自热式好氧厌氧一体化反应器处理城镇污水厂污泥的试验研究

摘要

近年来,我国城市生活垃圾清运量快速增加,但一些城市垃圾无害化处理能力不足,配套设施不齐全,造成“垃圾围城”的现象时有发生。污水处理厂污泥产量也在不断增长,但普遍存在的污泥出路不畅已影响到污水厂的正常运行。小城镇由于经济发展水平和相关技术人才的缺乏,垃圾和污泥处理的问题更为突出,因此,开发一种成本可接受、管理运行简便的技术已迫在眉睫。围绕节能减排与循环利用这一重大原则,本研究在课题组前期小试成果的基础上,开发了自热式好氧厌氧一体化反应器(SHAAI反应器),反应器由污泥仓和垃圾仓组成,二者容积根据热量平衡要求,依据小城镇生活垃圾实际产生量与同等规模污水处理厂污泥产生量的比值确定,这样既能充分利用垃圾产热为污泥厌氧消化提供温度条件,还具有节约投资和用地,便于管理,实现垃圾和污泥处理区域平衡的优势。以大渡口区的生活垃圾及大渡口污水处理厂储泥池的污泥为研究对象,对反应器进行了系统的试验研究。
　　本研究主要内容包括：①开发了自热式好氧厌氧一体化处理中试反应器,垃圾仓有效容积为5.28 m3,污泥仓有效容积为0.9 m3,污泥仓外室与内室体积比为1.48:1,垃圾仓和污泥仓分别采用好氧堆肥和厌氧消化的方式开展试验研究。②利用SHAAI反应器进行了启动试验研究,每天处理垃圾200kg,污泥投配率为10％,在启动试验过程中,污泥仓内、外室温度与垃圾仓温度变化趋势基本一致,而且温度相差不大,说明垃圾仓产热对污泥仓温度变化的影响显著,二者之间的传热效率较高;反应器运行稳定,污泥仓内 pH值、碱度、VFA和 SCOD等指标均在微生物适宜生存范围之内;污泥浓缩效果较好,排泥体积较进泥减少68％,而有机质去除率仅为13.2％。③在15％、20％和25％等投配率下进行了SHAAI中试反应器处理效能的研究。结果表明:污泥仓的温度变化趋势与垃圾仓的基本一致,在污泥投配率为20％时,反应器的处理效能最好,污泥仓平均温度35.2±2.5℃;在该投配率下,污泥仓内、外室的pH值、碱度、VFA和SCOD均在厌氧菌适宜的范围之内,没有出现酸化现象;反应器浓缩效果较好,含水率由进泥的98.4±0.6％降至排泥的89.7±1.8％,污泥体积减少84.5％;VS/TS由进泥的0.393±0.02减少至排泥的0.299±0.008,有机质平均去除率为24.0±3.6％;日均产气量为110L/d,其中,甲烷占气体总体积的61.6％,二氧化碳占24.2％,氮气占12.5％,氧气占0.9％;随着污泥厌氧消化过程的进行,EPS、蛋白质和多糖含量逐渐减少,且蛋白质/多糖在厌氧消化过程中发生了改变。④在各自最佳工况下,对课题组开发的两相一体式污泥浓缩消化反应器(TISTD反应器)在恒温加热条件下、两相一体式污泥浓缩消化生产性试验反应器(TISTDP反应器)在常温条件下和 SHAAI反应器在自热条件下的污泥厌氧消化处理性能进行了对比分析,结果表明:TISTD反应器温度波动最小,浓缩效果和稳定性最好,产气中甲烷含量最高,综合处理效能最佳;SHAAI反应器综合处理效能次之,但和TISTD反应器非常接近;TISTDP反应器综合处理效能相对最差。⑤对不同投配率下污泥仓微生物的基因组DNA进行PCR扩增和变性梯度凝胶电泳(DGGE)试验,结果表明:扩增后的条带清晰,亮度较高,PCR扩增效果较好,产物纯度高;DGGE图谱均有多个条带,说明微生物呈多样性分布,表明在垃圾堆肥产热的条件下,SHAAI反应器污泥厌氧消化能够维持多种微生物生长,具有较强的抗冲击负荷能力;香农-威纳指数(H)和物种丰富指数结果表明污泥仓内、外室微生物呈多样性分布,且在同一投配率下,污泥仓外室物种丰富指数和香浓-维纳指数均大于污泥仓内室。⑥将不同投配率下反应器污泥样品DGGE图谱中的特异性条带1至27进行了割胶回收、扩增、克隆和测序,并与GenBank中的序列进行比对,结果表明:在反应器稳定运行阶段,微生物种群结构进入较长的稳定期,优势种群明显且不易更替。反应器中的优势菌种大部分为Clostridium acidurici等具有水解酸化功能的菌属以及Helicobacter muridarum等盐螺旋藻属的厌氧菌,同源性基本都在95％以上。⑦最后对SHAAI反应器有机物去除动力学进行了分析。基于米-门公式,采用试验数据求定了不同投配率下反应器有机物的降解动力学参数nmax和K s,结果表明:当投配率为20％时,vmax达到最大,为0.025 d-1,证明了最佳投配率为20％的结论;垃圾仓的温度与污泥仓温度呈直线相关关系,相关系数R2=0.825,说明垃圾仓温度对污泥仓温度造成了比较显著的影响。