污泥厭氧消化技術發展應用現狀及趨勢

李 琳

（北京機電院高技術股份有限公司，北京 100027）

污泥是污水經過物理法、化學法、物理化學法和生物法等方法處理后的副產物，是一種由有機殘片、細菌菌體、無機顆粒、膠體等組成的極其復雜的非均質體，懸浮物濃度一般為1%～10%，并呈介于液體和固體兩種形態之間的膠體狀態。隨著各國污水產生和處理量的快速增長，污泥的產生量也隨之大幅增加，其對環境造成的污染已引起全球的共同關注，污泥的處理處置也成為當今重要的研究課題之一。

目前世界污泥處理處置的主流技術有厭氧消化、好氧堆肥、干化焚燒、土地利用等，在這些技術中，厭氧消化以其顯著的污泥穩定化、能源化效果得到了國內外的青睞。

1 污泥厭氧消化技術

污泥厭氧消化是利用兼性菌和厭氧菌進行厭氧生化反應，分解污泥中有機物質，使之達到減量化和穩定化，同時產生沼氣的一種污泥處理工藝。沼氣回收后可以用于燃燒發電或供熱，也可以將沼氣加工成工業原料；消化后的污泥經脫水和無害化處理后，可制成有機肥或作為水泥廠、燃煤電廠的輔助燃料。

目前國際公認的對厭氧消化原理和反應過程闡述較為全面的是三階段論，由Bryant等人于1979年根據微生物種群的生理分類特點而提出。他們認為，厭氧消化依次分為水解及酸化階段、乙酸化階段和甲烷化階段，各階段之間既相互聯系又相互影響，并具有獨特的微生物群體。水解酸化階段：參與該階段的微生物包括細菌、原生動物和真菌，大多數為絕對厭氧菌，此外還有兼性厭氧菌，污泥中的碳水化合物、蛋白質、脂肪、纖維素等非水溶性高分子有機物在微生物水解酶的作用下水解成溶解性物質，再轉化成乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸和乙醇、二氧化碳。乙酸化階段：該階段的微生物主要為產氫產乙酸菌以及同型乙酸菌，將水解酸化產物轉變為乙酸。甲烷化階段：甲烷菌是該階段的主要細菌，屬于絕對厭氧菌。甲烷菌分為兩組，一組把氫和二氧化碳轉化成甲烷，另一組是對乙酸脫羧產生甲烷。

按消化反應溫度，污泥厭氧消化分為中溫消化和高溫消化，反應溫度分別是30℃～35℃和50℃～55℃。相比之下，高溫消化比中溫消化反應速度快、有機負荷高、產氣率高、消化池體積小、有機物降解更徹底、病原菌殺滅率更高，但能耗相對較高，投入大，控制困難[1]。因此，溫度是影響厭氧消化的重要因素之一。此外，厭氧消化的影響因素還有生物固體停留時間（污泥齡）與負荷、營養物質、C/N比、有毒物質、pH值和消化液的緩沖作用等。

2 污泥厭氧消化技術研究進展

總體來看，目前國內外的有關研究主要集中在如何改善污泥的厭氧消化性能，以提高反應效率、污染物去除率和沼氣產生率，其中對有機廢物與污泥混合處理以及以預處理技術方面的研究最多。

有機廢物與污泥混合厭氧消化技術。厭氧消化的最佳C/N比是10～20，而污水處理廠污泥的C/N比較低，一般僅為4.60～5.04，在其單獨厭氧消化時，含N物質溶出較快，致使NH3-N濃度過高，不利于維持體系營養配比的平衡和分解反應的進行[1-4]。為了解決這一問題，國內外對廚余垃圾、秸稈等高C/N比有機廢物與污泥的混合消化開展了較多的研究。日本的Komatsu等[5]研究了將稻桿與污泥以1 ∶ 0.5的比例混合時，對中溫和高溫厭氧消化效果的影響。實驗證明，污泥中加入稻桿后，中溫和高溫厭氧消化的甲烷產量分別增加了66%～82%和37%～63%，厭氧消化后污泥的脫水性能也得以改善，可使消化后的污泥脫水至更低的含水率，進而縮減污泥體積。Sosnowki等將污水處理廠污泥和城市有機垃圾以3∶1的比例混合，沼氣產量增至污泥單獨厭氧消化時的2倍[4]。

