出　　自： 《中國給水排水》 1995年第2期第14頁
發表時間： 1995-2

趙慶良；王寶貞(哈爾濱建筑大學)；G·庫格爾(聯邦德國尼爾河水管會)

摘要：高溫/中溫兩相厭氧消化工藝，用于同時處理城市污水廠污泥和其它高濃度有機廢物是一個嶄新的課題，特別是將高溫水解產酸相反應器的溫度提高到75℃、水力停留時間控制在2.5d更是一種新的嘗試。本課題源于生產實際需要而開展中試規模試驗研究，目的在于考察高溫/中溫(75℃、2.5d/37℃、10d)兩相厭氧消化反應器系統，分別同時處理污水廠污泥與主要含碳水化合物的廢物(馬鈴薯加工廢物)、污泥與主要含蛋白質的廢物(豬血)及污泥與主要含脂類廢物(灌腸加工廢物)時的效能變化，為擬建實際規模高溫/中溫兩相厭氧消化系統提供技術依據。

1 試驗設施與方法

　　本試驗研究采用的是高溫/中溫兩相厭氧消化處理的中試規模試驗設施，即產酸相的高溫消化作為第一段消化反應器FB1，而產甲烷相的中溫消化作為第二段消化反應器FB2。因為該系統是用于研究同時處理污泥及高濃度有機廢物時厭氧消化反應器的性能，故在高溫消化反應器FB1前分別設置貯泥罐及有機廢物罐。FB1和FB2的有效容積分別為0.650m 3 和1.950m 3 。在FB1和FB2的中心軸上裝有螺旋漿攪拌器進行機械攪拌混合。采用外部水浴加熱式交換器、由丙烷氣燃燒進行加熱。溫度控制采用Pt100溫度控制器，用以自動控制FB1溫度為75±1℃，FB2溫度為37±0.5℃。試驗流程見圖1。
　　待處理組合基質是由聯邦德國GOCH污水處理廠的二次污泥及各不同加工廠的高濃度有機廢物組成。先后用于該試驗研究的有機廢物有馬鈴薯加工廠產生的馬鈴薯加工廢物，屠宰場的豬血及灌腸加工廠產生的腸類加工廢物，目的在于分別考察污泥消化池在投入主要含有碳水化合物、蛋白質或脂質的典型高濃度有機廢物后，增加有機負荷時厭氧消化系統的性能變化?；|投配采用半連續型式，即污泥和高濃度有機廢物每日分別由貯泥罐和廢物罐每隔8h分三次由泵經流量計IDM投配至FB1，由FB1排出的一級消化污泥在容器1貯存15 ~30min，再由泵經流量計IDM計量投配至FB2，經FB2消化后的二級消化污泥經容器2后排至地面污泥井，再由泵排出。整個過程均自動進行。

　　本試驗研究設計的產酸相高溫消化反應器停留時間為2.5d，產甲烷相的中溫消化反應器停留時間為9~10d(或14d)，故混合基質投配量分別為FB1約0.225m 3 /d、FB2約0.200m 3 /d(或0.140m 3 /d)。按照組合基質不同和基質比例投加情況，高溫/中溫兩相厭氧消化的研究分為四個系列連續進行，試驗進程及各系列持續時間如圖2所示。

2 試驗結果與討論

　　2.1 混合基質及消化反應器的特性
　　污泥與各高濃度有機廢物形成的混合基質及有關高溫/中溫厭氧消化反應器系統各參數的變化特性示于表1，其中各值都是經多次分析測定后計算所得平均值。由該表可以看出:只有在試驗系列3—2中混合基質在FB2中的停留時間為14d，其余皆為t FB1 =2.5d，t FB2 =10d；在用以處理污泥與豬血的試驗系列3-2中，兩相厭氧消化系統承受較高的總固體負荷、有機負荷，其平均值分別為25.31kgTS/m 3 ·d和16.32kgVS/m 3 ·d；FB2承受的負荷變化均較平穩，可見在某種程度上它起了均勻負荷的作用。
　　2.2 pH值變化
　　對于厭氧消化過程運行而言，經常檢測pH 值并掌握其變化趨勢顯得尤為重要。在本試驗系列1至系列4中，分別對原生污泥、高濃度有機廢物(包括馬鈴薯加工廢物、豬血、腸類加工廢物)，二者按比例混合樣，FB1消化后及FB2 消化后污泥的pH值進行檢測。
　　混合基質經高溫消化2.5d后，其pH值時而略高于或時而低于進料混合基質pH值。但從總的測定結果計算，混合基質經高溫消化后pH值低于消化前的pH值，這表明進料混合基質經75℃停留2.5d的短時高溫消化后確實發生了酸化，即復雜的有機化合物諸如碳水化合物、蛋白質、脂肪等發生了水解產酸；經FB1消化后的污泥再經中溫消化10d(或試驗系列3-2中的14d)后，正常運轉條件下pH值平均升高至7.44~8.05左右，即第一段產酸相的產物進行了甲烷發酵(堿性發酵)。

