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商體松，楊莉
（南昌航空大學環境與化學工程學院，江西南昌330063）
摘要：利用自制的沼氣發生器和沼氣凈化裝置，以污水處理廠污泥為原料進行厭氧發酵產沼氣研究。結果表明：污泥含水率在93%以上，但是C/N只有20.5，厭氧發酵過程中CODcr不斷下降，而在第6天時沼氣產量達到0.63L。以氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳和硫化氫，濃度為2moL/L時吸收率可達到99%以上。
隨著我國國民經濟的發展和城市的現代化建設以及對城市的環境和生態平衡的要求，城市污水處理廠的興建與運行管理已經成為現代化城市建設不可分割的一部分。隨著城市污水處理率的逐年提高，城市污水廠的污泥產生量也急劇增加。據估算[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，污泥的出路問題已經十分突出。如果城市污泥全部得到處理，則將產生污泥量（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物，含有大量的有機質和營養元素，能量巨大。另一方面，我國正面臨著巨大的能源與環境壓力，礦物能源和資源日益耗盡，開發并生產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電，可滿足其自用電力的57%[3]。因此，利用污泥消化產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，上海谷雨環保科技有限公司）。
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；無水氯化鈣，上海市奉賢奉城試劑廠產；硫酸、硫酸汞、鹽酸，上海振興化工二廠有限公司產；硫酸亞鐵氨，上海試四赫維化工有限公司產；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。規格均為分析純。
1.2試驗設計
1.2.1沼氣池設計。由于原材料和制作工具的限制，試驗中沼氣發生器不能制作成圓形的，但沼氣池形狀的基本數據還是類比成圓形的。材質選用透明的有機玻璃，根據計算所得數據在有機玻璃板上畫出相應的圖形，然后通過人工切割和手工打磨的方式把有機玻璃板分成小塊，最后用***把切割下來的小塊拼接組裝起來。沼氣發生器結構如圖1所示，單位為厘米。
1.2.2沼氣凈化裝置的設計與制作。沼氣凈化采取堿液吸收和用干燥劑干燥的方法對沼氣進行凈化，因此吸收部分采用箱狀結構，干燥部分采用塔狀結構。具體形狀和數據如圖2，單位為厘米。
2結果與分析
2.1污泥含水率與碳氮比
經分析表明，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去，以增大碳氮比[4]。
2.2CODcr與沼氣量
投入當天從南昌朝陽污水處理廠取來的新鮮污泥12L，并且密封好沼氣發生器，開始厭氧發酵。因為碳氮比有點偏低，所以加入少量的尿素，約10g。發酵過程變化見表1，由表1可知，試驗開始1~2d沒有產沼氣，其原因是污泥中細菌以好氧菌為主，加上沼氣發生器中還含有部分空氣，因此整個反應器內以好氧為主，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，但是厭氧反應明顯開始大于好氧反應。試驗5~6d沼氣產量達到最大值。以后幾天厭氧菌進入衰亡期，加上污泥中有機質已消耗差不多了，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現沉淀，因此污泥中不含有鹵素，也就沒有鹵化烴產生，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沼氣發生器產生的沼氣于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《惡臭污染物排放標準》（GB14554-93）中硫化氫二級排放標準，排放濃度應該達到0.06mg/m3，實測的數據為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沼氣發生器產生的沼氣于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。把自制的沼氣發生裝置的出氣管接到自制沼氣凈化裝置的進氣管上，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，具體數據如表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，經過氫氧化鈉溶液后，已經超出天平（萬分級）稱量范圍而無法準確測出去除率，但也應該是明顯的，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。由于水含量本來就少，通過干燥劑后再稱出質量求得差值，得出結果已微乎其微，因此該試驗中沒有測定沼氣的含水量。
3結論
試驗結果表明，朝陽污染處理廠的污泥含水率比較高，達到93%以上，但是C/N偏低，只有20.5；厭氧發酵過程中CODcr不斷下降，而在第6天時沼氣產量達到最大（0.63L）；以不同濃度的氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳和硫化氫，當氫氧化鈉溶液濃度為2moL/L時吸收率可以達到99%以上。
參考文獻
[1]杭世珺，陳吉寧.污泥處理處置的認識誤區與控制對策[J].中國給水排水，2004，20（12）：89-92.
[2]徐暢平，黃兵，曹東福，等.活性污泥厭氧發酵有機廢水產氫的影響因素研究[J].江西農業學報，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.碳氮比對污染厭發酵產氫過程的影響[J].海峽科學，2010（6）：79-80.
[5]楊文謙，楊曉敏.城鎮污水沼氣凈化實用技術及其效益淺析[J].中國沼氣，2003，21（3）：50.
[6]龔輝，吳紅艷，朱彩芳.沼氣生態農業建設中的問題探討[J].寧波農業科技，2008（2）：18-19. |
