餐廚垃圾中溫干式厭氧消化污泥的方法

　　1 引言

　　利用中溫干式厭氧消化技術(shù)處理餐廚垃圾，具有能耗低、有效利用反應(yīng)器容積并且消化污泥產(chǎn)出量低的優(yōu)點(diǎn).前人對(duì)影響反應(yīng)器產(chǎn)氣效率和運(yùn)行穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了研究分析，得出餐廚垃圾成分、溫度、TS、攪拌強(qiáng)度及顆粒粒徑等因素會(huì)對(duì)厭氧消化造成不同程度的影響.其中，溫度通過(guò)影響污泥中菌群的活性而決定有機(jī)物降解速率;中溫條件下進(jìn)行干式厭氧消化，TS對(duì)產(chǎn)氣速率的約束較明顯，其含量影響污泥流動(dòng)性并決定攪拌系統(tǒng)的能耗;攪拌強(qiáng)度影響反應(yīng)器內(nèi)的速度場(chǎng)和污泥顆粒大小，從而改變反應(yīng)器內(nèi)污泥的流變狀態(tài)，影響污泥的均質(zhì)化和氣體的逸出.污泥的流變狀態(tài)則會(huì)改變厭氧消化物料的傳熱與傳質(zhì)，進(jìn)而影響其它與反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行有關(guān)的因素.

　　Eshtiaghi等歸納了前人關(guān)于污泥流變性質(zhì)的研究成果：動(dòng)力粘度是污泥流動(dòng)阻力的度量，溫度、TS含量是影響污泥流變性質(zhì)的重要因素，剪切速率與動(dòng)力粘度之間的關(guān)系則可以對(duì)不同類型的污泥做出流變性質(zhì)的評(píng)價(jià).在這些研究中，污泥樣品的TS含量較低(TS≤10%)，且多為市政污泥，對(duì)餐廚垃圾厭氧消化污泥的研究較少.

　　本文以餐廚垃圾為進(jìn)料進(jìn)行半連續(xù)式和序批式的中溫厭氧消化試驗(yàn)，以反應(yīng)器中的厭氧消化污泥為研究對(duì)象，通過(guò)繪制粘溫曲線、粘度曲線和流動(dòng)曲線，考察溫度、TS和剪切速率對(duì)污泥流變性的影響，以期為厭氧消化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，熱交換系統(tǒng)、污泥泵送系統(tǒng)和物料混合系統(tǒng)的優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

　　2 材料與方法

　　2.1 材料

　　餐廚垃圾取自重慶大學(xué)B區(qū)某學(xué)生食堂，人工剔除竹筷、紙張等雜質(zhì)，通過(guò)篩網(wǎng)濾掉流動(dòng)的油脂.半連續(xù)式厭氧消化試驗(yàn)的接種污泥取自重慶市白市驛某沼氣池，經(jīng)馴化后使用.餐廚垃圾和接種污泥的理化特性見(jiàn)表 1.序批式厭氧消化試驗(yàn)的接種污泥取自運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)的半連續(xù)式厭氧消化反應(yīng)器.

　　表 1 餐廚垃圾及接種污泥的理化特性

　　2.2 試驗(yàn)裝置及過(guò)程

　　半連續(xù)式試驗(yàn)采用自制單相CSTR厭氧消化反應(yīng)器，見(jiàn)圖 1a，反應(yīng)器有效容積為50 L，頂部進(jìn)料下部出料.關(guān)閉進(jìn)、出料口時(shí)反應(yīng)器內(nèi)部形成厭氧狀態(tài).通過(guò)溫控儀控制加熱循環(huán)水，反應(yīng)器內(nèi)部溫度維持在中溫(35±2)℃.斜葉式機(jī)械攪拌器轉(zhuǎn)速設(shè)定為45 r·min-1，運(yùn)轉(zhuǎn)周期為5 min·h-1，每日物料回流比為2 ∶ 1.反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中有機(jī)負(fù)荷(Organic loading rate，OLR)變化情況見(jiàn)表 2，進(jìn)料前將餐廚垃圾粉碎至粒徑小于2 mm.反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)料餐廚垃圾TS保持不變，由于反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中受到抑制，本試驗(yàn)采用加水稀釋的方式降低反應(yīng)器中的TS，加水稀釋量見(jiàn)表 2.

