城市生活垃圾焚烧厂渗滤液产甲烷潜力

李进; 刘宗宽; 贺延龄

doi:10.12030/j.cjee.201807196

城市生活垃圾焚烧厂渗滤液产甲烷潜力

1.
西安交通大学人居环境与建筑工程学院，西安 710049
基金项目:
国家自然科学基金资助项目21176497

陕西省水利厅重点项目2017slkj-91国家自然科学基金资助项目(21176497)

陕西省水利厅重点项目(2017slkj-91)

Methane production potential of the leachate from municipal solid waste incineration plants

1.
School of Human Settlements and Civil Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China
Fund Project:

摘要: 为研究城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的产甲烷潜力及其影响因素，在常规水质分析的基础上，采用瑞典AMPTSⅡ系统进行中温((37±1) ℃)厌氧消化实验，探究稀释倍数和污泥投加量对城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的甲烷产率和可生物降解性的影响。结果表明：城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的甲烷产率(以CH4/CODadd计)高于326.0 mL·g-1(理论甲烷产率为350 mL·g-1)，可生物降解性高于93.1%；城市生活垃圾焚烧厂渗滤液是一种高COD、高NH3-N的有机废水，但可生化性较好；无论污泥投加量还是稀释倍数对城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的甲烷产率和可生物降解性影响都很小，但稀释倍数的增加可明显降低污泥驯化时间和厌氧消化时间。在工程应用中，采用生化出水回流稀释城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的方法，可降低厌氧反应器启动时间和厌氧消化时间，提高城市生活垃圾焚烧厂渗滤液处理效率。
- 城市生活垃圾焚烧厂 /
- 渗滤液 /
- 产甲烷潜力 /
- 厌氧发酵 /
- 可生物降解性
Abstract: An automatic methane potential test system Ⅱ (AMPTS Ⅱ) was used to investigate the biochemical methane potential (BMP) of the leachate from municipal solid waste incineration plants (MSWIP) through conducting anaerobic digestion at (37±1) ℃. The effects of dilution ratio and seeding sludge dosage on the methane yield and biodegradability of the leachate were discussed. Results showed that the methane yield (CH4/CODadd) of leachate was above 326.0 mL·g-1(the theoretical methane yield of 350.0 mL·g-1) under the tested experimental conditions, and its bio-degradablity was higher than 93.1%. Although the leachate is a kind of organic wastewater with high COD and NH3-N, it showed a good bio-degradablity. The seeding sludge dosage or dilution ratio had a slight effect on the methane yield and biodegradability of leachate, but an increase in dilution rate could obviously reduce sludge acclimation and anaerobic digestion time. In engineering application, the leachate can be diluted with the reflux of the secondary effluent to reduce the start-up and anaerobic digestion time for an anaerobic reactor, and improve the treatment efficiency of the leachate.
- municipal solid waste incineration plant (MSWIP) /
- leachate /
- biochemical methane potential (BMP) /
- anaerobic digestion /
- biodegradability
- 1 材料与方法
  
  1
- 1.1 实验原料
  
  1.1
  
  废水来自山东某城市生活垃圾焚烧厂的垃圾渗滤液，取样位置在生活垃圾储坑中，实验前垃圾渗滤液存放在实验室冰箱4 ℃冷藏备用。
  
  接种污泥取自陕西西安某印染废水处理厂的厌氧颗粒污泥，污泥的总固体(total solid，TS)和挥发性固体(volatile solid，VS)分别为11.49%和5.56%。
  
  渗滤液原水性质：经过对取来的垃圾渗滤液进行水质分析，得到渗滤液的常规水质指标(如表1所示)。
  
  表1 常规水质指标
  
  Table 1 Conventional water quality index
  
  pH COD/( mg·L^-1) BOD₅/ (mg·L^-1) 氨氮/ (mg·L^-1) 总氮/ (mg·L^-1) 总磷/ (mg·L^-1)
  
  7.0 36 000 19 201.6 1 932.9 2 132.9 262.5
- 1.2 实验装置
  
  1.2
  
  实验采用全自动甲烷潜力测试仪二代(Automatic Methane Potential Test SystemⅡ，AMPTSⅡ，Bioprocess Control，瑞典)进行中温批式厌氧消化实验，该装置(图1)主要由4部分组成：发酵单元，含恒温水浴锅、15组650 mL的玻璃反应瓶，采用机械搅拌；CO₂吸收单元，与15组反应瓶一一对应，采用80 mL浓度为3 mol·L^-1的NaOH溶液作为CO₂和H₂S吸附剂，并利用百里酚酞作为pH指示剂，碱液吸收后的气体成分可以近似地认为是CH₄；气体体积测量单元，经过碱液吸收后的CH₄通过导气管进入气体体积测量单元，通过湿式流量计分别测量15组反应瓶内产生的气体体积；数字化在线监测单元，该单元通过基于无线网络的数字化在线监测系统实时获得15组反应瓶的累积产气体积和产气速率。
  
