城市污泥厭氧消化工藝設計與運行研究

楊俊杰

（河南省固體廢物管理中心，河南 鄭州 450004）

污泥是污水處理廠在污水處理過程中產生的，通常含有大量的病原微生物、寄生蟲卵、難降解有機物等有毒、有害物質，如不經有效處理處置，將對環境造成嚴重的危害。目前常見的污泥處置技術有填埋、焚燒、堆肥、污泥消化等［1］，不同的污泥處置技術各有其特點。目前，衛生填埋仍是我國主要的污泥處理處置方式，但80%～90%的污泥未經過穩定化、無害化處理。厭氧消化不僅能穩定化處理污泥，還能利用污泥中的生物質能，其產生的沼氣也可加以利用，能大大降低污泥處理成本，其在國外已成為主要的污泥處理處置方式［2］。本文重點研究污泥厭氧消化生物制氣技術，旨在為城市管理者和城市污水處理廠在選擇污泥處理處置技術時提供依據和參考。同時對于改進和完善污泥厭氧消化技術，促進污水處理廠污泥安全有效處置，改善環境質量具有重要意義。

1 工藝概述

本研究采用世界先進的污泥厭氧消化生物制氣處理工藝。工藝流程包括污泥稀釋前處理、厭氧發酵、沼氣凈化、沼液濃縮、沼渣干燥碳化五個部分，具體如圖1所示。

污泥的處理處置中充分利用了污泥中有機質的熱量，通過厭氧發酵處理產生大量沼氣，污泥量可以減少50%以上，實現污泥的減量［3］；通過對厭氧發酵后的沼渣進行壓縮、干化（碳化）可以作為肥料用于綠化和還田；厭氧發酵后的濃縮液中氨氮含量比較高，進行預處理后轉化為液態的氮肥，可用于農田和園林、綠化等。通過多種技術的集成，最終實現國家環保部關于污泥“減量化、穩定化、無害化、資源化”的要求。

圖1 污泥處理工藝流程圖

2 污泥厭氧消化系統設計

2.1 厭氧消化技術原理

厭氧消化系統主要是將前處理升溫調節后的污泥物料進行無害化、減量化、資源化處理。其生化處理工藝是在缺氧情況下，利用自然界固有的微生物厭氧菌（特別是甲烷菌），將有機物轉化為沼氣和沼肥的過程。

厭氧消化的作用機理有兩段論、三段論、四段論之分，三階段理論是目前得到大家公認的一種理論［4］，包括水解和發酵階段；產氫產乙酸階段：產氫產乙酸菌，將丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉化為乙酸、H2/CO2；產甲烷階段：產甲烷菌利用乙酸和 H2、CO2產生CH4［5］。

圖2 厭氧反應的階段理論

產甲烷反應是厭氧消化過程的控制階段，因此，一般來說，厭氧生物處理的影響因素主要是影響產甲烷菌的各項因素，包括溫度、pH值、氧化還原電位、營養物質、F/M比、有毒物質等。

2.2 厭氧消化處理工藝關鍵技術參數

本文所述污泥厭氧消化工藝采用完全混合厭氧反應器（CSTR），它在沼氣發酵罐內采用攪拌和加溫技術，使沼氣發酵速率大大提高。其特點是：固體濃度高，TS（8%～12%），可使污泥全部進行沼氣發酵處理；處理量大，產沼氣量多，便于管理，易啟動，運行費用低。由于這種工藝適宜處理含懸浮物高的有機物污泥，具有其他高效沼氣發酵工藝無可比擬的優點，在歐洲等沼氣工程發達地區被廣泛采用。其主要關鍵參數見表1。

表1 完全混合厭氧反應器內污泥厭氧消化工藝參數

2.3 厭氧消化關鍵設備技術參數

2.3.1 厭氧消化設備選擇

厭氧發酵技術的關鍵在于發酵罐的選擇、設計和建造。不同形狀的發酵消化池具有不同的優缺點，通過對國內外成熟技術的對比，從而選擇具有高效、低成本、安全、可靠的池型和池體。消化池的池形樣式較多，基本池形有龜甲形、傳統圓柱形、卵形和平底圓柱形。本工藝采用“平底圓柱形Lipp消化罐”作為污泥厭氧消化反應器，這是由于Lipp消化罐的投資少，建設周期短，運行維護費用低。

