城市生活垃圾液态有机质厌氧发酵条件研究
目前城市生活垃圾大多数采用填埋、焚烧、好氧堆肥等方法进行处理, 这些方法都存在一定的弊端, 对土壤、地下水和大气都造成现实和潜在的危害[1]。人们希望发展一些新方法处理城市生活垃圾。
在我国南方, 气候炎热、多雨潮湿, 导致南方的城市生活垃圾含水率较高;加上南方不是以烧煤为主的供热, 使得其生活垃圾的热值也比较低。含水率高使生活垃圾不适合用厌氧堆肥、而低热值不适合用来焚烧处理, 但有机质含量高及较高的水分含量更加适用作来进行厌氧发酵。前期调查得知及查阅文献得知[2], 以桂林市为代表的南方中小城市生活垃圾中含有约40%的有机质, 经过机械液化可以获得液态垃圾有机质浆液, 采用厌氧发酵的方法进行深度处理, 不仅可以获得沼气, 还可以得到纯生态的有机肥, 达到资源化的目的。由于垃圾有机质浆液含有大量悬浮物, 不宜采用上流式高效厌氧 (USBR) 等高浓度废水常用的厌氧发酵方式进行处理, 需要选择和改进适用的厌氧工艺, 以达到较好的处理效果。研究表明, 在厌氧发酵中, 接种物浓度会影响到发酵效率[3], 添加无机盐溶液也会影响到厌氧发酵的效率[4]。
本研究选取桂林市的生活垃圾, 经过球磨机加水研磨预处理成液态垃圾, 并从污水处理厂采集剩余污泥作为接种污泥, 通过分析液态垃圾有机质厌氧发酵的产气效果以及p H、挥发性脂肪酸 (VFA) 、化学需氧量 (COD) 等参数的变化, 研究不同接种污泥浓度、不同浓度营养盐等因素对液态垃圾有机质厌氧发酵的影响。
1 材料与方法
1、1实验材料
1.1.1液态垃圾有机质
在桂林市平山垃圾堆肥厂, 从堆积的城市生活垃圾中选取垃圾有机成分, 在课题组前期研制的球磨机中经过钢球球磨40分钟, 用网筛过筛除掉不能磨碎的物质得到城市垃圾液态有机物。
1.1.2接种物
活性污泥取自桂林市第四污水处理厂的脱水污泥。
1.1.3营养盐
营养盐配方:Co Cl2·6H2O (AR) 0.5mg/ml、Fe Cl3·6H2O (AR) 0.05mg/ml、Ni Cl·6H2O0.1mg/ml (AR) , 药品购买自西陇化工股份有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 接种物驯化
接种物驯化是将取来的接种污泥, 通过逐步与液态垃圾有机质接触, 逐渐适应液态垃圾有机质的一个过程。5L的塑料桶作为发酵罐, 发酵罐于35℃的恒温水浴中保温。
初步驯化分为三组, 编号1#、2#、3#。在桶中分别装入污泥与水, 在3#投加营养盐做初步驯化, 1#、2#为空白对照。驯化过程中, 定时往发酵罐中投加液态垃圾, 定时测定发酵液的p H、VFA、产气量等指标, 研究其厌氧消化的变化。
1.2.2 厌氧驯化发酵
菌种驯化装置如图1所示。
将取来的接种污泥并调节固含量装入发酵瓶, 瓶体积1000ml, 装液量为500ml。密封罐体, 加入液态垃圾。控制不同影响因素 (接种浓度、营养盐) 。
1.2.3 分析方法
(1) 液态垃圾有机质及发酵液成分的测定
化学耗氧量 (COD) :国标法GB11914-89;SS:滤纸过滤法;p H:酸度计测定法;挥发性脂肪酸 (VFA) 的测定[5]:滴定法。
(2) 甲烷气体产量的测定
使用液体置换方法, 用于置换气体的液体是Na OH溶液, 其浓度在40g/L范围。当沼气通过强碱溶液时, 其中的CO2转化为碳酸盐被溶液吸收, 只有甲烷通过溶液, 同等体积的碱液从置换器进入量筒, 即所测得的量筒里面碱液的体积即为甲烷的含量。
2 结果与分析
2.1 液态垃圾性质分析
共制备了三批液态垃圾有机质, 所制备的液态垃圾COD平均为14800mg/L, p H5.25, SS 274mg/L, 可见桂林市的城市生活垃圾有机组分含量很高, 呈弱酸性, 适宜进行厌氧消化处理。
2.2 接种污泥初步驯化
2.2.1 p H变化
起始污泥p H测得为6.4左右, 偏酸性, 故在前7天未投加液态垃圾, 第77天开始投加液态垃圾有机质, 每天定时投加110000mmll, 从图22得知在第77天后pp HH有个略为下降的过程, 是刚投加的液态垃圾的水解酸化导致的。随后的pp HH回升并一直稳定在77左右。
