高温/中温两相厌氧消化处理混合基质的性能评价

出　　自： 《中国给水排水》 1995年第2期第14页
发表时间： 1995-2

赵庆良；王宝贞(哈尔滨建筑大学)；G·库格尔(联邦德国尼尔河水管会)

摘要：高温/中温两相厌氧消化工艺，用于同时处理城市污水厂污泥和其它高浓度有机废物是一个崭新的课题，特别是将高温水解产酸相反应器的温度提高到75℃、水力停留时间控制在2.5d更是一种新的尝试。本课题源于生产实际需要而开展中试规模试验研究，目的在于考察高温/中温(75℃、2.5d/37℃、10d)两相厌氧消化反应器系统，分别同时处理污水厂污泥与主要含碳水化合物的废物(马铃薯加工废物)、污泥与主要含蛋白质的废物(猪血)及污泥与主要含脂类废物(灌肠加工废物)时的效能变化，为拟建实际规模高温/中温两相厌氧消化系统提供技术依据。

1 试验设施与方法

　　本试验研究采用的是高温/中温两相厌氧消化处理的中试规模试验设施，即产酸相的高温消化作为第一段消化反应器FB1，而产甲烷相的中温消化作为第二段消化反应器FB2。因为该系统是用于研究同时处理污泥及高浓度有机废物时厌氧消化反应器的性能，故在高温消化反应器FB1前分别设置贮泥罐及有机废物罐。FB1和FB2的有效容积分别为0.650m 3 和1.950m 3 。在FB1和FB2的中心轴上装有螺旋浆搅拌器进行机械搅拌混合。采用外部水浴加热式交换器、由丙烷气燃烧进行加热。温度控制采用Pt100温度控制器，用以自动控制FB1温度为75±1℃，FB2温度为37±0.5℃。试验流程见图1。
　　待处理组合基质是由联邦德国GOCH污水处理厂的二次污泥及各不同加工厂的高浓度有机废物组成。先后用于该试验研究的有机废物有马铃薯加工厂产生的马铃薯加工废物，屠宰场的猪血及灌肠加工厂产生的肠类加工废物，目的在于分别考察污泥消化池在投入主要含有碳水化合物、蛋白质或脂质的典型高浓度有机废物后，增加有机负荷时厌氧消化系统的性能变化。基质投配采用半连续型式，即污泥和高浓度有机废物每日分别由贮泥罐和废物罐每隔8h分三次由泵经流量计IDM投配至FB1，由FB1排出的一级消化污泥在容器1贮存15 ~30min，再由泵经流量计IDM计量投配至FB2，经FB2消化后的二级消化污泥经容器2后排至地面污泥井，再由泵排出。整个过程均自动进行。

　　本试验研究设计的产酸相高温消化反应器停留时间为2.5d，产甲烷相的中温消化反应器停留时间为9~10d(或14d)，故混合基质投配量分别为FB1约0.225m 3 /d、FB2约0.200m 3 /d(或0.140m 3 /d)。按照组合基质不同和基质比例投加情况，高温/中温两相厌氧消化的研究分为四个系列连续进行，试验进程及各系列持续时间如图2所示。

