隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，城市固體廢棄物逐年增加，其中餐廚垃圾和城市污泥是主要成分，已成為困擾經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境治理的一大難題。由于餐廚垃圾和城市污泥的特性，單一厭氧消化工藝很難實現(xiàn)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行。因此，餐廚垃圾和城市污泥的協(xié)同厭氧消化成為研究熱點。其中，物料配比是影響協(xié)同厭氧消化效果的重要因素，也是協(xié)同處理工藝的重要研究方向。基于城市污泥和餐廚垃圾協(xié)同厭氧消化處理的實際項目，研究了物料配比對協(xié)同厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性、產(chǎn)氣率、物料降解率和終端生物炭土壤資源利用的影響，以期為實際生產(chǎn)運行提供技術(shù)參考。

1.材料和方法

1.1測試材料

實驗所用污泥為鎮(zhèn)江某廠剩余污泥，pH值為7.15，SCOD為6800mg/L，總固形物(TS)含量為17.8%，其中揮發(fā)性固形物(VS)占47.06%，鎮(zhèn)江主城區(qū)學(xué)校、企業(yè)、大中型賓館的餐廚垃圾，PH值為4.17，TS含量為15.00%。

1.2測試裝置和方法

實驗采用全混合厭氧反應(yīng)器(CSTR)，厭氧消化池由兩個穿墻式攪拌器和一個循環(huán)桶組成。厭氧消化池的有效容積為2800m3，溫度保持在(38±1)℃,攪拌方式為攪拌30分鐘，停止60分鐘。

考慮到厭氧消化池的設(shè)計負(fù)荷，本試驗中不同物料配比的較大進料負(fù)荷設(shè)定為3.00 kgvs/(m3 & # 8226；d)進行測試.根據(jù)污泥與餐廚垃圾的比例(S/K，以TS計)，設(shè)計了5組不同物料配比的厭氧消化實驗。污泥和餐廚垃圾的進料量如表1所示，每組停留時間保持在45d以上。

1.3測試項目和方法

厭氧消化池消化液的檢測指標(biāo)包括:pH值、揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、堿度(ALK)、TN、NH3-N、TP、TS、VS、COD、沼氣量等。其中，PH值用電極法測定，VFA和ALK用滴定法測定，TN用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定，NH3-N用納氏試劑分光光度法測定，TP用過硫酸鉀消解-鉬酸銨分光光度法測定，TS和VS用重量法測定，COD用重鉻酸鉀法測定，沼氣量及其成分用在線儀器測定。

2.結(jié)果和討論

2.1物料比對厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

厭氧消化過程中pH值、VFA、ALK和酸堿比(VFA/ALK)的變化能真實反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其中VFA/ALK值能表征中間產(chǎn)物的積累和微生物的生存環(huán)境，是評價厭氧系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。一般認(rèn)為pH值維持在6.5~8.2，VFA

隨著餐廚垃圾比例的增加，厭氧消化液中TS含量呈下降趨勢。厭氧消化液中TS含量在純污泥情況下為80631mg/L，而在純餐廚垃圾情況下僅為56069mg/L。廚余垃圾中有機物含量高，更容易被降解。

此外，厭氧消化液中NH，-N的濃度也是反映厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。研究表明，NH-N在50~200mg/L范圍內(nèi)時，有利于消化反應(yīng)的穩(wěn)定運行，NH3-N >: 100 mg/l時會抑制消化過程。在本研究中，當(dāng)S/K值為1: 0、2: 1、I: 1、1: 2和0: 1時，NH3-N濃度分別為1064、1125、1567、1811和1625mg/L，厭氧消化系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。與實驗室小型厭氧反應(yīng)器相比，實際工程中的厭氧反應(yīng)器具有更大的容積和更大的緩沖容量，產(chǎn)甲烷菌可以適應(yīng)更高的NH3-N負(fù)荷。

2.2物料比對厭氧消化系統(tǒng)降解速率的影響

VS降解率可以直接反映厭氧消化池中有機物的降解情況。在本研究中，當(dāng)物料S/K比為1: 0、2: 1、1: 1、1: 2和0: 1時，VS的降解率分別為32.4%、50.6%、64.1%、79.4%和86.5%。由于城市污泥中有機物含量低，純污泥在厭氧消化中VS降解率低。隨著廚余垃圾比例的增加，VS降解率呈上升趨勢。純廚余垃圾厭氧消化VS降解率達(dá)到86.5%，明顯高于其他文獻報道的結(jié)果(67.2%，40.4%)。當(dāng)S/K = 1: 2時，VS降解率達(dá)到79.4%，這也是污泥中胞外聚合物(EPS)占總有機質(zhì)的50%~90%，其水解過程直接影響污泥的降解速率和程度。隨著廚余垃圾的加入，物料中易水解酸化的組分比例增加，促進了產(chǎn)甲烷菌的增殖，也促進了EPS的降解，提高了系統(tǒng)的物料降解速率。