　　圖 1 厭氧消化試驗(yàn)裝置圖

表 2 半連續(xù)式反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷及加水量變化

　　半連續(xù)式反應(yīng)器運(yùn)行期間，每日定時(shí)從反應(yīng)器底部出料口取污泥樣品，測(cè)定pH、TS、VS/TS以及動(dòng)力粘度，并測(cè)定其上清液的VFA、COD及氨氮含量，以評(píng)估反應(yīng)器的運(yùn)行狀況.

　　序批式試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖 1b，通過(guò)加水將接種污泥稀釋至不同TS水平，取300 mL污泥加入500 mL的廣口瓶，餐廚垃圾和污泥在試驗(yàn)前粉碎至粒徑小于2 mm，有機(jī)負(fù)荷設(shè)定為4 kg·m-3(以VS計(jì))，每個(gè)TS設(shè)兩個(gè)平行試驗(yàn).通過(guò)往復(fù)式恒溫水浴振蕩器(SHA-C)維持消化溫度35 ℃，振蕩頻率為20 r·min-1.反應(yīng)結(jié)束后測(cè)定污泥的TS、VS/TS以及動(dòng)力粘度.

　　2.3 分析方法

　　COD、VFA和氨氮按照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定;TS和VS/TST利用稱重法測(cè)定;pH值利用PHS-3C型pH計(jì)測(cè)定;產(chǎn)氣量利用LML-3型濕式氣體流量計(jì)測(cè)定.

　　動(dòng)力粘度利用HBDV-Ⅱ+Pro型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)(上海尼潤(rùn)智能有限公司)測(cè)定，配備RTD溫度探頭(精度0.1 ℃)，以及2#~7#共6個(gè)轉(zhuǎn)子用于測(cè)定不同動(dòng)力粘度的流體，轉(zhuǎn)子的剪切速率范圍為2.09~41.8 s-1，該剪切速率可以認(rèn)定為層流.

　　2.3.1 溫度對(duì)流變特性影響測(cè)試

　　通過(guò)水浴加熱將污泥樣品從室溫20 ℃升至70 ℃，隨后自然降溫，粘度計(jì)選用3#轉(zhuǎn)子，固定剪切速率γ為41.8 s-1.取半連續(xù)式反應(yīng)器內(nèi)的消化污泥，TS分別為26.23%、22.17%、21.41%，測(cè)定不同溫度下的動(dòng)力粘度，繪制粘溫曲線.

　　2.3.2 TS含量和剪切速率對(duì)流變特性影響測(cè)試

　　通過(guò)恒溫水浴控制污泥樣品溫度為(35.0±0.1)℃，通過(guò)由低到高的剪切速率(2.09~41.8 s-1)，測(cè)定污泥的動(dòng)力粘度，繪制粘度曲線.樣品測(cè)定時(shí)，半連續(xù)式消化污泥TS和對(duì)應(yīng)選用的粘度計(jì)轉(zhuǎn)子分別為29.54%(4#)、26.08%(4#)、24.82%(3#)、22.64%(3#);序批式消化污泥TS和對(duì)應(yīng)選用的粘度計(jì)轉(zhuǎn)子分別為22.48%(3#)、20.13%(3#)、18.40%(3#)、16.46%(3#)、13.96%(2#)、12.09%(2#).

　　2.3.3 厭氧消化污泥的時(shí)間相關(guān)性和觸變性的測(cè)定

　　取序批式消化污泥進(jìn)行測(cè)定，獲得剪切速率-剪切應(yīng)力的上升曲線和下降曲線，同時(shí)獲得相應(yīng)的粘度曲線，污泥TS和粘度計(jì)轉(zhuǎn)子選用同2.3.2節(jié);粘度計(jì)使用2#轉(zhuǎn)子，固定剪切速率γ為31.4 s-1，測(cè)定污泥動(dòng)力粘度隨剪切時(shí)間發(fā)生的變化，并記錄剪切時(shí)的溫度變化，繪制溫度時(shí)間曲線和粘度曲線，污泥TS分別為16.46%、13.96%、12.09%.污泥樣品的TS和VS/TS見(jiàn)表 3.

