餐厨垃圾与剩余污泥共发酵产酸作为反硝化碳源的有效性_洪猛.pdf

2023 年 第 6 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 488 期 147 餐厨垃圾与剩余污泥共发酵产酸餐厨垃圾与剩余污泥共发酵产酸 作为反硝化碳源的有效性作为反硝化碳源的有效性 洪猛(沧州市供水排水集团有限公司，河北 沧州 061000)摘 要在河北沧州市采用有效容积为1.5立方米的搅拌釜式反应器，对餐厨垃圾与剩余污泥进行中温(352)厌氧发酵处理中试研究。考察了共发酵过程可溶性化学需氧量(SCOD)和生化需氧量(BOD)的释放规律以及氮、磷的释放对碳源有效性的影响，同时对餐厨垃圾与剩余污泥共发酵进行经济分析。结果表明：在发酵第10天，SCOD和BOD溶出量达到稳定状态，分别为13320.0 mg/L和7510.0 mg/L；氨氮在第 10 天释放的最多，为 192.52.5 mg/L，扣除发酵液中的氨氮对碳源的消耗，共发酵碳源有效性为 90.4%；发酵液中释放的磷在第 13 天达到最高值，为 195.211.9 mg/L，可通过在厌氧发酵液中投加氯化钙直接回收。经济成本分析表明，采用餐厨垃圾与剩余污泥共发酵产酸作为反硝化碳源时，沧州两厂每年可节省约 2002.6 万元。关键词餐厨垃圾；剩余污泥；厌氧共发酵；碳源；有效性 中图分类号TQ 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)06-0147-03 Availability of Acid from Co-fermentation Food Waste and Waste Activated Sludge as Carbon Source for Denitrification Hong Meng(Cangzhou Water Supply and Drainage Group Company Limited,Cangzhou 061000,China)Abstract:A pilot study on anaerobic co-fermentation of food waste and waste activated sludge at medium temperature(35 2)was carried out in a stirred tank reactor with an effective volume of 1.5 m3 in Cangzhou,Hebei Province.The release of soluble chemical oxygen demand(SCOD)and biochemical oxygen demand(BOD)and the effect of nitrogen and phosphorus on carbon source availability were investigated.At the same time,the economic analysis of the co-fermentation of food waste and waste activated sludge was carried out.The results showed that after 10 days of anaerobic co-fermentation,the amounts of SCOD and BOD reached a stable state of 13320.0 mg/L and 7510.0 mg/L,respectively.The maximum release of NH4+-N was 192.5 2.5 mg/L on the 10th day,which reduced the carbon source available to 90.4%.The released phosphorus from the co-fermentation reached the highest value on the 13th day,which was 195.2 11.9 mg/L.It can be directly recovered by adding calcium chloride to the anaerobic co-fermentation liquid.The economic cost analysis showed that the Cangzhou wastewater treatment plants could save about 20.026 million yuan per year by using the co-fermentation of food waste and waste activated sludge to produce carbon source for denitrification.Keywords:food waste；waste activated sludge；anaerobic co-fermentation；carbon source；availability 传统生物脱氮技术是城市污水厂实现污水脱氮的主要手段，但是污水中有机物浓度低，而排放标准对总氮去除要求越来越高，导致反硝化所需碳源不足，往往需要外加碳源(如乙酸钠等)来保证脱氮效果1。污水生物处理过程会产生大量的剩余污泥，其厌氧发酵过程产生的短链脂肪酸可作为反硝化所需碳源2，但我国污泥普遍存在碳氮比低、可生化性能差等问题，造成碳源回收效率较低3。餐厨垃圾是城市固体废物的主要组成部分，包括家庭和市场的垃圾、食堂和餐馆的垃圾，以及加工工业的垃圾4-5。随着经济的快速发展和人口的不断增长，全球餐厨垃圾的数量非常庞大，到 2025 年全球餐厨垃圾产量将达到 25 亿，年增长率为 40%6。由于富含易降解的有机物，具有极高的生物降解性7-8，但是餐厨垃圾中存在高盐以及水解过程酸化速度过快等特点，单独厌氧发酵易使生物活性受到严重抑制9。