2 试验结果与讨论

　　2.1 混合基质及消化反应器的特性
　　污泥与各高浓度有机废物形成的混合基质及有关高温/中温厌氧消化反应器系统各参数的变化特性示于表1，其中各值都是经多次分析测定后计算所得平均值。由该表可以看出:只有在试验系列3—2中混合基质在FB2中的停留时间为14d，其余皆为t FB1 =2.5d，t FB2 =10d；在用以处理污泥与猪血的试验系列3-2中，两相厌氧消化系统承受较高的总固体负荷、有机负荷，其平均值分别为25.31kgTS/m 3 ·d和16.32kgVS/m 3 ·d；FB2承受的负荷变化均较平稳，可见在某种程度上它起了均匀负荷的作用。
　　2.2 pH值变化
　　对于厌氧消化过程运行而言，经常检测pH 值并掌握其变化趋势显得尤为重要。在本试验系列1至系列4中，分别对原生污泥、高浓度有机废物(包括马铃薯加工废物、猪血、肠类加工废物)，二者按比例混合样，FB1消化后及FB2 消化后污泥的pH值进行检测。
　　混合基质经高温消化2.5d后，其pH值时而略高于或时而低于进料混合基质pH值。但从总的测定结果计算，混合基质经高温消化后pH值低于消化前的pH值，这表明进料混合基质经75℃停留2.5d的短时高温消化后确实发生了酸化，即复杂的有机化合物诸如碳水化合物、蛋白质、脂肪等发生了水解产酸；经FB1消化后的污泥再经中温消化10d(或试验系列3-2中的14d)后，正常运转条件下pH值平均升高至7.44~8.05左右，即第一段产酸相的产物进行了甲烷发酵(碱性发酵)。

　　需指出的是在试验系列1中，FB2消化后污泥的pH值在5月6日只有6.54，其原因可能是在4月12日(全天)及4月13日(5个小时)先后两次发生消化器加热干扰现象，温度降至25~30℃；再则是4月27日由于投配污泥至FB1的流量计(IDM)发生干扰，只投配了100%马铃薯加工废物。这两种干扰可能造成甲烷菌生长环境的扰动，致使PH值下降。为了恢复FB2消化反应器的PH值至7.5左右，于5月6日在FBI消化后污泥中一次投加4290 gNaOH(20%体积)，均匀混合后抽至FB2中，结果经过10d左右时间PH值即升至7.40以上，一直稳定运行。
　　2.3 TS与VS变化
　　TS反映了厌氧消化前后基质中总固体的变化情况，而VS则反映了总固体TS中有机组分改变。表2则是各试验系列中TS与VS的平均去除率，在系列3投加污泥与猪血的试验中，TS与VS值最大；在整个试验过程中，FBI消化后污泥的TS与VS在很大程度上取决于进料基质的TS与VS大小，这与文献中结论一致 [1] ，且其去除TS与VS能力不大，因为高温产酸相主要目的在于水解产酸而不在于对TS 和VS的去除；经FBZ消化后污泥的TS与VS 变化幅度较小，且绝大部分TS与VS都是在中温消化段去除的，其平均去除率为η TS =16.94 ~44.11%，η VS =33.61~49.38%。

　　2.4 COD变化
　　COD是衡量生化反应器去除有机物的另一项有机污染指标。在整个试验系列中，分别检测了原生污泥、高浓度有机物(包括马铃薯加工废物、猪血和肠类加工废物)、二者的混合基质、FB1和FB2的消化后污泥COD值，表3是检测结果的典型值。混合基质经FB1高温消化后，多数情形下COD值略高，这可能是由于混合基质中难于生物降解或氧化的高分子有机物变成了易于降解与氧化的小分子的原故，这与文献中用于处理污泥的两根消化结论一致 [2] 经FB1高温消化后的污泥，进一步经FB2中温消化后COD值大幅度降低，在试验系列1、2、3一1、3-2和4中，FB2对COD的平均去除率分别为50%、61%、55%、55%和51%。可见，与TS和VS的去除一样，COD也主要是在FB2 中降解去除的。

　　2.5 日产气量及产气车的变化
　　在5月6日，对应于最低PH值6.54，其FB2产气量仅为0.097m 3 /d(0.51m 3 /m 3 RS)，而投加碱后产气量迅速回升至 2.34m 3 /d(11.64m 3 /m 3 RS)，进一步　　说明在甲烷发酵的FB2 反应器内保持碱性条件是多么重要。各试验系列中的日产气量和产气率的平均值列于表4，其中包括投加单位重量VS产气率(Gm,vs。)和分解去除单位重量VS产气率(Gm,vs r )的平均值。由该表可见，主要产气相FB2平均日产气量，系列4中为最高达4.020m 3 /d；处理单位体积组合基质产气率，系列3-2中为最大23.73m 3 /m 3 RS，这可能是由于基质在FB2中停留时间较长，进料相对较少之故。单位重量VS比产气率也在系列3-2中为最大，其值为0.702m 3 /kgVS 0 ；分解去除单位重量VS时的比产气率在系列1中为最高，其值为1.861m 3 /kgVS r

