垃圾滲濾液與廚余垃圾混合厭氧消化研究

1、垃圾滲濾液與廚余垃圾混合厭氧消化研究王濤，張文陽（西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都610031）摘要：對垃圾滲濾液與廚余垃圾進(jìn)行混合厭氧消化研究，采用中溫批式厭氧消化工藝，考察3g/L和30g/L有機負(fù)荷（以VS 計）條件下厭氧消化過程中pH 值、產(chǎn)氣量、VFA 以及甲烷含量的變化，旨在探索有機負(fù)荷對厭氧消化產(chǎn)甲烷效果的影響。結(jié)果表明，在30g/L負(fù)荷下比3g/L負(fù)荷反應(yīng)過程更為穩(wěn)定，且累計生物氣產(chǎn)量有大幅提高。2種負(fù)荷下系統(tǒng)均能進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段，最高甲烷體積分?jǐn)?shù)分別達(dá)到77.14%和74.47%，VFA 質(zhì)量濃度在反應(yīng)結(jié)束時分別為300mg/L和336mg/L。關(guān)鍵詞：垃圾滲濾液；

2、廚余垃圾；混合厭氧消化中圖分類號:X7文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1674-4829(201103-0025-04衛(wèi)生填埋由于具有成本低、技術(shù)成熟、管理方便等特點，是目前我國處理城市生活垃圾的主要方式。在垃圾填埋過程中，由于壓實和微生物的生物降解作用，垃圾中所含的污染物隨水分溶出形成垃圾滲濾液1。滲濾液具有污染成分復(fù)雜，COD Cr 、BOD 5、氨氮濃度高，營養(yǎng)元素比例失調(diào)等特點，傳統(tǒng)的物理化學(xué)和生物組合工藝都難以保證達(dá)標(biāo)排放。反滲透工藝雖可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，但仍存在濃縮液處理、膜污染、建設(shè)和運行費用高等問題。垃圾滲濾液性質(zhì)隨著填埋時間的變化而變化，對年輕的垃圾填埋場而言，滲濾液中有機物含量高，其

3、中多數(shù)為生物可降解物質(zhì)，（BOD 5）/（COD Cr ）在0.5左右，具有較好的生物處理可行性2。城市生活垃圾中含有大量的廚余垃圾，是可再生資源，將垃圾滲濾液與廚余垃圾混合厭氧消化，既達(dá)到對廚余垃圾進(jìn)行有效生物處理，又能得到可觀的生物氣產(chǎn)量，在國內(nèi)外均是一個創(chuàng)新的研究方向。聯(lián)合厭氧消化是厭氧消化過程中同時處理2種或多種來源的有機廢物。由于聯(lián)合消化可以在消化物料中建立一種良性互補，這樣就能夠提高固體垃圾厭氧消化的產(chǎn)氣量與產(chǎn)氣率，而且工藝設(shè)備的共享可以減少成本，提高經(jīng)濟(jì)效益3。在城市生物質(zhì)垃圾聯(lián)合厭氧消化中，研究較多的是生物質(zhì)垃圾和市政剩余污泥的聯(lián)合消化。SOSNOWSKI 等4對污泥與城市可生

4、化垃圾進(jìn)行了聯(lián)合厭氧消化研究，發(fā)現(xiàn)加入可生化垃圾使污泥的（C ）/（N ）由91提高到141，采用污泥與可生化垃圾按揮發(fā)性固體物（VS ）質(zhì)量比75%25%的比例混合，甲烷產(chǎn)率達(dá)到0.40.6L/g，并且發(fā)現(xiàn)采用半連續(xù)兩相消化效率更高。NEVES 等5對咖啡廢物與污泥進(jìn)行了聯(lián)合厭氧消化研究，發(fā)現(xiàn)咖啡廢物具有較高的水解速率，獲得了0.240.28m 3/kg（以VS 計）的甲烷產(chǎn)率，VS 去除率收稿日期：2011-04-02作者簡介：王濤(1984-，男，山東淄博人，碩士研究生，主要從事固體廢棄物處置及資源化研究理論與技術(shù)方面工作.通訊作者：張文陽，E-mail ：steven_wyzhang.

