1、1污泥的中温和高温两相厌氧消化与两级厌氧消化的对比摘要 建立中温消化池与高温消化池中两相消化系统，将高温消化池中的污泥回流至中温消化池内，用此方法检验中温及高温两相厌氧消化系统对污泥的消解能力，并与单级中温与高温厌氧消化作对比。两相厌氧消化系统中挥发性固体的去除程度取决于污泥回流量，去除率为 50.758.8%, 比单级高温厌氧消化时挥发性固体 46.8%的去除率高很多，也比中温厌氧消化时挥发性固体 43.5%的去除率高很多。确切的甲烷产量为424468mL/VS，这与单级中温厌氧消化产生的甲烷量几乎一样。就两相厌氧消化挥发性脂肪酸和可溶解化学需氧量的去除率而言，其运行的稳定性和出水水质优于单
2、级中温厌氧过程中的。两相系统中的总大肠菌类的破坏率为 98.599.6%，与单级高温厌氧消化系统中的相似。挥发性固体与病菌的减少率方面的较好表现及两相厌氧系统的稳定运行都可归因于由于污泥回流而带来的良好的高温厌氧环境，以及厌氧菌的稳定养分，还归因于两相系统中厌氧微生物高亲和性。 关键词：厌氧消化；中温的；高温的；同相；污水污泥 中图分类号： TU992.3 文献标识码： A 文章编号： 1. 简介 单级中温的彻底混合型厌氧消化广泛应用于废水处理过程中的污泥2减量，并获取以沼气为形式的能量。中温厌氧消化通常需要 20 多天的停留时间，但是不能有效地减少挥发性固体及惰性致病菌。为克服这些局限性，人
3、们对利用具有较高代谢率的嗜温菌来降解污泥的高温厌氧消化的兴趣与日俱增14，虽然高温厌氧消化在减少挥发性固体及惰性致病菌的方面表现比较好，但其出水水质和剩余污泥的脱水能力比较差，需要消耗很多的能量2,3,5。高温厌氧消化对运行条件更加敏感，如温度、有机负载率等，还对投入的污泥特性敏感5,6。总的来说，可以从消化环境、微生物及工艺配置方面得出厌氧处理过程的的优化条件，每个过程都有其独特的优势。根据之前的研究710，两相或两级厌氧过程在出水水质、甲烷量、挥发性固体降解率及工艺稳定性方面表现良好。这意味着可以通过厌氧工艺的最佳组合来改善厌氧过程。最近研究了由连续的中温和高温消化池组成的两相厌氧消化（T
4、PAD）过程，目的是合理利用中温和高温厌氧消化的优势1114。相比单级过程12,13,15来说，TPAD 过程可以在较高负载率下运行，并且对病原生物体有更好的灭活作用13,15，而且能够像其他的两级或两相厌氧过程一样具有抗冲击负荷能力8。然而，TPAD 过程第一阶段的高温厌氧消化池仍对环境条件敏感，可能影响到该过程的整体表现及第二阶段的中温厌氧消化池。此外，TPAD 过程中得到的最大挥发性固体的降解程度和确切的甲烷产量与固体停留时间充足的单级厌氧处理过程中得到的结果不太一样12,15。该研究的目的是测试由中温厌氧消化及高温厌氧消化组成的厌氧消化的组合工艺，以便得到更有效的污泥稳定工艺。因此，考
5、察了单级混3合型中温及高温厌氧消化工艺各自的运行状况，来明确各自的特征。同时还研究了新构想的同相厌氧消化的特质，新构想的这种厌氧消化是通过空间分离的中温及高温厌氧消化池之间的污泥交换的方式同时使用两种温度生物化学相，并且将这种新构想与污水污泥的单级厌氧过程作了比较。 2. 材料和方法 2.1. 实验装置 试验中厌氧消化系统的示意图如图 1。两相厌氧消化系统（a）由一个中温消化池(13.6 L)和一个保留高温消化池(5L)组成的。污泥的流入和从系统中排出消化污泥都是在中温消化池中进行。安装了一个内循环管路，用来交换两个温度下消化池中的消化污泥。对于单级厌氧消化系统来说，使用了一个彻底混合型的中温
