污泥厭氧消化處理技術分析

查湘義

[摘要]厭氧消化是污泥穩定化、無害化、資源化的主要方式之一，是污泥處理與處置的發展趨勢。本文對污泥厭氧消化技術的原理、影響因素以應用現狀進行了分析，提出污泥厭氧消化的合理化建議。

[關鍵詞]剩余污泥；水熱預處理；國內外研究現狀；建議

污泥是由多種微生物形成的菌膠團的集合體，含有大量極易腐敗的有機物，因此如何減少污泥污染并且有效利用這類生物質能源對實現環境和經濟的可持續發展具有重要意義。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、石灰穩定、深度脫水等，而厭氧消化相較于其他處理工藝可以實現污泥的減量化和穩定化，具有能耗低、消化后穩定度高的優點，并且污泥厭氧消化產生生物燃氣甲烷，實現了污泥的資源化。但是污泥厭氧消化的投資高、處理技術較復雜、啟動和處理的時間長，特別是我國北方地區由于溫度低，對污泥厭氧消化系統的運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。因此如何充分發揮污泥厭氧消化的優勢，解決污泥厭氧消化的問題，提高污泥消化速率，走污泥的資源化利用之路，具有重大研究價值。

一、污泥厭氧消化的原理

厭氧消化是指利用厭氧菌對污泥進行發酵，在微生物的作用下使污泥中的有機物得到降解并逐步到達穩定，并在此過程中不斷產生生物燃料甲烷的一種方法。目前厭氧消化較為公認模式為三階段理論，第一階段為水解發酵階段，第二階段為產氫產乙酸階段，第三階段為產甲烷階段。在第一階段，污泥中的一些結構復雜的有機物被分解成簡單的有機物，如一些脂類的物質會被轉化成脂肪酸和甘油，一些蛋白質分子會被轉化成氨基酸，一些纖維素類物質也會被水解成糖類等，然后產酸菌會通過厭氧發酵和氧化等過程把這些簡單的有機物進一步的轉化成醇類和脂肪酸類如甲酸、乙酸、丙酸等；在第二階段，產氫產乙酸菌會把水解階段產生的中間產物，如醇類和丙酸、丁酸等脂肪酸類簡單有機物（甲烷、甲醇、乙酸除外）轉化乙酸和氫并且會有二氧化碳放出；在第三階段，產甲烷菌會將前兩個階段產生的乙酸、氫氣及二氧化碳等小分子物質轉化為甲烷。

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。溫度是厭氧發酵過程主要影響因素，適宜的溫度能使污泥中有機物充分分解，增加產氣量。當溫度范圍在10～30℃時為低溫消化；溫度范圍在30～35℃時為中溫消化；溫度范圍在50-55℃時為高溫消化。目前的消化系統溫度一般在35℃左右，屬于中溫消解，在此溫度下，有機物的反應速率較快，產氣量比較多，產生的浮渣量比較少，且反應后污泥混合液固液容易分離。

（2）污泥底物營養組成。污泥底物營養主要表現在C/N比值，厭氧細菌所需要的營養物質是由投配污泥提供的，是衡量營養配比的最重要的指標，C/N太高，細菌所需要的氮含量不足，消化液的緩沖能力就會降低，pH值就會下降；C/N太低，氮量含過多，pH值就會升高，從而抑制消化過程。

（3）pH值。水解過程與發酵菌及產氫產乙酸菌對pH值的適應范圍大致為5～6.5，而對產甲烷菌的pH值的適應范圍為6.6-7.5。如果超出厭氧微生物生長繁殖適宜的pH值范圍，大多數微生物都不能存活。

其他影響因素，如攪拌，其目的是使消化池內的新舊污泥混合均勻，同時避免污泥結殼，加快消化池中消化氣的釋放。污泥齡與投配率則表現在污泥在消化池內的停留時間，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、污泥厭氧消化國內應用現狀