在國內，同濟大學的李磊，哈爾濱工業大學的付勝濤、嚴曉菊和于水利，江南大學的高瑞麗、嚴群等[6-9]研究人員，也分別對污泥和廚余垃圾的混合厭氧消化開展了實驗研究，分析了添加廚余垃圾對污泥厭氧消化過程及沼氣產量的影響。結果表明，添加廚余垃圾后，污泥厭氧消化性能和沼氣產量均得到了不同程度的提高?？傮w而言，國內外對有機廢物與污泥混合消化的已有研究主要集中在污泥與市政固體廢棄物中有機組分的混合消化，以及溫度、混合比例等工藝參數對反應的影響方面，而在污泥與廚余垃圾混合厭氧消化方面的報道仍不多[9]。

為了改善污泥厭氧消化性能，對污泥預處理技術的研究必不可少。目前，污泥預處理技術主要包括熱處理、加堿預處理、超聲波預處理、生物酶處理、微波預處理法、高壓噴射、臭氧氧化法、冷凍法、Fenton試劑氧化預處理等。國外在這方面進行了較多的研究，比如，Mavi等對熱處理，Vlyssides等對加堿預處理，Tiehm等對超聲波預處理，Barjenbruch等對生物酶預處理，Park等對微波預處理法均分別進行了實驗研究，并驗證了這些方法在改善污泥厭氧消化性能方面的作用[10-14]。在我國，清華大學的王治軍、王偉、喬瑋和蔣建國，北京師范大學的周剛，北京市政工程設計研究院的戴前進，大連理工大學的何玉鳳、南京大學的牟艷艷、華北電力大學的崔磊等專家也分別開展了污泥特性改善方法的課題研究，并取得了一定的研究成果[15-20]?？偟膩碚f，國內外對熱處理、加堿預處理和超聲波預處理開展的研究較多，對其它方法的報道較少，但無論在國內還是國外，這些預處理方法大多數還停留在實驗室階段。

3 污泥厭氧消化技術應用現狀

3.1 國外

厭氧消化技術以其出色的污泥減量化、無害化與資源化效果，得到了主張污泥回收再利用的歐美等發達國家的關注，并成為歐美等發達國家污泥處理處置的主流技術之一。通過大量研究，這些國家目前已在工藝、藥劑等方面取得較大突破。尤其是歐盟，對厭氧消化技術最為推崇，是使用的污泥消化設施最多的地區之一，69%污水處理廠建有污泥消化和沼氣利用設施，厭氧消化也成為其最常見的處理方式（見表1）。此外，由于全球能源價格的飆升、氣候變暖等因素，日本對以焚燒為主的污泥處理處置技術路線進行了戰略調整，將包括厭氧消化在內的污泥生物質利用和能源化利用技術作為研究重點。

表1 歐盟各國采用的污泥處理方法[21]

國外還出現了很多實力突出的環保企業及相關設備生產企業，其中有代表性的主要有法國的威立雅環境集團（VEOLIA）和得利滿公司（DEGREMONT）、德國的斯特林（STERLING）公司和洛蒂格（ROEDIGER）公司、瑞典普拉克公司（PURAC）、美國貝克（BAKER）公司等。污泥厭氧消化項目也在世界各地紛紛涌現，如美國都柏林圣達蒙污水處理廠污泥處理工程，荷蘭斯魯斯耶第克污泥處理廠，以及英國的安格利安水務Cotton Valley污泥處理中心和泰晤士水務Chertsey污泥處理中心等。

