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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(shí)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(shí)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(gè)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)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(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(yàn)設(shè)計(jì)
1.2.1沼氣池設(shè)計(jì)。由于原材料和制作工具的限制，試驗(yàn)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(jì)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***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(jì)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?yàn)樘嫉扔悬c(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(yàn)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(gè)反應(yīng)器內(nèi)以好氧為主，這階段COD的下降也是這個(gè)原因。試驗(yàn)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(yàn)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(shí)，用硝酸銀滴定時(shí)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(gè)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(yàn)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(shí)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(gè)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(yàn)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(jì)（約占2%），計(jì)算出二氧化碳的含量，就能得出甲烷的含量。此次試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)是通過加了1根較長的U形玻璃管來去除，試驗(yàn)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(yàn)中沒有測定沼氣的含水量。
3結(jié)論
試驗(yàn)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(shí)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(shí)吸收率可以達(dá)到99%以上。
參考文獻(xiàn)
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[3]KART，KLAUS R IMBOFF.Taschenbuch der stadtentwaesserung，29[M].Auflage.Mucnehen，Wien ：TU Braunchweig Verlag，1999 ：289.
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