Spyros G. Pavlostathis

(佐治亞理工學院土木與環(huán)境工程系，美國亞特蘭大，GA 30332-0512)

市政污泥與高濃度廢棄物的厭氧共消化：一種生物質能源凈產生的途徑

Spyros G. Pavlostathis

(佐治亞理工學院土木與環(huán)境工程系，美國亞特蘭大，GA 30332-0512)

厭氧共消化是一種綠色、實用的回收廢棄物中能源的技術。本文介紹了厭氧共消化技術的原理，并介紹了美國佐治亞州F. Wayne Hill水資源處理中心采用油脂廢棄物（FOG）和含糖工業(yè)廢水與市政污泥進行連續(xù)流厭氧共消化的實際應用案例。結果表明，厭氧共消化可顯著提高甲烷產量達2倍以上，甲烷產量隨著高濃度有機廢棄物負荷率及厭氧消化反應器停留時間的延長而增加，且COD和VS降解率可保持在合理范圍內，經(jīng)濟效益顯著。

共消化；生物質能源；市政污泥

前言

生活污水中含有大量的水、能源和營養(yǎng)物質，人們越來越意識到生活污水中的大量資源若是能被有效利用將成為一筆巨大的財富，因此，如今生活污水處理技術的重點已經(jīng)從污水的處理轉移到了資源和能源的回收，污水處理廠的改良方向也朝著降低污水處理能耗和提高可再生能源產出的目標發(fā)展。

厭氧發(fā)酵不僅能夠處理污水、污泥，還可以利用

其中的生物質產生能源。在中國的農村地區(qū)，人們常用生活污水、廢棄物等發(fā)酵產生的沼氣來為日常生活提供一部分能源[1,2]，這種傳統(tǒng)技術與厭氧共消化技術的原理不謀而合[3]。厭氧消化技術發(fā)展至今已有150多年的歷史，已是一種成熟的技術，大多數(shù)污水處理廠均選擇厭氧發(fā)酵的方式作為生物能源的產能途徑，用污水和污泥發(fā)酵來產生沼氣。在美國，有一些污水處理廠會將產出的沼氣與熱電聯(lián)產系統(tǒng)相結合，但熱電聯(lián)產系統(tǒng)需要足夠大的進水流量，因此僅有不到10 %的污水處理廠采用了這種系統(tǒng)。由于認識到大部分市政污泥厭氧消化反應器運行負荷較低，現(xiàn)在越來越多的污水處理廠將市政污泥與高濃度有機廢棄物共同發(fā)酵，來得到更大的能源產出和更高的運行效率。

1．厭氧共消化技術原理

有機物在微生物菌群的作用下經(jīng)過發(fā)酵產生沼氣是一個極其自然卻又相當復雜的系列反應，如圖1所示[4-6]。復雜的大分子有機物如多糖類物質、蛋白質和脂肪等首先經(jīng)過水解、酸化菌群分解成小分子有機物，比如單糖、氨基酸、多肽及長鏈脂肪酸等。這些小分子有機物在產酸菌群的作用下分解為丁酸、丙酸和乙酸等短鏈脂肪酸及H2、CO2等氣體，然后，在產氫產乙酸菌群的作用下進一步轉化為乙酸及H2、CO2。H2和CO2也可能在氫利用產乙酸菌的作用下轉化為乙酸。最終，H2、CO2和乙酸分別在兩種不同的產甲烷菌的作用下產生甲烷。

市政污泥是污水處理廠在污水處理過程中的必然產物。未經(jīng)恰當處理的污泥進入環(huán)境后，將給水體和大氣帶來二次污染，不但降低了污水處理廠的綜合效益，而且對生態(tài)環(huán)境和人類的活動構成了嚴重的威脅。美國污水處理廠普遍采用厭氧消化工藝進行污泥處理，污泥進入消化池，經(jīng)過20天左右的消化作用，約有50%的有機物被降解[7,8]。根據(jù)運行數(shù)據(jù)來看，初沉污泥在標準狀態(tài)下的甲烷產量為175 – 263 m3@ STP/tonne COD fed，剩余活性污泥在標準狀態(tài)下的甲烷產量為123 – 158 m3@ STP/tonne COD fed。初沉污泥與剩余污泥的甲烷產量平均比值約為1.6。

