摘要：以國內(nèi)最大污泥厭氧消化系統(tǒng)的調(diào)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(tǒng)的兩種無污泥接種啟動策略方案。當消化罐內(nèi)污泥的初始狀態(tài)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(tǒng)成功啟動，但過程中存在酸化的風險。當消化罐內(nèi)的初始狀態(tài)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(tǒng)啟動服務，而且可為國內(nèi)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(wěn)定化處理工藝，能夠同時實現(xiàn)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(guī)模達200萬m/d，其污泥厭氧消化工程的設計日處理規(guī)模達204噸干污泥，是目前國內(nèi)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(huán)節(jié)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(chǎn)酸菌和產(chǎn)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(tǒng)。又因為厭氧消化過程復雜，各類微生物培養(yǎng)過程較慢，國內(nèi)曾有工程歷時6～10個月左右才是工藝系統(tǒng)達到基本穩(wěn)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(nèi)在無污泥接種條件下對污泥厭氧消化系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)如表1所示。
表1試驗用原污泥性質(zhì)
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(fā)性固體(g/L)	有機物比例	含水率
數(shù)值	6.88	-389.9	230.61	657	38.85	20.81	54%	96%

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(huán)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(nèi)外兩層組成，內(nèi)層為泥區(qū)，進行厭氧消化反應;外層為水區(qū)，為污泥加熱保溫，通過循環(huán)泵實現(xiàn)水的循環(huán)。試驗開始前首先用氮氣將消化罐內(nèi)的空氣排凈。儲泥槽內(nèi)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(qū)內(nèi)。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(chǎn)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(nèi)污泥的初始狀態(tài)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(nèi)的初始狀態(tài)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；

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

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(fā)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

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(jīng)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(jīng)歷水解發(fā)酵階段，這一階段會產(chǎn)生大量的揮發(fā)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(chǎn)生的VFA也較少，因此pH值是一個逐步下降并趨于穩(wěn)定的過程，最后穩(wěn)定在7.15左右。4#罐開始的投配率較高，水解酸化產(chǎn)生的VFA較多;pH值經(jīng)歷了先下降后上升最后趨于穩(wěn)定的過程，最后穩(wěn)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(jīng)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(tǒng)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(tǒng)并未出現(xiàn)嚴重酸化狀況;VFA在第25天左右時間后，基本穩(wěn)定在350mg/L左右，已處于穩(wěn)定狀態(tài)。
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(wěn)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(xiàn)酸化現(xiàn)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(jīng)歷了逐步下降最后趨于平穩(wěn)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(tǒng)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(tǒng)無酸化的風險，但系統(tǒng)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(chǎn)氣率變化
圖8A方案的產(chǎn)氣率變化圖9B方案的產(chǎn)氣率變化
Fig.8VariationofcoefficientofbiogasinAstrategyFig.9VariationofcoefficientofbiogasinBstrategy
A方案試驗階段，兩組厭氧消化罐的產(chǎn)氣率都經(jīng)歷了先上升后下降，最后趨于穩(wěn)定的過程，如圖8所示。1#與2#系統(tǒng)產(chǎn)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(chǎn)氣系數(shù)也隨之下降。10天之后，隨著新鮮污泥的加入，產(chǎn)氣量各有所增加。其中1#罐產(chǎn)氣率基本穩(wěn)定在0.6m/m·d，2#罐的產(chǎn)氣率則隨著投配率的增加而逐步上升，最后穩(wěn)定在0.65m/m·d。
B方案試驗階段，兩組厭氧消化罐的產(chǎn)氣率隨時間是一個逐步上升最后趨于穩(wěn)定的過程，如圖9所示，這與A方案產(chǎn)氣率先上升后下降的趨勢是不同的。3#罐的產(chǎn)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(chǎn)氣率波動較大，最后穩(wěn)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(wěn)的曲線，最后基本穩(wěn)定在60%左右，如圖10和圖11所示。由于消化系統(tǒng)存在一定程度酸化，開始狀態(tài)的二氧化碳含量較高，之后下降最后基本穩(wěn)定在10%左右。
在B方案試驗階段，兩組厭氧消化罐系統(tǒng)的甲烷含量變化趨勢相似，最后均穩(wěn)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(nèi)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(shù)，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(nèi)污泥的初始狀態(tài)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(yōu)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(chǎn)生嚴重的VFA的積累，而且極易產(chǎn)生丙酸型發(fā)酵，從而延長系統(tǒng)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(nèi)的初始狀態(tài)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(xiàn)VFA的過量積累，但是污泥濃度達到設計值需較長時間。
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