5、Anaerobic Co-digestion of Refuse Leachate and Kitchen WasteWANG Tao,ZHANGWen-yangAbstract ：This experiment presents anaerobic co-digestion of refuse leachate and kitchen waste in a batch model under mesotherm condition. The values of pH, biogas yield, volatile fatty acid (VFAand methane concentratio

6、n in the digestion process were investigated with the organic load of 3g/Land 30g/L(accountedby VS. The results indicated that the digestion process with the organic load of 30g/Lwas more stabilize than that of 3g/L,and its cumulative biogas yield was improved. The digestion system of both organic l

7、oads can transit to methanogenic stage. The highest methane concentration of the biogas at the reaction end was 77.14%and 74.47%, and the VFA concentration was 300mg/Land 336mg/L,respectively.Key words ：Refuse leachate; Kitchen waste; Anaerobic co-digestion第24卷第3期2011年6月環(huán)境科技Environmental Science and

8、 TechnologyVol24No 3J un 2011環(huán)境科技2011年6月圖2批式進(jìn)料下2種有機負(fù)荷pH 值及VFA 變化曲線達(dá)到75%80%。朱亞蘭等6對城市可生化垃圾與厭氧剩余污泥進(jìn)行了批式混合厭氧消化研究，確定了不同有機負(fù)荷條件下的酸化過程特性。還有一些學(xué)者對生物質(zhì)垃圾與畜禽糞便進(jìn)行了聯(lián)合厭氧消化研究，HAMED 等7對牛糞與食品垃圾進(jìn)行聯(lián)合厭氧消化研究，采用按VS 質(zhì)量比68%32%和52%48%2種比例對牛糞和食品垃圾進(jìn)行混合，分別取得了282L/kg和311L/kg的甲烷產(chǎn)率。HINRICH 等8對城市生物質(zhì)垃圾與糞便進(jìn)行高溫聯(lián)合厭氧消化，結(jié)果在水力停留時間1418d ，有機

9、負(fù)荷為3.34.0g/L時，糞便比例為50%時，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，表現(xiàn)出高的甲烷產(chǎn)率及低的揮發(fā)性有機酸（VFA ）濃度，甲烷產(chǎn)率達(dá)到0.630.71L/g。RENE 等9采用半連續(xù)方式對屠宰場固體廢物、糞便和果蔬廢物進(jìn)行聯(lián)合厭氧消化，3種物料采用相同的VS 比例混合，在有機負(fù)荷0.31.3kg/m3·d 可以獲得0.3m 3/kg的甲烷產(chǎn)率，甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到54%56%，當(dāng)進(jìn)一步增加負(fù)荷時，由于系統(tǒng)有機負(fù)荷過載以及緩沖性能不足，甲烷產(chǎn)量下降。由于廚余垃圾（C ）/（N ）相對偏高，在厭氧消化過程中容易造成揮發(fā)性脂肪酸累積。將氨氮含量較高的滲濾液與廚余垃圾進(jìn)行混合厭氧消化，可以調(diào)節(jié)物料的（

10、C ）/（N ），提高反應(yīng)過程的穩(wěn)定性10。鑒于目前國內(nèi)外關(guān)于垃圾滲濾液與廚余垃圾混合厭氧消化方面的研究鮮有報道，本實驗旨在研究此種處理方式的可行性以及產(chǎn)甲烷效果，探索厭氧消化過程中各指標(biāo)的變化規(guī)律，從而為垃圾滲濾液處理與廚余垃圾資源化提供新的參考。1材料與方法1.1實驗原料實驗所用的廚余垃圾取自西南交通大學(xué)北園生活區(qū)垃圾場，垃圾滲濾液取自成都長安垃圾填埋場，為早期滲濾液，實驗前先在中溫下培養(yǎng)一段時間，相關(guān)原料及滲濾液性質(zhì)見表1。1.2試驗方法及裝置實驗采用批式進(jìn)料，即將實驗物料一次性投入反應(yīng)器中，反應(yīng)結(jié)束后一次性排出，分別考察有機負(fù)荷為3g/L和30g/L（以VS 計）下的厭氧消化情況。批式

11、實驗裝置以1L 抽濾瓶作為厭氧發(fā)酵罐，置于恒溫水浴中，保持溫度為35。消化產(chǎn)生的氣體進(jìn)入裝有飽和碳酸氫鈉溶液的集氣瓶中，采用排水法收集。實驗裝置如圖1所示。1.3分析方法總固體（TS ）：重量法（CJ/T56-2004）；VS ：烘干法；VFA ：蒸餾滴定法；pH 值:pHS-25型精密pH 計；產(chǎn)氣量：排水集氣法；氣體成分：GC ·7AG 氣相色譜儀；COD ：重鉻酸鉀法（GB 11914-89）。2實驗結(jié)果及討論圖2為3g/L和30g/L有機負(fù)荷（以VS 計）條件下pH 值及VFA 變化曲線。由圖2可以看出，2種負(fù)荷水解酸化和甲烷化過程呈現(xiàn)出類似的趨勢，pH 值表現(xiàn)為先下降后上升