2.3.2 厭氧消化設備技術特點

Lipp消化罐采用產氣、貯氣一體化結構，適合有機物原料TS（8%～12%），非常安全可靠，冬季也能正常運行。其結構特點：一體化沼氣發酵裝置下部為發酵部分，罐內安裝側攪拌器，罐壁上安裝增溫管，利用發電機鍋爐余熱增溫；罐體上部為雙膜式柔性貯氣柜，用于收集、貯存和輸送沼氣，其中外膜保護并維持貯氣柜的結構，內膜收集并貯存沼氣。貯氣柜通過支撐鼓風機的充氣，調整并維持內外膜之間夾層中的空氣壓力，并將內膜內的沼氣送入輸氣管道，供發電機使用。

圖3 發酵裝置

圖4 溫度對厭氧發酵產氣率影響

厭氧消化反應過程受溫度影響很大，如圖3、4所示。本工藝厭氧處理單元設計為中溫，其最佳溫度范圍為35～38℃。為了保證厭氧反應在冬季仍可正常運行，必須對系統實施增溫和整體保溫措施。

3 沼氣處理系統設計

厭氧發酵罐剛產出的沼氣是含飽和水蒸氣的混合氣體，除含有氣體燃料CH4和CO2外，還含有H2S和懸浮的顆粒狀雜質。H2S不僅有毒，而且有很強的腐蝕性。過量的H2S和雜質會危害后續設備管道閥門的壽命，因此需進行脫硫、氣水分離等凈化處理，其中沼氣的脫硫是其主要問題。因此，污泥厭氧消化所產生的沼氣在貯存和利用之前必須經過脫水脫硫處理。沼氣經脫水、脫硫處理后，若要達到天然氣的品質要求，還需要進行脫碳處理。

3.1 H2O的脫除

不同的溫度下沼氣中飽和水蒸氣的含量不同，在35℃時水的含量接近5%，在輸入天然氣管網前沼氣中的水必須去除。針對不同的凈化工藝，在各個階段有不同的方法。在壓縮之前需除去冷凝水，這樣在洗滌去除CO2和H2S工藝中就不需要再對氣體進行干燥，在吸收凈化工藝之前也常常需要對氣體進行干燥。氣體干燥最常用的方法為冷凝法，即在熱交換系統中通過冷卻器冷卻氣體而除去冷凝水。這種方法由于是在熱交換器的表層冷卻，通常比露點低0.5～1℃，為了取得更低的露點，必須在冷凝之前先壓縮氣體，然后再釋放到需要的壓力。

3.2 H2S的脫除

不同的去除工藝有不同的去除率，應根據凈化要求選擇不同的工藝。從經濟成本、運行效果等綜合因素上考慮，本研究中H2S的去除采用生物脫硫。沼氣中的H2S可以被脫硫微生物氧化為單質S，同時利用沼氣中的CO2作為其碳源。根據沼氣中不同的H2S含量，向沼氣中通入2%～5%的空氣，以滿足脫硫微生物的需要。在大型沼氣工程中，水洗和生物脫硫常常被聯合起來用以去除H2S，將廢水或者沼氣罐中的上清液從脫硫塔的頂部通入，沼氣從底部通入，進入脫硫塔前的沼氣中通2%～5%的空氣，脫硫塔為水吸收H2S和脫硫微生物的生長提供充足的接觸面積。

3.3 CO2的脫除

沼氣中CO2的去除采用物理和化學吸收方法，即使在氣體壓力很低的情況下也能對其進行有效分離，而且工藝流程比較簡單，需要的基礎投資和成本相對較低。CO2脫除常用的吸附劑為Selexol，主要成分為二甲基聚乙烯乙二醇（DMPEG）。水和鹵化烴（主要來自填埋場沼氣）也可以用Selexol洗滌去除，使用水蒸氣或者惰性氣體吹脫Selexol進行再生。