2.2.2 VFA变化
3个发酵罐中的发酵液的VFA变化曲线如图3所示。
由图3可见, 在驯化过程中前7天, VFA逐渐降低, 这是因为没有投加液态垃圾而使得原有有机酸没有补充而逐渐被利用, 在第7天后开始投加液态垃圾, VFA比较稳定。
2.2.3 产气变化曲线
厌氧发酵的产气量变化可以表现出厌氧发酵中的甲烷菌的生长情况, 而甲烷菌驯化的好坏直接影响着产气量。3个发酵罐的产气变化曲线如图4所示。
从图4可得出, 3#由于被投加了营养盐使得产气速率也加快, 总的产气量也更多, 甲烷菌生长活性最强, 适合于被用来做下一步的培养。
2.3 接种污泥浓度的确定
进行了2组实验, 编号1、2, 第1组污泥接种量为30%, 第2组接种污泥为40%。
第一组产气量始终高于第二组, 第一组最高产气量在第8天就可以达到800ml/d, 而第二组第26天才达到最高产气量700ml/d, 在总产气量方面30%的接种量也是远优于40%的, 故接种污泥浓度选定30%。
2.4 营养盐含量优化实验结果
设四组实验, 编号1#、2#、3#、4#, 每隔三天分别加入不同量的营养盐, 每次添加量分别为0, 0.01%, 0.02%, 0.04% (体积比) 母液。
发酵过程中, 在此次驯化发酵培养中, 1#、2#、3#在9天的培养p H值就已经达到了7左右的稳定, p H值上升的速度快到慢为2#>1#>3#>4#, 而4#p H回升很慢, 由此可见多加的营养盐会抑制微生物的活性生长, 破坏发酵平衡, 而影响p H值的回升稳定。
在产甲烷方面, 4组都有产气, 1#产气一直较稳定在180ml/d左右;而2#则是由最先的最高达到400ml/d, 但是不稳定, 最低降到40ml/d;3#产气量最高达到515ml/d, 随后降低, 最后稳定到400ml/d;4#从开始的最大的227ml一直下降, 下降到0即不产气, 随后到80ml/d。由以上分析可知, 加营养盐的量0.02%是最适合的, 产气效果可达到最好, 其次是加0.01%, 都要比未加营养盐的产气效果要好, 而加0.04%的营养盐, 则会抑制甲烷菌的生长, 使得产气效果很差。
取3#发酵罐中发酵液测其第1到第14天的COD的降解率, 测得其COD由6430降到508, 降解率为92.1%。
3 结语
城市生活垃圾经过分拣、破碎得到的液化有机质, 适于采用厌氧发酵的方式进行处理。处理工艺如下:接种污泥先经过驯化, 然后以30%的接种量接种于液态垃圾有机质, 35℃保温发酵, 营养液可以促进甲烷发酵, 投加量为0.2% (体积比) 的营养盐母液厌氧发酵效果最好。
摘要：本文以桂林市生活垃圾为样本, 研究了生活垃圾中的液化有机质的厌氧发酵工艺。得到优化的厌氧发酵工艺:接种污泥先经过驯化, 然后以30%的接种量接种于液态垃圾有机质, 35℃保温发酵, 营养液可以促进甲烷发酵, 投加量为0.2% (体积比) 的营养盐母液厌氧发酵效果最好, 发酵14天, COD去除率达到92.1%。
关键词：生活垃圾有机质,厌氧发酵,驯化,营养液
参考文献
[1] 李伟.城市垃圾处理现状以及对策研究[J].企业导报, 2013 (8) :23.
[2] 杜吴鹏, 高庆先, 张思深等.中国城市生活垃圾排放现状及成分分析[J], 环境科学研究, 2006, 5 (19) :85-90.
[3] 潘云霞, 李文哲.接种物浓度对厌氧发酵产气特性影响的研究[J].农机化研究.2004:187-188.
[4] 段娜, 林聪, 田海林等.添加尿素和无机盐土对秸秆厌氧消化的影响[J], 农业工程.2015, 增刊1 (31) :254-360.
[5] 张洪宾, 谷洁, 孙薇等.不同原料配比对厌氧发酵过程中产气量VFA和脱氢酶活性的影响[J].农业环境科学学报.2012, 31 (2) :422-427.
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