　　需指出的是在試驗系列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個小時)先后兩次發生消化器加熱干擾現象，溫度降至25~30℃；再則是4月27日由于投配污泥至FB1的流量計(IDM)發生干擾，只投配了100%馬鈴薯加工廢物。這兩種干擾可能造成甲烷菌生長環境的擾動，致使PH值下降。為了恢復FB2消化反應器的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%體積)，均勻混合后抽至FB2中，結果經過10d左右時間PH值即升至7.40以上，一直穩定運行。
　　2.3 TS與VS變化
　　TS反映了厭氧消化前后基質中總固體的變化情況，而VS則反映了總固體TS中有機組分改變。表2則是各試驗系列中TS與VS的平均去除率，在系列3投加污泥與豬血的試驗中，TS與VS值最大；在整個試驗過程中，FBI消化后污泥的TS與VS在很大程度上取決于進料基質的TS與VS大小，這與文獻中結論一致 [1] ，且其去除TS與VS能力不大，因為高溫產酸相主要目的在于水解產酸而不在于對TS 和VS的去除；經FBZ消化后污泥的TS與VS 變化幅度較小，且絕大部分TS與VS都是在中溫消化段去除的，其平均去除率為η TS =16.94 ~44.11%，η VS =33.61~49.38%。

　　2.4 COD變化
　　COD是衡量生化反應器去除有機物的另一項有機污染指標。在整個試驗系列中，分別檢測了原生污泥、高濃度有機物(包括馬鈴薯加工廢物、豬血和腸類加工廢物)、二者的混合基質、FB1和FB2的消化后污泥COD值，表3是檢測結果的典型值?；旌匣|經FB1高溫消化后，多數情形下COD值略高，這可能是由于混合基質中難于生物降解或氧化的高分子有機物變成了易于降解與氧化的小分子的原故，這與文獻中用于處理污泥的兩根消化結論一致 [2] 經FB1高溫消化后的污泥，進一步經FB2中溫消化后COD值大幅度降低，在試驗系列1、2、3一1、3-2和4中，FB2對COD的平均去除率分別為50%、61%、55%、55%和51%?？梢?，與TS和VS的去除一樣，COD也主要是在FB2 中降解去除的。

　　2.5 日產氣量及產氣車的變化
　　在5月6日，對應于最低PH值6.54，其FB2產氣量僅為0.097m 3 /d(0.51m 3 /m 3 RS)，而投加堿后產氣量迅速回升至 2.34m 3 /d(11.64m 3 /m 3 RS)，進一步　　說明在甲烷發酵的FB2 反應器內保持堿性條件是多么重要。各試驗系列中的日產氣量和產氣率的平均值列于表4，其中包括投加單位重量VS產氣率(Gm,vs。)和分解去除單位重量VS產氣率(Gm,vs r )的平均值。由該表可見，主要產氣相FB2平均日產氣量，系列4中為最高達4.020m 3 /d；處理單位體積組合基質產氣率，系列3-2中為最大23.73m 3 /m 3 RS，這可能是由于基質在FB2中停留時間較長，進料相對較少之故。單位重量VS比產氣率也在系列3-2中為最大，其值為0.702m 3 /kgVS 0 ；分解去除單位重量VS時的比產氣率在系列1中為最高，其值為1.861m 3 /kgVS r

　　2.6 CH₄ 的體積組成和比產率變化
　　厭氧消化的主要目的不僅穩定有機物，還產生CH₄ 氣體，因而CH₄ 產量及產率是衡量厭氧過程的又一重要指標。一些文獻資料表明 [3，4] :運行良好的中溫厭氧消化池產氣中CH₄ 的體積組成多在60~70%左右，也可能低于或高出此范圍。在本試驗過程中，高溫消化FB1 反應器僅產生少量或沒有CH₄ ，大部分為CO₂ 和H 2 ；而中溫消化FB2反應器則產生大量CH₄ ，這與文獻中結論基本一致 [5] 。將各試驗系列中用以處理不同組合基質時CH₄ 平均組成，系統處理單位重量VS的CH₄ 比產率 、系統去除單位重量VS的CH₄ 比產率 和系統去除單位重量COD時CH₄ 比產率 的平均值列于表5。FB2產CH₄ 的平均體積組成為65~75%(干擾除外)，FB2處理單位重量VS時CH₄ 平均產率為0.397~0.511m 3 /kgVS 0 ；分別去除單位重量VS時CH₄ 平均產率為1.087~1.25m 3 /kgVS；從理論上講 [6、7、8] ,分解每kgCOD或BOD u 的CH₄ 產率為0.35m 3 CH₄ /kgCOD r ，但試驗中由于基質種類、負荷率、pH、混合及溫度等諸多因素影響，以COD去除表示的CH₄ 平均產率在試驗系列1和2中低于理論值，而在系列3和4中均高于理論值，介于0.265~0.504m 3 /kgCOD r 之間。
表5 C 4 的平均體積組成和比產率

