對垃圾滲濾液與廚余垃圾進行混合厭氧消化研究,采用中溫批式厭氧消化工藝,考察3 g/L和30 g/L有機負荷(以VS計)條件下厭氧消化過程中pH值、產氣量、VFA以及甲烷含量的變化,旨在探索有機負荷對厭氧消化產甲烷效果的影響。結果表明,在30 g/L負荷下比3 g/L負荷反應過程更為穩定,且累計生物氣產量有大幅提高。2種負荷下系統均能進入產甲烷階段,最高甲烷體積分數分別達到77.14%和74.47%,VFA質量濃度在反應結束時分別為300 mg/L和336 mg/L。

關鍵詞:垃圾滲濾液,廚余垃圾,混合厭氧消化

衛生填埋由于具有成本低、技術成熟、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雜,CODCr、BOD5、氨氮濃度高,營養元素比例失調等特點,傳統的物理化學和生物組合工藝都難以保證達標排放。反滲透工藝雖可達到排放標準,但仍存在濃縮液處理、膜污染、建設和運行費用高等問題。垃圾滲濾液性質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,其中多數為生物可降解物質,ρ(BOD5)/ρ(CODCr)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,既達到對廚余垃圾進行有效生物處理,又能得到可觀的生物氣產量,在國內外均是一個創新的研究方向。聯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氣量與產氣率,而且工藝設備的共享可以減少成本,提高經濟效益[3]。

聯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氣量與產氣率， 而且工藝設備的共享可以減少成本，提高經濟效益[3]。在城市生物質垃圾聯合厭氧消化中， 研究較多的是生物質垃圾和市政剩余污泥的聯合消化。SOSNOWSKI 等[4]對污泥與城市可生化垃圾進行了聯合厭氧消化研究， 發現加入可生化垃圾使污泥的ρ（C）/ρ（N）由9 ∶ 1 提高到14∶ 1，采用污泥與可生化垃圾按揮發性固體物（VS）質量比75% ∶ 25%的比例混合，甲烷產率達到0.4 ~ 0.6L/g， 并且發現采用半連續兩相消化效率更高。NEVES 等[5]對咖啡廢物與污泥進行了聯合厭氧消化研究， 發現咖啡廢物具有較高的水解速率， 獲得了0.24 ~ 0.28 m3/kg（以VS 計）的甲烷產率，VS 去除率達到75% ~ 80%。朱亞蘭等[6]對城市可生化垃圾與厭氧剩余污泥進行了批式混合厭氧消化研究， 確定了不同有機負荷條件下的酸化過程特性。還有一些學者對生物質垃圾與畜禽糞便進行了聯合厭氧消化研究，HAMED 等[7]對牛糞與食品垃圾進行聯合厭氧消化研究， 采用按VS 質量比68% ∶ 32%和52% ∶48% 2 種比例對牛糞和食品垃圾進行混合， 分別取得了282 L/kg 和311 L/kg 的甲烷產率。HINRICH 等[8]對城市生物質垃圾與糞便進行高溫聯合厭氧消化，結果在水力停留時間14 ~ 18 d， 有機負荷為3.3 ~4.0 g/L 時，糞便比例為50%時，系統運行穩定，表現出高的甲烷產率及低的揮發性有機酸（VFA）濃度，甲烷產率達到0.63 ~ 0.71 L/g。RENE 等[9]采用半連續方式對屠宰場固體廢物、糞便和果蔬廢物進行聯合厭氧消化，3 種物料采用相同的VS 比例混合，在有機負荷0.3 ~ 1.3 kg/m3?d 可以獲得0.3 m3/kg 的甲烷產率，甲烷體積分數達到54% ~ 56%，當進一步增加負荷時， 由于系統有機負荷過載以及緩沖性能不足，甲烷產量下降。

由于廚余垃圾ρ（C）/ρ（N）相對偏高，在厭氧消化過程中容易造成揮發性脂肪酸累積。將氨氮含量較高的滲濾液與廚余垃圾進行混合厭氧消化， 可以調節物料的ρ（C）/ρ（N），提高反應過程的穩定性[10]。鑒于目前國內外關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甲烷效果， 探索厭氧消化過程中各指標的變化規律， 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北園生活區垃圾場，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一段時間，相關原料及滲濾液性質見表1。

1.2 試驗方法及裝置

實驗采用批式進料， 即將實驗物料一次性投入反應器中，反應結束后一次性排出，分別考察有機負荷為3 g/L 和30 g/L（以VS 計）下的厭氧消化情況。批式實驗裝置以1 L 抽濾瓶作為厭氧發酵罐，置于恒溫水浴中，保持溫度為35 ℃。消化產生的氣體進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 實驗結果及討論

