污泥厭氧消化系統無接種污泥啟動策略試驗研究
更新時間：2015-03-12 16:19
來源：論文網
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摘要：以國內最大污泥厭氧消化系統的調試啟動為依托，研究了上海市白龍港污水處理廠厭氧消化系統的兩種無污泥接種啟動策略方案。當消化罐內污泥的初始狀態為原污泥，之后以不同投配率投加原污泥，用時25天便使污泥厭氧消化系統成功啟動，但過程中存在酸化的風險。當消化罐內的初始狀態為清水，之后以不同投配率投加原污泥，用時超過40天才成功啟動，過程中酸化風險較小，但污泥濃度達到設計值需較長時間。該研究成果不僅可為該污水處理廠的污泥厭氧消化系統啟動服務，而且可為國內同類工程提供借鑒和示范。
關鍵詞：污水處理廠污泥,厭氧消化,啟動策略
污泥厭氧消化是一種十分有效的穩定化處理工藝，能夠同時實現污泥減量化、無害化和資源化的處理目標。上海市白龍港污水處理廠污水處理規模達200萬m/d，其污泥厭氧消化工程的設計日處理規模達204噸干污泥，是目前國內最大的污泥厭氧消化工程。
厭氧消化的啟動是厭氧消化技術的關鍵環節之一，若要完成厭氧消化的快速啟動，污泥接種是一個非常重要的的措施，一般需投入為總容積10%～30%的厭氧接種污泥，這是因為成熟的厭氧消化污泥中含有大量的產酸菌和產甲烷菌。對于某些大型污水處理廠，由于所需接種污泥量大且運輸距離遠，則不宜用接種污泥啟動厭氧消化系統。又因為厭氧消化過程復雜，各類微生物培養過程較慢，國內曾有工程歷時6～10個月左右才是工藝系統達到基本穩定,這也是限制污泥厭氧消化技術推廣的主要因素。目前國內在無污泥接種條件下對污泥厭氧消化系統啟動策略的研究不多，所以對無污泥接種的快速啟動策略研究很有必要。在無污泥接種的情況下，通過試驗研究了原污泥和清水啟動對厭氧消化系統啟動的影響。
1試驗方法
1.1實驗材料
上海市白龍港污水處理廠污水處理采用AAO工藝。厭氧消化試驗采用的原污泥為該廠的混合污泥，其中剩余污泥占絕大部分。試驗用原污泥的主要理化參數如表1所示。
表1試驗用原污泥性質
Tab.1PropertiesofRawSludge
1.2試驗方法
試驗研究采用4組厭氧消化罐，單罐體積為10L，結構如圖1所示。
1儲泥槽;2加熱棒;3進泥泵;4加熱絲;5循環泵;6水層溫度探頭;7攪拌器;
8集氣袋;9采樣口;10氮氣瓶
圖1厭氧消化罐結構圖
Fig.1Schematicdiagramofsludgeanaerobicdigestiontank
該消化罐由內外兩層組成，內層為泥區，進行厭氧消化反應;外層為水區，為污泥加熱保溫，通過循環泵實現水的循環。試驗開始前首先用氮氣將消化罐內的空氣排凈。儲泥槽內的污泥用加熱棒將其緩慢加熱到一定溫度，然后用蠕動泵將加熱后的污泥打入消化罐泥區內。整個試驗過程采用中溫厭氧消化，試驗溫度保持在34±1℃。試驗中產生的沼氣用集氣袋收集，用排水法測量體積。
試驗研究了2種無污泥接種的啟動策略方案，分別命名為A方案和B方案。A方案中，消化罐內污泥的初始狀態為原污泥，之后以不同的投配率投加原污泥;B方案中，消化罐內的初始狀態為清水，之后以不同投配率投加原污泥。具體工況設計如表2所示。
表2兩種啟動方案的工況條件
Tab.2Designofstrategyofstart-up
1.3檢測設備和方法
試驗過程中，各個指標的檢測方法和設備如表3所示。
表3檢測方法和設備
Tab.3Methodandequipmentoftesting
2A試驗結果與分析
2.1pH值隨時間變化
圖2A方案的pH值變化圖3B方案的pH值變化
Fig.2VariationofpHinAstrategyFig.3VariationofpHinBstrategy
A方案試驗階段，兩組厭氧消化罐的pH值都經歷了先下降而后逐步上升的過程，1#罐最低降至6.71，2#罐最低降至6.68，如圖2所示。這是因為污泥在消化過程中首先經歷水解發酵階段，這一階段會產生大量的揮發性脂肪酸，從而引起pH的下降。
B方案試驗階段，3#罐的污泥投配率較低，污泥水解酸化后產生的VFA也較少，因此pH值是一個逐步下降并趨于穩定的過程，最后穩定在7.15左右。4#罐開始的投配率較高，水解酸化產生的VFA較多;pH值經歷了先下降后上升最后趨于穩定的過程，最后穩定在7.25左右，如圖3所示。與A方案相比，pH值最低也只降至6.95，酸化風險較小。
2.2VFA隨時間變化
圖4A方案的VFA變化圖5B方案的VFA變化
Fig.4VariationofVFAinAstrategyFig.5VariationofVFAinBstrategy