  图1 全自动甲烷潜力测试仪二代(AMPTS II)示意图
  
  Fig.1 Schematic diagram of automatic methane potential test system Ⅱ (AMPTS II)
- 1.3 实验方法
  
  1.3
- 1.3.1 稀释方法
  
  1.3.1
  
  该城市生活垃圾焚烧厂渗滤液经过预处理+厌氧+二级A/O处理后的生化出水作为稀释用水对渗滤液原液进行稀释。稀释方法：分别用移液管量取825 mL和650 mL的渗滤液原液到1 L的容量瓶中，然后用生化出水稀释到刻度线，分别配置成稀释倍数为1.21、1.54的稀释液备用。生化出水的水质指标如表2所示。
  
  表2 生化出水水质指标
  
  Table 2 Water quality index of secondary effluent
  
  pH COD/ (mg·L^-1) BOD₅/ (mg·L^-1) 氨氮/ (mg·L^-1) 总氮/ (mg·L^-1) 总磷/ (mg·L^-1)
  
  8.2 450 105 8.5 28.7 10.8
- 1.3.2 实验方案
  
  1.3.2
  
  取5组体积为650 mL带搅拌的玻璃厌氧消化瓶，并依次向厌氧消化瓶内加入80、100、100、100、120 mL厌氧颗粒污泥，再依次向厌氧消化瓶内加入稀释倍数为1.00、1.00、1.21、1.54、1.00的渗滤液，使厌氧消化瓶内总体积为500 mL，设置搅拌速度为60 r·min^-1。搅拌方式为间歇搅拌，搅拌3 min，间隔3 min。用恒温水浴锅将反应温度控制在(37±1) ℃。厌氧消化产生的气体通过3 mol·L^-1的NaOH溶液，对气体中的CO₂和酸性气体进行吸收，吸收后的气体通过导气管进入气体体积测量单元。实验开始前，先向厌氧消化瓶内充氮气5 min以赶出其中的空气，用橡皮塞密封以保证厌氧消化瓶内为厌氧条件，每天用计算机监测这5组厌氧消化瓶的累积产甲烷体积和产甲烷速率，直到产甲烷速率<5 mL·d^-1时，可认为反应结束，然后停止实验，最后测量每个厌氧消化瓶中剩余COD的量。
- 1.4 分析方法
  
  1.4
  
  实验中TS、VS采用烘干法^[23]测量；COD采用快速消解分光光度法(兰州连华环保科技有限公司5B-1F(V8)型COD快速测定仪)测量；BOD₅采用接种稀释法测量；氨氮、总氮和总磷分别采用纳式分光光度法、过硫酸钾氧化-紫外分光光度法和钼锑抗分光光度法(美谱达V1600型紫外可见分光光度计)测量；pH采用便携式pH计法(雷磁PHBJ-20型便携式pH计)测量。
- 1.5 理论产甲烷潜力和可生物降解性
  
  1.5
  
  理论产甲烷潜力(theory biochemical methane potential，BMP₀)可以作为已知化学组分的有机化合物或者未知、复杂组分底物产甲烷的参考，同时为反应底物产甲烷提供了限度^[24,25,26]。它通常表示为标准状态(20 ℃，1.01×10⁵ Pa)下，每增加一定量有机物质产生多少mL CH₄(基于VS或COD)，也可以用每去除一定量有机物质来表示^[27]。实验研究的是渗滤液废水，其中的COD多为溶解性有机物，故产甲烷潜力(即甲烷产率)用每增加一定量COD产生多少mL CH₄来表示，单位为mL·g^-1(以CH₄/COD_add计)。对于含有C、H和O的有机化合物(C_nH_aO_b)，一般厌氧发酵反应符合Buswell’s方程式^[28]：
  
  C n H a O b + n - a 4 - b 2 H 2 O → n 2 - a 8 + b 4 C O 2 + n 2 + a 8 - b 4 C H 4
  
  (1)
  
  有机化合物(C_nH_aO_b)完全氧化成CO₂和H₂O的反应方程式：
  
  C n H a O b + n + a 4 - b 2 O 2 → n C O 2 + a 2 H 2 O
  
  (2)
  
  假设有机化合物的厌氧发酵反应符合Buswell’s方程式的化学计量式转化，由式(1)和式(2)可以计算得出1 g COD在标准状态下的理论产甲烷体积为350 mL，即BMP₀为350 mL·g^-1(以CH₄/COD计)。
  
  可生物降解性(biodegradability，BD)可按照式(3)实验产甲烷潜力(biochemical methane potential，BMP)(即甲烷产率)和BMP₀的比值来计算。
  
  R B D = F B M P / F B M P 0 × 100 %
  
  (3)
  
