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附录A 译文
纸浆、造纸厂一级污泥高温厌氧消化以及一、二级污泥共消化
Suvi Bayr*, Jukka Rintala
Received 6 February 2012, Received in revised form 15 June 2012, Accepted 19 June
2009
摘要
首次研究了在高温下的半连续供料连续搅拌槽反应器（CSTR）中，来源于纸浆和造纸厂一次污泥的厌氧消化和一次污泥和二次污泥的共消化。此外，在本研究的分批试验中，一次消化污泥甲烷产量分别为210和230立方米CH4/t，二次消化污泥的甲烷产量分别为50和100msup3;·CH4/t，这两次试验的温度分别为35和55摄氏度。在有机负荷率（OLR）为1-1.4 kgvs/m3d，水力停留时间（HRT）为16-32d时，一级污泥厌氧消化的甲烷产量为190-240 m3ch4/tvs。此外，如果保证pH值不变，即使在最不利的情况下——即OLR=2 kgvs/m3d， HRT为最短的14-16d的条件下，一级污泥的厌氧消化也仍是可行的。一级和二级污泥在有机负荷率（OLR）为1 kgvs/m3d并且水力停留时间（HRT）为25 -31d的条件下共消化产生150-170 m3ch4/tvs的甲烷。同时在污泥的消化过程中，纤维素和半纤维素降解，而木质素则不会降解。此外，本研究还发现要使纸浆和造纸厂废水污泥的厌氧消化顺利进行，需充分考虑到酸碱度的变化和氮的缺乏可能对厌氧消化的影响。
关键词 厌氧消化，甲烷，纸浆造纸，一次污泥，二次污泥，嗜热性
Thermophilic anaerobic digestion of pulp and paper mill primary sludge and co-digestion of primary and secondary sludge
Abstract
Anaerobic digestion of pulp and paper mill primary sludge and co-digestion of primary and secondary sludge were studied for the first time in semi-continuously fed continuously stirred tank reactors (CSTR) in thermophilic conditions. Additionally, in batch experiments, methane potentials of 210 and 230 m3CH4/t volatile solids (VS)added were obtained for primary, and 50 and 100 m3CH4/tVSadded for secondary sludge at 35 C and 55 C, respec-tively. Anaerobic digestion of primary sludge was shown to be feasible with organic loading rates (OLR) of 1e1.4 kgVS/m3d and hydraulic retention times (HRT) of 16e32 d resulting in methane yields of 190e240 m3CH4/tVSfed. Also the highest tested OLR of 2 kgVS/m3d and the shortest HRT of 14e16 d could be feasible, if pH stability is confirmed. Co-digestion of primary and secondary sludge with an OLR of 1 kgVS/m3d and HRTs of 25e31 d resulted in methane yields of 150e170 m3CH4/tVSfed. In the digestion processes, cellulose and hemi-cellulose degraded while lignin did not. pH adjustment and nitrogen deficiency needs to be considered when planning anaerobic digestion of pulp and paper mill wastewater sludges.
Keywords Methane, Pulp and paper mill, Primary sludge,Secondary sludge, Thermophilic
1.简介
制浆造纸行业是一个水资源密集型行业，根据制浆造纸工艺及其原材料，产生几种具有不同特征的废水（Pokhrel和Viraraghavan，2004）。尽管厌氧工艺越来越多地用于处理制浆和造纸工业废水（Habets和Driessen，2007），但好氧活性污泥法仍然普遍用于该工业的造纸废水处理中，芬兰就是一个典型的例子。在纸浆和造纸厂中，使用活性污泥法的污水厂通常会有一个一级澄清池，沉淀池或浮选池产生一级污泥。