2.3物料比對厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)氣速率的影響

VS添加劑的產(chǎn)氣率是評價厭氧消化效率的重要指標(biāo)。本研究以產(chǎn)氣率和VS添加產(chǎn)氣率為指標(biāo)，評價不同物料配比下厭氧系統(tǒng)的運行效果。當(dāng)物料S/K比為1: 0、2: 1、1: 1、2: 2和0: 1時，VS的產(chǎn)氣率分別為0.31、0.42、0.48、0.56和0.59 m3/(kgVS & # 8226；d)，可以看出純污泥的VS產(chǎn)氣率較低，廚余垃圾的VS產(chǎn)氣率顯著提高。當(dāng)S/K值為1: 2時，純污泥VS的產(chǎn)氣率提高了80.6%。此外，產(chǎn)氣量也隨著廚余垃圾在材料中比例的增加而增加(見圖1)。污泥和餐廚垃圾協(xié)同厭氧消化促進了營養(yǎng)物質(zhì)的比例平衡，提高了物料的降解率和產(chǎn)氣率，進一步提高了厭氧消化效率。

2.4物料比對厭氧消化系統(tǒng)沼氣成分的影響

沼氣主要包括CH4、CO2和H2S。不同物料配比對厭氧消化系統(tǒng)沼氣成分的影響如圖2所示。當(dāng)污泥純凈時，沼氣中CH4含量較高，達(dá)到64.1%。添加廚余垃圾后，CH4含量有降低的趨勢，但添加比例之間沒有明顯的變化規(guī)律。物料比對CO2含量影響不大，沒有明顯的規(guī)律。隨著廚余垃圾比例的增加，H2S的產(chǎn)量有增加的趨勢，尤其是廚余垃圾純凈時，H2S的產(chǎn)量明顯高于其他物料，平均值為418.9mg/m3，而物料中有污泥時，H2S的產(chǎn)量在100mg/m3以下，表明污泥和廚余垃圾協(xié)同厭氧消化有助于減少H2S的產(chǎn)生。主要原因如下:①污泥中的Fe3+對厭氧消化過程中H2S的產(chǎn)生和釋放有很好的抑制作用；②污泥中蛋白質(zhì)含量較高，降解蛋白質(zhì)產(chǎn)生的沼氣中甲烷含量高于其他有機物。因此，污泥和餐廚垃圾協(xié)同處理項目的沼氣脫硫設(shè)計只能考慮干法脫硫(氧化鐵脫硫)，以降低沼氣中的H2S含量。

2.5物料配比對后端資源利用的影響

經(jīng)過“高倩脫水+太陽能干燥”處理后，污泥和餐廚垃圾厭氧消化項目終端的沼渣含水率降至50%以下，成為生物炭土，主要用于園林綠化、土地改良等。生物土壤中的鹽分和重金屬含量對其資源利用起著重要作用。不同物料配比的生物炭土壤重金屬含量見表3?？梢钥闯?，各種物料配比下的生物炭土壤重金屬含量均滿足《農(nóng)業(yè)污泥污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB4284—2018)中一級污泥的要求，且隨著餐廚垃圾在物料中比例的增加，重金屬含量呈顯著下降趨勢。當(dāng)污泥與餐廚垃圾的比例為1: 2時，重金屬含量明顯低于純污泥，為資源化利用奠定了良好的基礎(chǔ)。此外，生物炭土壤的含鹽量是以全鹽量來表征的。當(dāng)物質(zhì)比S/K值為1: 0、2: 1、1: 1和1: 2時，生物炭土壤中總鹽含量分別為2553、3980、4583和4670mg/L，當(dāng)S/K值為1: 2和1: 1時，總鹽含量為1: 1。

3.結(jié)論

①城市污泥和餐廚垃圾協(xié)同厭氧消化系統(tǒng)具有良好的緩沖能力。厭氧消化液的VFA/ALK值保持在0.10~0.12，VFA保持在1093~1529mg/L，堿度在不同物料比下保持在10321~13688mg/L，厭氧消化系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

②污泥和餐廚垃圾的協(xié)同處理提高了厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)氣能力。隨著廚余垃圾比例的增加，VS降解率和VS產(chǎn)氣率呈增加趨勢。當(dāng)污泥與餐廚垃圾的比例為1: 2時，協(xié)同厭氧消化效果較好，VS降解率達(dá)到79.4%，VS產(chǎn)氣率為0.56m3/(kgVS• D)，甲烷含量達(dá)到61.4%，H2S產(chǎn)量為77.4mg/m3。

③污泥純凈時，沼氣中CH4的比例較高，但H2S的產(chǎn)量較低。當(dāng)污泥純凈時，H2S的產(chǎn)量高。加入污泥后，H2S產(chǎn)量迅速下降。餐廚垃圾和污泥協(xié)同處理有利于降低沼氣中H2S的含量。

④隨著廚余垃圾在材料中所占比例的增加，生物炭土壤重金屬含量顯著降低，而全鹽含量增加。當(dāng)污泥與餐廚垃圾的比例為1: 2時，生物炭土壤中重金屬含量明顯低于純污泥，而總鹽含量與1: 1時差異不顯著。(來源:鎮(zhèn)江市水業(yè)總公司、江蘇宏潤生物質(zhì)能源科技有限公司)

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