　　表 3 污泥TS、VS/TS及取樣時(shí)間

　　3 試驗(yàn)結(jié)果

　　圖 2表示的是半連續(xù)式反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中，消化污泥的TS受有機(jī)負(fù)荷和加水稀釋影響而發(fā)生的變化.圖 3表示的是半連續(xù)式消化污泥的TS和VS/TS隨運(yùn)行時(shí)間的變化情況.從圖 2中可以看出，保持進(jìn)料的餐廚垃圾TS固定不變會(huì)使反應(yīng)器內(nèi)消化污泥的TS逐漸提升，加水稀釋可以快速改變消化污泥TS.從圖 3中可以看出，在反應(yīng)器運(yùn)行的第54 d以后，TS波動(dòng)較為明顯，而VS/TS的變化相對(duì)較為平穩(wěn)，一定程度上說(shuō)明污泥中的微生物數(shù)量并沒(méi)有隨TS含量的變化而發(fā)生較大波動(dòng).

　　圖 2 半連續(xù)式消化污泥TS隨有機(jī)負(fù)荷、加水量的變化曲線

　　圖 3 半連續(xù)式消化污泥TS、VS/TS-時(shí)間變化曲線

　　圖 4表示的是半連續(xù)式消化污泥動(dòng)力粘度隨溫度的變化情況.從圖 4可以看出，污泥的動(dòng)力粘度隨溫度的升高而降低，即溫度越高，流動(dòng)性越好.污泥在自然降溫時(shí)的動(dòng)力粘度高于升溫時(shí)的動(dòng)力粘度，說(shuō)明溫度升高的過(guò)程對(duì)污泥流變性造成了不可逆的影響.結(jié)合表 3，粘度測(cè)定的樣品中TS區(qū)別明顯，而VS/TS較為接近，可知TS較VS/TS更明顯的影響污泥的流變性質(zhì).從圖 4中還可看出，TS含量越高，溫度對(duì)動(dòng)力粘度的影響越明顯;在同一溫度下，污泥TS含量越高，動(dòng)力粘度相應(yīng)越大.

　　圖 4 半連續(xù)式消化污泥溫度-動(dòng)力粘度曲線

　　圖 5a、b分別為半連續(xù)式和序批式厭氧消化反應(yīng)器內(nèi)污泥的動(dòng)力粘度隨剪切速率的變化.圖 6表示的是不同TS的序批式消化污泥在γ=41.8 s-1下的動(dòng)力粘度值.

　　圖 5 剪切速率-動(dòng)力粘度曲線

　　圖 6 序批式消化污泥動(dòng)力粘度隨TS的變化

　　從圖 5中可以看出，兩種污泥的動(dòng)力粘度均隨著剪切速率的提高而減小，并在低剪切速率下(γ<10.4 s-1)隨剪切速率的提高而迅速下降;隨著剪切速率繼續(xù)增大(γ>20.9 s-1)，減小幅度下降，最后趨于穩(wěn)定.并且TS含量越低，動(dòng)力粘度值趨于穩(wěn)定的速度也越快，TS越高，達(dá)到穩(wěn)定值所需要的剪切速率也越大.粘度曲線說(shuō)明餐廚垃圾厭氧消化污泥為非牛頓流體，并具有剪切變稀的特點(diǎn)，TS含量越高這一特征越明顯.結(jié)合表 3可以看出，TS比VS/TS更能影響污泥的流變性.而且還可從圖 5看出，在任一相同的剪切速率下，TS含量越高則動(dòng)力粘度越大，并可從圖 6得到證實(shí).對(duì)比圖 5a、b，TS相近時(shí)，序批式反應(yīng)器中污泥的動(dòng)力粘度要高于半連續(xù)式.從圖 6可以看出，同一剪切速率下，污泥的動(dòng)力粘度與TS含量之間為非線性關(guān)系，動(dòng)力粘度值隨TS的增大而提高的越來(lái)越快.

