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1、中国环境科学CHINA ENVIRONMENTAL SCIENCE1998 年 第 18 卷 第 3 期 No.3 Vol.18 1998科技期刊常温厌氧污泥消化的停留时间分析王世和(东南大学环境工程系，南京 210096)远藤郁夫(早稻田大学，日本)文摘通过对 25下城市污泥常温厌氧消化过程的产气率、pH 值、挥发酸、有机物分解率、消化速度常数等的测定，引入“微生物污泥(Active Biological Solids)”概念，进行了常温厌氧消化过程的动力学分析。结果表明，常温消化的反应速度、产气率、有机物分解率均明显低于高、中温消化。为获得同一程度的产气率和有机物分解率，常温消化需 150
2、 天以上的停留时间，而中、高温则为 1230 天。常温污泥消化的基质浓度与消化速度关系不同于合成基质，呈 S 型，可采用Moser 模型模拟其动力学过程；n=2 时所得各项动力学常数及最小消化时间可用于常温厌氧消化过程的控制。关键词厌氧污泥消化甲烷发酵污泥处理与处置The analysis of the retention time in the process of the normal temperature anaerobic sludge digestion.Wang Shihe (Department of Environmental Engineering, Southeast U
3、niversity,Nanjing 210096);Ikuo Endo(WASEDA University, Japan).China Environmental Science.1998,18(3):218222AbstractIn this paper, the concept of “Active Biological Solids was introduced and the analysis of kinetics in the process of normal temperature anaerobic digestion was carried out by means of
4、measuring the rate of gas production, pH, the volatile acid, the degradation rate of organic matter and the digestion speed constant in the process of urban sludge anaerobic digestion in 25. The results demonstrate that the reaction speed, the rate of gas production and the degradation rate of organ
5、ic matter in normal temperature digestion are obviously lower than those in high or middle temperature. To reach the same degree in the rate of gas production and degradation rate of organic matter, the retention time for normal temperature digestion needs more than 150 days,while only 12 to 30 days
6、 required for high or middle temperature digestion. The relationship between the substrate concentration and the digestion speed in the process of normal temperature sludge digestion takes on the style of an S, which differs from that of the synthetic substrates. Its kinetics can be simulated with M
7、oser model. When n is 2, several kinetic constants and the minimum digestion time can be used for the control of nomal temperature anaerobic digestion.Key words:anaerobic sludge digestionmethane fermentationsludge treatment and disposal已有的研究表明 1 ，高温和中温消化可在较短的时间内获得较好的处理效果。但自 70 年代初世界性能源危机以来，以节能为特征的低温
8、、常温污泥消化技术的研究成了科技界关注的热点。污泥消化与污水生物处理同是生化过程，但由于有机物的表现形态不同，消化过程的动力学分析也不同。在厌氧污泥消化中，作为基质对象的污泥中的有机物及无机物，常以溶解态、胶体及悬浮物等形式表现，因而 MLVSS 也与合成基质的情形不同。作者的研究表明 1 ，在各种停留时间下，TS 中的 SS 约占 84.5%88.4%；混合液基质浓度中，分离液仅占 21%23%，其余 77%79%的有机物以悬浮状态存在，故可认为菌体是以 SS 为附着载体，并在反应器内构成 SS 与菌体的复合体，共同完成对有机物的降解过程。为便于分析，本文将此定义为“微生物污泥”，并以此为
9、MLVSS 进行动力学分析。1试验概况试验用图 1 的消化装置，14 组消化反应器分别置于 250.2的恒温水槽内，停留时间分别为8、10、12、15、20、25、30、40、60、80、100、120、150、200 天。反应器容积：880 天消化组用 3.0L 玻璃瓶，混合液容积为2.4L；100200 天消化组采用 5L 玻璃瓶，混合液容积为 4L。每天 1 次进行污泥的排出和投配，早、晚各 1 次充分搅拌，使反应器内污泥混合均匀。接种污泥以城市污水处理厂二沉池污泥经 8 个月充分驯化而成。投配污泥的初始测定值：pH 值为 5.93，COD Cr 31548mg/L，BOD 5 1284
10、3mg/L，VFA1412mg/L,TS 22424mg/L，VS 18383mg/L，SS 19561mg/L，VSS 16675mg/L，T-N 835mg/L。试验共进行了 10 个月，每天定时测定反应器内混合液的 pH 值、挥发酸(VFA)、BOD 5、COD Cr及MLVSS 等值，分析数据为稳定运行状态下 3 个星期的平均值(见表 1)。图 1消化装置示意Fig.1Illustration of the digestion unitA.反应器B、C.沼气测量系统D.混合液采样口E.基质投加口F.安全阀G.恒温水槽表 1试验测定结果平均值Table 1Average results
11、measured in the experiments消化天数(d)产气量(mL/d) pH 值BOD 混(mg/L)BOD 分(mg/L)CODCr(mg/L)VFA(mg/L)TS(mg/L)VS(mg/L)SS(mg/L)VSS(mg/L)8 2391 6.75 5644 1386 17309 1192.0 15852 11198 13186 980710 2109 6.84 3694 907 14744 376.0 13785 9120 11412 806712 1877 6.87 3022 727 14956 749.2 12846 8570 10930 759815 1237 6.