（1）青島麥島污水處理廠污泥處理項目。該項目處理水量為24萬m³/d，為生活污水處理項目。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，攪拌方式為機械攪拌，污泥停留時間20d，消化溫度35℃±1℃，沼氣日產量14924m³/d，產生的沼氣12%用于沼氣鍋爐，85%用于發電，通過4臺500kW沼氣發電機發電，能滿足廠內68%的用電量，發電過程中產生的熱水為消化池及廠房供熱，實現了熱電聯供，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目。該項目處理水量為24萬m³/d，生活污水所占比例為80%。進泥含水率96%，進泥量1500 m³/d，采用圓柱形消化池，一級3座，二級1座，直徑28.8m，高度20.2m，單池有效容積1萬m³，污泥停留時間21d，攪拌方式采用沼氣攪拌，消化溫度35℃±1℃，沼氣日產量2萬m³左右，產生的沼氣20%用于沼氣鍋爐，60%用作城市燃氣，20%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，從而實現一定的經濟效益。

（3）大連夏家河污泥處理廠污泥厭氧消化處理項目。該項目為生活污水處理項目，進泥含水率90%，進泥量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，污泥停留時間22d，污泥投配率4%～5%，消化溫度35℃±1℃，攪拌方式為機械攪拌，沼氣日產量1.7萬～1.8萬m³，產生的沼氣30%用于沼氣鍋爐，70%用作城市燃氣。該項目利用沼氣并網可實現4萬元/d（以3.5元/m³沼氣計）的經濟效益，全年可實現收益約1400萬元。沼渣脫水后含水率降至70%左右，送至垃圾填埋場晾曬填埋。

（4）上海白龍港污水處理廠污泥厭氧消化處理項目。污泥厭氧消化系統共有8座單體容積為12400m³的消化池，進泥流量為4080m³/d，日產沼氣為44512m³/d，控制消化池溫度為35-36℃。沼氣儲存系統為4座單體為5000m³的氣囊式儲存柜，厭氧消化系統所產生的沼氣優先保證其自身加熱需求，富余沼氣作為污泥干化系統能源。系統運行后，存在浮渣及泡沫、鳥糞石結晶、砂粒積累等問題。由于厭氧消化會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垢。在實際運行中已發現較為嚴重的鳥糞石結垢問題，鳥糞石完全堵塞了消化排泥管路，并且此問題已延伸至消化池之后的脫水上清液管道。同時，泡沫也是目前消化池存在的主要問題之一。不同于浮渣，泡沫質量較輕，會夾雜浮渣及污泥顆粒，隨沼氣進入沼氣處理設施后易造成設施不通暢，嚴重時會導致消化池破封等問題。

四、存在問題及解決方向

（一）泥質方面

污泥泥質直接影響厭氧消化過程的產氣率指標，從而影響系統能耗和運行成本，這也是我國大部分厭氧消化池停運的主要原因之一。大多數污水廠沒有對污水水質以及泥質進行詳細調研，厭氧消化工程的建設帶有盲目性，很多投資巨大的消化系統甚至從開始便無法正常運行。因而應對污水廠進水水質和泥質進行全面系統的考察是非常必要的。如前面說述，污泥底物營養主要表現在碳氮比值，而一般污水廠剩余污泥中碳氮比僅為4-5，無法達到厭氧消化反應所需的理想碳氮比。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廢物來提高生物污泥的厭氧消化性質。

（二）運行管理方面

污泥厭氧消化處理系統投資很高，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雜，運行難度大。一般污泥厭氧消化系統啟動期長達數月，設備磨合期長，關鍵設備容易出現故障，有的為國外進口設備，零部件的維修和更換不方便。因此，應實現厭氧消化關鍵設備國產化，降低維修費用，加強對技術工人專業知識培訓，使其熟練掌握系統自動化的運行管理。

（三）運行費用方面

消化系統沼氣產量不穩定時，常常導致沼氣收益不足以抵消其運行費用，從而造成污泥消化設施被首先閑置。目前，我國處于污水處理設施運營由政府負擔向市場經濟機制過渡的階段，應通過政策導向，提高污水處理費、財政補貼或減免稅收等方式落實污泥處理處置費用，使污泥處理進入良性循環。

（四）厭氧消化新技術方面

主要是從改善工藝條件、采取預處理強化措施以及提高產能效果等方面進行深入研究，比如采用超聲波預處理、高溫預處理法、臭氧預處理、加堿預處理和生物酶預處理等方法。超聲波預處理的原理是當一定強度的超聲波作用于污泥時產生空化現象，空化現象產生的氣泡瞬間破裂并伴隨高溫、高壓和較強的剪切力，從而破壞污泥絮體結構并釋放大量污泥有機物質，易于污泥后續的水解并提高污泥厭氧消化的效果。