查湘義

[摘要]厭氧消化是污泥穩(wěn)定化、無(wú)害化、資源化的主要方式之一，是污泥處理與處置的發(fā)展趨勢(shì)。本文對(duì)污泥厭氧消化技術(shù)的原理、影響因素以應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，提出污泥厭氧消化的合理化建議。

[關(guān)鍵詞]剩余污泥；水熱預(yù)處理；國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀；建議

污泥是由多種微生物形成的菌膠團(tuán)的集合體，含有大量極易腐敗的有機(jī)物，因此如何減少污泥污染并且有效利用這類生物質(zhì)能源對(duì)實(shí)現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前污泥的主要處理處置工藝有厭氧消化、好氧堆肥、干化焚燒、石灰穩(wěn)定、深度脫水等，而厭氧消化相較于其他處理工藝可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量化和穩(wěn)定化，具有能耗低、消化后穩(wěn)定度高的優(yōu)點(diǎn)，并且污泥厭氧消化產(chǎn)生生物燃?xì)饧淄椋瑢?shí)現(xiàn)了污泥的資源化。但是污泥厭氧消化的投資高、處理技術(shù)較復(fù)雜、啟動(dòng)和處理的時(shí)間長(zhǎng)，特別是我國(guó)北方地區(qū)由于溫度低，對(duì)污泥厭氧消化系統(tǒng)的運(yùn)行管理提出了更高的要求，因此一定程度上限制了污泥厭氧消化法的使用。因此如何充分發(fā)揮污泥厭氧消化的優(yōu)勢(shì)，解決污泥厭氧消化的問(wèn)題，提高污泥消化速率，走污泥的資源化利用之路，具有重大研究?jī)r(jià)值。

一、污泥厭氧消化的原理

厭氧消化是指利用厭氧菌對(duì)污泥進(jìn)行發(fā)酵，在微生物的作用下使污泥中的有機(jī)物得到降解并逐步到達(dá)穩(wěn)定，并在此過(guò)程中不斷產(chǎn)生生物燃料甲烷的一種方法。目前厭氧消化較為公認(rèn)模式為三階段理論，第一階段為水解發(fā)酵階段，第二階段為產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段，第三階段為產(chǎn)甲烷階段。在第一階段，污泥中的一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)物被分解成簡(jiǎn)單的有機(jī)物，如一些脂類的物質(zhì)會(huì)被轉(zhuǎn)化成脂肪酸和甘油，一些蛋白質(zhì)分子會(huì)被轉(zhuǎn)化成氨基酸，一些纖維素類物質(zhì)也會(huì)被水解成糖類等，然后產(chǎn)酸菌會(huì)通過(guò)厭氧發(fā)酵和氧化等過(guò)程把這些簡(jiǎn)單的有機(jī)物進(jìn)一步的轉(zhuǎn)化成醇類和脂肪酸類如甲酸、乙酸、丙酸等；在第二階段，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌會(huì)把水解階段產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，如醇類和丙酸、丁酸等脂肪酸類簡(jiǎn)單有機(jī)物（甲烷、甲醇、乙酸除外）轉(zhuǎn)化乙酸和氫并且會(huì)有二氧化碳放出；在第三階段，產(chǎn)甲烷菌會(huì)將前兩個(gè)階段產(chǎn)生的乙酸、氫氣及二氧化碳等小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷。

二、污泥厭氧消化的影響因素

影響污泥厭氧消化的因素主要包括：底物組成、溫度、pH值、攪拌、污泥齡與投配率等。

（1）溫度。溫度是厭氧發(fā)酵過(guò)程主要影響因素，適宜的溫度能使污泥中有機(jī)物充分分解，增加產(chǎn)氣量。當(dāng)溫度范圍在10～30℃時(shí)為低溫消化；溫度范圍在30～35℃時(shí)為中溫消化；溫度范圍在50-55℃時(shí)為高溫消化。目前的消化系統(tǒng)溫度一般在35℃左右，屬于中溫消解，在此溫度下，有機(jī)物的反應(yīng)速率較快，產(chǎn)氣量比較多，產(chǎn)生的浮渣量比較少，且反應(yīng)后污泥混合液固液容易分離。

（2）污泥底物營(yíng)養(yǎng)組成。污泥底物營(yíng)養(yǎng)主要表現(xiàn)在C/N比值，厭氧細(xì)菌所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是由投配污泥提供的，是衡量營(yíng)養(yǎng)配比的最重要的指標(biāo)，C/N太高，細(xì)菌所需要的氮含量不足，消化液的緩沖能力就會(huì)降低，pH值就會(huì)下降；C/N太低，氮量含過(guò)多，pH值就會(huì)升高，從而抑制消化過(guò)程。