3.2 國內

相對于發達國家，我國污泥厭氧消化技術及設備的研發較為滯后。迄今為止，國內對于污泥厭氧消化技術的研究尚未取得突破性進展，在甲烷生產效率提高、厭氧反應條件優化及污泥濃度控制等方面仍存在難度。厭氧消化專業設備的國產化率較低，國內厭氧消化關鍵技術和設備仍主要依靠進口，天津、青島、煙臺、?？?、永州、杭州等多地污水處理廠污泥厭氧消化所采用的攪拌設備均來自國外。

國內污泥厭氧消化技術的應用情況也不樂觀，據資料統計[22]，國內污泥中僅有38.04%采用了厭氧消化的穩定方法，在全國目前2600多座污泥處理廠中，約有60座采用了厭氧消化工藝，但正在運行的僅有10～30座，運轉良好的厭氧消化工程就更加少。我國多采用中溫厭氧消化，這主要是受我國經濟條件和高溫消化的高能耗限制[1]。在國內，還建成了若干污泥厭氧消化項目，較有代表性的項目如表2所示。

表2 國內典型污泥厭氧消化項目列表

4 發展趨勢及建議

我國人口眾多，資源和能源相對短缺，采用厭氧消化技術將污泥資源化和能源化的做法符合我國國情。國家還陸續出臺了一系列的政策法規來鼓勵該技術的研究和應用，并在《廢物資源化科技工程“十二五”專項規劃》中，將污水處理廠污泥厭氧消化技術列為“十二五”重點研究并大力推廣的污泥處理處置與資源化關鍵技術?？梢?，厭氧消化發展具有巨大的市場潛力和有利的政策環境，將成為引領污泥行業方向的污泥處理處置技術之一。如何改善污泥消化性能以提高厭氧消化效果仍然是今后的研究熱點和重點，并將主要從以下幾方面開展研究工作。

4.1 有機廢物與污泥協同厭氧消化技術

我國每年產生的廚余垃圾、生活垃圾數量龐大，將其單獨進行厭氧消化的效果不理想，而將廚余垃圾和生活垃圾的有機組分與污泥進行混合消化可以實現“雙贏”或“三贏”，對我國具有非常重要的現實意義。因此，有機廢物與污泥混合厭氧消化技術仍然是我國今后的主要研究方向之一。但鑒于生活垃圾有機和無機組分分類收集的實際操作性較差，建議將廚余垃圾和污泥的混合消化作為研究重點，實現在混合比例、反應條件等工藝參數上的突破，奠定其工程應用的基礎。

4.2 中溫和高溫聯合厭氧消化技術

目前，國外已開始了對中溫和高溫相結合的厭氧消化工藝的探索，并證明了中高溫聯合厭氧消化工藝具有比單獨中溫消化更高的產能。但國內外對該聯合工藝的研究均不多，尤其在我國，至今還未見這方面的報道。因此我國也應開展這方面的研究，實現高效低耗的污泥厭氧消化制沼氣的過程。

4.3 污泥預處理技術

今后應主要研究低能耗、高效率的預處理技術和相關設備，實現厭氧消化產能與預處理耗能之間的平衡，甚至盈余，提高各種預處理技術的經濟可用性。

4.4 高含固率厭氧消化技術

目前，高含固率有機垃圾的厭氧消化已在歐美、日本等發達國家得了廣泛應用，而在我國針對高含固率有機廢物厭氧消化的研究主要集中在農村戶用沼氣池方面。應大力開展高含固率污泥厭氧消化技術與配套設備的研究工作，解決含固量污泥厭氧消化過程中的菌種活性易受抑制、揮發性脂肪酸積累、堵塞等難題。

此外，針對我國目前厭氧項目運行不良的現實情況，還應加強對工程工藝設計的優化和設備的改良，避免或減少因工藝和設備原因導致的運行不良。

[1]曹秀芹，陳愛寧，甘一萍，等.污泥厭氧消化技術的研究與進展[J].環境工程，2008（26卷增刊）： 215-223.