12、，而VFA 則為先上升后下降。以30g/L有機負(fù)荷為例，由于物料的水解酸化，pH 值在第2天下降至6.7，并在隨后的的3d 保持在此水平。與pH 值的變化相對應(yīng)，VFA 質(zhì)量濃度則呈現(xiàn)上升的趨勢，在第5天上升至13080mg/L。之后，由于發(fā)酵過程產(chǎn)生的CO 2與物料中含氮有機物的脫氨作用共同形成碳酸氫銨溶液，使反應(yīng)系統(tǒng)具有緩沖能力，pH 值逐漸上升至中性范圍。VFA 從第5天開始逐漸下降，pH 值則繼續(xù)緩慢上升。從圖2可以明顯看出，在30g/L負(fù)荷下，從第5天至第27天，pH 值始終處于7.07.5之間，說明系統(tǒng)具有較高的緩沖性能，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。此后VFA 繼續(xù)下降，但較之前一階段，下降速率

13、趨于緩慢，pH 值則繼續(xù)上升。至實驗結(jié)束時，VFA 質(zhì)量濃度下降至336mg/L，pH 值上升至8.0。pH 值是厭氧消化過程的重要指標(biāo)，不僅影響厭氧微生物的活性，還對中間代謝產(chǎn)物的毒性有重要影響，因此保持pH 值的相對穩(wěn)定，對于厭氧消化過程的穩(wěn)定運行有重要作用11。在滲濾液的厭氧處理中，常因pH 值的過快上升而在反應(yīng)后期造成氨氮的嚴(yán)重抑制，1. 取樣口；2. 加樣口；3. 導(dǎo)氣口；4. 消化瓶；5，6. 集氣瓶；7. 量杯；8. 水浴鍋圖1試驗裝置表1實驗物料性質(zhì)廚余垃圾/%(TS6.96(VS76.71pH 值6.0(TS28608(CODCr 10361.8(VFAr 10080(NH3

14、-N 1737.24(堿度 5678.1垃圾滲濾液/(mg·L -11234567858075706560t /d135791113151719212325272931333537394143454714000120001000080006000400020000(V F A /(m g ·L -1p H 值3g ·L -130g ·L -126第24卷第3期從而影響處理效果。而在廚余垃圾的厭氧消化過程中，又常因為物料快速水解酸化引起pH 值的快速下降，進(jìn)而造成VFA 累積現(xiàn)象12。從本實驗結(jié)果可以看出，將滲濾液與廚余垃圾混合厭氧消化，pH 值在較長的時

15、間內(nèi)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，且處于厭氧微生物較為適應(yīng)的范圍內(nèi)，這對厭氧消化的效果是極為有利的。圖3是3g/L和30g/L有機負(fù)荷（以VS 計）條件下VFA 與產(chǎn)氣量變化曲線。由圖3可以看出，2種負(fù)荷下產(chǎn)氣量均出現(xiàn)了先上升、后下降然后又上升的趨勢。以30g/L有機負(fù)荷為例，產(chǎn)氣量在試驗起始階段緩慢上升，與之對應(yīng)的是VFA 的質(zhì)量濃度上升并達(dá)到最高點(13080mg/L，此階段產(chǎn)生的氣體主要是物料在水解酸化過程中產(chǎn)生的N 2和CO 2。之后產(chǎn)氣量繼續(xù)上升，并在第11天達(dá)到第一個峰值(310mL ，VFA 則開始下降，這是因為系統(tǒng)中的丁酸、丙酸、乙醇等在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用下逐漸轉(zhuǎn)化為乙酸，在此過程中會產(chǎn)

16、生大量的H 2和CO 2。之后由于系統(tǒng)逐漸過渡到產(chǎn)甲烷階段，產(chǎn)甲烷細(xì)菌將乙酸轉(zhuǎn)化為CH 4和CO 2，從第12天開始產(chǎn)氣量快速上升，并在第17天達(dá)到最高點(710mL ，VFA 則快速下降。此后隨著VFA 被降解至較低的水平，產(chǎn)氣量快速下降。由實驗結(jié)果可以看出，與3g/L相比，30g/L負(fù)荷下具有更快的水解酸化速率，VFA 快速到達(dá)最高點之后又被快速降解。而在3g/L負(fù)荷下，VFA 上升緩慢，在較長一段時間內(nèi)處于較高的濃度，pH 值長時間處于酸性范圍內(nèi)，分子態(tài)有機酸對產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌產(chǎn)生了抑制，系統(tǒng)形成抑制性穩(wěn)態(tài)13，這可能是系統(tǒng)在長達(dá)10d 的時間內(nèi)停止產(chǎn)氣的原因。2種負(fù)荷下，產(chǎn)氣量在產(chǎn)甲烷階段

