城镇有机垃圾厌氧发酵中有机酸及氨氮抑制效应研究

摘要

城镇有机垃圾问题已成为困扰我国城镇经济发展的焦点与难点。当前，伴随城镇垃圾中有机质含量的不断提高，利用厌氧发酵制沼气成为符合城镇可持续发展战略的有机垃圾处理方法。然而，传统厌氧发酵存在着诸如挥发性有机酸抑制、氨氮抑制等诸多缺陷，如何有效解决这些难题成为当前研究的一个热点。 重庆大学国家“十五”攻关课题组针对西南地区中小城镇经济不发达的现状以及传统厌氧发酵工艺中酸抑制、氨抑制的难题，提出了“城镇有机垃圾和畜禽粪便的厌氧－好氧组合发酵工艺”，将小城镇生活垃圾和人畜粪便的无害化与资源化处理集成于一体。结合此课题，本论文以重庆市生活垃圾为试验原料，重点研究了以下几个方面的内容： （1）单相厌氧发酵试验研究。分两次单相厌氧发酵试验：试验一是在温度、TS等条件不变的情况下，分别选取不同水平的接种量来进行试验；试验二是在常温下向污泥培养装置内定期加入新鲜垃圾进行单相发酵试验。通过对各反应阶段pH 、VFA以及氨氮的变化情况进行分析，掌握单相厌氧发酵过程中VFA和氨氮的产生及积累规律。 （2）两相厌氧发酵试验研究。本试验包括有机垃圾两相厌氧发酵试验启动及添加禽畜粪便的有机垃圾两相厌氧发酵试验研究。主要对各反应阶段的pH 、VFA以及氨氮的变化规律进行分析，并将两相厌氧发酵与单相厌氧发酵进行对比研究，确定本论文采用的两相厌氧工艺的优越性。 通过以上试验研究，得到了以下主要的试验结果以及相应的结论： （1）在单相厌氧发酵试验一中，试验结果表明：污泥接种量水平的提高，在一定程度上增强了单相反应器对有机酸的抗冲击能力，在反应后期当有机酸浓度达到20000mg/L左右时，根据ADM1厌氧发酵模型对酸抑制的模拟计算，抑制函数I≈0.56＜1，反应出现了酸抑制现象，氨氮浓度一直低于500mg/L，未出现氨抑制。这说明大量的接种污泥并不一定能够避免挥发性有机酸积累导致的酸中毒问题；单相试验二，产甲烷相挥发酸浓度介于819～3120mg/L，反应后期又出现升高趋势，氨氮浓度在1171.2～1352.9 mg/L之间波动，根据Kaare Hvid Hansen等总结了氨氮抑制产气的四阶段模式计算0.62＜μr＜0.67，说明如此高的氨氮浓度导致产甲烷菌的增殖速度降低35％左右，出现了氨抑制现象。 （2）在两相厌氧发酵有机垃圾产酸阶段试验中，采用厌氧喷淋与浸泡、厌氧浸泡与兼氧交替作用、厌氧浸泡与好氧交替作用以及采用产甲烷相的UASB的出水厌氧浸泡四种不同方式对垃圾进行产酸阶段水解溶出试验，溶出水质的挥发性有机酸浓度除方案三介于1595.7～4018.8mg/L需要调节外，其它均在118.2～1471.8mg/L间波动，而氨氮最高浓度均未超过1000mg/L，可直接作为UASB反应器进水。 在UASB启动及运行试验过程中，进水pH介于4.16～7.28，出水保持在7.5～8.4之间，表明UASB系统运行稳定，具有较强的抗pH变化的能力。系统运行初期，进水VFA浓度超过2000mg/L时，反应器出现不稳定状况，60d以后，进水出水中VFA浓度分别在374.4～748.8mg/L和312～542.9mg/L，而氨氮浓度则分别介于100～150mg/L和200～300mg/L，如此低的有机酸及氨氮浓度，未出现有机酸及氨抑制效应；在添加禽畜粪便的两相厌氧发酵试验中，产酸相阶段，pH值均在5.0～5.48之间波动，VFA浓度最高时达2000mg/L左右，氨氮最高浓度为320.8mg/L，可见水解与产酸菌处于较有利于有机物的快速溶出水解环境下；在产甲烷阶段，出水pH、VFA及氨氮的浓度分别介于7.4～7.9、600～700 mg/L和60～157.1 mg/L之间，说明产甲烷阶段反应系统稳定，未发生有机酸及氨氮的抑制情况。 综合单相厌氧发酵与两相厌氧发酵试验结果分析可知：本论文采用的“城镇有机垃圾和畜禽粪便的厌氧－好氧组合发酵工艺”，有效的解决了传统厌氧发酵中易出现的有机酸抑制、氨抑制难题，为小城镇有机垃圾的无害化和资源化提供了一条切实可行的技术途径。