A方案試驗階段，兩組厭氧消化罐的VFA值均經歷了先上升后下降的階段，如圖4所示。在厭氧消化一周后兩系統VFA達到最大，分別為2909mg/L和2810mg/L，與圖2的pH的變化趨勢相吻合。盡管VFA的最大值較高，但由于堿度也較大，系統并未出現嚴重酸化狀況;VFA在第25天左右時間后，基本穩定在350mg/L左右，已處于穩定狀態。
B方案試驗階段，兩組厭氧消化罐的VFA都是逐漸上升最后基本穩定的趨勢，如圖5所示。由于4#罐的投配率高于3#罐，4#罐的VFA也始終高于3#消化罐VFA。兩消化罐的VFA都沒有高于500mg/L，沒有出現酸化現象。
2.3總固體TS和有機物降解率隨時間變化
圖6A方案的TS變化圖7B方案的TS變化
Fig.6VariationofTSinAstrategyFig.7VariationofTSinBstrategy
A方案試驗階段，兩組厭氧消化罐的TS均經歷了逐步下降最后趨于平穩的過程，最終分別達到約22g/L與22.5g/L，如圖6所示。試驗前10天1#罐的TS高于2#系統的TS，而10天之后，2#罐的TS開始高于1#罐的TS。
B方案試驗階段，兩組厭氧消化罐的TS隨著時間是逐漸上升的，如圖7所示。4#罐的TS始終高于3#罐的TS。與A方案相比，盡管系統無酸化的風險，但系統TS達到設計值是一個費時的過程;如圖7所示，3#罐的TS至試驗結束時只有18.53g/L，4#罐的TS在第40天時為27.01g/L。
2.4產氣率變化
圖8A方案的產氣率變化圖9B方案的產氣率變化
Fig.8VariationofcoefficientofbiogasinAstrategyFig.9VariationofcoefficientofbiogasinBstrategy
A方案試驗階段，兩組厭氧消化罐的產氣率都經歷了先上升后下降，最后趨于穩定的過程，如圖8所示。1#與2#系統產氣率約在一周后達到各自的峰值，分別為0.92m/m·d與0.96m/m·d。而后由于不投泥，隨著有機物逐漸降解，產氣系數也隨之下降。10天之后，隨著新鮮污泥的加入，產氣量各有所增加。其中1#罐產氣率基本穩定在0.6m/m·d，2#罐的產氣率則隨著投配率的增加而逐步上升，最后穩定在0.65m/m·d。
B方案試驗階段，兩組厭氧消化罐的產氣率隨時間是一個逐步上升最后趨于穩定的過程，如圖9所示，這與A方案產氣率先上升后下降的趨勢是不同的。3#罐的產氣率隨投配率的增加而增加，至試驗結束時為0.54m/m·d，4#罐的產氣率波動較大，最后穩定在0.66m/m·d
2.5CH與CO含量變化
圖10A方案CH含量變化圖11A方案CO含量變化
Fig.10VariationofcontentofCHinAstrategyFig.11VariationofcontentofCOinAstrategy
圖12B方案CH含量變化圖13B方案CO含量變化
Fig.12VariationofcontentofCHinBstrategyFig.13VariationofcontentofCOinBstrategy
在A方案試驗階段，兩組厭氧消化罐的甲烷含量是先上升后趨于平穩的曲線，最后基本穩定在60%左右，如圖10和圖11所示。由于消化系統存在一定程度酸化，開始狀態的二氧化碳含量較高，之后下降最后基本穩定在10%左右。
在B方案試驗階段，兩組厭氧消化罐系統的甲烷含量變化趨勢相似，最后均穩定在60%左右，如圖12和圖13所示。與A方案不同的是，3#和4#罐的二氧化碳含量開始較低，之后逐漸升高，而且4#罐的二氧化碳含量始終高于3#罐的二氧化碳含量。
3結語
通過上述試驗研究，為國內最大污泥厭氧消化工程的啟動提供了理論研究基礎，掌握了一些重要的試驗參數，有效的指導了實際工程的正常啟動。得到的主要結論如下：
1)當消化罐內污泥的初始狀態為原污泥，前10d不投加新泥，相當于初始投配率為100%，這是一種比較激進的啟動方式。該方案的優點在于能夠保持較高的污泥濃度，大大縮短啟動時間;該方案缺點是在啟動初期會產生嚴重的VFA的積累，而且極易產生丙酸型發酵，從而延長系統的啟動時間，采用變投配率方式投加污泥可以在一定程度上降低VFA積累的風險。
2)當消化罐內的初始狀態為清水，相當于初始投配率為0%，這是一種比較保守的啟動方式。該方案自始至終均不會出現VFA的過量積累，但是污泥濃度達到設計值需較長時間。
參考文獻
1 戴前進,李藝,方先金.城市污水處理廠剩余污泥厭氧消化試驗研究[J]. 中國給水排水,2006,22(23):95~98.
