污泥的中温和高温两相厌氧消化与两级厌氧消化的对比
摘要
建立中温消化池与高温消化池中两相消化系统，将高温消化池中的污泥回流至中温消化池内，用此方法检验中温及高温两相厌氧消化系统对污泥的消解能力，并与单级中温与高温厌氧消化作对比。
两相厌氧消化系统中挥发性固体的去除程度取决于污泥回流量，去除率为50.7–58.8%, 比单级高温厌氧消化时挥发性固体46.8%的去除率高很多，也比中温厌氧消化时挥发性固体43.5%的去除率高很多。
确切的甲烷产量为424–468ml/vs，这与单级中温厌氧消化产生的甲烷量几乎一样。
就两相厌氧消化挥发性脂肪酸和可溶解化学需氧量的去除率而言，其运行的稳定性和出水水质优于单级中温厌氧过程中的。
两相系统中的总大肠菌类的破坏率为98.5–99.6%，与单级高温厌氧消化系统中的相似。
挥发性固体与病菌的减少率方面的较好表现及两相厌氧系统的稳定运行都可归因于由于污泥回
流而带来的良好的高温厌氧环境，以及厌氧菌的稳定养分，还归因于两相系统中厌氧微生物高亲和性。
关键词：厌氧消化；中温的；高温的；同相；污水污泥
中图分类号： [tu992.3] 文献标识码： a 文章编号：
1. 简介
单级中温的彻底混合型厌氧消化广泛应用于废水处理过程中的
污泥减量，并获取以沼气为形式的能量。
中温厌氧消化通常需要20多天的停留时间，但是不能有效地减少挥发性固体及惰性致病菌。
为克服这些局限性，人们对利用具有较高代谢率的嗜温菌来降解污泥的高温厌氧消化的兴趣与日俱增[1–4]，虽然高温厌氧消化在减少挥发性固体及惰性致病菌的方面表现比较好，但其出水水质和剩余污泥的脱水能力比较差，需要消耗很多的能量[2,3,5]。
高温厌氧消化对运行条件更加敏感，如温度、有机负载率等，还对投入的污泥特性敏感[5,6]。
总的来说，可以从消化环境、微生物及工艺配置方面得出厌氧处理过程的的优化条件，每个过程都有其独特的优势。
根据之前的研究[7–10]，两相或两级厌氧过程在出水水质、甲烷量、挥发性固体降解率及工艺稳定性方面表现良好。
这意味着可以通过厌氧工艺的最佳组合来改善厌氧过程。
最近研究了由连续的中温和高温消化池组成的两相厌氧消化（tpad）过程，目的是合理利用中温和高温厌氧消化的优势[11–14]。
相比单级过程
[12,13,15]来说，tpad过程可以在较高负载率下运行，并且对病原生物体有更好的灭活作用[13,15]，而且能够像其他的两级或两相厌氧过程一样具有抗冲击负荷能力[8]。
然而，tpad过程第一阶段的高温厌氧消化池仍对环境条件敏感，可能影响到该过程的整体表现及第二阶段的中温厌氧消化池。
此外，tpad过程中得到的最大挥发性固体的降解程度和确切的甲烷产量与固体停留时间充足的单
级厌氧处理过程中得到的结果不太一样[12,15]。
该研究的目的是测试由中温厌氧消化及高温厌氧消化组成的厌
氧消化的组合工艺，以便得到更有效的污泥稳定工艺。
因此，考察了单级混合型中温及高温厌氧消化工艺各自的运行状况，来明确各
自的特征。
同时还研究了新构想的同相厌氧消化的特质，新构想的这种厌氧消化是通过空间分离的中温及高温厌氧消化池之间的污
泥交换的方式同时使用两种温度生物化学相，并且将这种新构想与污水污泥的单级厌氧过程作了比较。
2. 材料和方法
2.1. 实验装置
试验中厌氧消化系统的示意图如图1。
两相厌氧消化系统（a）由一个中温消化池(13.6 l)和一个保留高温消化池(5l)组成的。
污泥的流入和从系统中排出消化污泥都是在中温消化池中进行。
安装了一个内循环管路，用来交换两个温度下消化池中的消化污泥。
