污泥厌氧消化系统无接种污泥启动策略试验研究
更新时间：2015-03-12 16:19
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摘要：以国内最大污泥厌氧消化系统的调试启动为依托，研究了上海市白龙港污水处理厂厌氧消化系统的两种无污泥接种启动策略方案。当消化罐内污泥的初始状态为原污泥，之后以不同投配率投加原污泥，用时25天便使污泥厌氧消化系统成功启动，但过程中存在酸化的风险。当消化罐内的初始状态为清水，之后以不同投配率投加原污泥，用时超过40天才成功启动，过程中酸化风险较小，但污泥浓度达到设计值需较长时间。该研究成果不仅可为该污水处理厂的污泥厌氧消化系统启动服务，而且可为国内同类工程提供借鉴和示范。
关键词：污水处理厂污泥,厌氧消化,启动策略
污泥厌氧消化是一种十分有效的稳定化处理工艺，能够同时实现污泥减量化、无害化和资源化的处理目标。上海市白龙港污水处理厂污水处理规模达200万m/d，其污泥厌氧消化工程的设计日处理规模达204吨干污泥，是目前国内最大的污泥厌氧消化工程。
厌氧消化的启动是厌氧消化技术的关键环节之一，若要完成厌氧消化的快速启动，污泥接种是一个非常重要的的措施，一般需投入为总容积10%～30%的厌氧接种污泥，这是因为成熟的厌氧消化污泥中含有大量的产酸菌和产甲烷菌。对于某些大型污水处理厂，由于所需接种污泥量大且运输距离远，则不宜用接种污泥启动厌氧消化系统。又因为厌氧消化过程复杂，各类微生物培养过程较慢，国内曾有工程历时6～10个月左右才是工艺系统达到基本稳定,这也是限制污泥厌氧消化技术推广的主要因素。目前国内在无污泥接种条件下对污泥厌氧消化系统启动策略的研究不多，所以对无污泥接种的快速启动策略研究很有必要。在无污泥接种的情况下，通过试验研究了原污泥和清水启动对厌氧消化系统启动的影响。
1试验方法
1.1实验材料
上海市白龙港污水处理厂污水处理采用AAO工艺。厌氧消化试验采用的原污泥为该厂的混合污泥，其中剩余污泥占绝大部分。试验用原污泥的主要理化参数如表1所示。
表1试验用原污泥性质
Tab.1PropertiesofRawSludge
1.2试验方法
试验研究采用4组厌氧消化罐，单罐体积为10L，结构如图1所示。
1储泥槽;2加热棒;3进泥泵;4加热丝;5循环泵;6水层温度探头;7搅拌器;
8集气袋;9采样口;10氮气瓶
图1厌氧消化罐结构图
Fig.1Schematicdiagramofsludgeanaerobicdigestiontank
该消化罐由内外两层组成，内层为泥区，进行厌氧消化反应;外层为水区，为污泥加热保温，通过循环泵实现水的循环。试验开始前首先用氮气将消化罐内的空气排净。储泥槽内的污泥用加热棒将其缓慢加热到一定温度，然后用蠕动泵将加热后的污泥打入消化罐泥区内。整个试验过程采用中温厌氧消化，试验温度保持在34±1℃。试验中产生的沼气用集气袋收集，用排水法测量体积。
试验研究了2种无污泥接种的启动策略方案，分别命名为A方案和B方案。A方案中，消化罐内污泥的初始状态为原污泥，之后以不同的投配率投加原污泥;B方案中，消化罐内的初始状态为清水，之后以不同投配率投加原污泥。具体工况设计如表2所示。
表2两种启动方案的工况条件
Tab.2Designofstrategyofstart-up
1.3检测设备和方法
试验过程中，各个指标的检测方法和设备如表3所示。
表3检测方法和设备
Tab.3Methodandequipmentoftesting
2A试验结果与分析
2.1pH值随时间变化
图2A方案的pH值变化图3B方案的pH值变化
Fig.2VariationofpHinAstrategyFig.3VariationofpHinBstrategy
A方案试验阶段，两组厌氧消化罐的pH值都经历了先下降而后逐步上升的过程，1#罐最低降至6.71，2#罐最低降至6.68，如图2所示。这是因为污泥在消化过程中首先经历水解发酵阶段，这一阶段会产生大量的挥发性脂肪酸，从而引起pH的下降。