6、消化池（b）和相同类型的高温消化池（c） ，其有效容量分别为 12.2L 和 5L。试验中用到的所有消化池都是由锥形底的透明丙烯酸管制成。把插在消化池中的恒温器与温度感应器相连。在消化池的外壁缠上一层电热材料，并裹上一层绝缘材料。在消化过程中，中温条件下的污泥温度由恒温器维持在 352，而高温条件下的污泥温度维持在 552。用连接了立式电机的搅拌器对消化池进行完全混合。在消化池盖上有一个气体取样口，以正丁基橡胶塞塞住，方便分析沼气的成分。沼气的产量由一个连接在消化池顶部的排水集气器监控。用硫酸对集气器中的水进行酸化，并加入盐使其饱和，这样就能预防沼气分解。在试验过程中，每天用带有计量的蠕动泵向
7、消化池中均匀注入 4-8 次污泥。 4图 1a:中温高温两相厌氧消化 b:单级中温厌氧消化 c:单级高温厌氧消化 2.2. 试验方法 污水污泥是从 B 市的城市废水处理厂中获得的，使用前储存在 4的冰箱中不到 2 周。在从贮水池中转移到消化池中时，要用一个孔径为 1mm的滤网对污泥过滤，以防止堵塞。厌氧消化污泥是从 B 市一个污泥单级中温厌氧消化池中取得的。这些污泥也要用一个孔径为 1mm 的筛子过滤，去掉杂质，对这些污泥进行完初步分析后就被用作两种厌氧消化系统启动阶段的接种液。表 1 显示了接种污泥和培菌液的一般特性以及单级和同相厌氧消化系统的试验条件。接种污泥的特性，如挥发性固体、化学需氧
8、量（COD） 、碱度等在试验过程中变化很大。 表 1 接种污泥、培菌液特性及试验条件 在试验过程中，单级中温消化池的水力停留时间(HRTs)为 20 天，平均有机负载率为 1.43 g VS/L/d，而高温消化池的水力停留时间(HRTs)为 10 天，平均有机负载率为 2.90 gVS/L/d。对于两相厌氧消化来说，系统的水力停留时间为 21 天，中温与高温消化池之间不同的污泥回流量是污泥初始流量的 7.35, 3.33 及 1.67 倍。与每个污泥回流量相对应，高5温厌氧消化池的污泥停留时间(SRTs)与水力停留时间（HRTs）相同，但是中温厌氧消化池的污泥停留时间则分别减至 2.38, 4
9、.68 和 7.60 天。 2.3. 分析和计算 为监控厌氧过程的性能，每天都从单级和同相厌氧消化系统中取降解污泥样品。根据标准方法，每天都测量 pH 值和碱度，每周分析两次总固体量(TSs)、挥发性固体(VSs)、总化学需氧量(TCODs)和溶解性化学需氧量(SCODs) 16。每天还要用 Anderson 和 Yang 17提议的滴定法测量挥发性脂肪酸(VFA)，每周用高效液相色谱仪(DX-500)分析两次挥发性脂肪酸，该液相色谱柱采用可进行紫外线检测的高压层析 HPX-87H 柱(3007.8 mm)。每天监测沼气的产生量，并用气相色谱分析仪(Gow-Mac 系列 580)分析其成分，气
10、相色谱柱采用可进行导热系数检测的不锈钢立柱(Porapak Q, 筛孔尺寸 80100, 6 英尺1/8)。厌氧过程稳定后，根据标准方法测量 NH4 +-N16。用装有聚合氯化铝离子立柱(AS 144250mm)和电导率检测器的色谱仪分析硫酸盐和正磷酸盐的浓度。计算在 35中培养 36 小时后的菌落并用膜过滤方法测试分解污泥中的总大肠菌含量16。在试验过程中，厌氧消化系统的运行状态的稳定性通过一些参数的的稳定性来表征，这些参数包括 pH 值、挥发性固体、挥发性脂肪酸与碱度之比以及沼气中的甲烷含量。以单位颗粒化学需氧量(PCOD)负载率为基础，根据消化池的每单位体积和 PCOD 的去除率可以估算
11、出确切的水解速率。测定出厌氧过程稳定条件下的试验产生的平均值和标准差，并通过初始污泥和降解污泥的变异补偿特性比较其消化性能。 3. 结果与分析 63.1. 单级中温和高温厌氧消化 在单级厌氧处理过程运行的 70 天中，高温厌氧消化过程的碱度高于中温过程的碱度，如图 2（a）所示。众所周知，厌氧消化中的碱度可通过降解含氮化合物、硫酸盐、磷酸盐的释放及挥发性脂肪酸的增加而形成1820。在本次研究中，高温厌氧过程中的氨氮为 860 mg/L，高于中温厌氧过程中的 630 mg/L（表 2） 。但在单级中温或高温厌氧消化过程中未观察到硫酸盐和磷酸盐的显著差异。这表明高温条件下含氮化合物的降解高于中温条
