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《四川環境雜志》2014年第四期

1實驗材料與方法

1.1實驗材料和實驗裝置本實驗所用的滲濾液是取自成都市某焚燒發電廠滲濾液的新液，取回后置于密封桶內保存，待用。接種物豬糞取自宜賓市某生豬養殖場，為避免豬糞自身產氣對反應造成影響，取回后將其倒入反應器，在中溫(35℃)條件下進行馴化，直至不產氣時開始實驗內容。實驗原料參數見下表。實驗裝置如圖1所示，主要由1L反應罐，300mL集氣瓶1、1L廣口集氣瓶2，1L塑料集水瓶組成，分別作為原料消化罐，生物氣收集瓶，出水收集瓶。試驗過程隨時檢查系統的氣密性，以保證試驗在嚴格厭氧環境中進行。反應罐放置于恒溫水浴鍋中，溫度恒定為35℃。

1.2實驗方案將500mL豬糞裝入1L容量的反應罐內馴化，反應罐內不產氣時，采用間歇式進料加入滲濾液，進料量從25mL、體積負荷為5%開始，在系統能承受填料負荷，穩定運行前提下，以每25mL(體積負荷為5%)為增加負荷段，逐步增加填料量，直到厭氧消化系統不堪負荷，結束試驗。每隔2d測定消化液的pH值、堿度、氨氮及揮發性脂肪酸等參數(pH值維持在6.5～7.8之間，VFA濃度低于2000mg/L)，以判定厭氧消化系統承受填料負荷的能力。實驗進行了208d，負荷進行到第7個。

1.3實驗方法總固體(TS):重量法(CJ/T56-2004)［15］;揮發性固體物(VS):重量法(馬弗爐600℃灼燒2h)［16］;堿度:電位滴定法［17］;氨氮(NH3-N)、揮發性有機酸(VFA):蒸餾滴定法［16］;CODCr:重鉻酸鉀法(GB11914-89);pH:玻璃電極法(pHS-25型精密pH計);產氣量:排水法;氣體成分:安捷倫GC•7890A氣象色譜儀。

2實驗結果分析

2.1不同負荷條件下，累計產氣量情況不同負荷條件下的累計產氣情況及水力停留時間見圖2。由圖2可看出:5%、10%、15%負荷條件下，水力停留時間均為3d，累計產氣量基本以1000mL為梯度升高;20%、25%負荷條件下，根據厭氧消化系統的各參數值，水力停留時間延長，但累計產氣量有所增加，并出現峰值;30%負荷開始，累計產氣量降低，此時厭氧消化系統已被破壞(從VFA過高，產氣量過低可知);35%負荷時，累計產氣量已落到很低水平。由于，所填物料焚燒廠滲濾液pH低、高COD、高VFA，因此將30%負荷150mL的滲濾液填料至500mL的消化液，對消化系統沖擊很大。試驗總累積產氣量為88629mL。

2.2pH、VFA的變化趨勢分析圖3為不同負荷條件下，pH值及VFA濃度的變化情況。在整個反應持續的7個負荷、208天時間里，pH值基本保持在7.4～7.8范圍內。在5%、10%、15%前3個負荷，VFA濃度維持在800mg/L以下，系統處于比較穩定的狀態;到20%負荷時，VFA濃度達到2300mg/L，為避免反應系統出現酸化延長該負荷段水力停留時間為10d，VFA降至544mg/L;而從25%負荷以后，每次填料，消化液的VFA濃度都會升高至2500mg/L左右，延長停留時間，使VFA值降回1000mg/L，以維持反應系統的水解酸化和甲烷化生物反應平衡;在30%負荷后，VFA升高到3500mg/L，pH降至7.3，雖在該負荷段延長停留時間達9d后恢復到1500mg/L以內，但是，這已經超出厭氧反應正常運行的極限值，系統已遭到破壞，產氣量及產甲烷情況嚴重受創。

2.3氨氮變化趨勢分析氨氮是厭氧消化降解含氮有機物的產物之一，以氨態氮(NH+4)和游離氨(NH3)2種形式存在，高濃度氨氮對產甲烷菌有毒害作用，使系統pH上升并對甲烷菌的活性產生抑制。正常的厭氧發酵系統中，由于微生物脫氨作用，消化過程產生的CO2與液相中的NH+4形成了NH4HCO3緩沖體系，可在揮發性脂肪酸濃度適當時使發酵液保持在中性范圍，能夠使系統的酸堿度(pH)有利于產甲烷細菌的生長和繁殖，并為微生物提供無機氮源。氨氮變化情況見圖4:反應起始氨氮濃度較低，以5%、10%負荷加入滲濾液后，氨氮濃度逐漸升高至1264mg/L。之后，通過滲濾液的水解酸化、甲烷化以及系統進出料實現動態平衡，氨氮濃度略有升高，但穩定在1200～1600mg/L之間。一般來講，垃圾滲濾液中氨氮含量高，在厭氧消化過程中，一些難降解有機物被水解酸化成易于生化的小分子化合物，氨氮含量隨著苯胺類化合物等的分解會有一定程度的升高［18］。公認的銨離子抑制濃度為4000～5000mg/L［19］，本試驗氨氮濃度始終相對較低，未出現抑制作用。在后期，系統pH值有大的波動，氨氮濃度依然較穩定，系統仍具有較好的緩沖能力。對比VFA對pH的影響，VFA影響程度遠超過氨氮的影響。