纸浆和造纸厂废水厂的一级和二级污泥的特性因所用原料、制浆和造纸工艺以及后续废水处理工艺的不同而不同。纸浆和造纸厂的初级污泥由木纤维（纤维素、半纤维素和木质素）、造纸填料（如高岭土和碳酸钙）、沥青、木质素副产品和灰组成（Ochoade Alda，2008）。二次污泥由微生物生物量、细胞衰变产物和不可生物降解的木质素沉淀物组成（Puhakka等，1992）。据报告，牛皮纸纸浆厂的一级污泥分别含有58%、12%和20 %的纤维素、半纤维素和木质素（Kim等，2000年），而纸浆和造纸厂的一级污泥和二级污泥的混合物分别含有23%、9%和17%的总固体（TS）纤维素、半纤维素和木质素（Lin等，2009）。现在，在纸浆和造纸厂产生的经混合和浓缩的一、二次污泥一般的处理方式是焚烧，然而焚烧通常不利于能源利用；也可将这些污泥填埋，但由于填埋会导致资源损失已经不是主流的污泥处理方式。
厌氧消化工艺普遍用于稳定城市污水处理厂的混合污泥，也越来越多地用于生产沼气、可再生能源、生物废弃物和肥料以及能源作物。然而，有关纸浆和造纸厂废水污泥厌氧消化的报道很少。截止到目前，还没有关于处理一级污泥的（半）连续工艺的公开研究，但有一些关于二级污泥的研究（Puhakkaet al.，1992；Karlsson et al.，2011；Lin et al.，2011）。而关于这两种污泥类型的批量分析，已经有很多的研究报告（Puhakka等，1988；Wood等，2009；Karlssonet等，2011）。（Puhakka等，1992）报告了在中试规模的消化池中，且在温度10摄氏度以下同时OLRs高达5.2千克/立方米条件下，漂白硫酸盐纸浆厂的废活性污泥被消化后将有220 m3/tvs的微生物产生。Karlsson et al.（2011）在研究报告中写到：在37℃下，脱水硫酸盐纸浆厂废活性污泥经消化后的甲烷生成量为120 m3 CH4/tvs，机械纸浆厂废活性污泥经消化后的甲烷生成量为180 m3 CH4/tvs（测得此时OLR高达4 kgvs/m3d）。
人们对可再生能源、气体燃料、纸浆和造纸厂的生产越来越感兴趣。据作者所知，目前还没有关于反应器工艺中纸浆和造纸厂一级污泥厌氧消化的资料，有关二级污泥厌氧消化的出版物也很少。然而，由于一级污泥的组成，它可能是比二级污泥更好的甲烷来源。二次污泥在好氧过程中已经部分降解，而一次污泥没有。另一方面，污泥的实际成分因其含有不同数量的厌氧消化无法降解的化合物可能存在很大差异。此外，选择高温条件下的高温微生物作为降解微生物可能比中温微生物具有更高、更快的降解速度，因此其反应器可以使用更短的HRT。这种选择的另一个原因是纸浆和造纸厂通常有多余的热量，可用于其他工艺。
本研究的目的是评估纸浆和造纸厂的一次和二次污泥在实验室级别的半连续给料的CSTR反应器中，在55℃下生产沼气的可行性。研究了在一级污泥的消化中， OLR数值在1-2之间和14-32d之间的HRT对处理一级污泥中甲烷产量的影响。同时对二次污泥共消化与一次污泥单消化的差别进行了研究。此外，在35℃和55℃的条件下，采用一级污泥和二级污泥作为样本对甲烷产量进行了批量测定。
2. 材料和方法
2.1 样本和接种物
以芬兰考卡斯市漂白硫酸盐综合浆（软木和桦木）和造纸厂（生产涂布杂志纸）的一级和二级污泥为样本。在废水处理厂取样并运至实验室后，一级和二级污泥在使用前保持在4℃。试验期间使用三批一级污泥和两批二级污泥，以确保每批污泥的储存时间不超过两个月。市政污水处理厂（Nena–Inniemi，Jyva–Skyla，芬兰）的消化污泥被用作中温过程中的接种物，在高温过程中，接种物被沼气处理厂（Tormossen，Vaasa，芬兰）消化，处理城市垃圾中的腐败有机物部分。样本和接种物的特性如表1所示。
表1 CSTR试验中使用的一、二级污泥、接种物和废水的特性
试验采用三批一级污泥和两批二级污泥
|
特性 |
一次污泥 |
二次污泥 |
接种物 |
接种物 |
污泥消化液 |
|||
|
三批 |
二批 |
35℃ |
55℃ |
|||||
|
pH |
6.2 |
6.8 |
6.7 |
7.6 |
7.8 |
7.3 |
8.2 |
74 |
|
TS (%) |
3.4 |
3.8 |
2.7 |
4.0 |
3.6 |
2.2 |
4.4 |
0.2 |
|
VS (%) |
2.9 |
3.2 |
2.2 |
3.3 |
2.9 |
1.1 |
2.4 |
0.1 |
|
VS/TS (%) |
86 |
83 |
83 |
82 |
81 |
52 |
55 |
61 |
|
SCOD (g/l) |
1.8 |
1.5 |
1.4 |
0.7 |
0.4 |
0.7 |
3.3 |
0.9 |
|
TKN (g/l) |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
2.0 |
1.9 |
1.2 |
3.5 |
0.5 |
|
NH4-N (g/l) |
＜1a |
＜1a |
＜1a |
31a |
8a |
0.6 |
1.3 |
0.4 |
a 单位 mg/l.
2.2 分批分析
在工作容积约为720ml的1 L
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