12、件1921。流入污泥的 pH 值在操作期间逐渐从 7.2降至 6.8，如图 2（b）所示。但是，中温过程的 pH 值从 7.2 增至 7.67，并且稳定在这个值。高温过程的 PH 值稳定在 8.08，比中温过程的高。在我们的实验中，随含氮化合物的降解而增加的碱度和 pH 值与之前的研究一致22,23。高温过程的溶解性化学需氧量（SCOD）随进水水质的变化而变化，通常比中温过程的高，如图 3（a）所示。中温过程与高温过程SCOD 的平均值在稳定运行状态时分别为 2555 mg/L 和 5240 mg/L（表 2） 。高温过程中的饱和性脂肪酸比中温过程的高，且与 SCOD 数据一致（图3（a） ）
13、 。很明显这表示着中温厌氧消化的出水水质比高温厌氧消化的好，某些嗜温菌的低底物亲和性可以解释这一点2,3,5,6。挥发性脂肪酸在中温过程中的主要成分是醋酸盐，但在高温过程中则为丙酸盐（表 2） 。从文献中可以看出2, 5, 6，在高温消化池中，较高氮分压条件下会出现高含量丙酸盐，而较高有机负载率条件下会出现醋酸盐。在本次研究中，由于进水性有很大的变化，高温消化池中累积了丙酸盐是有可能的。这表明高温条件下的产醋酸菌和产氢菌对环境变化更敏感。SCOD 的挥发7性脂肪酸含量在中温和高温厌氧消化过程中分别为 22.7%和 30.3%。这些主要是高温条件下的高含量丙酸盐造成的。 表 2 两级厌氧消化出水
14、水质 图 2 两级厌氧消化系统中碱度和 pH 的变化 监测两个单级厌氧系统的挥发性脂肪酸与碱度之比，以便对比 pH 快速变化的缓冲能力（图 3（c） ） 。据报告，当挥发性脂肪酸与碱度之比维持在 0.4 之下时，缓冲能力充足11。在本次研究中，中温过程中的比率大多恒定在 0.1 左右，项目开始阶段的比率除外。对于高温厌氧消化过程来说，这个比率在过程初期不太稳定。但是随着接近稳定状态，这个值也趋于稳定，减少到 0.2 左右。高温过程中略高的挥发性脂肪酸与碱度之比主要由高浓度的挥发性脂肪酸造成的。这表明单级中温厌氧消化比高温厌氧消化有更好的缓冲能力。 图 3 两级厌氧消化系统中 SCOD(a) V
15、FA(b) VFA/碱度(c)的变化 厌氧消化过程中减少的挥发性固体通常等于从挥发性溶解固体转化而来的挥发性脂肪酸的总量。悬浮的挥发性固体的水解会产生溶解挥发性固体，挥发性脂肪酸最终转化成了甲烷。挥发性固体的减少量可表示为剩余挥发性脂肪酸量与厌氧消化池中产生的沼气量总和。因此，颗粒有机物的水解作用对减少挥发性固体方面有重要的影响。在本次研究中，8尽管初始污泥的特性有很大的不同，但中温消化池的挥发性固体始终维持在 16.18 g/L，而高温消化池的则维持在 15.34 g/L，如图 4（a）所示。因此，高温消化池内挥发性固体的减少非常依赖初始污泥的特性。这意味着单级厌氧消化过程在挥发性固体的稳定
16、减少方面有很大的潜能，不会受温度的影响。但是，在稳定运行状态下，高温过程中确切的水解速率是 0.520 gPCOD/L/d，略高于中温过程的 0.451 gPCOD/L/d（表 2） 。这就导致了高温消化池中的挥发性固体的减少率 46.8%高于中温消化池的43.5%.。Maibaum 等人3的报告指出了在高温和中温条件下固体基底的降解速率不同，这关系到是否缩短保留时间3。 如图 4（b）所示，中温过程沼气中的平均甲烷量约为 64%，高于高温过程中产生的。这可能是因高温条件下二氧化碳溶解度低而造成的22。在之前的研究中，对于厌氧消化来说，沼气的甲烷含量主要受基质类型影响，而不是受温度的影响4,2