　　圖 7表示的是序批式消化污泥的剪切速率-剪切應(yīng)力曲線.從圖 7中可以看出，污泥的流動(dòng)曲線由剪切速率提高時(shí)的上升曲線和剪切速率降低時(shí)的下降曲線構(gòu)成，兩條不重合并形成順時(shí)針?lè)较虻臏�后環(huán)，說(shuō)明厭氧消化污泥為時(shí)間相關(guān)性流體(陳惠 釗，2003).TS含量越高，上升曲線和下降曲線的差異越大，剪切應(yīng)力與剪切速率之間的非線性關(guān)系越明顯.

　　圖 7 剪切速率-剪切應(yīng)力曲線

　　圖 8表示的是固定γ為31.4 s-1時(shí)，序批式消化污泥動(dòng)力粘度和溫度隨剪切時(shí)間的變化關(guān)系.從圖 8中可以看出，污泥的動(dòng)力粘度隨剪切時(shí)間增加而降低，并且在剛開(kāi)始剪切時(shí)動(dòng)力粘度變化快，隨后變化趨于穩(wěn)定，其粘度變化量見(jiàn)表 4.從表 4中可以看出，粘度測(cè)定過(guò)程中污泥溫度變化較小，可認(rèn)為測(cè)定時(shí)溫度對(duì)流變性的影響一致.

　　圖 8 序批式消化污泥動(dòng)力粘度和溫度隨剪切時(shí)間的變化　　

表 4 污泥粘度及溫度隨剪切時(shí)間的變化

　　圖 9為中溫厭氧消化污泥在剪切速率由低到高(上升曲線)并回落(下降曲線)的過(guò)程中相應(yīng)的粘度曲線.從圖 9中可以看出，污泥的動(dòng)力粘度隨剪切速率增加而減小，剪切速率減小時(shí)污泥的動(dòng)力粘度增大，但是污泥動(dòng)力粘度增大的速度比減小的速度慢.TS含量越低，剪切速率升、降形成的粘度曲線越接近，TS含量越高，上升曲線和下降曲線區(qū)別越明顯.

　　圖 9 剪切速率-粘度曲線

　　4 討論

　　4.1 溫度對(duì)流變特性的影響

　　有研究表明，對(duì)于低TS含量的污泥，動(dòng)力粘度隨溫度降低而升高，Baudez等研究表明污泥的動(dòng)力粘度會(huì)隨溫度提高而降低.對(duì)于溫度影響污泥粘度的機(jī)理，研究者從溫度對(duì)污泥組分、附著微生物和結(jié)構(gòu)等方面做出分析：Baudez等認(rèn)為溫度的變化會(huì)影響污泥的空間結(jié)構(gòu)及組分的改變，使污泥的流變性質(zhì)發(fā)生不可逆的變化;厭氧消化過(guò)程中細(xì)菌對(duì)溫度波動(dòng)非常敏感，對(duì)溫度變化需要一定的適應(yīng)期;Baroutian等認(rèn)為當(dāng)污泥受熱時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致分子之間的凝聚力減少，從而導(dǎo)致了剪切應(yīng)力以及粘度隨之降低;Forster則論證了污泥顆粒表面包括蛋白質(zhì)和多糖在內(nèi)的聚合物數(shù)量越多，污泥的流動(dòng)性就會(huì)越差.

　　有研究表明，對(duì)TS含量為25%~30%的生活垃圾進(jìn)行厭氧消化，中溫條件下產(chǎn)氣效率很低，高溫時(shí)產(chǎn)氣正常.從溫度方面分析，同樣的TS含量下，溫度越高，污泥中的微生物活性越強(qiáng)，傳質(zhì)效率因物料分子間凝聚力的減小而提高，污泥動(dòng)力粘度減小，流動(dòng)性增強(qiáng)，從而有效的提高了反應(yīng)速度，使反應(yīng)器能正常運(yùn)行.

