污泥厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)生規(guī)律研究

商體松，楊莉

（南昌航空大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西南昌330063）

　　摘要：利用自制的沼氣發(fā)生器和沼氣凈化裝置，以污水處理廠污泥為原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣研究。結(jié)果表明：污泥含水率在93%以上，但是C/N只有20.5，厭氧發(fā)酵過程中CODcr不斷下降，而在第6天時沼氣產(chǎn)量達(dá)到0.63L。以氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳和硫化氫，濃度為2moL/L時吸收率可達(dá)到99%以上。

　　隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市的現(xiàn)代化建設(shè)以及對城市的環(huán)境和生態(tài)平衡的要求，城市污水處理廠的興建與運(yùn)行管理已經(jīng)成為現(xiàn)代化城市建設(shè)不可分割的一部分。隨著城市污水處理率的逐年提高，城市污水廠的污泥產(chǎn)生量也急劇增加。據(jù)估算[1]，目前我國城市污水處理廠每年排放的污泥量（干重）大約為130萬t，而且其年增長率大于10%，特別是在我國城市化水平較高的幾個城市與地區(qū)，污泥的出路問題已經(jīng)十分突出。如果城市污泥全部得到處理，則將產(chǎn)生污泥量（干重）840萬t，占我國固體廢棄物總量的3.2%。

　　污泥是城市污水處理和廢水處理不可避免的副產(chǎn)物，含有大量的有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素，能量巨大。另一方面，我國正面臨著巨大的能源與環(huán)境壓力，礦物能源和資源日益耗盡，開發(fā)并生產(chǎn)各種可再生能源替代煤炭、石油和天然氣等化石燃料是世界今后解決能源緊缺的一種有效途徑[2]。在德國，城市污水廠通過污泥沼氣發(fā)電，可滿足其自用電力的57%[3]。因此，利用污泥消化產(chǎn)沼氣不僅能夠解決污泥出路的問題，還使得污泥作為一種資源得到了利用。

　　1材料與方法

　　1.1儀器與試劑

　　1.1.1儀器。注射器（50mL）、電子天平（BS124S，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司）、干燥箱（101-3y（A），蘇州市大隆儀器儀表有限公司）、電爐（500W，永康市豪鷹電器有限公司）、總碳測定儀（WW-05，上海谷雨環(huán)?？萍加邢薰荆?。

　　1.1.2供試原料與試劑。供試原料為沉淀池污泥，南昌市朝陽污水處理廠提供。試劑：硼酸、尿素、CuSO4·5H2O，北京化工廠產(chǎn)；無水氯化鈣，上海市奉賢奉城試劑廠產(chǎn)；硫酸、硫酸汞、鹽酸，上海振興化工二廠有限公司產(chǎn)；硫酸亞鐵氨，上海試四赫維化工有限公司產(chǎn)；重鉻酸鉀、硫酸銀、氫氧化鈉、三氧化鐵、K2SO4、甲基紅，上海試劑一廠產(chǎn)。規(guī)格均為分析純。

　　1.2試驗設(shè)計

　　1.2.1沼氣池設(shè)計。由于原材料和制作工具的限制，試驗中沼氣發(fā)生器不能制作成圓形的，但沼氣池形狀的基本數(shù)據(jù)還是類比成圓形的。材質(zhì)選用透明的有機(jī)玻璃，根據(jù)計算所得數(shù)據(jù)在有機(jī)玻璃板上畫出相應(yīng)的圖形，然后通過人工切割和手工打磨的方式把有機(jī)玻璃板分成小塊，最后用三氯甲烷把切割下來的小塊拼接組裝起來。沼氣發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖1所示，單位為厘米。

　　1.2.2沼氣凈化裝置的設(shè)計與制作。沼氣凈化采取堿液吸收和用干燥劑干燥的方法對沼氣進(jìn)行凈化，因此吸收部分采用箱狀結(jié)構(gòu)，干燥部分采用塔狀結(jié)構(gòu)。具體形狀和數(shù)據(jù)如圖2，單位為厘米。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1污泥含水率與碳氮比

　　經(jīng)分析表明，從朝陽污水處理廠取來的污泥含碳量為0.655mg/g、含氮量為0.032mg/g，含水率比較高，為93.65%；但是碳氮比偏低，為20.5，合理的碳氮比為20~30，因此可考慮加入一些氮進(jìn)去，以增大碳氮比[4]。

　　2.2CODcr與沼氣量

　　投入當(dāng)天從南昌朝陽污水處理廠取來的新鮮污泥12L，并且密封好沼氣發(fā)生器，開始厭氧發(fā)酵。因為碳氮比有點(diǎn)偏低，所以加入少量的尿素，約10g。發(fā)酵過程變化見表1，由表1可知，試驗開始1~2d沒有產(chǎn)沼氣，其原因是污泥中細(xì)菌以好氧菌為主，加上沼氣發(fā)生器中還含有部分空氣，因此整個反應(yīng)器內(nèi)以好氧為主，這階段COD的下降也是這個原因。試驗3～5dCODcr下降幅度度差不多，但沼氣產(chǎn)量相差較多，其原因是污泥中的好氧菌還存在一部分，但是厭氧反應(yīng)明顯開始大于好氧反應(yīng)。試驗5~6d沼氣產(chǎn)量達(dá)到最大值。以后幾天厭氧菌進(jìn)入衰亡期，加上污泥中有機(jī)質(zhì)已消耗差不多了，因此沼氣量逐漸減少。