　　2.7 有機酸
　　有機酸是厭氧消化過程中有機物降解時產生的重要中間產物，大部分CH₄ 氣體都是源于有機酸的進一步分解而形成的，因此由厭氧消化最終排泥中有機酸的含量可以大致判定厭氧操作過程的好壞，它是厭氧消化過程中另一項重要性能指標。
　　在試驗過程中，用蒸餾法測定有機酸(VFA)含量，每周進行兩次，樣品包括污泥與高濃度有機廢物(分別為馬鈴薯加工廢物、豬血及腸類加工廢物)的比例組合樣、　　FB1和FB2 消化后的污泥。混合基質的VFA介于2023~5802mgHAc/L之間，各系列中平均VFA濃度在3113~4300mgHAc/L之間，比一般報導的原生污泥VFA濃度　　(500~1500mgHAc/L)高，表明待處理混合基質(尤其是污泥)在運送到試驗場所之前或在其貯存過程中已經發生了酸化。混合基質經FB1高溫消化后，在系列1和2中VFA平均濃度分別為3746mgHAc/L和4369mgHAc/L，與其在進料基質中VFA濃度(分別為3452mgHAc/L和4300mgHAc/L)基本上相等；而在系列3和4中，VFA濃度大幅度升高。當經FB1消化后的污泥進一步經FB2中溫消化后，在穩定狀態下VFA濃度大幅度降低，平均在43~433mgHAc/L之間。在5月6日檢測的FB2消化后污泥的VFA濃度高達　　4397mgHAc/L，因而pH值降低至6.54 時產氣及產CH₄ 幾乎停止，而在投加堿10d以后VFA降低至常態，并保持穩定狀態。
　　在系列3-1中，由于系統處理混合基質的有機負荷增高(參見表1)，因而FB2消化后污泥的VFA濃度也高達1712mgHAc/L，當延長水力停留時間由10d至試驗系列3-2的14d 后，盡管有機負荷仍在增加，但FB2中VFA逐步下降至433mgHAc/L。從各試驗系列FB2中VFA濃度的變化，投加堿或適當延長其水力停留時間(減少負荷)是恢復中溫消化反應器的彌補措施。不過在系列3-1中，盡管FB2中VFA 濃度升高，但系統仍在正常運行，產氣和產CH₄ 也并未因此而降低或中止。有資料表明 [9、10] ，運行良好的厭氧消化反應器，VFA濃度應<500mgHAc/L，最好是<300mgHAc/L。醋酸濃度在200~400mgHAc/L，通常認為是正常的、良好消化 [7] 。從這些觀點來看，高溫/中溫兩相厭氧消化系統在未有外在因素干擾或負荷恒定條件下，基本處于滿意運行狀態。

3 試驗結論

　　高溫/中溫兩相厭氧消化用于分別同時處理城市污水廠污泥和一定比例的其它高濃度有機廢物(主要含碳水化合物的馬鈴薯加工廢物、主要含蛋白質的豬血及主要含脂肪的灌腸加工廢物)，在技術上是可行和有效的。通過對評價厭氧消化反應器系統的幾項重要指標，如pH 值、TS與VS變化、COD變化、產氣和產CH4 率及有機酸濃度的試驗結果、分析與討論可知，控制高溫產酸相在75℃和2.5d可基本達到水解與產酸的目的，控制中溫產甲烷相在37℃和10d(或14d)可達到最大產氣與產CH4 的目的。在外界環境條件不變或系統不受加熱變化等因素的影響時，高溫/中溫兩相厭氧消化系統具有較大的穩定性。

4 參考文獻

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　　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
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　　8.秦麟源，“廢水生物處理”，同濟大學出版社，1989
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　　10.顧夏聲，“廢水生物處理數學模式”，清華大學出版社，1982

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作者簡介:趙慶良，哈爾濱建筑大學土木水利站博士后、講師。
通訊處:15006哈爾濱市南崗區大直街144號