（3）pH值。水解過(guò)程與發(fā)酵菌及產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌對(duì)pH值的適應(yīng)范圍大致為5～6.5，而對(duì)產(chǎn)甲烷菌的pH值的適應(yīng)范圍為6.6-7.5。如果超出厭氧微生物生長(zhǎng)繁殖適宜的pH值范圍，大多數(shù)微生物都不能存活。

其他影響因素，如攪拌，其目的是使消化池內(nèi)的新舊污泥混合均勻，同時(shí)避免污泥結(jié)殼，加快消化池中消化氣的釋放。污泥齡與投配率則表現(xiàn)在污泥在消化池內(nèi)的停留時(shí)間，投配率是指每天投入的新污泥占消化池有效體積的比例。

三、污泥厭氧消化國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）青島麥島污水處理廠污泥處理項(xiàng)目。該項(xiàng)目處理水量為24萬(wàn)m³/d，為生活污水處理項(xiàng)目。污水處理廠占地3.9公頃，采用圓柱形消化池2座，直徑29.3m，高度25.7m，有效高度18m，單池有效容積12700rn3，攪拌方式為機(jī)械攪拌，污泥停留時(shí)間20d，消化溫度35℃±1℃，沼氣日產(chǎn)量14924m³/d，產(chǎn)生的沼氣12%用于沼氣鍋爐，85%用于發(fā)電，通過(guò)4臺(tái)500kW沼氣發(fā)電機(jī)發(fā)電，能滿足廠內(nèi)68%的用電量，發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的熱水為消化池及廠房供熱，實(shí)現(xiàn)了熱電聯(lián)供，剩余的3%沼氣用于火炬燃燒。沼渣脫水后含水率降至78%以下，送至垃圾填埋場(chǎng)或堆肥處理。

（2）鄭州王新莊污水處理廠污泥厭氧消化處理項(xiàng)目。該項(xiàng)目處理水量為24萬(wàn)m³/d，生活污水所占比例為80%。進(jìn)泥含水率96%，進(jìn)泥量1500 m³/d，采用圓柱形消化池，一級(jí)3座，二級(jí)1座，直徑28.8m，高度20.2m，單池有效容積1萬(wàn)m³，污泥停留時(shí)間21d，攪拌方式采用沼氣攪拌，消化溫度35℃±1℃，沼氣日產(chǎn)量2萬(wàn)m³左右，產(chǎn)生的沼氣20%用于沼氣鍋爐，60%用作城市燃?xì)猓?0%放散到空氣中。沼渣脫水后含水率降至78%左右，送至垃圾填埋場(chǎng)或堆肥處理。鄭州王新莊污水廠從2010年9月開始將沼氣并入城市煤氣管網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)一定的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）大連夏家河污泥處理廠污泥厭氧消化處理項(xiàng)目。該項(xiàng)目為生活污水處理項(xiàng)目，進(jìn)泥含水率90%，進(jìn)泥量1200m³/d，采用圓柱形消化罐，直徑16m，高度15m，有效高度11.2m，單池有效容積2500m³，污泥停留時(shí)間22d，污泥投配率4%～5%，消化溫度35℃±1℃，攪拌方式為機(jī)械攪拌，沼氣日產(chǎn)量1.7萬(wàn)～1.8萬(wàn)m³，產(chǎn)生的沼氣30%用于沼氣鍋爐，70%用作城市燃?xì)狻Ｔ擁?xiàng)目利用沼氣并網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)4萬(wàn)元/d（以3.5元/m³沼氣計(jì)）的經(jīng)濟(jì)效益，全年可實(shí)現(xiàn)收益約1400萬(wàn)元。沼渣脫水后含水率降至70%左右，送至垃圾填埋場(chǎng)晾曬填埋。