　　2.3沼氣的凈化

　　由于開始測COD時，用硝酸銀滴定時沒有發(fā)現(xiàn)沉淀，因此污泥中不含有鹵素，也就沒有鹵化烴產(chǎn)生，不需要做鹵化烴成分的測定和去除。

　　2.3.1沼氣中硫化氫的測定。用50mL注射器抽取50mL沼氣發(fā)生器產(chǎn)生的沼氣于1個密閉容器中（容器中裝有一定量的氧化鐵），靜置24h。稱其前后的質(zhì)量差，差值就是硫化氫的含量。平行測定2次，取其平均值。此次試驗的差值為0.0001g，則硫化氫含量為：0.0001/50×10-6×100%=2000（mg/m3）。根據(jù)《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB14554-93）中硫化氫二級排放標(biāo)準(zhǔn)，排放濃度應(yīng)該達(dá)到0.06mg/m3，實測的數(shù)據(jù)為2000mg/m3，必須予以凈化。

　　2.3.2沼氣中二氧化碳的測定。用50mL注射器抽取50mL沼氣發(fā)生器產(chǎn)生的沼氣于1個密閉容器中（容器中裝有足量的氫氧化鈉），靜置2h。稱其前后的質(zhì)量差，然后換算出二氧化碳的含量。平行測定2次，取其平均值。此次試驗的差值為0.036g，換算成二氧化碳的體積為18.327mL，則二氧化碳含量為：18.327/50×100%=36.65%。

　　2.3.3沼氣中甲烷的測定。沼氣中主要成分就是二氧化碳和甲烷，其他氣體可以忽略不計（約占2%），計算出二氧化碳的含量，就能得出甲烷的含量。此次試驗中甲烷含量為：1-36.65%=63.35%。

　　2.3.4沼氣的凈化研究。把自制的沼氣發(fā)生裝置的出氣管接到自制沼氣凈化裝置的進(jìn)氣管上，在沼氣凈化裝置中分別加入2、4、6moL/L的氫氧化鈉溶液。再在凈化裝置的出氣管處收集沼氣，測定沼氣中硫化氫和二氧化碳的含量[5]（方法同2.3.1、2.3.2，具體數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知，堿液對二氧化碳的吸收效果非常明顯。此次實驗不同濃度的氫氧化鈉對二氧化碳的吸收影響極其有限，可能是二氧化碳的量相對較少，而氫氧化鈉的量相對較多的緣故，而硫化氫本身量就小，經(jīng)過氫氧化鈉溶液后，已經(jīng)超出天平（萬分級）稱量范圍而無法準(zhǔn)確測出去除率，但也應(yīng)該是明顯的，因此取堿液濃度為2moL/L。

　　2.3.5沼氣中水的去除。沼氣中水的去除，可以通過延長沼氣輸送管道來達(dá)到目的[6]。試驗是通過加了1根較長的U形玻璃管來去除，試驗中U形玻璃管底部有少量水珠出現(xiàn)。由于水含量本來就少，通過干燥劑后再稱出質(zhì)量求得差值，得出結(jié)果已微乎其微，因此該試驗中沒有測定沼氣的含水量。

　　3結(jié)論

　　試驗結(jié)果表明，朝陽污染處理廠的污泥含水率比較高，達(dá)到93%以上，但是C/N偏低，只有20.5；厭氧發(fā)酵過程中CODcr不斷下降，而在第6天時沼氣產(chǎn)量達(dá)到最大（0.63L）；以不同濃度的氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳和硫化氫，當(dāng)氫氧化鈉溶液濃度為2moL/L時吸收率可以達(dá)到99%以上。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]杭世珺，陳吉寧.污泥處理處置的認(rèn)識誤區(qū)與控制對策[J].中國給水排水，2004，20（12）：89-92.

　　[2]徐暢平，黃兵，曹東福，等.活性污泥厭氧發(fā)酵有機(jī)廢水產(chǎn)氫的影響因素研究[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，2008，20（11）：103-104.

　　[3]KART，KLAUS R IMBOFF.Taschenbuch der stadtentwaesserung，29[M].Auflage.Mucnehen，Wien ：TU Braunchweig Verlag，1999 ：289.

　　[4]曾雨.碳氮比對污染厭發(fā)酵產(chǎn)氫過程的影響[J].海峽科學(xué)，2010（6）：79-80.

　　[5]楊文謙，楊曉敏.城鎮(zhèn)污水沼氣凈化實用技術(shù)及其效益淺析[J].中國沼氣，2003，21（3）：50.

　　[6]龔輝，吳紅艷，朱彩芳.沼氣生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)中的問題探討[J].寧波農(nóng)業(yè)科技，2008（2）：18-19.