　　2.6 CH₄ 的体积组成和比产率变化
　　厌氧消化的主要目的不仅稳定有机物，还产生CH₄ 气体，因而CH₄ 产量及产率是衡量厌氧过程的又一重要指标。一些文献资料表明 [3，4] :运行良好的中温厌氧消化池产气中CH₄ 的体积组成多在60~70%左右，也可能低于或高出此范围。在本试验过程中，高温消化FB1 反应器仅产生少量或没有CH₄ ，大部分为CO₂ 和H 2 ；而中温消化FB2反应器则产生大量CH₄ ，这与文献中结论基本一致 [5] 。将各试验系列中用以处理不同组合基质时CH₄ 平均组成，系统处理单位重量VS的CH₄ 比产率 、系统去除单位重量VS的CH₄ 比产率 和系统去除单位重量COD时CH₄ 比产率 的平均值列于表5。FB2产CH₄ 的平均体积组成为65~75%(干扰除外)，FB2处理单位重量VS时CH₄ 平均产率为0.397~0.511m 3 /kgVS 0 ；分别去除单位重量VS时CH₄ 平均产率为1.087~1.25m 3 /kgVS；从理论上讲 [6、7、8] ,分解每kgCOD或BOD u 的CH₄ 产率为0.35m 3 CH₄ /kgCOD r ，但试验中由于基质种类、负荷率、pH、混合及温度等诸多因素影响，以COD去除表示的CH₄ 平均产率在试验系列1和2中低于理论值，而在系列3和4中均高于理论值，介于0.265~0.504m 3 /kgCOD r 之间。
表5 C 4 的平均体积组成和比产率

　　2.7 有机酸
　　有机酸是厌氧消化过程中有机物降解时产生的重要中间产物，大部分CH₄ 气体都是源于有机酸的进一步分解而形成的，因此由厌氧消化最终排泥中有机酸的含量可以大致判定厌氧操作过程的好坏，它是厌氧消化过程中另一项重要性能指标。
　　在试验过程中，用蒸馏法测定有机酸(VFA)含量，每周进行两次，样品包括污泥与高浓度有机废物(分别为马铃薯加工废物、猪血及肠类加工废物)的比例组合样、　　FB1和FB2 消化后的污泥。混合基质的VFA介于2023~5802mgHAc/L之间，各系列中平均VFA浓度在3113~4300mgHAc/L之间，比一般报导的原生污泥VFA浓度　　(500~1500mgHAc/L)高，表明待处理混合基质(尤其是污泥)在运送到试验场所之前或在其贮存过程中已经发生了酸化。混合基质经FB1高温消化后，在系列1和2中VFA平均浓度分别为3746mgHAc/L和4369mgHAc/L，与其在进料基质中VFA浓度(分别为3452mgHAc/L和4300mgHAc/L)基本上相等；而在系列3和4中，VFA浓度大幅度升高。当经FB1消化后的污泥进一步经FB2中温消化后，在稳定状态下VFA浓度大幅度降低，平均在43~433mgHAc/L之间。在5月6日检测的FB2消化后污泥的VFA浓度高达　　4397mgHAc/L，因而pH值降低至6.54 时产气及产CH₄ 几乎停止，而在投加碱10d以后VFA降低至常态，并保持稳定状态。
　　在系列3-1中，由于系统处理混合基质的有机负荷增高(参见表1)，因而FB2消化后污泥的VFA浓度也高达1712mgHAc/L，当延长水力停留时间由10d至试验系列3-2的14d 后，尽管有机负荷仍在增加，但FB2中VFA逐步下降至433mgHAc/L。从各试验系列FB2中VFA浓度的变化，投加碱或适当延长其水力停留时间(减少负荷)是恢复中温消化反应器的弥补措施。不过在系列3-1中，尽管FB2中VFA 浓度升高，但系统仍在正常运行，产气和产CH₄ 也并未因此而降低或中止。有资料表明 [9、10] ，运行良好的厌氧消化反应器，VFA浓度应<500mgHAc/L，最好是<300mgHAc/L。醋酸浓度在200~400mgHAc/L，通常认为是正常的、良好消化 [7] 。从这些观点来看，高温/中温两相厌氧消化系统在未有外在因素干扰或负荷恒定条件下，基本处于满意运行状态。