（4）上海白龍港污水處理廠污泥厭氧消化處理項(xiàng)目。污泥厭氧消化系統(tǒng)共有8座單體容積為12400m³的消化池，進(jìn)泥流量為4080m³/d，日產(chǎn)沼氣為44512m³/d，控制消化池溫度為35-36℃。沼氣儲(chǔ)存系統(tǒng)為4座單體為5000m³的氣囊式儲(chǔ)存柜，厭氧消化系統(tǒng)所產(chǎn)生的沼氣優(yōu)先保證其自身加熱需求，富余沼氣作為污泥干化系統(tǒng)能源。系統(tǒng)運(yùn)行后，存在浮渣及泡沫、鳥糞石結(jié)晶、砂粒積累等問(wèn)題。由于厭氧消化會(huì)造成污泥中磷和氨氮的釋放，使得消化污泥的總磷、氨氮含量較高，容易造成消化池排泥管路形成鳥糞石結(jié)垢。在實(shí)際運(yùn)行中已發(fā)現(xiàn)較為嚴(yán)重的鳥糞石結(jié)垢問(wèn)題，鳥糞石完全堵塞了消化排泥管路，并且此問(wèn)題已延伸至消化池之后的脫水上清液管道。同時(shí)，泡沫也是目前消化池存在的主要問(wèn)題之一。不同于浮渣，泡沫質(zhì)量較輕，會(huì)夾雜浮渣及污泥顆粒，隨沼氣進(jìn)入沼氣處理設(shè)施后易造成設(shè)施不通暢，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致消化池破封等問(wèn)題。

四、存在問(wèn)題及解決方向

（一）泥質(zhì)方面

污泥泥質(zhì)直接影響厭氧消化過(guò)程的產(chǎn)氣率指標(biāo)，從而影響系統(tǒng)能耗和運(yùn)行成本，這也是我國(guó)大部分厭氧消化池停運(yùn)的主要原因之一。大多數(shù)污水廠沒有對(duì)污水水質(zhì)以及泥質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研，厭氧消化工程的建設(shè)帶有盲目性，很多投資巨大的消化系統(tǒng)甚至從開始便無(wú)法正常運(yùn)行。因而應(yīng)對(duì)污水廠進(jìn)水水質(zhì)和泥質(zhì)進(jìn)行全面系統(tǒng)的考察是非常必要的。如前面說(shuō)述，污泥底物營(yíng)養(yǎng)主要表現(xiàn)在碳氮比值，而一般污水廠剩余污泥中碳氮比僅為4-5，無(wú)法達(dá)到厭氧消化反應(yīng)所需的理想碳氮比。因此可以考慮加入高碳氮比的秸稈、雜草、果蔬以及廚房垃圾等易腐有機(jī)廢物來(lái)提高生物污泥的厭氧消化性質(zhì)。

（二）運(yùn)行管理方面

污泥厭氧消化處理系統(tǒng)投資很高，通常占污水廠總投資的1/3～1/2，污泥厭氧消化工藝操作比較復(fù)雜，運(yùn)行難度大。一般污泥厭氧消化系統(tǒng)啟動(dòng)期長(zhǎng)達(dá)數(shù)月，設(shè)備磨合期長(zhǎng)，關(guān)鍵設(shè)備容易出現(xiàn)故障，有的為國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，零部件的維修和更換不方便。因此，應(yīng)實(shí)現(xiàn)厭氧消化關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，降低維修費(fèi)用，加強(qiáng)對(duì)技術(shù)工人專業(yè)知識(shí)培訓(xùn)，使其熟練掌握系統(tǒng)自動(dòng)化的運(yùn)行管理。

（三）運(yùn)行費(fèi)用方面

消化系統(tǒng)沼氣產(chǎn)量不穩(wěn)定時(shí)，常常導(dǎo)致沼氣收益不足以抵消其運(yùn)行費(fèi)用，從而造成污泥消化設(shè)施被首先閑置。目前，我國(guó)處于污水處理設(shè)施運(yùn)營(yíng)由政府負(fù)擔(dān)向市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)機(jī)制過(guò)渡的階段，應(yīng)通過(guò)政策導(dǎo)向，提高污水處理費(fèi)、財(cái)政補(bǔ)貼或減免稅收等方式落實(shí)污泥處理處置費(fèi)用，使污泥處理進(jìn)入良性循環(huán)。

（四）厭氧消化新技術(shù)方面

主要是從改善工藝條件、采取預(yù)處理強(qiáng)化措施以及提高產(chǎn)能效果等方面進(jìn)行深入研究，比如采用超聲波預(yù)處理、高溫預(yù)處理法、臭氧預(yù)處理、加堿預(yù)處理和生物酶預(yù)處理等方法。超聲波預(yù)處理的原理是當(dāng)一定強(qiáng)度的超聲波作用于污泥時(shí)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，空化現(xiàn)象產(chǎn)生的氣泡瞬間破裂并伴隨高溫、高壓和較強(qiáng)的剪切力，從而破壞污泥絮體結(jié)構(gòu)并釋放大量污泥有機(jī)物質(zhì)，易于污泥后續(xù)的水解并提高污泥厭氧消化的效果。