摘要:对垃圾渗滤液与厨余垃圾进行混合厌氧消化研究,采用中温批式厌氧消化工艺,考察3 g/L和30 g/L有机负荷(以VS计)条件下厌氧消化过程中pH值、产气量、VFA以及甲烷含量的变化,旨在探索有机负荷对厌氧消化产甲烷效果的影响。结果表明,在30 g/L负荷下比3 g/L负荷反应过程更为稳定,且累计生物气产量有大幅提高。2种负荷下系统均能进入产甲烷阶段,最高甲烷体积分数分别达到77.14%和74.47%,VFA质量浓度在反应结束时分别为300 mg/L和336 mg/L。 关键词:垃圾渗滤液,厨余垃圾,混合厌氧消化 卫生填埋由于具有成本低、技术成熟、管理方便等特点,是目前我国处理城市生活垃圾的主要方式。在垃圾填埋过程中,由于压实和微生物的生物降解作用,垃圾中所含的污染物随水分溶出形成垃圾渗滤液[1]。 渗滤液具有污染成分复杂,CODCr、BOD5、氨氮浓度高,营养元素比例失调等特点,传统的物理化学和生物组合工艺都难以保证达标排放。反渗透工艺虽可达到排放标准,但仍存在浓缩液处理、膜污染、建设和运行费用高等问题。垃圾渗滤液性质随着填埋时间的变化而变化,对年轻的垃圾填埋场而言,渗滤液中有机物含量高,其中多数为生物可降解物质,ρ(BOD5)/ρ(CODCr)在0.5左右,具有较好的生物处理可行性[2]。 城市生活垃圾中含有大量的厨余垃圾,是可再生资源,将垃圾渗滤液与厨余垃圾混合厌氧消化,既达到对厨余垃圾进行有效生物处理,又能得到可观的生物气产量,在国内外均是一个创新的研究方向。联合厌氧消化是厌氧消化过程中同时处理2种或多种来源的有机废物。由于联合消化可以在消化物料中建立一种良性互补,这样就能够提高固体垃圾厌氧消化的产气量与产气率,而且工艺设备的共享可以减少成本,提高经济效益[3]。
1.2 试验方法及装置
1.3 分析方法
由图2 可以看出,2 种负荷水解酸化和甲烷化过程呈现出类似的趋势,pH 值表现为先下降后上升,而VFA 则为先上升后下降。以30 g/L 有机负荷为例, 由于物料的水解酸化,pH 值在第2 天下降至6.7,并在随后的的3 d 保持在此水平。与pH 值的变化相对应,VFA 质量浓度则呈现上升的趋势,在第5天上升至13 080 mg/L。之后,由于发酵过程产生的CO2与物料中含氮有机物的脱氨作用共同形成碳酸氢铵溶液, 使反应系统具有缓冲能力,pH 值逐渐上升至中性范围。VFA 从第5 天开始逐渐下降,pH 值则继续缓慢上升。从图2 可以明显看出,在30 g/L 负荷下,从第5 天至第27 天,pH 值始终处于7.0 ~ 7.5之间, 说明系统具有较高的缓冲性能, 系统运行稳定。此后VFA 继续下降,但较之前一阶段,下降速率趋于缓慢,pH 值则继续上升。至实验结束时,VFA 质量浓度下降至336 mg/L,pH 值上升至8.0。pH 值是厌氧消化过程的重要指标, 不仅影响厌氧微生物的活性,还对中间代谢产物的毒性有重要影响,因此保持pH 值的相对稳定, 对于厌氧消化过程的稳定运行有重要作用[11]。在渗滤液的厌氧处理中,常因pH值的过快上升而在反应后期造成氨氮的严重抑制,从而影响处理效果。而在厨余垃圾的厌氧消化过程中, 又常因为物料快速水解酸化引起pH 值的快速下降,进而造成VFA 累积现象[12]。从本实验结果可以看出, 将渗滤液与厨余垃圾混合厌氧消化,pH 值在较长的时间内处于相对稳定的状态, 且处于厌氧微生物较为适应的范围内, 这对厌氧消化的效果是极为有利的。图3 是3 g/L 和30 g/L 有机负荷(以VS 计)条件下VFA 与产气量变化曲线。
由图3 可以看出,2 种负荷下产气量均出现了先上升、后下降然后又上升的趋势。以30 g/L 有机负荷为例,产气量在试验起始阶段缓慢上升,与之对应的是VFA 的质量浓度上升并达到最高点(13 080mg/L),此阶段产生的气体主要是物料在水解酸化过程中产生的N2和CO2。之后产气量继续上升,并在第11 天达到第一个峰值(310 mL),VFA 则开始下降,这是因为系统中的丁酸、丙酸、乙醇等在产氢产乙酸菌的作用下逐渐转化为乙酸, 在此过程中会产生大量的H2和CO2。之后由于系统逐渐过渡到产甲烷阶段,产甲烷细菌将乙酸转化为CH4和CO2,从第12 天开始产气量快速上升, 并在第17 天达到最高点(710 mL),VFA 则快速下降。此后随着VFA 被降解至较低的水平,产气量快速下降。由实验结果可以看出, 与3 g/L 相比,30 g/L 负荷下具有更快的水解酸化速率,VFA 快速到达最高点之后又被快速降解。而在3 g/L 负荷下,VFA 上升缓慢,在较长一段时间内处于较高的浓度,pH 值长时间处于酸性范围内,分子态有机酸对产氢产乙酸菌产生了抑制,系统形成抑制性稳态[13],这可能是系统在长达10 d 的时间内停止产气的原因。2 种负荷下,产气量在产甲烷阶段均表现为快速上升后又快速下降的特点, 这是因为在批式厌氧消化系统中, 中间产物的浓度处于动态变化的过程,前期底物丰富,产气量快速上升,而随着底物浓度快速下降,产气量也随之下降。图4 为3 g/L 和30 g/L 有机负荷(以VS 计)条
由图4 可以看出, 30g/L 负荷下在第12 天之前,系统中几乎没有甲烷产生。从第12 天开始, 甲烷含量逐渐上升。从第17 天到第28 天, 甲烷体积分数稳定在60% ~ 80%范围内,最高达到74.5%。而在3 g/L 下, 系统在第25 天到第31 天甲烷含量处于较高水平,之后便迅速下降。由实验结果可以看出,30 g/L 负荷比3 g/L 更快进入产甲烷阶段,且稳定产甲烷的时间更长。其主要原因是在30 g/L 下, 系统pH 值变化更为稳定,pH值长时间稳定在产甲烷菌适宜的弱碱性环境中,产甲烷细菌得以快速生长增殖, 并成长为系统的优势菌种。而在3 g/L 负荷下,由于有机负荷偏低,微生物缺乏足够的碳源,从而造成厌氧微生物生长缓慢。图5 表示的是2 种有机负荷下的累计生物气产量,从图中可以看出,30 g/L 负荷下比3 g/L 负荷产气量有了大幅度提升, 可见在30 g/L 负荷下由于营养结构更为合理,反应过程更为稳定,可获得更好的厌氧消化效果。。
3 结论 |