3 试验结论

　　高温/中温两相厌氧消化用于分别同时处理城市污水厂污泥和一定比例的其它高浓度有机废物(主要含碳水化合物的马铃薯加工废物、主要含蛋白质的猪血及主要含脂肪的灌肠加工废物)，在技术上是可行和有效的。通过对评价厌氧消化反应器系统的几项重要指标，如pH 值、TS与VS变化、COD变化、产气和产CH4 率及有机酸浓度的试验结果、分析与讨论可知，控制高温产酸相在75℃和2.5d可基本达到水解与产酸的目的，控制中温产甲烷相在37℃和10d(或14d)可达到最大产气与产CH4 的目的。在外界环境条件不变或系统不受加热变化等因素的影响时，高温/中温两相厌氧消化系统具有较大的稳定性。

4 参考文献

　　1. H. Kapp, "Die Bedeutung des Feststoffgehalts bei der Schlammfaulung",Wasserwirtschaft 71, Nr. 11. S. 319-322,1981
　　2. Sambhunath Ghosh,John C. Conrad, Donald L. Klass,"Anaerobic Acidogenesis of Wastewater Sludge", Journal WPCF,Vol,47,No,1,PP 30-45,1975
　　3. Uwe Temper, Anton Steiner, Joseph Winfer, Otto Kandler,"Thermophile -Stand und Aussichten", Mikrobiologische und verfahrentechnische Optimierung biologischer Abbauprozesse, BMFT-Statusseminar,S. 19-38,16/17.7.1981
　　4. Sabine Kunst. Wolfgang Koenemann, Klaus Mudrack,"Untersuchmngen die anaerobe Abbaubarkeit von Fattund eiweiphaltigen Abwasser in Festbettreaktoren",gwf-Wasser/abwasser 426, H.2,S.65-75,1985
　　5. P. Koppe,G. Reinnarth,R. Klopp,H. Herkelmann, "Vorund Nachteil der thermophilen Faulung aufgrund von Laborversuchen und technischer Versuchen ", ·Wasser·Abwasser, 19, Essener Tagung von12. 2-14,2.1986 in Aachen,S.259-288.1986
　　6. McCarty P. L. ,"Anaerobic Process", Presented at the Birminham short course on Design Aspects of Biological Treatment, International Association of Water pollution Research, Birminham, England, Sep. 18,1974
　　7.C.P.Leislie Grady Jr，& Herry C.Lim 著，李献文、杨西昆等译，“废水生物处理理论与应用”，中国建筑工业出版社，1989
　　8.秦麟源，“废水生物处理”，同济大学出版社，1989
　　9.Waltor Triaberl，“Leitfaden für den Betrieb von ”，ZFGW-Verlag GmbH，Frankfurt/Main -W13，S.171，1965
　　10.顾夏声，“废水生物处理数学模式”，清华大学出版社，1982

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作者简介:赵庆良，哈尔滨建筑大学土木水利站博士后、讲师。
通讯处:15006哈尔滨市南岗区大直街144号