12、85 2771 542 16161 267.8 16702 10125 13649 938920 1159 6.94 2301 492 13449 564.7 12883 8349 10760 729325 945 6.97 2256 467 13488 536.6 13025 8309 10813 722630 641 6.94 2113 446 15627 280.4 14249 9250 12520 835440 461 6.97 1984 419 13443 419.0 13774 878.2 12132 799660 326 7.02 1713 342 13050 496.6 134
13、87 8471 11708 754380 247 7.07 1793 321 12024 455.0 13104 8187 11244 7234100 387 7.07 1699 389 12289 342.2 13350 8238 11269 7106120 334 7.11 1520 410 12888 377.8 13009 7956 10992 7019150 273 7.17 1539 358 12523 339.8 12893 7795 10884 6875200 216 7.20 1455 342 12407 412.3 12699 7789 10500 65332试验结果及动力
14、学分析图 2 为产气量与停留时间的关系。为便于分析，同时给出高温(53)、中温(37)消化的试验曲线。从图 2 可见，在 1230 天消化条件下，中、高温产气量均达到 600630mL/g*VS，接近最高产气量。常温消化的产气量在 12200 天范围内，在 465630mL/g*VS 间渐增。由此看来，为获得与中、高温稳定状态同程度的产气量，常温消化需150 天以上的停留时间。同时发现，反应器混合液 pH 值达到 7.0 以上需40 天以上的消化时间。图 3 为消化时间与有机物分解率的关系。在高、中温消化、产气率稳定的状态下，有机物分解率在 55%63%范围内上升，而常温消化在830 天内急增
15、，40 天以上有机物分解率增势趋缓，150200 天时达到最大值(55%)，常温消化难以达到高、中温时的最大消化率。为获得 50%以上的分解率，需有 60 天以上的停留时间；要获得 55%以上的分解率，高、中温消化的停留时间在 12 天以上即可，而常温需 150 天以上。尽管如此，30 天消化的分解率已经达到 46%，为最高消化率(55%)的 84%；要达到 90%的最大可能消化率，停留时间在 60 天以上即可，此时分解率为 50.5%。图 2产气量、pH 值与停留时间关系Fig.2The relationship between the amount of gasproduction, pH
16、 and ratention time 图 3有机物分解率与停留时间关系Fig.3The relationship between the degradetionrate of the organic matter图 4 为反应器的基质浓度与基质消化速度的关系。由图 4 可知，与合成基质时的抛物线分布不同，此时呈 S 型分布规律，在 BOD5为2050mg/L 处出现拐点。因而判定，常温污泥消化过程不能简单地套用Monod 方程，必须在对微生物污泥的增殖规律进行分析的基础上，引进Moser 模型 13 ，以考察常温厌氧污泥消化的动力学过程。根据本研究的具体条件，图 1 的消化系统可概括为 的完全混合型反应器，故基质的容积负荷去除率 (2)消化速度 (3)式中：X 0、X 为投料及反应器内的微生物浓度；S 0、S 为投料及反应器内的基质浓度；Q 为流量；V 为反应器混合液体积；t 为污泥停留时间。由反应器内微生物污泥的