圖2 為3 g/L 和30 g/L 有機負荷（以VS 計）條件下pH 值及VFA 變化曲線。

由圖2 可以看出，2 種負荷水解酸化和甲烷化過程呈現出類似的趨勢，pH 值表現為先下降后上升，而VFA 則為先上升后下降。以30 g/L 有機負荷為例， 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3 d 保持在此水平。與pH 值的變化相對應，VFA 質量濃度則呈現上升的趨勢，在第5天上升至13 080 mg/L。之后，由于發酵過程產生的CO2與物料中含氮有機物的脫氨作用共同形成碳酸氫銨溶液， 使反應系統具有緩沖能力，pH 值逐漸上升至中性范圍。VFA 從第5 天開始逐漸下降，pH 值則繼續緩慢上升。從圖2 可以明顯看出，在30 g/L 負荷下，從第5 天至第27 天，pH 值始終處于7.0 ~ 7.5之間， 說明系統具有較高的緩沖性能， 系統運行穩定。此后VFA 繼續下降，但較之前一階段，下降速率趨于緩慢，pH 值則繼續上升。至實驗結束時，VFA 質量濃度下降至336 mg/L，pH 值上升至8.0。pH 值是厭氧消化過程的重要指標， 不僅影響厭氧微生物的活性，還對中間代謝產物的毒性有重要影響，因此保持pH 值的相對穩定， 對于厭氧消化過程的穩定運行有重要作用[11]。在滲濾液的厭氧處理中，常因pH值的過快上升而在反應后期造成氨氮的嚴重抑制，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，進而造成VFA 累積現象[12]。從本實驗結果可以看出， 將滲濾液與廚余垃圾混合厭氧消化，pH 值在較長的時間內處于相對穩定的狀態， 且處于厭氧微生物較為適應的范圍內， 這對厭氧消化的效果是極為有利的。圖3 是3 g/L 和30 g/L 有機負荷（以VS 計）條件下VFA 與產氣量變化曲線。

由圖3 可以看出，2 種負荷下產氣量均出現了先上升、后下降然后又上升的趨勢。以30 g/L 有機負荷為例，產氣量在試驗起始階段緩慢上升，與之對應的是VFA 的質量濃度上升并達到最高點(13 080mg/L)，此階段產生的氣體主要是物料在水解酸化過程中產生的N2和CO2。之后產氣量繼續上升，并在第11 天達到第一個峰值(310 mL)，VFA 則開始下降，這是因為系統中的丁酸、丙酸、乙醇等在產氫產乙酸菌的作用下逐漸轉化為乙酸， 在此過程中會產生大量的H2和CO2。之后由于系統逐漸過渡到產甲烷階段，產甲烷細菌將乙酸轉化為CH4和CO2，從第12 天開始產氣量快速上升， 并在第17 天達到最高點(710 mL)，VFA 則快速下降。此后隨著VFA 被降解至較低的水平，產氣量快速下降。由實驗結果可以看出， 與3 g/L 相比，30 g/L 負荷下具有更快的水解酸化速率，VFA 快速到達最高點之后又被快速降解。而在3 g/L 負荷下，VFA 上升緩慢，在較長一段時間內處于較高的濃度，pH 值長時間處于酸性范圍內，分子態有機酸對產氫產乙酸菌產生了抑制，系統形成抑制性穩態[13]，這可能是系統在長達10 d 的時間內停止產氣的原因。2 種負荷下，產氣量在產甲烷階段均表現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中， 中間產物的濃度處于動態變化的過程，前期底物豐富，產氣量快速上升，而隨著底物濃度快速下降，產氣量也隨之下降。圖4 為3 g/L 和30 g/L 有機負荷（以VS 計）條件下甲烷含量變化曲線。

由圖4 可以看出， 30g/L 負荷下在第12 天之前，系統中幾乎沒有甲烷產生。從第12 天開始， 甲烷含量逐漸上升。從第17 天到第28 天， 甲烷體積分數穩定在60% ~ 80%范圍內，最高達到74.5%。而在3 g/L 下， 系統在第25 天到第31 天甲烷含量處于較高水平，之后便迅速下降。由實驗結果可以看出，30 g/L 負荷比3 g/L 更快進入產甲烷階段，且穩定產甲烷的時間更長。其主要原因是在30 g/L 下， 系統pH 值變化更為穩定，pH值長時間穩定在產甲烷菌適宜的弱堿性環境中，產甲烷細菌得以快速生長增殖， 并成長為系統的優勢菌種。而在3 g/L 負荷下，由于有機負荷偏低，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 種有機負荷下的累計生物氣產量，從圖中可以看出，30 g/L 負荷下比3 g/L 負荷產氣量有了大幅度提升， 可見在30 g/L 負荷下由于營養結構更為合理，反應過程更為穩定，可獲得更好的厭氧消化效果。

3 結論

（1）將廚余垃圾與垃圾滲濾液進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，可以有效地調節物料的ρ（C）/ρ（N），增加系統的緩沖性能，使水解酸化及甲烷化過程穩定進行。

（2）在30 g/L 負荷（以VS 計）下反應過程更為穩定，pH 值在較長的時間內處于厭氧微生物適宜的范圍內， 而在3 g/L 負荷下出現了一段時間的停滯期。2 種負荷反應結束時，VFA 質量濃度分別被降解至300，336 mg/L，說明消化效果良好。

（3）在批式反應條件下，3 g/L 負荷和30 g/L 負荷（以VS 計）均能順利進入產甲烷階段，且甲烷體積分數可達到理想水平(60% ～ 80%)。相比3 g/L 負荷，在30 g/L 負荷下系統更快進入產甲烷階段，且穩定產甲烷的時間更長，且累計生物氣產量比3 g/L負荷有了較大幅度的提升。