2 汪德生,付蕾.城市污水處理廠剩余污泥中溫厭氧消化處理研究[J]. 新疆環境保護, 2006,28(4):06~09.
3 曹秀芹,陳愛寧,甘一萍等.污泥厭氧消化技術的研究與進展[J]. 環境工程,2008,26:215~219.
4 Griffin, M.E., McMahon, K.D., Mackie, R.I., Raskin, L. Methanogenic populationdynamicsduring start-up of anaerobic digesters treating municipal solid waste andbiosolids[J]. Biotechnol. Bioeng.1998, 57 (3), 342~355.
5 McMahon K.D.,Stroot P G.,Mackie R.I. and Raskin L. Anaerobic codigestionof municipal solid waste and biosolids under variousmixing conditions -ⅡMicrobial population dynamics . Water Res. 2001,35(7),1817~1827.
6 Takuro Kobayashi, Daisuke Yasuda, Yu-You Li, Kengo Kubota, Hideki Harada, Han-Qing Yu. Characterization of start-up performance and archaeal community shifts during anaerobic self-degradation ofwaste-activated sludge[J]. Bioresource Technology, 2009,100, 4981~4988.
7 吳靜,黃建東,陸正禹,等.內循環厭氧反應器的快速啟動策略[J].清華大學學報,2010,50(3):400~402.
8 Gomec CY. Speece RE. Organic material solubilization of domestic p rimary sludge inanaerobic digestion at controlled pH[ J ]. Water Sci Technol, 2003, 48(4):195~8.
9 國家環境保護總局.水和廢水監測分析方法 [M]. 第4版.北京:中國環境科學出版社, 2002.
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關鍵詞：污水處理廠污泥,厭氧消化,啟動策略
污泥厭氧消化是一種十分有效的穩定化處理工藝，能夠同時實現污泥減量化、無害化和資源化的處理目標。上海市白龍港污水處理廠污水處理規模達200萬m/d，其污泥厭氧消化工程的設計日處理規模達204噸干污泥，是目前國內最大的污泥厭氧消化工程。
厭氧消化的啟動是厭氧消化技術的關鍵環節之一，若要完成厭氧消化的快速啟動，污泥接種是一個非常重要的的措施，一般需投入為總容積10%～30%的厭氧接種污泥，這是因為成熟的厭氧消化污泥中含有大量的產酸菌和產甲烷菌。對于某些大型污水處理廠，由于所需接種污泥量大且運輸距離遠，則不宜用接種污泥啟動厭氧消化系統。又因為厭氧消化過程復雜，各類微生物培養過程較慢，國內曾有工程歷時6～10個月左右才是工藝系統達到基本穩定,這也是限制污泥厭氧消化技術推廣的主要因素。目前國內在無污泥接種條件下對污泥厭氧消化系統啟動策略的研究不多，所以對無污泥接種的快速啟動策略研究很有必要。在無污泥接種的情況下，通過試驗研究了原污泥和清水啟動對厭氧消化系統啟動的影響。
1試驗方法
1.1實驗材料
上海市白龍港污水處理廠污水處理采用AAO工藝。厭氧消化試驗采用的原污泥為該廠的混合污泥，其中剩余污泥占絕大部分。試驗用原污泥的主要理化參數如表1所示。
表1試驗用原污泥性質
Tab.1PropertiesofRawSludge
| 指標 | pH | 氧化還原電位（mV） | 脂肪酸（mg/L） | 總堿度(mg/L) | 總固體(g/L) | 揮發性固體(g/L) | 有機物比例 | 含水率 |
| 數值 | 6.88 | -389.9 | 230.61 | 657 | 38.85 | 20.81 | 54% | 96% |
試驗研究采用4組厭氧消化罐，單罐體積為10L，結構如圖1所示。
8集氣袋;9采樣口;10氮氣瓶
圖1厭氧消化罐結構圖
Fig.1Schematicdiagramofsludgeanaerobicdigestiontank
