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]。
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]。在城市生物质垃圾联合厌氧消化中， 研究较多的是生物质垃圾和市政剩余污泥的联合消化。SOSNOWSKI 等[4]对污泥与城市可生化垃圾进行了联合厌氧消化研究， 发现加入可生化垃圾使污泥的ρ（C）/ρ（N）由9 ∶ 1 提高到14∶ 1，采用污泥与可生化垃圾按挥发性固体物（VS）质量比75% ∶ 25%的比例混合，甲烷产率达到0.4 ～ 0.6L/g， 并且发现采用半连续两相消化效率更高。NEVES 等[5]对咖啡废物与污泥进行了联合厌氧消化研究， 发现咖啡废物具有较高的水解速率， 获得了0.24 ～ 0.28 m3/kg（以VS 计）的甲烷产率，VS 去除率达到75% ～ 80%。朱亚兰等[6]对城市可生化垃圾与厌氧剩余污泥进行了批式混合厌氧消化研究， 确定了不同有机负荷条件下的酸化过程特性。还有一些学者对生物质垃圾与畜禽粪便进行了联合厌氧消化研究，HAMED 等[7]对牛粪与食品垃圾进行联合厌氧消化研究， 采用按VS 质量比68% ∶ 32%和52% ∶48% 2 种比例对牛粪和食品垃圾进行混合， 分别取得了282 L/kg 和311 L/kg 的甲烷产率。HINRICH 等[8]对城市生物质垃圾与粪便进行高温联合厌氧消化，结果在水力停留时间14 ～ 18 d， 有机负荷为3.3 ～4.0 g/L 时，粪便比例为50%时，系统运行稳定，表现出高的甲烷产率及低的挥发性有机酸（VFA）浓度，甲烷产率达到0.63 ～ 0.71 L/g。RENE 等[9]采用半连续方式对屠宰场固体废物、粪便和果蔬废物进行联合厌氧消化，3 种物料采用相同的VS 比例混合，在有机负荷0.3 ～ 1.3 kg/m3•d 可以获得0.3 m3/kg 的甲烷产率，甲烷体积分数达到54% ～ 56%，当进一步增加负荷时， 由于系统有机负荷过载以及缓冲性能不足，甲烷产量下降。
由于厨余垃圾ρ（C）/ρ（N）相对偏高，在厌氧消化过程中容易造成挥发性脂肪酸累积。将氨氮含量较高的渗滤液与厨余垃圾进行混合厌氧消化， 可以调节物料的ρ（C）/ρ（N），提高反应过程的稳定性[10]。鉴于目前国内外关于垃圾渗滤液与厨余垃圾混合厌氧消化方面的研究鲜有报道， 本实验旨在研究此种处理方式的可行性以及产甲烷效果， 探索厌氧消化过程中各指标的变化规律， 从而为垃圾渗滤液处理与厨余垃圾资源化提供新的参考。
1 材料与方法
1.1 实验原料
实验所用的厨余垃圾取自西南交通大学北园生活区垃圾场，垃圾渗滤液取自成都长安垃圾填埋场，为早期渗滤液，实验前先在中温下培养一段时间，相关原料及渗滤液性质见表1。
1.2 试验方法及装置
实验采用批式进料， 即将实验物料一次性投入反应器中，反应结束后一次性排出，分别考察有机负荷为3 g/L 和30 g/L（以VS 计）下的厌氧消化情况。批式实验装置以1 L 抽滤瓶作为厌氧发酵罐，置于恒温水浴中，保持温度为35 ℃。消化产生的气体进入装有饱和碳酸氢钠溶液的集气瓶中， 采用排水法收集。实验装置如图1 所示。
1.3 分析方法
总固体（TS）： 重量法（CJ/T56-2004）；VS： 烘干法；VFA： 蒸馏滴定法；pH 值: pHS-25 型精密pH计；产气量：排水集气法；气体成分：GC•7AG 气相色谱仪；COD：重铬酸钾法（GB 11914-89）。
2 实验结果及讨论
图2 为3 g/L 和30 g/L 有机负荷（以VS 计）条件下pH 值及VFA 变化曲线。
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
件下甲烷含量变化曲线。
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
（1）将厨余垃圾与垃圾渗滤液进行混合厌氧消化具有可行性，利用垃圾渗滤液氨氮含量高的特性，可以有效地调节物料的ρ（C）/ρ（N），增加系统的缓冲性能，使水解酸化及甲烷化过程稳定进行。
（2）在30 g/L 负荷（以VS 计）下反应过程更为稳定，pH 值在较长的时间内处于厌氧微生物适宜的范围内， 而在3 g/L 负荷下出现了一段时间的停滞期。2 种负荷反应结束时，VFA 质量浓度分别被降解至300，336 mg/L，说明消化效果良好。
（3）在批式反应条件下，3 g/L 负荷和30 g/L 负荷（以VS 计）均能顺利进入产甲烷阶段，且甲烷体积分数可达到理想水平(60% ～ 80%)。相比3 g/L 负荷，在30 g/L 负荷下系统更快进入产甲烷阶段，且稳定产甲烷的时间更长，且累计生物气产量比3 g/L负荷有了较大幅度的提升。(西南交通大学地球科学与环境工程学院)