有機物發(fā)酵產生的沼氣中甲烷的含量與發(fā)酵原料的有機組分密切相關。發(fā)酵原料中的有機物組分可以用基質中碳原子的平均氧化態(tài)來描述，其計算公式如下所示。

碳原子平均氧化態(tài) (OS) = 4–1.5(COD/TOC)

在基質礦化完全、忽略微生物自身生長的情況下，有機物中碳原子的平均氧化態(tài)與產出沼氣的甲烷含量關系如圖2所示[9]。當原料中的碳原子均以無機形態(tài)存在時，產甲烷過程并不能發(fā)生，比如原料為尿素時，碳原子的平均氧化態(tài)為+4，產物即為100 %的CO2。隨著原料中有機物含量的增加，即碳原子平均氧化態(tài)的降低，產物中的甲烷含量會逐漸升高。當發(fā)酵原料為碳水化合物、乙酸等時，理論上應產出50 %的CH4和50%的CO2?？傮w來說，符合CH4(%) = 100–12.5 (OS + 4)這一通式。

表1中列舉了一些發(fā)酵原料的生物質生成量和氣體產物的組分含量數(shù)據(jù)，與理論計算的結果基本一致。這一現(xiàn)象從原理上解釋了將高濃度有機廢棄物與市政污泥共同發(fā)酵能夠提升消化過程產甲烷效率的原因，

為厭氧共消化技術提供了理論支持。厭氧共消化是一種非常綠色、實用的技術。利用污水處理廠的市政污泥與其他高濃度有機廢棄物如餐廚垃圾、高濃度有機廢水等進行共消化的過程后，可提升消化反應器運行效率，得到更多的生物質能源[10,11]。在設計厭氧共消化工藝時，應充分考慮發(fā)酵原料的毒性、所含病菌的類型和數(shù)量、生物可降解性以及是否易于操作等。

2．厭氧共消化技術應用案例

美國佐治亞州Gwinnett縣的F. Wayne Hill水資源處理中心采用市政污泥進行了厭氧共消化試驗。該污水處理廠的處理能力為190,000 m3/d，建設有五個蛋形反應器。厭氧共消化試驗的目標是通過市政混合污泥與高濃度有機廢棄物混合共同發(fā)酵來提高甲烷的產量。由于CO2排放量的限制，在消化反應器的設計過程中，能量的最大化并不是最終的目標，另外也要考慮工廠設計方面的限制。

試驗研究了重力脫水油脂廢棄物（LES FOG）、工業(yè)廢水（WriW）、市政混合污泥（Sludge-mix，初沉污泥與剩余污泥的TS比為40 : 60）、Publix超市溶氣浮選產生的浮渣（Publix DAF）、餐廳撇油池的油脂廢棄物廢物（Grease trap） 等五種有機廢棄物，樣品分析的數(shù)據(jù)見表2。由表2可見，F(xiàn)OG和WriW的TS、VS含量及VS/TS明顯比市政污泥高。此外，污泥中有機組分以粗蛋白為主，F(xiàn)OG主要有機成分為脂類，而WriW主要有機成分為碳水化合物。五種高濃度有機廢棄物的容積負荷率和水力停留時間（HRT）與總有機負荷率（Total OLR）的關系如圖3所示。根據(jù)圖3的結果，Publix DAF和Grease trap的有機負荷較低，其中Publix DAF還有一定毒性，因此不宜作為與市政污泥厭氧共消化的基質。

試驗最終選取FOG和工業(yè)廢水（IndW），首先研究了這兩種高濃度有機廢棄物（2.25 g COD/L）與初沉污泥（PS）、剩余污泥（TWAS）及混合污泥（Sludge-mix） 等市政污泥（4.5 g COD/L）的最終可降解性，結果如圖4所示。FOG和IndW的甲烷產量明顯比市政污泥高，其VS降解率分別可達85%和64%，遠遠高于市政污泥的30% ～ 50%。FOG和IndW產生的沼氣中甲烷含量分別為80.7%和72.7%，也遠遠高于市政污泥的35.2% ～ 49.2%。由此可見，兩種有機廢棄物中有機組分的差異對于VS的降解和甲烷的產生均有很大的影響。