17、2,24。然而中温过程中以去除的挥发性固体为基础的确切甲烷产量对初始的污泥特性更敏感，这表明，相比高温产甲烷菌来说，用于应对进水特性变化的中温产甲烷菌含量更高。高温过程的平均确切甲烷产量为 416mL 甲烷，比中温消化池内 451mL 甲烷/gVS 的产量低（表 2） 。这可能要归因于厌氧高温微生物较高的能量5,6,25及沼气中较高的氮含量22。 近年来人们对厌氧过程废水污泥中的病原生物体去除作用的兴趣显著增长，该去除作用可使消化的剩余污泥中产生一级生物固体。在本次研究中，高温消化池中总大肠杆菌群的去除率为 99.7%。这比中温消化池中的 66.7%高（表 2） 。高温过程中病原生物体的高去除
18、率低于游离氮、9挥发性脂肪酸和高温条件的较高比率，这可能是 10 天长的保留时间共同影响的结果 14。 图 4 两级厌氧消化系统中 VSs(a)沼气产量(b)值 3.2. 中温及高温两相厌氧消化 两相中温和高温厌氧消化池的碱度受初始污泥碱度变化的影响，如图 5（a）所示。碱度以碳酸钙表示，在两相高温厌氧消化池中的平均值为 3500 4700 mg/L，比两相中温厌氧消化池中的 33004400 mg/L 略高。高温条件下的较高碱度与单级厌氧过程中的相似，如图 2（a）所示，并且能反应高温条件下蛋白质等含氮有机化合物的较高降解活性22,23。由于进水水质的变化很大，试验早期的两相中温和高温消化池
19、的 pH 值不稳定，如图 5（b）所示。在第 35 天，中温消化池中的 pH 值稳定在 7.5-7.5，与单级中温厌氧过程的相似。在试验初始阶段，两相高温消化池的pH 值增至 8.0 以上，这与单级高温消化池的值相似。然而，在稳定运行阶段，高温消化池的 pH 值略降至 7.7-7.8，这对于高温厌氧菌来说是最适宜的 8,26。这是高温污泥与中温消化池中的低碱度污泥互相混合的结果27。未观察到污泥回流量对两相系统 pH 的显著影响。然而，两相中温和高温消化池的碱度随着污泥回流量的增加从 1.67Q 增至高于3.33Q。这是因大量污泥进入具有较高污泥回流量的高温消化池中从而使含氮化合物的降解增强的
20、结果。 10图 5 两相厌氧消化系统中碱度和 pH 的变化 图 6（a）显示了中温和高温两相厌氧消化系统的挥发性脂肪酸的走势。试验开始 35 天后，两相高温消化池中的挥发性脂肪酸含量趋于稳定，中温消化池中的也是如此，挥发性脂肪酸含量未受到进水水质变化的影响。在稳定运行状态下不论污泥回流量如何，两相高温消化池中的挥发性脂肪酸含量挥发性脂肪酸含量为 339679 mg HAc/L，低于中温消化池的 436795 mgHAc/L（表 3） 。这表明两相系统的高温消化池稳定，运作良好，并且对挥发性脂肪酸的亲和性比单级高温消化池的高（图 3（b） ） 。这看上去是通过中温和高温消化池之间的污泥回流产生了
21、高亲和性基质产甲烷菌，并使其在两相高温消化池中占主导地位。在两相高温消化池的情况下，挥发性脂肪酸的含量在污泥回流量为 1.67Q 和 3.22Q 时也低于单级高温消化池的。但挥发性脂肪酸的含量在污泥回流量为 7.36Q 时增至 795 mgHAc/L 左右，表明了甲烷的产生是整个厌氧反应器的限制因素，所以中温消化池的固体停留时间减少至 2.38 天。两相中温消化池的主要挥发性脂肪酸成分是醋酸盐，与单级中温过程的一样（表 2 和 3） 。但两相高温消化在污泥回流量为 7.35Q 时丙酸盐的含量很高，与单级高温程序一样。在污泥回流量较高时两相高温消化池内丙酸盐的高含量可能与高氢分解有关5,22。 表 3 两相厌氧消化系统的性能参数
