污泥和餐厨垃圾厌氧消化处理技术

随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的提高，城市固体废弃物逐年增加，其中餐厨垃圾和城市污泥是主要成分，已成为困扰经济发展和环境治理的一大难题。由于餐厨垃圾和城市污泥的特性，单一厌氧消化工艺很难实现系统的高效稳定运行。因此，餐厨垃圾和城市污泥的协同厌氧消化成为研究热点。其中，物料配比是影响协同厌氧消化效果的重要因素，也是协同处理工艺的重要研究方向。基于城市污泥和餐厨垃圾协同厌氧消化处理的实际项目，研究了物料配比对协同厌氧消化系统的稳定性、产气率、物料降解率和终端生物炭土壤资源利用的影响，以期为实际生产运行提供技术参考。

1.材料和方法

1.1测试材料

实验所用污泥为镇江某厂剩余污泥，pH值为7.15，SCOD为6800mg/L，总固形物(TS)含量为17.8%，其中挥发性固形物(VS)占47.06%，镇江主城区学校、企业、大中型宾馆的餐厨垃圾，PH值为4.17，TS含量为15.00%。

1.2测试装置和方法

实验采用全混合厌氧反应器(CSTR)，厌氧消化池由两个穿墙式搅拌器和一个循环桶组成。厌氧消化池的有效容积为2800m3，温度保持在(38±1)℃,搅拌方式为搅拌30分钟，停止60分钟。

考虑到厌氧消化池的设计负荷，本试验中不同物料配比的较大进料负荷设定为3.00 kgvs/(m3 & # 8226；d)进行测试.根据污泥与餐厨垃圾的比例(S/K，以TS计)，设计了5组不同物料配比的厌氧消化实验。污泥和餐厨垃圾的进料量如表1所示，每组停留时间保持在45d以上。

1.3测试项目和方法

厌氧消化池消化液的检测指标包括:pH值、挥发性脂肪酸(VFA)、碱度(ALK)、TN、NH3-N、TP、TS、VS、COD、沼气量等。其中，PH值用电极法测定，VFA和ALK用滴定法测定，TN用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定，NH3-N用纳氏试剂分光光度法测定，TP用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法测定，TS和VS用重量法测定，COD用重铬酸钾法测定，沼气量及其成分用在线仪器测定。

2.结果和讨论

2.1物料比对厌氧消化系统稳定性的影响

厌氧消化过程中pH值、VFA、ALK和酸碱比(VFA/ALK)的变化能真实反映系统的稳定性，其中VFA/ALK值能表征中间产物的积累和微生物的生存环境，是评价厌氧系统稳定性的重要指标。一般认为pH值维持在6.5~8.2，VFA

随着餐厨垃圾比例的增加，厌氧消化液中TS含量呈下降趋势。厌氧消化液中TS含量在纯污泥情况下为80631mg/L，而在纯餐厨垃圾情况下仅为56069mg/L。厨余垃圾中有机物含量高，更容易被降解。

此外，厌氧消化液中NH，-N的浓度也是反映厌氧消化系统稳定性的重要指标。研究表明，NH-N在50~200mg/L范围内时，有利于消化反应的稳定运行，NH3-N >: 100 mg/l时会抑制消化过程。在本研究中，当S/K值为1: 0、2: 1、I: 1、1: 2和0: 1时，NH3-N浓度分别为1064、1125、1567、1811和1625mg/L，厌氧消化系统处于稳定状态。与实验室小型厌氧反应器相比，实际工程中的厌氧反应器具有更大的容积和更大的缓冲容量，产甲烷菌可以适应更高的NH3-N负荷。

2.2物料比对厌氧消化系统降解速率的影响

VS降解率可以直接反映厌氧消化池中有机物的降解情况。在本研究中，当物料S/K比为1: 0、2: 1、1: 1、1: 2和0: 1时，VS的降解率分别为32.4%、50.6%、64.1%、79.4%和86.5%。由于城市污泥中有机物含量低，纯污泥在厌氧消化中VS降解率低。随着厨余垃圾比例的增加，VS降解率呈上升趋势。纯厨余垃圾厌氧消化VS降解率达到86.5%，明显高于其他文献报道的结果(67.2%，40.4%)。当S/K = 1: 2时，VS降解率达到79.4%，这也是污泥中胞外聚合物(EPS)占总有机质的50%~90%，其水解过程直接影响污泥的降解速率和程度。随着厨余垃圾的加入，物料中易水解酸化的组分比例增加，促进了产甲烷菌的增殖，也促进了EPS的降解，提高了系统的物料降解速率。