  式中： R B D 为可生物降解率，%； F B M P 为实验产甲烷潜力； F B M P 0 为理论产甲烷潜力。
- 2 结果与讨论
  
  2
- 2.1 渗滤液原液水质分析
  
  2.1
  
  渗滤液是一种高COD、高氨氮的有机废水^[29,30]，其中氨氮是渗滤液中氮元素的主要存在形式。通过水质检测结果计算得到所取的渗滤液原液的BOD₅/COD=0.53，可见该渗滤液的可生化性较好，适合用生物法处理。渗滤液原液的pH为中性，N元素和P元素含量也不缺乏，能够满足厌氧消化过程的需求，故在产甲烷潜力实验前不需要调节pH，也不需要额外补加营养元素。
- 2.2 污泥投加量对产甲烷潜力的影响
  
  2.2
  
  甲烷产率是评价有机物转化为能源的重要指标^[31]，在稀释倍数为1.00的条件下，不同污泥投加量的BMP实验结果如表3所示。由表3可以明显地看出，当污泥投加量从80 mL增加到120 mL时，渗滤液的甲烷产率和BD仅分别增加了1.5%和1.6%，而最大产甲烷速率仅下降了3.9%。表明在实验范围内污泥投加量对渗滤液的产甲烷潜力影响很小。
  
  表3 不同污泥投加量的BMP实验结果
  
  Table 3 BMP test results at different seeding sludge dosages
  
  污泥投加量/mL 甲烷产率/(mL·g^-1) BD/% 最大产甲烷速率/(mL·d^-1)
  
  80 326.0 93.1 535.9
  
  100 329.3 94.1 524.3
  
  120 331.0 94.6 515.0
  
  在稀释倍数为1.00的条件下，不同污泥投加量的渗滤液产甲烷总量和产甲烷速率如图2所示。由图2可以明显地看出，不同污泥投加量的渗滤液产甲烷过程基本一致，可以将产甲烷过程分为3个阶段。
  
  图2 污泥投加量对渗滤液甲烷产量和生成率的影响
  
  Fig.2 Accumulated methane production and methane production rate of leachate at different sludge dosages
  
  第1阶段为污泥驯化阶段，这个阶段产甲烷速率缓慢。由于渗滤液是高浓度有机废水，故污泥驯化时间较长，随着污泥投加量的增加，污泥驯化时间有所减少，但不明显。
  
  第2阶段为小分子简单有机物发酵产甲烷阶段，这个阶段产甲烷速率先迅速增加随后迅速降低。由于小分子简单有机物容易被微生物利用，可以直接发酵产甲烷。故微生物首先利用渗滤液中的小分子简单有机物，开始产甲烷速率迅速增加到第1个峰值，随着小分子简单有机物的消耗，产甲烷速率又迅速降低。
  
  第3阶段为大分子复杂有机物水解发酵产甲烷阶段，这个阶段产甲烷速率增加缓慢而下降迅速。由于大分子复杂有机物不能被微生物利用，需要先水解成小分子有机物才能进行发酵产甲烷过程。当渗滤液中小分子简单有机物消耗完全，产甲烷速率也降到最低。随着复杂有机物的水解，产甲烷速率缓慢增加，到达第2个最大值时，大分子复杂有机物基本上完全水解成小分子有机物，故产甲烷速率迅速降低。
  
  由图2可以明显地看出，在实验范围内，渗滤液产甲烷3个阶段完成需要42 ~ 47 d。当污泥投加量从80 mL增加到120 mL时，这3个阶段的完成时间仅减少了4 ~ 5 d。这表明，在实验范围内，污泥投加量的增加对于渗滤液厌氧发酵产甲烷过程几乎没有影响。
- 2.3 稀释倍数对产甲烷潜力的影响
  
  2.3
  
  在污泥投加量为100 mL的条件下，不同稀释倍数的BMP实验结果如表4所示。由表4可以明显地看出，当稀释倍数从1.00增加到1.54时，渗滤液的最大产甲烷速率降低了45.3%，这是由于随着稀释倍数的增加COD浓度降低导致，但是甲烷产率和BD仅增加了2.1%和2.0%。表明在实验范围内，稀释倍数虽使最大产甲烷速率大幅度降低，但对甲烷产率和BD影响较小。
  
  表4 不同稀释倍数的BMP实验结果
  
  Table 4 BMP test results at different dilution ratios
  
  稀释倍数甲烷产率/(mL·g^-1) BD/% 最大产甲烷速率/(mL·d^-1)
  
  1.00 329.3 94.1 524.3
  
  1.21 333.1 95.2 401.2
  
  1.54 336.1 96.0 287.0
  
  在污泥投加量为100 mL的条件下，不同稀释倍数的渗滤液产甲烷总量和产甲烷速率如图3所示。由图3可以明显地看出，不同稀释倍数的渗滤液产甲烷过程也可以按照2.2中所述分为3个阶段，但随着稀释倍数的增加，3个阶段的历程发生明显变化。
  