17、均表現(xiàn)為快速上升后又快速下降的特點，這是因為在批式厭氧消化系統(tǒng)中，中間產(chǎn)物的濃度處于動態(tài)變化的過程，前期底物豐富，產(chǎn)氣量快速上升，而隨著底物濃度快速下降，產(chǎn)氣量也隨之下降。圖4為3g/L和30g/L有機負(fù)荷（以VS 計）條件下甲烷含量變化曲線。由圖4可以看出，30g/L負(fù)荷下在第12天之前，系統(tǒng)中幾乎沒有甲烷產(chǎn)生。從第12天開始，甲烷含量逐漸上升。從第17天到第28天，甲烷體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在60%80%范圍內(nèi)，最高達(dá)到74.5%。而在3g/L下，系統(tǒng)在第25天到第31天甲烷含量處于較高水平，之后便迅速下降。由實驗結(jié)果可以看出，30g/L負(fù)荷比3g/L更快進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段，且穩(wěn)定產(chǎn)甲烷的時間更長。其主

18、要原因是在30g/L下，系統(tǒng)pH 值變化更為穩(wěn)定，pH 值長時間穩(wěn)定在產(chǎn)甲烷菌適宜的弱堿性環(huán)境中，產(chǎn)甲烷細(xì)菌得以快速生長增殖，并成長為系統(tǒng)的優(yōu)勢菌種。而在3g/L負(fù)荷下，由于有機負(fù)荷偏低，微生物缺乏足夠的碳源，從而造成厭氧微生物生長緩慢。圖5表示的是2種有機負(fù)荷下的累計生物氣產(chǎn)量，從圖中可以看出，30g/L負(fù)荷下比3g/L負(fù)荷產(chǎn)氣量有了大幅度提升，可見在30g/L負(fù)荷下由于營養(yǎng)結(jié)構(gòu)更為合理，反應(yīng)過程更為穩(wěn)定，可獲得更好的厭氧消化效果。3結(jié)論（1）將廚余垃圾與垃圾滲濾液進(jìn)行混合厭氧消化具有可行性，利用垃圾滲濾液氨氮含量高的特性，可以有效地調(diào)節(jié)物料的（C ）/（N ），增加系統(tǒng)的緩沖性能，使水解酸

19、化及甲烷化過程穩(wěn)定進(jìn)行。（2）在30g/L負(fù)荷（以VS 計）下反應(yīng)過程更為穩(wěn)定，pH 值在較長的時間內(nèi)處于厭氧微生物適宜的范圍內(nèi)，而在3g/L負(fù)荷下出現(xiàn)了一段時間的停滯期。2種負(fù)荷反應(yīng)結(jié)束時，VFA 質(zhì)量濃度分別被降解至300，336mg/L，說明消化效果良好。（3）在批式反應(yīng)條件下，3g/L負(fù)荷和30g/L負(fù)荷（以VS 計）均能順利進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段，且甲烷體積分?jǐn)?shù)可達(dá)到理想水平(60%80%。相比3g/L負(fù)荷，在30g/L負(fù)荷下系統(tǒng)更快進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段，且穩(wěn)定產(chǎn)甲烷的時間更長，且累計生物氣產(chǎn)量比3g/L負(fù)圖3批式反應(yīng)2種有機負(fù)荷VFA 及產(chǎn)氣量變化曲線圖4批式反應(yīng)2種有機負(fù)荷甲烷含量變化曲線t

20、/d1357911131517192123252729313335373941434547140001200010000800060004000200008007006005004003002001000V （生物氣）/m L（V F A ）/（m g ·L -1）3g ·L -130g ·L -1t /d1008060402001471013161922232528313437(甲烷 /%3g ·L -130g ·L -1圖5批式反應(yīng)2種有機負(fù)荷累計生物氣產(chǎn)量王濤等垃圾滲濾液與廚余垃圾混合厭氧消化研究600050004000300020001

21、0000V （生物氣）/m L33036505346有機負(fù)荷/（g ·L -1）27環(huán)境科技2011年6月4鄭彤, 陳春云. 環(huán)境系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2004:260.5張衛(wèi)東. 城市河道污染控制與水質(zhì)優(yōu)化研究D.揚州:揚州大學(xué),2007.6NIE Jing,YANG Tian-xing,LIU Xiao-duan.Three-dimension mathematical model of total phosphor in the reservoir and application M.Chinese:Chemical Research in Chinese U

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