2.3物料比对厌氧消化系统产气速率的影响

VS添加剂的产气率是评价厌氧消化效率的重要指标。本研究以产气率和VS添加产气率为指标，评价不同物料配比下厌氧系统的运行效果。当物料S/K比为1: 0、2: 1、1: 1、2: 2和0: 1时，VS的产气率分别为0.31、0.42、0.48、0.56和0.59 m3/(kgVS & # 8226；d)，可以看出纯污泥的VS产气率较低，厨余垃圾的VS产气率显著提高。当S/K值为1: 2时，纯污泥VS的产气率提高了80.6%。此外，产气量也随着厨余垃圾在材料中比例的增加而增加(见图1)。污泥和餐厨垃圾协同厌氧消化促进了营养物质的比例平衡，提高了物料的降解率和产气率，进一步提高了厌氧消化效率。

2.4物料比对厌氧消化系统沼气成分的影响

沼气主要包括CH4、CO2和H2S。不同物料配比对厌氧消化系统沼气成分的影响如图2所示。当污泥纯净时，沼气中CH4含量较高，达到64.1%。添加厨余垃圾后，CH4含量有降低的趋势，但添加比例之间没有明显的变化规律。物料比对CO2含量影响不大，没有明显的规律。随着厨余垃圾比例的增加，H2S的产量有增加的趋势，尤其是厨余垃圾纯净时，H2S的产量明显高于其他物料，平均值为418.9mg/m3，而物料中有污泥时，H2S的产量在100mg/m3以下，表明污泥和厨余垃圾协同厌氧消化有助于减少H2S的产生。主要原因如下:①污泥中的Fe3+对厌氧消化过程中H2S的产生和释放有很好的抑制作用；②污泥中蛋白质含量较高，降解蛋白质产生的沼气中甲烷含量高于其他有机物。因此，污泥和餐厨垃圾协同处理项目的沼气脱硫设计只能考虑干法脱硫(氧化铁脱硫)，以降低沼气中的H2S含量。

2.5物料配比对后端资源利用的影响

经过“高倩脱水+太阳能干燥”处理后，污泥和餐厨垃圾厌氧消化项目终端的沼渣含水率降至50%以下，成为生物炭土，主要用于园林绿化、土地改良等。生物土壤中的盐分和重金属含量对其资源利用起着重要作用。不同物料配比的生物炭土壤重金属含量见表3。可以看出，各种物料配比下的生物炭土壤重金属含量均满足《农业污泥污染控制标准》(GB4284—2018)中一级污泥的要求，且随着餐厨垃圾在物料中比例的增加，重金属含量呈显著下降趋势。当污泥与餐厨垃圾的比例为1: 2时，重金属含量明显低于纯污泥，为资源化利用奠定了良好的基础。此外，生物炭土壤的含盐量是以全盐量来表征的。当物质比S/K值为1: 0、2: 1、1: 1和1: 2时，生物炭土壤中总盐含量分别为2553、3980、4583和4670mg/L，当S/K值为1: 2和1: 1时，总盐含量为1: 1。

3.结论

①城市污泥和餐厨垃圾协同厌氧消化系统具有良好的缓冲能力。厌氧消化液的VFA/ALK值保持在0.10~0.12，VFA保持在1093~1529mg/L，碱度在不同物料比下保持在10321~13688mg/L，厌氧消化系统处于稳定状态。

②污泥和餐厨垃圾的协同处理提高了厌氧消化系统的产气能力。随着厨余垃圾比例的增加，VS降解率和VS产气率呈增加趋势。当污泥与餐厨垃圾的比例为1: 2时，协同厌氧消化效果较好，VS降解率达到79.4%，VS产气率为0.56m3/(kgVS• D)，甲烷含量达到61.4%，H2S产量为77.4mg/m3。

③污泥纯净时，沼气中CH4的比例较高，但H2S的产量较低。当污泥纯净时，H2S的产量高。加入污泥后，H2S产量迅速下降。餐厨垃圾和污泥协同处理有利于降低沼气中H2S的含量。

④随着厨余垃圾在材料中所占比例的增加，生物炭土壤重金属含量显著降低，而全盐含量增加。当污泥与餐厨垃圾的比例为1: 2时，生物炭土壤中重金属含量明显低于纯污泥，而总盐含量与1: 1时差异不显著。(来源:镇江市水业总公司、江苏宏润生物质能源科技有限公司)

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