  图3 稀释倍数对渗滤液甲烷产量和生成速率的影响
  
  Fig.3 Accumulated methane production and methane production rate of leachate at different dilution ratios
  
  当稀释倍数从1.00增加到1.54时，污泥驯化阶段时间由18 d降至2 d，产甲烷完成所用时间由44 d降至22 d。这表明在实验范围内，稀释倍数增加虽然对产甲烷潜力影响很小，但有利于降低污泥驯化时间和厌氧消化时间。
- 3 结论
  
  3
  
  1) 该城市生活垃圾焚烧厂渗滤液是一种高COD、高氨氮的有机废水，常规水质分析结果计算得BOD₅/COD=0.53，可生化性较好，适合用于生物处理。产甲烷潜力实验结果表明，在实验范围内，甲烷产率(以CH₄/COD_add计)高于326.0 mL·g^-1，可生物降解性高于93.1%。
  
  2) 当污泥投加量从80 mL增加到120 mL时，甲烷产率和可生物降解性仅分别增加了1.5%和1.6%，而最大产甲烷速率仅下降了3.9%。这表明提高污泥投加量对城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的甲烷产率和BD影响较小。
  
  3) 当稀释倍数从1.00增加到1.54时，污泥驯化阶段时间和厌氧消化时间分别减少了16 d和22 d；最大产甲烷速率降低了45.3%，而甲烷产率和可生物降解性仅增加了2.1%和2.0%。这表明提高稀释倍数对城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的甲烷产率和BD影响很小，但可明显降低污泥驯化时间和厌氧消化时间。
  
  4) 在工程应用中，可采用生化出水回流稀释城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的方法，降低厌氧反应器的启动时间和厌氧消化时间，提高城市生活垃圾焚烧厂渗滤液处理效率。同时，厌氧反应器内会产生大量的沼气，经回收、脱硫净化后的沼气可以回喷至垃圾焚烧炉中作辅助燃料或直接用于沼气发电，具有巨大的经济价值。
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摘要

为研究城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的产甲烷潜力及其影响因素，在常规水质分析的基础上，采用瑞典AMPTSⅡ系统进行中温((37±1) ℃)厌氧消化实验，探究稀释倍数和污泥投加量对城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的甲烷产率和可生物降解性的影响。结果表明：城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的甲烷产率(以CH₄/COD_add计)高于326.0 mL·g^-1(理论甲烷产率为350 mL·g^-1)，可生物降解性高于93.1%；城市生活垃圾焚烧厂渗滤液是一种高COD、高NH₃-N的有机废水，但可生化性较好；无论污泥投加量还是稀释倍数对城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的甲烷产率和可生物降解性影响都很小，但稀释倍数的增加可明显降低污泥驯化时间和厌氧消化时间。在工程应用中，采用生化出水回流稀释城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的方法，可降低厌氧反应器启动时间和厌氧消化时间，提高城市生活垃圾焚烧厂渗滤液处理效率。

Abstract

An automatic methane potential test system Ⅱ (AMPTS Ⅱ) was used to investigate the biochemical methane potential (BMP) of the leachate from municipal solid waste incineration plants (MSWIP) through conducting anaerobic digestion at (37±1) ℃. The effects of dilution ratio and seeding sludge dosage on the methane yield and biodegradability of the leachate were discussed. Results showed that the methane yield (CH₄/COD_add) of leachate was above 326.0 mL·g^-1(the theoretical methane yield of 350.0 mL·g^-1) under the tested experimental conditions, and its bio-degradablity was higher than 93.1%. Although the leachate is a kind of organic wastewater with high COD and NH₃-N, it showed a good bio-degradablity. The seeding sludge dosage or dilution ratio had a slight effect on the methane yield and biodegradability of leachate, but an increase in dilution rate could obviously reduce sludge acclimation and anaerobic digestion time. In engineering application, the leachate can be diluted with the reflux of the secondary effluent to reduce the start-up and anaerobic digestion time for an anaerobic reactor, and improve the treatment efficiency of the leachate.