該消化罐由內外兩層組成，內層為泥區，進行厭氧消化反應;外層為水區，為污泥加熱保溫，通過循環泵實現水的循環。試驗開始前首先用氮氣將消化罐內的空氣排凈。儲泥槽內的污泥用加熱棒將其緩慢加熱到一定溫度，然后用蠕動泵將加熱后的污泥打入消化罐泥區內。整個試驗過程采用中溫厭氧消化，試驗溫度保持在34±1℃。試驗中產生的沼氣用集氣袋收集，用排水法測量體積。
試驗研究了2種無污泥接種的啟動策略方案，分別命名為A方案和B方案。A方案中，消化罐內污泥的初始狀態為原污泥，之后以不同的投配率投加原污泥;B方案中，消化罐內的初始狀態為清水，之后以不同投配率投加原污泥。具體工況設計如表2所示。
表2兩種啟動方案的工況條件
Tab.2Designofstrategyofstart-up
| 啟動策略方案 | 試驗編號 | 試驗方案設計 |
| A方案 | 1# | 消化罐投加污泥10天后，開始以5%的投配率投加污泥； |
| 2# | 消化罐投加污泥10天后，開始以1%、2%、3%、4%、5%、6.5%投配率投加污泥； | |
| B方案 | 3# | 消化罐投加清水后，開始以1%、2%、3%、4%、5%、6.5%投配率投加污泥； |
| 4# | 消化罐投加清水后，開始以5%的投配率投加污泥； |
試驗過程中，各個指標的檢測方法和設備如表3所示。
表3檢測方法和設備
Tab.3Methodandequipmentoftesting
| 檢測指標 | pH | 氧化還原電位（ORP） | 脂肪酸（VFA） | 總堿度(ALK) | 總固體(TS) | 揮發性固體(VS) | 含水率 | 沼氣成份分析 |
| 檢測方法或設備 |
YSI Professional Series |
蒸餾滴定法 | 指示劑滴定法 | 重量法 | 重量法 | 重量法 | GEM Plus 2000 | |
2.1pH值隨時間變化
Fig.2VariationofpHinAstrategyFig.3VariationofpHinBstrategy
A方案試驗階段，兩組厭氧消化罐的pH值都經歷了先下降而后逐步上升的過程，1#罐最低降至6.71，2#罐最低降至6.68，如圖2所示。這是因為污泥在消化過程中首先經歷水解發酵階段，這一階段會產生大量的揮發性脂肪酸，從而引起pH的下降。
B方案試驗階段，3#罐的污泥投配率較低，污泥水解酸化后產生的VFA也較少，因此pH值是一個逐步下降并趨于穩定的過程，最后穩定在7.15左右。4#罐開始的投配率較高，水解酸化產生的VFA較多;pH值經歷了先下降后上升最后趨于穩定的過程，最后穩定在7.25左右，如圖3所示。與A方案相比，pH值最低也只降至6.95，酸化風險較小。
2.2VFA隨時間變化
Fig.4VariationofVFAinAstrategyFig.5VariationofVFAinBstrategy
A方案試驗階段，兩組厭氧消化罐的VFA值均經歷了先上升后下降的階段，如圖4所示。在厭氧消化一周后兩系統VFA達到最大，分別為2909mg/L和2810mg/L，與圖2的pH的變化趨勢相吻合。盡管VFA的最大值較高，但由于堿度也較大，系統并未出現嚴重酸化狀況;VFA在第25天左右時間后，基本穩定在350mg/L左右，已處于穩定狀態。
B方案試驗階段，兩組厭氧消化罐的VFA都是逐漸上升最后基本穩定的趨勢，如圖5所示。由于4#罐的投配率高于3#罐，4#罐的VFA也始終高于3#消化罐VFA。兩消化罐的VFA都沒有高于500mg/L，沒有出現酸化現象。
2.3總固體TS和有機物降解率隨時間變化
Fig.6VariationofTSinAstrategyFig.7VariationofTSinBstrategy
A方案試驗階段，兩組厭氧消化罐的TS均經歷了逐步下降最后趨于平穩的過程，最終分別達到約22g/L與22.5g/L，如圖6所示。試驗前10天1#罐的TS高于2#系統的TS，而10天之后，2#罐的TS開始高于1#罐的TS。
B方案試驗階段，兩組厭氧消化罐的TS隨著時間是逐漸上升的，如圖7所示。4#罐的TS始終高于3#罐的TS。與A方案相比，盡管系統無酸化的風險，但系統TS達到設計值是一個費時的過程;如圖7所示，3#罐的TS至試驗結束時只有18.53g/L，4#罐的TS在第40天時為27.01g/L。
2.4產氣率變化
Fig.8VariationofcoefficientofbiogasinAstrategyFig.9VariationofcoefficientofbiogasinBstrategy