B方案试验阶段，3#罐的污泥投配率较低，污泥水解酸化后产生的VFA也较少，因此pH值是一个逐步下降并趋于稳定的过程，最后稳定在7.15左右。4#罐开始的投配率较高，水解酸化产生的VFA较多;pH值经历了先下降后上升最后趋于稳定的过程，最后稳定在7.25左右，如图3所示。与A方案相比，pH值最低也只降至6.95，酸化风险较小。
2.2VFA随时间变化
图4A方案的VFA变化图5B方案的VFA变化
Fig.4VariationofVFAinAstrategyFig.5VariationofVFAinBstrategy
A方案试验阶段，两组厌氧消化罐的VFA值均经历了先上升后下降的阶段，如图4所示。在厌氧消化一周后两系统VFA达到最大，分别为2909mg/L和2810mg/L，与图2的pH的变化趋势相吻合。尽管VFA的最大值较高，但由于碱度也较大，系统并未出现严重酸化状况;VFA在第25天左右时间后，基本稳定在350mg/L左右，已处于稳定状态。
B方案试验阶段，两组厌氧消化罐的VFA都是逐渐上升最后基本稳定的趋势，如图5所示。由于4#罐的投配率高于3#罐，4#罐的VFA也始终高于3#消化罐VFA。两消化罐的VFA都没有高于500mg/L，没有出现酸化现象。
2.3总固体TS和有机物降解率随时间变化
图6A方案的TS变化图7B方案的TS变化
Fig.6VariationofTSinAstrategyFig.7VariationofTSinBstrategy
A方案试验阶段，两组厌氧消化罐的TS均经历了逐步下降最后趋于平稳的过程，最终分别达到约22g/L与22.5g/L，如图6所示。试验前10天1#罐的TS高于2#系统的TS，而10天之后，2#罐的TS开始高于1#罐的TS。
B方案试验阶段，两组厌氧消化罐的TS随着时间是逐渐上升的，如图7所示。4#罐的TS始终高于3#罐的TS。与A方案相比，尽管系统无酸化的风险，但系统TS达到设计值是一个费时的过程;如图7所示，3#罐的TS至试验结束时只有18.53g/L，4#罐的TS在第40天时为27.01g/L。
2.4产气率变化
图8A方案的产气率变化图9B方案的产气率变化
Fig.8VariationofcoefficientofbiogasinAstrategyFig.9VariationofcoefficientofbiogasinBstrategy
A方案试验阶段，两组厌氧消化罐的产气率都经历了先上升后下降，最后趋于稳定的过程，如图8所示。1#与2#系统产气率约在一周后达到各自的峰值，分别为0.92m/m·d与0.96m/m·d。而后由于不投泥，随着有机物逐渐降解，产气系数也随之下降。10天之后，随着新鲜污泥的加入，产气量各有所增加。其中1#罐产气率基本稳定在0.6m/m·d，2#罐的产气率则随着投配率的增加而逐步上升，最后稳定在0.65m/m·d。
B方案试验阶段，两组厌氧消化罐的产气率随时间是一个逐步上升最后趋于稳定的过程，如图9所示，这与A方案产气率先上升后下降的趋势是不同的。3#罐的产气率随投配率的增加而增加，至试验结束时为0.54m/m·d，4#罐的产气率波动较大，最后稳定在0.66m/m·d
2.5CH与CO含量变化
图10A方案CH含量变化图11A方案CO含量变化
Fig.10VariationofcontentofCHinAstrategyFig.11VariationofcontentofCOinAstrategy
图12B方案CH含量变化图13B方案CO含量变化
Fig.12VariationofcontentofCHinBstrategyFig.13VariationofcontentofCOinBstrategy
在A方案试验阶段，两组厌氧消化罐的甲烷含量是先上升后趋于平稳的曲线，最后基本稳定在60%左右，如图10和图11所示。由于消化系统存在一定程度酸化，开始状态的二氧化碳含量较高，之后下降最后基本稳定在10%左右。
