫再產(chǎn)甲烷工藝

　　在先產(chǎn)氫再產(chǎn)甲烷工藝方面，WangCC等開(kāi)展了一定的研究，經(jīng)過(guò)研究證明，先產(chǎn)氫再產(chǎn)甲烷工藝可提高甲烷化階段H2和CO2的產(chǎn)生比例，使厭氧消化過(guò)程產(chǎn)生充足的H2與CO2化合，與不產(chǎn)氫而直接產(chǎn)甲烷的工藝相比，甲烷產(chǎn)量可得到大幅提高。

　　6、結語(yǔ)

　　餐廚垃圾與污泥聯(lián)合厭氧消化產(chǎn)沼技術(shù)可使兩種廢物更好地達到“減量化、無(wú)害化和資源化"目標，從而實(shí)現廢物處理的雙贏(yíng)，降低其對生態(tài)環(huán)境發(fā)生污染的風(fēng)險。