3.2剩余活性污泥与厨余垃圾的混合厌氧消化
付胜涛等[14]研究了混合比例和HRT对剩余活性污泥和厨余垃圾混合中温厌氧消化过程的影响,混合进料按照总固体含量(TS)之比分别采用75%:25%、50%:50%和25%:75%,HRT分别为10d、15d和20d。在3种进料比例及3个HRT的运行条件下,各系统内pH值保持在7.18~7.52,碱度(CaCO3)在3125~4533mg/L之间,没有发生VFAs积累和氨抑制现象,各系统均处于稳定运行状态。
3.3污泥与MSW中有机组分的混合厌氧消化
Rintala[12,15,16]等研究了污泥(初沉污泥与剩余活性污泥组成的混合污泥)与MSW中有机组分(其中厨余垃圾所占比例达到65%以上)分别在中温和高温环境下进行混合厌氧消化时产甲烷的特性。通过混合厌氧消化,甲烷的产量均得到不同程度的提高,在实际规模的厌氧消化反应器中,甲烷产量能够达到物料产甲烷潜力的90%,且其产甲烷速率和活性随着进料方式和进料量的变化而变化。另外,在混合消化过程中也没有出现丙酸和丁酸抑制乙酸甲烷化的现象,其混合处理的消化池中污泥的甲烷化活性要高于单独处理的消化池中污泥活性;Sosnowski等[12]设计了5组对照实验,其中单相反应器两组(污泥对照组和混合反应组),两相反应器3组(污泥、有机组分对照组和混合反应组),在各组实验中其甲烷浓度均高于60%,生物产气量的变化范围为0.4~0.6dm3/gVSS,另外,两相反应器的产甲烷效率明显高于单相反应器。Cavinato等[16]研究了高温和中温环境下,剩余活性污泥和MSW中有机组分混合厌氧消化处理工艺,发现高温不仅使得生物产气量增加了50%,而且提高了出水的稳定性,并通过呼吸动力指数(DRI)得到消化后的产物不再需要二级处理(如堆肥)。
已有的针对各种污水厂污泥和厨余垃圾混合厌氧消化的研究结果显示,污泥中添加厨余垃圾后其C/N值增加,可生物降解性相应提高,从而促进了厌氧消化过程。混合厌氧消化不仅可以避免污泥或厨余垃圾单独厌氧消化时存在的VFAs积累、氨抑制等问题,而且在合适条件下可以提高VS去除率和甲烷产量,实现系统的稳定运行并达到较好的处理效果。现有的污泥处理设施(如污泥消化池)可直接应用于混合厌氧消化工艺中。由此可见,污水厂污泥和厨余垃圾的混合厌氧消化从技术和设施上均是可行的。
4工艺参数对城市污水厂污泥与厨余垃圾混合厌氧消化的影响
影响城市污水厂污泥与厨余垃圾混合厌氧消化的工艺参数包括温度、pH值、物料的混合比例、HRT、污泥停留时间(SRT)、VFAs、搅拌强度、金属离子强度等。目前,国内外关于工艺参数对混合厌氧消化影响的研究报道尚且较少,以下主要讨论了温度、HRT和混合比例等工艺参数对混合厌氧消化效果的影响。
4.1温度
温度是影响水解酸化过程的一个重要因素,一般认为较高的温度有利于提高混合消化的效率。Oleszkiewicz等[17]研究了纸类、厨余垃圾和污泥混合形成的高固体厌氧消化,认为高温(55℃)工况在VS降解率和产气率方面均优于中温(35℃)工况,并得到当TS在30%~35%范围内时系统运行最佳,TS和需氧量的去除率与停留时间和温度成比例,另外通过中试还发现当负荷超过9kgTS/m3•d时系统仍可以正常运行。Lee等[18,19]研究了超高温(70℃)条件下厌氧消化反应器的运行性能,并且采用了两相厌氧消化系统,其中酸化反应器在超高温条件下运行,甲烷化反应器分别在中温(35℃)、高温(55℃)和超高温(65℃)条件下运行。当厨余垃圾和剩余污泥的体积添加比为20:80时,酸化发酵反应器的最佳运行工况为:反应器温度为70℃、HRT为3.1天、SRT为4天。甲烷化反应器的最佳温度条件为55℃,此时甲烷的平均转化效率和VS的平均去除率分别为65%和64%,系统能够维持较低的氨氮浓度和良好的稳定运行。超高温厌氧消化系统适合处理含有高浓度的蛋白质、脂类和不可生物降解的固态物质。
4.2HRT
付胜涛等[14]研究了混合比例和HRT对混合中温厌氧消化过程的影响,发现当厨余垃圾的TS所占比例为25%和50%时不同HRT条件下VFAs相差不大,但当其比例提高至75%时,VFAs随着HRT的提高而提高的,但均未出现酸抑制现象。另外,同一进料比例在不同HRT条件下,氨氮的浓度是随着HRT的提高而提高的,但单位VS甲烷产率和气体产率相差并不明显。
4.3混合比例
混合比例对混合厌氧消化的效率有着重要影响。Beno等[20]研究了污水厂污泥与厨余垃圾和蔬菜垃圾的混合消化,并设计了3组实验,第一组分别对厨余垃圾和蔬菜垃圾进行单独厌氧消化,结果发现气体产量很低,其甲烷含量也只有5%,这可能是由于酸抑制作用;第二组实验将厨余垃圾、蔬菜垃圾和污泥按照一定比例(分别为48%:26%:26%)进行混合,结果发现气体产量明显增多,但其甲烷含量仍然维持较低的水平(只有3%),这可能是因为添加一定量的污泥虽然提高了其余两种组分的水解效率,但产甲烷菌未能成为优势菌种,进而导致甲烷含量较低;第三组实验将厨余垃圾和蔬菜垃圾分别与污泥进行混合(污泥与厨余垃圾和污泥与蔬菜垃圾比例均为77%:23%),此时甲烷含量急剧升高至49%,本组实验中酸抑制得到了完全解除且产甲烷菌成为了优势菌种。
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