关键词

城市生活垃圾焚烧厂; 渗滤液; 产甲烷潜力; 厌氧发酵; 可生物降解性

Keywords

municipal solid waste incineration plant (MSWIP); leachate; biochemical methane potential (BMP); anaerobic digestion; biodegradability

随着全球城市化步伐的加快，城市生活垃圾的产生量迅速增加^[1,2,3,4]。城市生活垃圾的治理已成为全球环境面临的一个主要挑战^[5,6]。目前，我国处理城市生活垃圾的方法主要包括卫生填埋、堆肥和焚烧，其中以填埋为主。由于人口的快速增长和社会的高速发展导致可用于填埋生活垃圾的土地越来越少，同时填埋法会导致严重的二次污染，因此，城市生活垃圾焚烧发电技术在减量化、无害化和资源化等方面的巨大优势越来越受到人们的重视^[7,8]。根据资料显示，在2010年，垃圾填埋占城市生活垃圾无害化处理的79%，垃圾焚烧占19%^[9]；而在2015年，垃圾填埋占63.7%，垃圾焚烧占34.3%^[10]，垃圾焚烧占比明显增加。

由于国内外生活习惯的差异和分类化程度的不同，垃圾焚烧过程中产生的渗滤液的水质和水量存在较大的差异。国外发达国家的垃圾分类收集程度高，垃圾中的有机物和含水率低，焚烧过程中产生的垃圾渗滤液量少、热值高，一般都采用直接雾化回喷的方法处理，不需要进行单独处理。因此，国外对垃圾渗滤液的处理研究主要针对垃圾填埋场渗滤液，而对城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的研究比较少。在国内，由于垃圾分类收集程度不高，垃圾中含水率高，为了降低生活垃圾中的含水量、提高热值，在垃圾焚烧前需要将其在垃圾储坑内堆放3 ~ 7 d发酵熟化^[11,12]。在堆放过程中沥出的渗滤液量大、热值低，不能采用直接雾化回喷的方式处理。城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的水质水量不仅受到季节、当地气温、湿度和天气的影响，还与垃圾本身的组成以及含水率等因素有关。在我国北方城市的城市生活垃圾焚烧厂，渗滤液的水量一般夏季比较大，冬季相对比较少；而污染物含量则相反，在夏季比较低，冬季相对较高。如果不对熟化过程中沥出的渗滤液进行较好的处理，就会在垃圾焚烧过程中产生二次污染，严重污染环境，这也成为制约该技术发展的重要因素^[13]。城市生活垃圾焚烧厂渗滤液与垃圾填埋厂渗滤液的水质存在较大的差别，因此，研究城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的性质是很有必要的。

厌氧生物处理具有能耗低、抗冲击能力强、污泥产率低、无机营养元素要求低、适用于难降解有机物废水和可回收沼气等优点^[14,15,16]。近20年来，随着微生物学、生物化学等的发展和工程实践的积累，厌氧生物处理高浓度有机废水取得了良好效果^[17,18]，厌氧生物处理垃圾渗滤液的研究与应用也在不断深入。根据研究^{[12,19,20,21]}，城市生活垃圾焚烧厂渗滤液是一种高化学需氧量(COD)、高BOD₅、高氨氮的有机废水，其中COD和BOD₅分别可达到20 000 ~ 70 000 mg·L^-1和10 000 ~ 45 000 mg·L^-1、BOD₅/COD=0.5 ~ 0.8，可生化性比较好，适合厌氧生物处理^[2]。WANG等^[19]研究表明，采用内循环(internal circulation，IC)厌氧反应器处理高浓度渗滤液，可使其COD去除率达到89.4% ~ 93.4%；LIU等^[22]研究表明，采用膨胀颗粒污泥床(expanded granular sludge blanket，EGSB)反应器处理垃圾填埋场新鲜渗滤液，可使COD去除90%左右。为了对城市生活垃圾焚烧厂渗滤液(简称渗滤液)的可生化性和产甲烷能力有更深入的了解，对其进行了产甲烷潜力实验研究。通过研究不同稀释倍数和污泥投加量条件下，城市生活垃圾焚烧厂渗滤液甲烷产率和产甲烷速率的变化，能够在厌氧条件下对其COD的去除限度和甲烷产率有更清晰的认识，这对于工业处理过程中厌氧反应器的运行和甲烷的回收具有重要的指导意义。

1 材料与方法

1
1.1 实验原料

1.1

废水来自山东某城市生活垃圾焚烧厂的垃圾渗滤液，取样位置在生活垃圾储坑中，实验前垃圾渗滤液存放在实验室冰箱4 ℃冷藏备用。

接种污泥取自陕西西安某印染废水处理厂的厌氧颗粒污泥，污泥的总固体(total solid，TS)和挥发性固体(volatile solid，VS)分别为11.49%和5.56%。

渗滤液原水性质：经过对取来的垃圾渗滤液进行水质分析，得到渗滤液的常规水质指标(如表1所示)。

表1 常规水质指标

Table 1 Conventional water quality index

pH COD/( mg·L^-1) BOD₅/ (mg·L^-1) 氨氮/ (mg·L^-1) 总氮/ (mg·L^-1) 总磷/ (mg·L^-1)