　　筆者認(rèn)為，溫度對(duì)污泥的空間結(jié)構(gòu)和流變性影響很大，溫度提高時(shí)，表面張力減小和分子熱運(yùn)動(dòng)加劇以及污泥中微生物的活性增強(qiáng)導(dǎo)致污泥顆粒之間的凝聚力減小，動(dòng)力粘度降低;在降溫時(shí)污泥顆粒之間的凝聚力提升，同時(shí)溫度的改變對(duì)厭氧消化污泥的空間結(jié)構(gòu)造成了不可逆的影響，導(dǎo)致降溫時(shí)的動(dòng)力粘度高于升溫時(shí)的粘度值.作為進(jìn)料的餐廚垃圾提供的豐富有機(jī)質(zhì)則影響了污泥表面聚合物的成分及數(shù)量，增強(qiáng)了污泥空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，比較同一溫度下的動(dòng)力粘度，TS含量越高，這種影響越明顯.

　　4.2 TS含量對(duì)流變特性的影響

　　對(duì)于高TS含量的污泥，Dentel and Dursun考察了TS為14%~28%的污泥脫水泥餅的流變性;通過(guò)配制TS為28.84%~37.30%的造紙污泥漿體，郭光明等的研究結(jié)果顯示TS越高，動(dòng)力粘度越高，這和TS小于10%時(shí)TS對(duì)污泥動(dòng)力粘度的影響一致.研究人員分析了TS含量影響污泥粘度的機(jī)理：Abu-Jdayil等認(rèn)為TS含量的提高使污泥顆粒直徑彼此更為接近，導(dǎo)致污泥顆粒之間的相互作用更強(qiáng)，導(dǎo)致動(dòng)力粘度提高;Pevere等的研究顯示TS含量不變時(shí)，顆粒直徑的減小會(huì)增加顆粒彼此之間接觸的表面積，從而增加污泥的極限粘度.

　　分析圖 5、圖 6可以看出，半連續(xù)式和序批式試驗(yàn)的污泥均表現(xiàn)出TS含量越高，動(dòng)力粘度值越大的特點(diǎn)，與此同時(shí)，各樣品VS/TS之間的差別并不明顯，說(shuō)明TS對(duì)污泥的流變性有重要影響.結(jié)合圖 5和圖 9，比較污泥在同一剪切速率時(shí)的動(dòng)力粘度值，在相近的TS范圍內(nèi)，序批式污泥的動(dòng)力粘度相對(duì)較高，可能因?yàn)樾蚺�式污泥的粒徑更小且比較均勻，相互之間接觸的表面積較大，增強(qiáng)了污泥顆粒之間的相互作用.污泥TS越高，污泥顆粒數(shù)量越多，顆粒之間相互作用的機(jī)會(huì)越增加，導(dǎo)致污泥的TS越大動(dòng)力粘度越高.

　　4.3 剪切速率對(duì)流變特性的影響

　　圖 5可以看出，污泥屬于剪切變稀的非牛頓流體.攪拌會(huì)對(duì)污泥產(chǎn)生剪切作用，污泥顆粒間的凝聚力傾向于恢復(fù)污泥的空間結(jié)構(gòu)，剪切應(yīng)力傾向于破壞污泥結(jié)構(gòu)，在臨界狀態(tài)時(shí)，污泥結(jié)構(gòu)完全破壞，污泥發(fā)生流動(dòng).因而剪切速率增大時(shí)污泥的空間結(jié)構(gòu)破壞，粘度值降低，流動(dòng)性增強(qiáng)，相應(yīng)的傳質(zhì)傳熱效率提升.從圖 5圖 6中可以看出，γ<10.4 s-1時(shí)，攪拌速度相對(duì)較低，但流動(dòng)性較差;γ>20.9 s-1時(shí)，動(dòng)力粘度隨剪切速率的提高改變較小，對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力增大，增大了能耗并且不利于微生物的生長(zhǎng).結(jié)合圖 7進(jìn)行分析，當(dāng)污泥維持較好的流動(dòng)性時(shí)，TS含量越低污泥實(shí)現(xiàn)均質(zhì)化耗用的能量也就越少，隨著TS含量的提高，污泥實(shí)現(xiàn)均質(zhì)化需要更高的剪切速率，意味著能耗的提高和物料之間傳質(zhì)傳熱效果的下降.