在B方案试验阶段，两组厌氧消化罐系统的甲烷含量变化趋势相似，最后均稳定在60%左右，如图12和图13所示。与A方案不同的是，3#和4#罐的二氧化碳含量开始较低，之后逐渐升高，而且4#罐的二氧化碳含量始终高于3#罐的二氧化碳含量。
3结语
通过上述试验研究，为国内最大污泥厌氧消化工程的启动提供了理论研究基础，掌握了一些重要的试验参数，有效的指导了实际工程的正常启动。得到的主要结论如下：
1)当消化罐内污泥的初始状态为原污泥，前10d不投加新泥，相当于初始投配率为100%，这是一种比较激进的启动方式。该方案的优点在于能够保持较高的污泥浓度，大大缩短启动时间;该方案缺点是在启动初期会产生严重的VFA的积累，而且极易产生丙酸型发酵，从而延长系统的启动时间，采用变投配率方式投加污泥可以在一定程度上降低VFA积累的风险。
2)当消化罐内的初始状态为清水，相当于初始投配率为0%，这是一种比较保守的启动方式。该方案自始至终均不会出现VFA的过量积累，但是污泥浓度达到设计值需较长时间。
参考文献
1 戴前进,李艺,方先金.城市污水处理厂剩余污泥厌氧消化试验研究[J]. 中国给水排水,2006,22(23):95~98.
2 汪德生,付蕾.城市污水处理厂剩余污泥中温厌氧消化处理研究[J]. 新疆环境保护, 2006,28(4):06~09.
3 曹秀芹,陈爱宁,甘一萍等.污泥厌氧消化技术的研究与进展[J]. 环境工程,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 吴静,黄建东,陆正禹,等.内循环厌氧反应器的快速启动策略[J].清华大学学报,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 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法 [M]. 第4版.北京:中国环境科学出版社, 2002.
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关键词：污水处理厂污泥,厌氧消化,启动策略
污泥厌氧消化是一种十分有效的稳定化处理工艺，能够同时实现污泥减量化、无害化和资源化的处理目标。上海市白龙港污水处理厂污水处理规模达200万m/d，其污泥厌氧消化工程的设计日处理规模达204吨干污泥，是目前国内最大的污泥厌氧消化工程。
厌氧消化的启动是厌氧消化技术的关键环节之一，若要完成厌氧消化的快速启动，污泥接种是一个非常重要的的措施，一般需投入为总容积10%～30%的厌氧接种污泥，这是因为成熟的厌氧消化污泥中含有大量的产酸菌和产甲烷菌。对于某些大型污水处理厂，由于所需接种污泥量大且运输距离远，则不宜用接种污泥启动厌氧消化系统。又因为厌氧消化过程复杂，各类微生物培养过程较慢，国内曾有工程历时6～10个月左右才是工艺系统达到基本稳定,这也是限制污泥厌氧消化技术推广的主要因素。目前国内在无污泥接种条件下对污泥厌氧消化系统启动策略的研究不多，所以对无污泥接种的快速启动策略研究很有必要。在无污泥接种的情况下，通过试验研究了原污泥和清水启动对厌氧消化系统启动的影响。
1试验方法
1.1实验材料
上海市白龙港污水处理厂污水处理采用AAO工艺。厌氧消化试验采用的原污泥为该厂的混合污泥，其中剩余污泥占绝大部分。试验用原污泥的主要理化参数如表1所示。
表1试验用原污泥性质
Tab.1PropertiesofRawSludge
| 指标 | pH | 氧化还原电位（mV） | 脂肪酸（mg/L） | 总碱度(mg/L) | 总固体(g/L) | 挥发性固体(g/L) | 有机物比例 | 含水率 |
| 数值 | 6.88 | -389.9 | 230.61 | 657 | 38.85 | 20.81 | 54% | 96% |
试验研究采用4组厌氧消化罐，单罐体积为10L，结构如图1所示。
8集气袋;9采样口;10氮气瓶
图1厌氧消化罐结构图
Fig.1Schematicdiagramofsludgeanaerobicdigestiontank