7.0 36 000 19 201.6 1 932.9 2 132.9 262.5
1.2 实验装置

1.2

实验采用全自动甲烷潜力测试仪二代(Automatic Methane Potential Test SystemⅡ，AMPTSⅡ，Bioprocess Control，瑞典)进行中温批式厌氧消化实验，该装置(图1)主要由4部分组成：发酵单元，含恒温水浴锅、15组650 mL的玻璃反应瓶，采用机械搅拌；CO₂吸收单元，与15组反应瓶一一对应，采用80 mL浓度为3 mol·L^-1的NaOH溶液作为CO₂和H₂S吸附剂，并利用百里酚酞作为pH指示剂，碱液吸收后的气体成分可以近似地认为是CH₄；气体体积测量单元，经过碱液吸收后的CH₄通过导气管进入气体体积测量单元，通过湿式流量计分别测量15组反应瓶内产生的气体体积；数字化在线监测单元，该单元通过基于无线网络的数字化在线监测系统实时获得15组反应瓶的累积产气体积和产气速率。

图1 全自动甲烷潜力测试仪二代(AMPTS II)示意图

Fig.1 Schematic diagram of automatic methane potential test system Ⅱ (AMPTS II)
1.3 实验方法

1.3
1.3.1 稀释方法

1.3.1

该城市生活垃圾焚烧厂渗滤液经过预处理+厌氧+二级A/O处理后的生化出水作为稀释用水对渗滤液原液进行稀释。稀释方法：分别用移液管量取825 mL和650 mL的渗滤液原液到1 L的容量瓶中，然后用生化出水稀释到刻度线，分别配置成稀释倍数为1.21、1.54的稀释液备用。生化出水的水质指标如表2所示。

表2 生化出水水质指标

Table 2 Water quality index of secondary effluent

pH COD/ (mg·L^-1) BOD₅/ (mg·L^-1) 氨氮/ (mg·L^-1) 总氮/ (mg·L^-1) 总磷/ (mg·L^-1)

8.2 450 105 8.5 28.7 10.8
1.3.2 实验方案

1.3.2

取5组体积为650 mL带搅拌的玻璃厌氧消化瓶，并依次向厌氧消化瓶内加入80、100、100、100、120 mL厌氧颗粒污泥，再依次向厌氧消化瓶内加入稀释倍数为1.00、1.00、1.21、1.54、1.00的渗滤液，使厌氧消化瓶内总体积为500 mL，设置搅拌速度为60 r·min^-1。搅拌方式为间歇搅拌，搅拌3 min，间隔3 min。用恒温水浴锅将反应温度控制在(37±1) ℃。厌氧消化产生的气体通过3 mol·L^-1的NaOH溶液，对气体中的CO₂和酸性气体进行吸收，吸收后的气体通过导气管进入气体体积测量单元。实验开始前，先向厌氧消化瓶内充氮气5 min以赶出其中的空气，用橡皮塞密封以保证厌氧消化瓶内为厌氧条件，每天用计算机监测这5组厌氧消化瓶的累积产甲烷体积和产甲烷速率，直到产甲烷速率<5 mL·d^-1时，可认为反应结束，然后停止实验，最后测量每个厌氧消化瓶中剩余COD的量。
1.4 分析方法

1.4

实验中TS、VS采用烘干法^[23]测量；COD采用快速消解分光光度法(兰州连华环保科技有限公司5B-1F(V8)型COD快速测定仪)测量；BOD₅采用接种稀释法测量；氨氮、总氮和总磷分别采用纳式分光光度法、过硫酸钾氧化-紫外分光光度法和钼锑抗分光光度法(美谱达V1600型紫外可见分光光度计)测量；pH采用便携式pH计法(雷磁PHBJ-20型便携式pH计)测量。
1.5 理论产甲烷潜力和可生物降解性

1.5

理论产甲烷潜力(theory biochemical methane potential，BMP₀)可以作为已知化学组分的有机化合物或者未知、复杂组分底物产甲烷的参考，同时为反应底物产甲烷提供了限度^[24,25,26]。它通常表示为标准状态(20 ℃，1.01×10⁵ Pa)下，每增加一定量有机物质产生多少mL CH₄(基于VS或COD)，也可以用每去除一定量有机物质来表示^[27]。实验研究的是渗滤液废水，其中的COD多为溶解性有机物，故产甲烷潜力(即甲烷产率)用每增加一定量COD产生多少mL CH₄来表示，单位为mL·g^-1(以CH₄/COD_add计)。对于含有C、H和O的有机化合物(C_nH_aO_b)，一般厌氧发酵反应符合Buswell’s方程式^[28]：

C n H a O b + n - a 4 - b 2 H 2 O → n 2 - a 8 + b 4 C O 2 + n 2 + a 8 - b 4 C H 4

(1)

有机化合物(C_nH_aO_b)完全氧化成CO₂和H₂O的反应方程式：

C n H a O b + n + a 4 - b 2 O 2 → n C O 2 + a 2 H 2 O

(2)

假设有机化合物的厌氧发酵反应符合Buswell’s方程式的化学计量式转化，由式(1)和式(2)可以计算得出1 g COD在标准状态下的理论产甲烷体积为350 mL，即BMP₀为350 mL·g^-1(以CH₄/COD计)。