4 污泥厭氧消化系統的調試運行

4.1 工藝設計參數

設計的污泥厭氧消化工藝參數見下表。

由表2可知，本研究設計污泥處理量為10t/d，采用中溫濕式厭氧發酵處理含水率90%的污泥，發酵溫度為33～35℃；采用單池體積為500m3LIPP厭氧罐，厭氧罐內有機負荷為1.56kgVSS/m3.d；為了實現厭氧罐內高濃度污泥的完全混合效果，采用機械與沼氣攪拌兩種攪拌方式對含固率為10%的污泥進行攪拌；采用熱水對污泥進行加熱及保溫，保證污泥的發酵溫度在33～35℃范圍內。

4.2 調試運行期間污泥泥質分析

調試運行期間污泥泥質數據見表3。

污泥進入厭氧發酵罐內進行厭氧發酵處理的過程中，主要檢測污泥的pH、氧化還原電位、脂肪酸以及堿度，由該類指標表征污泥厭氧發酵的過程及厭氧發酵的程度。由表3可知，污泥在厭氧發酵過程中pH值在7.10～7.50之間波動；厭氧發酵初期，污泥中的pH逐漸降低；到厭氧發酵后期，污泥中的pH逐漸升高。這表明，在污泥厭氧發酵初期，在產酸菌的作用下，污泥被消解生成有機酸，從而使污泥的pH降低；在厭氧發酵后期，厭氧發酵菌將污泥中的氮元素降解為氨，從而使污泥的pH呈現升高狀態。在整個厭氧發酵過程中，污泥的氧化還原電位均在-100～-200mV之間，這表明，污泥在厭氧發酵過程中均為厭氧或無氧狀態。污泥中脂肪酸含量的變化趨勢與污泥厭氧消化過程中的pH變化趨勢相似，同樣可以證明污泥厭氧發酵的初期產酸過程。

表2 污泥厭氧消化工藝參數

表3 調試運行期間污泥泥質

4.3 調試運行期間沼氣成分及天然氣

調試運行期間沼氣成分及天然氣指標見下表。

表4 調試運行期間沼氣成分分析（%）

表4為厭氧發酵過程中，不同階段沼氣中甲烷、二氧化碳以及氮氣的含量變化情況。從表4可以看出，厭氧發酵的不同階段，沼氣中甲烷氣體的含量呈現不斷升高趨勢，最后趨于穩定狀態。由表4可知，厭氧發酵過程逐漸趨于穩定，沼氣中甲烷的含量達到最大值；沼氣中的二氧化碳的含量在厭氧發酵過程中基本上在一個范圍內波動；沼氣中氮氣的含量呈現逐漸降低，最后趨勢穩定。由此可知，在厭氧發酵后期，污泥中的氮元素大部分轉化為離子態氨氮類物質，致使沼氣中的氮氣含量降低。

本工藝所產生的沼氣，經過脫水、脫硫、脫碳處理后，制備成天然氣（生物燃氣），其主要性能指標見表5。

表5 沼氣制備的生物燃氣指標

由表5可知，污泥資源化處理得到的生物質燃氣超過國家二類天然氣技術標準，可以直接并入管網或用于汽車加氣。

4.4 正常運行參數

污泥厭氧消化正常運行參數見下表。

表6 污泥厭氧消化正常運行參數

由表6可知，污泥在厭氧罐內達到穩定狀態后，其各項指標均滿足厭氧消化系統的設計要求。

5 結論

目前，各地都在積極探索污泥處置的工藝、方法，尋找適合本地區的污泥處置方案。本研究通過中溫厭氧發酵技術對污泥進行處理，通過專性厭氧菌控制技術，降解污泥中的有機物，生成甲烷氣體；通過沼氣提純技術制備天然氣，提供潔凈能源。該技術及工藝為污泥的清潔生產工藝，在整個工藝流程中，實現資源化，達到零排放，無二次污染。

［1］馬士禹，唐建國.陳邦林.歐盟的污泥處置和利用［J］.中國給水排水，2006，22（4）：102-105.

［2］Kelessidis A，Stasinakis A S.Comparative study of the methods used for treatment and final disposal of sewage sludge in European countries［J］.Waste Manag，2012，32（6）：1186-1195.

［3］張少輝，華玉妹.污泥厭氧消化的強化處理技術［J］.環境保護科學，2004（5）：13-15，27.

［4］陳堅.環境生物技術［M］.北京：中國輕工業出版社，1999.

［5］張自杰，等.排水工程（下冊）第四版［M］.北京：中國建筑工業出版社，2002.