该消化罐由内外两层组成，内层为泥区，进行厌氧消化反应;外层为水区，为污泥加热保温，通过循环泵实现水的循环。试验开始前首先用氮气将消化罐内的空气排净。储泥槽内的污泥用加热棒将其缓慢加热到一定温度，然后用蠕动泵将加热后的污泥打入消化罐泥区内。整个试验过程采用中温厌氧消化，试验温度保持在34±1℃。试验中产生的沼气用集气袋收集，用排水法测量体积。
试验研究了2种无污泥接种的启动策略方案，分别命名为A方案和B方案。A方案中，消化罐内污泥的初始状态为原污泥，之后以不同的投配率投加原污泥;B方案中，消化罐内的初始状态为清水，之后以不同投配率投加原污泥。具体工况设计如表2所示。
表2两种启动方案的工况条件
Tab.2Designofstrategyofstart-up
| 启动策略方案 | 试验编号 | 试验方案设计 |
| A方案 | 1# | 消化罐投加污泥10天后，开始以5%的投配率投加污泥； |
| 2# | 消化罐投加污泥10天后，开始以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，开始以1%、2%、3%、4%、5%、6.5%投配率投加污泥； |
| 4# | 消化罐投加清水后，开始以5%的投配率投加污泥； |
试验过程中，各个指标的检测方法和设备如表3所示。
表3检测方法和设备
Tab.3Methodandequipmentoftesting
| 检测指标 | pH | 氧化还原电位（ORP） | 脂肪酸（VFA） | 总碱度(ALK) | 总固体(TS) | 挥发性固体(VS) | 含水率 | 沼气成份分析 |
| 检测方法或设备 |
YSI Professional Series |
蒸馏滴定法 | 指示剂滴定法 | 重量法 | 重量法 | 重量法 | GEM Plus 2000 | |
2.1pH值随时间变化
Fig.2VariationofpHinAstrategyFig.3VariationofpHinBstrategy
A方案试验阶段，两组厌氧消化罐的pH值都经历了先下降而后逐步上升的过程，1#罐最低降至6.71，2#罐最低降至6.68，如图2所示。这是因为污泥在消化过程中首先经历水解发酵阶段，这一阶段会产生大量的挥发性脂肪酸，从而引起pH的下降。
B方案试验阶段，3#罐的污泥投配率较低，污泥水解酸化后产生的VFA也较少，因此pH值是一个逐步下降并趋于稳定的过程，最后稳定在7.15左右。4#罐开始的投配率较高，水解酸化产生的VFA较多;pH值经历了先下降后上升最后趋于稳定的过程，最后稳定在7.25左右，如图3所示。与A方案相比，pH值最低也只降至6.95，酸化风险较小。
2.2VFA随时间变化
Fig.4VariationofVFAinAstrategyFig.5VariationofVFAinBstrategy
A方案试验阶段，两组厌氧消化罐的VFA值均经历了先上升后下降的阶段，如图4所示。在厌氧消化一周后两系统VFA达到最大，分别为2909mg/L和2810mg/L，与图2的pH的变化趋势相吻合。尽管VFA的最大值较高，但由于碱度也较大，系统并未出现严重酸化状况;VFA在第25天左右时间后，基本稳定在350mg/L左右，已处于稳定状态。
B方案试验阶段，两组厌氧消化罐的VFA都是逐渐上升最后基本稳定的趋势，如图5所示。由于4#罐的投配率高于3#罐，4#罐的VFA也始终高于3#消化罐VFA。两消化罐的VFA都没有高于500mg/L，没有出现酸化现象。
2.3总固体TS和有机物降解率随时间变化
Fig.6VariationofTSinAstrategyFig.7VariationofTSinBstrategy
A方案试验阶段，两组厌氧消化罐的TS均经历了逐步下降最后趋于平稳的过程，最终分别达到约22g/L与22.5g/L，如图6所示。试验前10天1#罐的TS高于2#系统的TS，而10天之后，2#罐的TS开始高于1#罐的TS。