可生物降解性(biodegradability，BD)可按照式(3)实验产甲烷潜力(biochemical methane potential，BMP)(即甲烷产率)和BMP₀的比值来计算。

R B D = F B M P / F B M P 0 × 100 %

(3)

式中： R B D 为可生物降解率，%； F B M P 为实验产甲烷潜力； F B M P 0 为理论产甲烷潜力。
2 结果与讨论

2
2.1 渗滤液原液水质分析

2.1

渗滤液是一种高COD、高氨氮的有机废水^[29,30]，其中氨氮是渗滤液中氮元素的主要存在形式。通过水质检测结果计算得到所取的渗滤液原液的BOD₅/COD=0.53，可见该渗滤液的可生化性较好，适合用生物法处理。渗滤液原液的pH为中性，N元素和P元素含量也不缺乏，能够满足厌氧消化过程的需求，故在产甲烷潜力实验前不需要调节pH，也不需要额外补加营养元素。
2.2 污泥投加量对产甲烷潜力的影响

2.2

甲烷产率是评价有机物转化为能源的重要指标^[31]，在稀释倍数为1.00的条件下，不同污泥投加量的BMP实验结果如表3所示。由表3可以明显地看出，当污泥投加量从80 mL增加到120 mL时，渗滤液的甲烷产率和BD仅分别增加了1.5%和1.6%，而最大产甲烷速率仅下降了3.9%。表明在实验范围内污泥投加量对渗滤液的产甲烷潜力影响很小。

表3 不同污泥投加量的BMP实验结果

Table 3 BMP test results at different seeding sludge dosages

污泥投加量/mL 甲烷产率/(mL·g^-1) BD/% 最大产甲烷速率/(mL·d^-1)

80 326.0 93.1 535.9

100 329.3 94.1 524.3

120 331.0 94.6 515.0

在稀释倍数为1.00的条件下，不同污泥投加量的渗滤液产甲烷总量和产甲烷速率如图2所示。由图2可以明显地看出，不同污泥投加量的渗滤液产甲烷过程基本一致，可以将产甲烷过程分为3个阶段。

图2 污泥投加量对渗滤液甲烷产量和生成率的影响

Fig.2 Accumulated methane production and methane production rate of leachate at different sludge dosages

第1阶段为污泥驯化阶段，这个阶段产甲烷速率缓慢。由于渗滤液是高浓度有机废水，故污泥驯化时间较长，随着污泥投加量的增加，污泥驯化时间有所减少，但不明显。

第2阶段为小分子简单有机物发酵产甲烷阶段，这个阶段产甲烷速率先迅速增加随后迅速降低。由于小分子简单有机物容易被微生物利用，可以直接发酵产甲烷。故微生物首先利用渗滤液中的小分子简单有机物，开始产甲烷速率迅速增加到第1个峰值，随着小分子简单有机物的消耗，产甲烷速率又迅速降低。

第3阶段为大分子复杂有机物水解发酵产甲烷阶段，这个阶段产甲烷速率增加缓慢而下降迅速。由于大分子复杂有机物不能被微生物利用，需要先水解成小分子有机物才能进行发酵产甲烷过程。当渗滤液中小分子简单有机物消耗完全，产甲烷速率也降到最低。随着复杂有机物的水解，产甲烷速率缓慢增加，到达第2个最大值时，大分子复杂有机物基本上完全水解成小分子有机物，故产甲烷速率迅速降低。

由图2可以明显地看出，在实验范围内，渗滤液产甲烷3个阶段完成需要42 ~ 47 d。当污泥投加量从80 mL增加到120 mL时，这3个阶段的完成时间仅减少了4 ~ 5 d。这表明，在实验范围内，污泥投加量的增加对于渗滤液厌氧发酵产甲烷过程几乎没有影响。
2.3 稀释倍数对产甲烷潜力的影响

2.3

在污泥投加量为100 mL的条件下，不同稀释倍数的BMP实验结果如表4所示。由表4可以明显地看出，当稀释倍数从1.00增加到1.54时，渗滤液的最大产甲烷速率降低了45.3%，这是由于随着稀释倍数的增加COD浓度降低导致，但是甲烷产率和BD仅增加了2.1%和2.0%。表明在实验范围内，稀释倍数虽使最大产甲烷速率大幅度降低，但对甲烷产率和BD影响较小。

表4 不同稀释倍数的BMP实验结果

Table 4 BMP test results at different dilution ratios

稀释倍数甲烷产率/(mL·g^-1) BD/% 最大产甲烷速率/(mL·d^-1)