因此，餐厨垃圾与剩余污泥共发酵可以平衡碳氮比，显著提高发酵稳定性和碳源回收效率。与剩余污泥共发酵，可进一步提高餐厨垃圾产酸效率，而且可实现污泥和餐厨垃圾减量，具有重要的实际应用价值10。但是，共发酵过程会同步释放氨氮和磷，可能会降低发酵液作为反硝化碳源的有效性11-12。本研究旨在通过餐厨垃圾与剩余污泥共发酵产酸中试，考察共发酵过程有机物、氮、磷的释放性能，研究发酵液作为反硝化碳源的有效性，并对经济成本进行综合分析，以期为餐厨垃圾与剩余污泥共发酵产酸技术的产业化应用和推广提供参考和借鉴。1 材料与方法材料与方法 1.1 共发酵底物 实验所用的剩余污泥(800 升)取自运西污水处理厂浓缩池。通过常规指标的标准测定方法对初始剩余污泥的理化性质进行检测分析，具体结果如表 1 所示。表表 1 剩余污泥的理化性质剩余污泥的理化性质 Tab.1 Physical and chemical characteristics of the waste activated sludge 理化指标 单位 剩余污泥 pH-7.6 TSS g/L 8.0 2.6 VSS g/L 3.5 3.5 SCOD mg/L 260.0 NH4+-N mg N/L 4.3 TN mg/L 6.6 TP mg/L 0.4 餐厨垃圾取自餐馆，将杂物(一次性筷子、勺子、大块骨头)筛除挑出，进行粉碎制浆，取 80 kg(VSS 为 234.0 g/kg)浆液加入共发酵反应器中。1.2 试验装置与方法 厌氧发酵试验采用搅拌釜式反应器，试验装置如图 1 所示。反应器有效容积为 1.5 立方米，配自动温控系统，发酵过程保持温度在 352。反应器连续运行 14 天，反应过程中通过添加氢氧化钠将反应器中的pH维持在10 左右13。碱性条件可以破坏污泥 EPS和细胞结构，促进污泥中有机物的溶出，从而提高污泥的水解效率14。收稿日期 2022-12-18 作者简介 洪猛(1987-)，男，河北青县人，工程师，硕士，主要研究方向为市政污水处理。广 东 化 工 2023 年 第 6 期 148 第 50 卷 总第 488 期 图图 1 试验装置图试验装置图 Fig.1 Diagram of stirred tank reactor device 1.3 分析方法 每天从反应罐底部取样口取样并经过 0.45 m 滤膜过滤后得到污泥上清液，然后进行水质分析，常规水质指标包括可溶性化学需氧量(SCOD)、生化需氧量(BOD)、氨氮、总氮(TN)、总磷(TP)等。污泥样品中 SCOD 的测定采用快速消解分光光度法，BOD 的测定采用稀释与接种法，氨氮和总氮的测定采用纳氏试剂光度法，总磷的测定需要先将污泥样品进行消解，将所有的磷转化为正磷酸盐再采用钼酸铵分光光度法测定15-16。2 结果与讨论结果与讨论 2.1 发酵过程中碳源的释放 厌氧消化过程可分为三个阶段：水解、产酸和产甲烷17。在水解阶段，污泥中的大分子有机物如碳水化合物、蛋白质会在发酵细菌分泌的胞外水解酶作用下，被分解成小分子物质如葡萄糖和氨基酸。这些物质很容易被产酸细菌吸收和利用，生成各种短链脂肪酸(如乙酸、丙酸、丁酸、戊酸)和氢气，其中短链脂肪酸会被进一步分解生成乙酸，而产酸阶段的产物包括乙酸和氢气会被产甲烷菌直接利用转化成甲烷气体18。在厌氧发酵产酸作碳源过程中，需要强化水解阶段促进各种有机物的溶出和提高发酵细菌产酸过程，同时抑制产甲烷过程，促进短链脂肪酸的积累19-20。图 2 为共发酵产酸过程中 SCOD 和 BOD 的变化。碱性条件不仅可以促进污泥中有机物的溶出，提高污泥的水解效率，还能够有效的抑制产甲烷菌活性，促进短链脂肪酸的积累。从图 2 可以看到，经过一天的发酵时间，SCOD 和 BOD 都得到了快速的溶出，分别为 7762.0 mg/L 和 4670.0 mg/L。随着发酵时间的进行，共发酵体系中的 SCOD 和 BOD 均缓慢增加，SCOD 均高于 BOD。发酵第 10 天，SCOD 和 BOD 溶出量达到稳定状态，分别为 13320.0 mg/L 和 7510.0 mg/L。0246810121403000600090001200015000 SCODSCOD(mg/L)发酵时间 天()03000600090001200015000 BODBOD(mg/L)图图 2 发酵液溶解性有机物随发酵时间变化发酵液溶解性有机物随发酵时间变化 Fig.2 The concentration of dissolved organic matter in fermentation solution changed with fermentation time 2.2 发酵过程氮的释放 图 3 为共发酵产酸过程中氨氮、总氮随发酵时间的变化。由图 3 可见，氨氮和总氮释放量随着发酵时间的进行逐渐增加，10 天后由于共发酵增加趋势减缓，氨氮的释放也趋于平稳，其中释放的氨氮和总氮量分别为 192.52.5 mg/L 和219.561.2 mg/L；然而在 1014 天期间，氨氮含量出现了明显的下降，14 天时的氨氮浓度为 151.521.6 mg/L，这是因为在pH=10，T=35 的发酵环境中，发酵液中的氨氮主要以分子态 FA 形式存在，在发酵过程中的搅拌作用会造成部分 FA 释放到发酵液液面上方的气体中21-22，而当碱性发酵过程氨氮的释放量趋于平缓时，这种 FA 释放到气相中的现象就开始显现出来了23。污泥和餐厨垃圾中均含有大量的蛋白质，其中氮元素均以有机氮的形式包含在污泥和餐厨垃圾中24。在进一步提高共发酵产酸效率的同时，意味着更多的蛋白质被水解和酸化转化成 SCFAs，在产酸发酵过程中蛋白质会被首先水解成小分子的游离氨基酸，然后被脱氨基转化成 SCFAs，该过程同时伴随着氨氮的产生。大量氨氮的释放严重影响了厌氧发酵液作为碳源的利用效率。02468101214050100150200250300 氨氮氨氮(mg/L)发酵时间 天()050