2.4產氣量和甲烷含量變化趨勢分析厭氧消化過程中最主要的目的是盡可能獲得產量多、質量高的沼氣生物氣。日產氣量、甲烷含量及甲烷產率等參數是評價厭氧消化效率高低的重要指標。圖5為不同體積負荷條件下，甲烷含量的平均值變化情況:消化罐開始產氣時，甲烷含量約42%;在5%、10%負荷條件下，甲烷含量平均值維持在60%左右，系統處于良好的產甲烷階段;之后，甲烷含量平均值有波動，但基本處于40%～65%的范圍內;30%負荷時，甲烷含量平均值較穩定，維持在55%左右。可看出，各個負荷條件下，甲烷含量平均值基本穩定，系統產甲烷正常。揮發性脂肪酸(VFA)是有機質水解酸化的產物，甲烷菌以此為底物，將其降解轉化為CH4和CO2。因此，掌握厭氧發酵過程中有機酸的變化對厭氧發酵反應的控制尤為重要。焚燒廠滲濾液與豬糞混合厭氧消化過程主要以VFA為碳源獲得沼氣，VFA值與產氣量的變化情況如圖6:前39d，VFA值在500mg/L以下，日產氣量隨滲濾液填料－分解上下波動;40d后，VFA值波動范圍較大，日產氣量在58d時(20%負荷)達到峰值1950mL，107d(25%負荷)到達第二個峰值1980mL，隨后，負荷在30%時，VFA濃度超過3000mg/L，日產氣量隨著負荷提高下降劇烈。同時，VFA值較高時，甲烷含量較低，系統中酸化作用超過甲烷化作用，VFA逐漸被降解后，甲烷含量升高，最高時可達75.53%。即VFA值與甲烷含量成此消彼長的關系。由試驗數據可看出甲烷含量與VFA值變化在初期較慢，經過一段時間適應后，VFA值降解速度加快，甲烷含量回升速度也有所提高。試驗結束時，VFA值降至650mg/L，但是是以20天的水力停留時間為條件。

3結論

3.1以豬糞為接種物，可通過逐漸提高焚燒發電廠滲濾液有機負荷進行厭氧發酵，且能順利進入甲烷化階段。實驗進行的7個負荷，消化系統的pH值維持在7.2～8的范圍內，堿度及氨氮較高，對消化系統起到很好的酸堿緩沖作用。高負荷時，VFA值對系統產生弱酸抑制，體現在日產氣量及累計產氣量降低幅度較大上。

3.2理論上，每噸干物質的豬糞可產561m3的沼氣，本實驗中加入500mL豬糞，其TS為1.976%，則豬糞產沼氣約5543mL。實驗累積產氣量88629mL，扣除接種物的產氣量后，2800mL滲濾液的實際累積產氣量為83086mL。

3.3消化罐累計填料2800mL滲濾液，進水滲濾液CODCr值為70472mg/L，實驗結束時，消化液CODCr值為3373mg/L，CODCr去除率高達95.2%。

3.4豬糞為接種物，厭氧發酵焚燒廠垃圾滲濾液的過程中，去除CODCr效果明顯，但是對氨氮無去除能力，充分說明氨氮不適合利用厭氧方法去除。相反，隨著厭氧消化的進行，滲濾液中有機氮逐漸轉化為氨氮，導致氨氮濃度有所升高。因此，對于焚燒廠垃圾滲濾液中的氨氮，可在厭氧前加預處理，或利用好氧的硝化與反硝化來去除。

3.5滲濾液原液中高污染物從另一角度看待就是高能源，以豬糞為接種物在厭氧條件下可有效降解焚燒發電廠垃圾滲濾液中的污染物，并將其轉化為沼氣能源;結合焚燒發電廠本身擁有發電機組的優勢，可實現資源化、無害化的雙重目的。

作者：耿曉麗張文陽張杰賴夏頡蔣瓊華單位：西南交通大學地球科學與環境工程學院重慶市彭水縣環保局