1.00 329.3 94.1 524.3

1.21 333.1 95.2 401.2

1.54 336.1 96.0 287.0

在污泥投加量为100 mL的条件下，不同稀释倍数的渗滤液产甲烷总量和产甲烷速率如图3所示。由图3可以明显地看出，不同稀释倍数的渗滤液产甲烷过程也可以按照2.2中所述分为3个阶段，但随着稀释倍数的增加，3个阶段的历程发生明显变化。

图3 稀释倍数对渗滤液甲烷产量和生成速率的影响

Fig.3 Accumulated methane production and methane production rate of leachate at different dilution ratios

当稀释倍数从1.00增加到1.54时，污泥驯化阶段时间由18 d降至2 d，产甲烷完成所用时间由44 d降至22 d。这表明在实验范围内，稀释倍数增加虽然对产甲烷潜力影响很小，但有利于降低污泥驯化时间和厌氧消化时间。
3 结论

3

1) 该城市生活垃圾焚烧厂渗滤液是一种高COD、高氨氮的有机废水，常规水质分析结果计算得BOD₅/COD=0.53，可生化性较好，适合用于生物处理。产甲烷潜力实验结果表明，在实验范围内，甲烷产率(以CH₄/COD_add计)高于326.0 mL·g^-1，可生物降解性高于93.1%。

2) 当污泥投加量从80 mL增加到120 mL时，甲烷产率和可生物降解性仅分别增加了1.5%和1.6%，而最大产甲烷速率仅下降了3.9%。这表明提高污泥投加量对城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的甲烷产率和BD影响较小。

3) 当稀释倍数从1.00增加到1.54时，污泥驯化阶段时间和厌氧消化时间分别减少了16 d和22 d；最大产甲烷速率降低了45.3%，而甲烷产率和可生物降解性仅增加了2.1%和2.0%。这表明提高稀释倍数对城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的甲烷产率和BD影响很小，但可明显降低污泥驯化时间和厌氧消化时间。

4) 在工程应用中，可采用生化出水回流稀释城市生活垃圾焚烧厂渗滤液的方法，降低厌氧反应器的启动时间和厌氧消化时间，提高城市生活垃圾焚烧厂渗滤液处理效率。同时，厌氧反应器内会产生大量的沼气，经回收、脱硫净化后的沼气可以回喷至垃圾焚烧炉中作辅助燃料或直接用于沼气发电，具有巨大的经济价值。
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参考文献 (31)

污泥投加量/mL	甲烷产率/(mL·g^-1)	BD/%	最大产甲烷速率/(mL·d^-1)
80	326.0	93.1	535.9
100	329.3	94.1	524.3
120	331.0	94.6	515.0

稀释倍数	甲烷产率/(mL·g^-1)	BD/%	最大产甲烷速率/(mL·d^-1)
1.00	329.3	94.1	524.3
1.21	333.1	95.2	401.2
1.54	336.1	96.0	287.0

污泥投加量/mL	甲烷产率/(mL·g^-1)	BD/%	最大产甲烷速率/(mL·d^-1)
80	326.0	93.1	535.9
100	329.3	94.1	524.3
120	331.0	94.6	515.0

稀释倍数	甲烷产率/(mL·g^-1)	BD/%	最大产甲烷速率/(mL·d^-1)
1.00	329.3	94.1	524.3
1.21	333.1	95.2	401.2
1.54	336.1	96.0	287.0

城市生活垃圾焚烧厂渗滤液产甲烷潜力

Methane production potential of the leachate from municipal solid waste incineration plants

摘要

Abstract

关键词

Keywords

1 材料与方法

1

1.1 实验原料

1.1

1.2 实验装置

1.2

1.3 实验方法

1.3

1.3.1 稀释方法

1.3.1

1.3.2 实验方案

1.3.2

1.4 分析方法

1.4

1.5 理论产甲烷潜力和可生物降解性

1.5

(1)

(2)

(3)

2 结果与讨论

2

2.1 渗滤液原液水质分析

2.1

2.2 污泥投加量对产甲烷潜力的影响

2.2

2.3 稀释倍数对产甲烷潜力的影响

2.3

3 结论

3

参 考 文 献

期刊类型引用(7)

其他类型引用(7)

计量

出版历程

城市生活垃圾焚烧厂渗滤液产甲烷潜力

English Abstract

Methane production potential of the leachate from municipal solid waste incineration plants

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摘要

Abstract

关键词

Keywords

1 材料与方法

1

1.1 实验原料

1.1

1.2 实验装置

1.2

1.3 实验方法

1.3

1.3.1 稀释方法

1.3.1

1.3.2 实验方案

1.3.2

1.4 分析方法

1.4

1.5 理论产甲烷潜力和可生物降解性

1.5

(1)

(2)

(3)

2 结果与讨论

2

2.1 渗滤液原液水质分析

2.1

2.2 污泥投加量对产甲烷潜力的影响

2.2

2.3 稀释倍数对产甲烷潜力的影响

2.3

3 结论

3

参 考 文 献

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参考文献

参考文献