B方案试验阶段，两组厌氧消化罐的TS随着时间是逐渐上升的，如图7所示。4#罐的TS始终高于3#罐的TS。与A方案相比，尽管系统无酸化的风险，但系统TS达到设计值是一个费时的过程;如图7所示，3#罐的TS至试验结束时只有18.53g/L，4#罐的TS在第40天时为27.01g/L。
2.4产气率变化
Fig.8VariationofcoefficientofbiogasinAstrategyFig.9VariationofcoefficientofbiogasinBstrategy
A方案试验阶段，两组厌氧消化罐的产气率都经历了先上升后下降，最后趋于稳定的过程，如图8所示。1#与2#系统产气率约在一周后达到各自的峰值，分别为0.92m/m·d与0.96m/m·d。而后由于不投泥，随着有机物逐渐降解，产气系数也随之下降。10天之后，随着新鲜污泥的加入，产气量各有所增加。其中1#罐产气率基本稳定在0.6m/m·d，2#罐的产气率则随着投配率的增加而逐步上升，最后稳定在0.65m/m·d。
B方案试验阶段，两组厌氧消化罐的产气率随时间是一个逐步上升最后趋于稳定的过程，如图9所示，这与A方案产气率先上升后下降的趋势是不同的。3#罐的产气率随投配率的增加而增加，至试验结束时为0.54m/m·d，4#罐的产气率波动较大，最后稳定在0.66m/m·d
2.5CH与CO含量变化
Fig.10VariationofcontentofCHinAstrategyFig.11VariationofcontentofCOinAstrategy
Fig.12VariationofcontentofCHinBstrategyFig.13VariationofcontentofCOinBstrategy
在A方案试验阶段，两组厌氧消化罐的甲烷含量是先上升后趋于平稳的曲线，最后基本稳定在60%左右，如图10和图11所示。由于消化系统存在一定程度酸化，开始状态的二氧化碳含量较高，之后下降最后基本稳定在10%左右。
在B方案试验阶段，两组厌氧消化罐系统的甲烷含量变化趋势相似，最后均稳定在60%左右，如图12和图13所示。与A方案不同的是，3#和4#罐的二氧化碳含量开始较低，之后逐渐升高，而且4#罐的二氧化碳含量始终高于3#罐的二氧化碳含量。
3结语
通过上述试验研究，为国内最大污泥厌氧消化工程的启动提供了理论研究基础，掌握了一些重要的试验参数，有效的指导了实际工程的正常启动。得到的主要结论如下：
1)当消化罐内污泥的初始状态为原污泥，前10d不投加新泥，相当于初始投配率为100%，这是一种比较激进的启动方式。该方案的优点在于能够保持较高的污泥浓度，大大缩短启动时间;该方案缺点是在启动初期会产生严重的VFA的积累，而且极易产生丙酸型发酵，从而延长系统的启动时间，采用变投配率方式投加污泥可以在一定程度上降低VFA积累的风险。
2)当消化罐内的初始状态为清水，相当于初始投配率为0%，这是一种比较保守的启动方式。该方案自始至终均不会出现VFA的过量积累，但是污泥浓度达到设计值需较长时间。
参考文献
1 戴前进,李艺,方先金.城市污水处理厂剩余污泥厌氧消化试验研究[J]. 中国给水排水,2006,22(23):95~98.
2 汪德生,付蕾.城市污水处理厂剩余污泥中温厌氧消化处理研究[J]. 新疆环境保护, 2006,28(4):06~09.
3 曹秀芹,陈爱宁,甘一萍等.污泥厌氧消化技术的研究与进展[J]. 环境工程,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 吴静,黄建东,陆正禹,等.内循环厌氧反应器的快速启动策略[J].清华大学学报,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 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法 [M]. 第4版.北京:中国环境科学出版社, 2002.
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