　　4.4 污泥的觸變性與時(shí)間相關(guān)性

　　圖 7中剪切速率-剪切應(yīng)力的上升曲線與下降曲線不重合，形成滯后環(huán)，說(shuō)明餐廚垃圾厭氧消化污泥為時(shí)間相關(guān)性流體.滯后環(huán)同時(shí)也是流體觸變性的度量，觸變性不同的流體，滯后環(huán)形狀也有所差異，污泥TS含量越高，滯后環(huán)面積越大，觸變性也越強(qiáng).

　　污泥的觸變性指的是時(shí)間相關(guān)性流體受施加的剪切應(yīng)力作用會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，破壞程度與剪切速率及剪切時(shí)間成正相關(guān)，從而出現(xiàn)圖 7污泥在固定的剪切速率下動(dòng)力粘度隨剪切時(shí)間增加逐漸下降的現(xiàn)象.圖 9中剪切速率變化時(shí)，污泥動(dòng)力粘度的增大速度慢于減小速度，這是因?yàn)樵诩羟兴俾试龃蟮倪^(guò)程中，污泥結(jié)構(gòu)受到破壞，污泥顆粒逐漸恢復(fù)其結(jié)構(gòu)需要一定的時(shí)間，因而剪切速率減少時(shí)出現(xiàn)粘度恢復(fù)較慢的情況.從圖 8和圖 9可以判斷污泥為具有時(shí)間相關(guān)性的觸變性流體，并且TS含量越高，這一特征越明顯.

　　餐廚垃圾進(jìn)行中溫干式厭氧消化，研究污泥觸變性的意義在于：攪拌速度決定了剪切速率，影響反應(yīng)器內(nèi)的速度場(chǎng)以及剪切力場(chǎng)，進(jìn)而改變污泥的流變性質(zhì)并對(duì)傳質(zhì)和傳熱起主導(dǎo)作用，對(duì)污泥顆粒的粒徑和生長(zhǎng)狀態(tài)造成影響.剪切應(yīng)力與污泥TS含量直接相關(guān)，在輸送污泥時(shí)如果攪拌產(chǎn)生的剪切應(yīng)力不夠高，會(huì)使污泥難以維持均質(zhì)流并可能導(dǎo)致管路堵塞;對(duì)于厭氧消化反應(yīng)器，攪拌不適或者污泥長(zhǎng)時(shí)間靜置會(huì)導(dǎo)致污泥結(jié)構(gòu)重建造成靜止不動(dòng)的區(qū)域，這會(huì)嚴(yán)重影響污泥均質(zhì)化，而這種效應(yīng)會(huì)隨TS含量的提高變得更為明顯.因而對(duì)于高TS含量的餐廚垃圾厭氧消化污泥，反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和攪拌系統(tǒng)及泵送系統(tǒng)的優(yōu)化，污泥的觸變性是需要考慮的重要因素.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　5 結(jié)論

　　1)餐廚垃圾中溫厭氧消化污泥屬于剪切變稀的非牛頓流體，具有時(shí)間相關(guān)性，為觸變性流體，并具有一定的剪切應(yīng)力.

　　2)餐廚垃圾中溫厭氧消化污泥隨著溫度提高，動(dòng)力粘度降低，流動(dòng)性增強(qiáng)，溫度變化對(duì)污泥流變性有不可逆的影響.

　　3)餐廚垃圾進(jìn)行中溫厭氧消化，系統(tǒng)內(nèi)污泥TS>12%時(shí)，攪拌剪切速率γ介于10.4~20.9 s-1較為合適.

　　4)在同一剪切速率下，餐廚垃圾中溫厭氧消化污泥的TS含量越高，動(dòng)力粘度越大，流動(dòng)性也越差.

　　5)TS含量越高，溫度、TS含量以及剪切速率對(duì)污泥流變性的影響越明顯.