[2]Salemo M B， Park W， Zuo Y， et al.Inhibition of biohydrogen production by ammonia[J].Water Research，2006，40：1167-1172.

[3]Lay J J. Li Y Y， Noike T.Influence of pH and ammonia concentration on the methane production in high-solids digestion processes[J].Water Enviroment Research，1998，70（5）：1075-1082.

[4]Sosnowski P，Wieczorek A，Ledakowicz S.Anaerobic codigestion of sewage sludge and organic fraction of municipal solid wastes[J].Advances in Enviroment Research.2003，7：609-616.

[5]Komatsu T，Kudo K，Inoue Y，et al.Anaerobic codigestion of sewage sludge and rice straw. IWA proceeding of specialists conference wastewater biosolids sustainability，Canada，2007.

[6]李磊.污水廠污泥與廚余垃圾厭氧/混合厭氧消化研究進展[J]，四川環境，2011，30（2）： 93-96.

[7]付勝濤，嚴曉菊，付英.污水廠污泥和廚余垃圾的混合中溫厭氧消化[J].哈爾濱商業大學學報（自然科學版），2007，23（1）： 32-35，39.

[8]付勝濤，于水利，嚴曉菊.初沉污泥和廚余垃圾的混合中溫厭氧消化[J].給水排水，2006，32（1）： 24-28.

[9]高瑞麗，嚴群，阮文權.添加廚余垃圾對剩余污泥厭氧消化產沼氣過程的影響[J].生物加工過程，2008，6（5）： 31-35.

[10]Mavi C，Ivet F，Madh B，et al.Effects of thermal and mechanical pretreatments of secondary sludge on biogas production under thermophilic conditions[J].Chemical Engineering Journal，2007.133（1/3）：335-342.

[11]Vlyssides A G， Karlis P K.Thermal-alkaline solubilization of waste activated sludge as a pre-treatment stage for anaerobic digestion[J].Bioresource Technology， 2004，91 ： 201-206.

[12]Tiehm A，Nickel K，Nies U.Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization[J].Water Res.2001，35（8）：2003-2009.

[13]Barjenbruch M，Kopplow O.Enzymatic，Mechanical and Thermal Pretreatment of Surplus Sludge[J].Advances in Enviroment Research.2003，7：715-720.

[14]Park B，Ahn JH，KimJ，HwangS.Use of microwavepretreatment for enhanced anaerobiosis of secondary sludge[J].Water Sci.Technol，2004，50（9）： 17-23.

[15]王治軍，王偉.剩余污泥的熱水解試驗[J].中國環境科學，2005，25（B06）：56-60.

[16]喬瑋，王偉，荀銳，等.高固體污泥微波熱水解特性變化[J].環境科學，2008，29（6）： 1611-1615.

[17]戴前進，方先金，邵輝煌.城市污水處理廠污泥厭氧消化的預處理技術[J].中國沼氣，2006，25（2）： 11-14，19.

[18]何玉鳳，楊鳳林，胡紹偉，等.堿處理促進剩余污泥高溫水解的試驗研究[J].環境科學，2008，29（8）： 2260-2265.

[19]蔣建國，張妍，張群芳，等.超聲波對污泥破解及改善其厭氧消化效果的研究[J].環境科學，2008，29（10）： 2815-2819.

[20]牟艷艷，袁守軍，崔磊，等.r-射線預處理對改善污泥厭氧消化特性的影響研究[J].核技術，2005，28（10）： 751-754.

[21]谷晉川，蔣文舉，雍毅.城市污水廠污泥處理與資源化[M].北京：化學工業出版社，2008 ： 55，59.

[22]張辰，王國華，孫曉.污泥處理處置技術與工程實例[M].北京：化學工業出版社，2006：17.