对于单级厌氧消化系统来说，使用了一个彻底混合型的中温消化池（b）和相同类型的高温消化池（c），其有效容量分别为12.2l 和 5l。
试验中用到的所有消化池都是由锥形底的透明丙烯酸管制成。
把插在消化池中的恒温器与温度感应器相连。
在消化池的外壁缠上一层电热材料，并裹上一层绝缘材料。
在消化过程中，中温条件下的污泥温度由恒温器维持在35±2℃，而高温条件下的污泥温度维持在55±2℃。
用连接了立式电机的搅拌器对消化池进行完全混合。
在消化池盖上有一个气体取样口，以正丁基橡胶塞塞住，方便分析沼气的成分。
沼气的产量由一个连接在消化池顶部的排水集气器监控。
用硫酸对集气器中的水进行酸化，并加入盐使其饱和，这样就能预防沼气分解。
在试验过程中，每天用带有计量的蠕动泵向消化池中均匀注入4-8次污泥。
图1a:中温高温两相厌氧消化 b:单级中温厌氧消化 c:单级高温厌氧消化
2.2. 试验方法
污水污泥是从b市的城市废水处理厂中获得的，使用前储存在4℃的冰箱中不到2周。
在从贮水池中转移到消化池中时，要用一个孔径为1mm的滤网对污泥过滤，以防止堵塞。
厌氧消化污泥是从b市一个污泥单级中温厌氧消化池中取得的。
这些污泥也要用一个孔径为1mm的筛子过滤，去掉杂质，对这些污泥进行完初步分析后就被用作两种厌氧消化系统启动阶段的接种液。
表1显示了接种污泥和培菌液的一般特性以及单级和同相厌氧消化系统的试验条件。
接种污泥的特性，如挥发性固体、化学需氧量（cod）、碱度等在试验过程中变化很大。
表1接种污泥、培菌液特性及试验条件
在试验过程中，单级中温消化池的水力停留时间(hrts)为20天，平均有机负载率为1.43 g vs/l/d，而高温消化池的水力停留时间(hrts)为10天，平均有机负载率为2.90 gvs/l/d。
对于两相厌氧消化来说，系统的水力停留时间为21天，中温与高温消化池之间不同的污泥回流量是污泥初始流量的7.35, 3.33及 1.67 倍。
与每个污泥回流量相对应，高温厌氧消化池的污泥停留时间(srts)与水力停留时间（hrts）相同，但是中温厌氧消化池的污泥停留时间
则分别减至2.38, 4.68 和7.60天。
2.3. 分析和计算
为监控厌氧过程的性能，每天都从单级和同相厌氧消化系统中取降解污泥样品。
根据标准方法，每天都测量ph值和碱度，每周分析两次总固体量(tss)、挥发性固体(vss)、总化学需氧量(tcods)和溶解性化学需氧量(scods) [16]。
每天还要用anderson和yang [17]提议的滴定法测量挥发性脂肪酸(vfa)，每周用高效液相色谱仪(dx-500)分析两次挥发性脂肪酸，该液相色谱柱采用可进行紫外线检测的高压层析hpx-87h柱(300×7.8 mm)。
每天监测沼气的产生量，并用气相色谱分析仪(gow-mac 系列580)分析其成分，气相色谱柱采用可进行导热系数检测的不锈钢立柱(porapak q, 筛孔尺寸 80±100, 6 英尺×1/8``)。
厌氧过程稳定后，根据标准方法测量nh4 +-n[16]。
用装有聚合氯化铝离子立柱(as 144×250mm)和电导率检测器的色谱仪分析硫酸盐和正磷酸盐的浓度。
计算在35℃中培养36小时后的菌落并用膜过滤方法测试分解污泥中的总大肠菌含量[16]。
在试验过程中，厌氧消化系统的运行状态的稳定性通过一些参数的的稳定性来表征，这些参数包括ph值、挥发性固体、挥发性脂肪酸与碱度之比以及沼气中的甲烷含量。
以单位颗粒化学需氧量(pcod)负载率为基础，根据消化池的每单位体积和pcod的去除率可以估算出确切的水解速率。
测定出厌氧过程稳定条件下的试验产生的平均值和标准差，并通过初始污泥和降解污泥的变异补偿特性比较其消化性能。