A方案試驗階段，兩組厭氧消化罐的產氣率都經歷了先上升后下降，最后趨于穩定的過程，如圖8所示。1#與2#系統產氣率約在一周后達到各自的峰值，分別為0.92m/m·d與0.96m/m·d。而后由于不投泥，隨著有機物逐漸降解，產氣系數也隨之下降。10天之后，隨著新鮮污泥的加入，產氣量各有所增加。其中1#罐產氣率基本穩定在0.6m/m·d，2#罐的產氣率則隨著投配率的增加而逐步上升，最后穩定在0.65m/m·d。
B方案試驗階段，兩組厭氧消化罐的產氣率隨時間是一個逐步上升最后趨于穩定的過程，如圖9所示，這與A方案產氣率先上升后下降的趨勢是不同的。3#罐的產氣率隨投配率的增加而增加，至試驗結束時為0.54m/m·d，4#罐的產氣率波動較大，最后穩定在0.66m/m·d
2.5CH與CO含量變化
Fig.10VariationofcontentofCHinAstrategyFig.11VariationofcontentofCOinAstrategy
Fig.12VariationofcontentofCHinBstrategyFig.13VariationofcontentofCOinBstrategy
在A方案試驗階段，兩組厭氧消化罐的甲烷含量是先上升后趨于平穩的曲線，最后基本穩定在60%左右，如圖10和圖11所示。由于消化系統存在一定程度酸化，開始狀態的二氧化碳含量較高，之后下降最后基本穩定在10%左右。
在B方案試驗階段，兩組厭氧消化罐系統的甲烷含量變化趨勢相似，最后均穩定在60%左右，如圖12和圖13所示。與A方案不同的是，3#和4#罐的二氧化碳含量開始較低，之后逐漸升高，而且4#罐的二氧化碳含量始終高于3#罐的二氧化碳含量。
3結語
通過上述試驗研究，為國內最大污泥厭氧消化工程的啟動提供了理論研究基礎，掌握了一些重要的試驗參數，有效的指導了實際工程的正常啟動。得到的主要結論如下：
1)當消化罐內污泥的初始狀態為原污泥，前10d不投加新泥，相當于初始投配率為100%，這是一種比較激進的啟動方式。該方案的優點在于能夠保持較高的污泥濃度，大大縮短啟動時間;該方案缺點是在啟動初期會產生嚴重的VFA的積累，而且極易產生丙酸型發酵，從而延長系統的啟動時間，采用變投配率方式投加污泥可以在一定程度上降低VFA積累的風險。
2)當消化罐內的初始狀態為清水，相當于初始投配率為0%，這是一種比較保守的啟動方式。該方案自始至終均不會出現VFA的過量積累，但是污泥濃度達到設計值需較長時間。
參考文獻
1 戴前進,李藝,方先金.城市污水處理廠剩余污泥厭氧消化試驗研究[J]. 中國給水排水,2006,22(23):95~98.
2 汪德生,付蕾.城市污水處理廠剩余污泥中溫厭氧消化處理研究[J]. 新疆環境保護, 2006,28(4):06~09.
3 曹秀芹,陳愛寧,甘一萍等.污泥厭氧消化技術的研究與進展[J]. 環境工程,2008,26:215~219.
4 Griffin, M.E., McMahon, K.D., Mackie, R.I., Raskin, L. Methanogenic populationdynamicsduring start-up of anaerobic digesters treating municipal solid waste andbiosolids[J]. Biotechnol. Bioeng.1998, 57 (3), 342~355.
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6 Takuro Kobayashi, Daisuke Yasuda, Yu-You Li, Kengo Kubota, Hideki Harada, Han-Qing Yu. Characterization of start-up performance and archaeal community shifts during anaerobic self-degradation ofwaste-activated sludge[J]. Bioresource Technology, 2009,100, 4981~4988.
7 吳靜,黃建東,陸正禹,等.內循環厭氧反應器的快速啟動策略[J].清華大學學報,2010,50(3):400~402.
8 Gomec CY. Speece RE. Organic material solubilization of domestic p rimary sludge inanaerobic digestion at controlled pH[ J ]. Water Sci Technol, 2003, 48(4):195~8.
9 國家環境保護總局.水和廢水監測分析方法 [M]. 第4版.北京:中國環境科學出版社, 2002.
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