在上述試驗基礎上，分別采用FOG、IndW與sludge-mix進行了連續(xù)流厭氧共消化的試驗。試驗共設置了4個厭氧反應器，在不同的試驗條件下分別獨立運行（如表3所示），試驗結果如表4所示。結果表明，通過厭氧共消化，甲烷的產量至少能達到市政污泥的兩倍，而且產生的沼氣和甲烷非常接近甚至超過污水處理廠的能量需求值。同時，厭氧共消化使

COD和VS的降解率增加多達10.9%。并且厭氧共消化反應器的出水與普通市政污泥單獨消化反應出水并無二致，也不會影響到厭氧消化污泥的脫水性能。根據(jù)以上結果，預計F. Wayne Hill水資源處理中心最初啟動時（日處理量為114000 m3/d）每年可以節(jié)約300 000美元的成本，當達到最大設計運行負荷后，日處理量可達228000 m3/d，屆時每年可節(jié)約的成本為700 000美元，經(jīng)濟效益顯著。

3．結論

市政污泥與高濃度有機廢棄物的厭氧共消化可提高甲烷產生量，甲烷的產量隨著高濃度有機廢棄物負荷率及厭氧消化反應器停留時間的延長而增加，且COD和VS降解率可保持在合理范圍內。

厭氧共消化技術的應用需要從厭氧消化系統(tǒng)的整體運行情況及整個污水處理廠的限制條件等角度全面考慮。

采用高濃度有機廢棄物與市政污泥混合發(fā)酵時，應對高濃度有機廢棄物的潛在毒性、最終生物可降解性和產甲烷勢等方面進行預篩選和評估，以避免增加系統(tǒng)的不確定性，從而真正實現(xiàn)污水廠生物質能源的凈生成。

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Anaerobic Co-Digestion of Municipal Sludge and High-Strength Waste: A Path to Net Bioenergy Production

Spyros G. Pavlostathis
（School of Civil and Environmental Engineering，Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332-0512, USA）

Anaerobic digestion, traditionally considered as a sludge stabilization process, is now being viewed as a major source of bioenergy production at municipal WWTPs via the conversion of sludge (and wastewater) to methane. The realization that most municipal anaerobic digesters are underloaded has led to adoption of co-digestion of municipal sludge and high-strength waste to increase both energy production and digester effciency. The paper reviews the basic principles of the anaerobic conversion of organic material to methane with focus on the anaerobic digestion of municipal sludge. The results of bench-scale studies on the co-digestion of mixed municipal sludge, fat-oil-grease (FOG), and other high-strength waste in terms of both increased methane production and solids destruction was discussed, along with the potential for cost savings/revenue generation.

co-digestion; bioenergy; municipal sludge

X703

A

1674-6252（2014）05-0047-05

Spyros G. Pavlostathis是美國佐治亞理工大學環(huán)境工程終身教授，美國環(huán)境工程師學會認證環(huán)境工程師（BCEEM），國際水協(xié)會（IWA）和水環(huán)境聯(lián)合會（WEF）首屆會士（Fellow）。Dr. Pavlostathis是環(huán)境生物技術和生物工藝工程領域國際公認的知名專家，在受污染環(huán)境的生物修復、市政及工業(yè)污廢水的處理、特別是生物處理工藝的動力學和模型研究等方面具有深厚造詣。目前已在Environmental Science & Technology，Environmental Microbiology，Water Research及Biotechnology and Bioengineering等國際知名刊物上發(fā)表SCI論文130余篇。Dr. Pavlostathis是厭氧領域具有權威并得到廣泛引用的綜述文章Kinetics of Anaerobic Treatment和厭氧消化1號模型（ADM1）的主要作者.