污泥厌氧消化技术发展应用现状及趋势

李 琳

（北京机电院高技术股份有限公司，北京 100027）

污泥是污水经过物理法、化学法、物理化学法和生物法等方法处理后的副产物，是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体，悬浮物浓度一般为1%～10%，并呈介于液体和固体两种形态之间的胶体状态。随着各国污水产生和处理量的快速增长，污泥的产生量也随之大幅增加，其对环境造成的污染已引起全球的共同关注，污泥的处理处置也成为当今重要的研究课题之一。

目前世界污泥处理处置的主流技术有厌氧消化、好氧堆肥、干化焚烧、土地利用等，在这些技术中，厌氧消化以其显著的污泥稳定化、能源化效果得到了国内外的青睐。

1 污泥厌氧消化技术

污泥厌氧消化是利用兼性菌和厌氧菌进行厌氧生化反应，分解污泥中有机物质，使之达到减量化和稳定化，同时产生沼气的一种污泥处理工艺。沼气回收后可以用于燃烧发电或供热，也可以将沼气加工成工业原料；消化后的污泥经脱水和无害化处理后，可制成有机肥或作为水泥厂、燃煤电厂的辅助燃料。

目前国际公认的对厌氧消化原理和反应过程阐述较为全面的是三阶段论，由Bryant等人于1979年根据微生物种群的生理分类特点而提出。他们认为，厌氧消化依次分为水解及酸化阶段、乙酸化阶段和甲烷化阶段，各阶段之间既相互联系又相互影响，并具有独特的微生物群体。水解酸化阶段：参与该阶段的微生物包括细菌、原生动物和真菌，大多数为绝对厌氧菌，此外还有兼性厌氧菌，污泥中的碳水化合物、蛋白质、脂肪、纤维素等非水溶性高分子有机物在微生物水解酶的作用下水解成溶解性物质，再转化成乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸和乙醇、二氧化碳。乙酸化阶段：该阶段的微生物主要为产氢产乙酸菌以及同型乙酸菌，将水解酸化产物转变为乙酸。甲烷化阶段：甲烷菌是该阶段的主要细菌，属于绝对厌氧菌。甲烷菌分为两组，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组是对乙酸脱羧产生甲烷。

按消化反应温度，污泥厌氧消化分为中温消化和高温消化，反应温度分别是30℃～35℃和50℃～55℃。相比之下，高温消化比中温消化反应速度快、有机负荷高、产气率高、消化池体积小、有机物降解更彻底、病原菌杀灭率更高，但能耗相对较高，投入大，控制困难[1]。因此，温度是影响厌氧消化的重要因素之一。此外，厌氧消化的影响因素还有生物固体停留时间（污泥龄）与负荷、营养物质、C/N比、有毒物质、pH值和消化液的缓冲作用等。

2 污泥厌氧消化技术研究进展

总体来看，目前国内外的有关研究主要集中在如何改善污泥的厌氧消化性能，以提高反应效率、污染物去除率和沼气产生率，其中对有机废物与污泥混合处理以及以预处理技术方面的研究最多。

有机废物与污泥混合厌氧消化技术。厌氧消化的最佳C/N比是10～20，而污水处理厂污泥的C/N比较低，一般仅为4.60～5.04，在其单独厌氧消化时，含N物质溶出较快，致使NH3-N浓度过高，不利于维持体系营养配比的平衡和分解反应的进行[1-4]。为了解决这一问题，国内外对厨余垃圾、秸秆等高C/N比有机废物与污泥的混合消化开展了较多的研究。日本的Komatsu等[5]研究了将稻杆与污泥以1 ∶ 0.5的比例混合时，对中温和高温厌氧消化效果的影响。实验证明，污泥中加入稻杆后，中温和高温厌氧消化的甲烷产量分别增加了66%～82%和37%～63%，厌氧消化后污泥的脱水性能也得以改善，可使消化后的污泥脱水至更低的含水率，进而缩减污泥体积。Sosnowki等将污水处理厂污泥和城市有机垃圾以3∶1的比例混合，沼气产量增至污泥单独厌氧消化时的2倍[4]。

在国内，同济大学的李磊，哈尔滨工业大学的付胜涛、严晓菊和于水利，江南大学的高瑞丽、严群等[6-9]研究人员，也分别对污泥和厨余垃圾的混合厌氧消化开展了实验研究，分析了添加厨余垃圾对污泥厌氧消化过程及沼气产量的影响。结果表明，添加厨余垃圾后，污泥厌氧消化性能和沼气产量均得到了不同程度的提高。总体而言，国内外对有机废物与污泥混合消化的已有研究主要集中在污泥与市政固体废弃物中有机组分的混合消化，以及温度、混合比例等工艺参数对反应的影响方面，而在污泥与厨余垃圾混合厌氧消化方面的报道仍不多[9]。

为了改善污泥厌氧消化性能，对污泥预处理技术的研究必不可少。目前，污泥预处理技术主要包括热处理、加碱预处理、超声波预处理、生物酶处理、微波预处理法、高压喷射、臭氧氧化法、冷冻法、Fenton试剂氧化预处理等。国外在这方面进行了较多的研究，比如，Mavi等对热处理，Vlyssides等对加碱预处理，Tiehm等对超声波预处理，Barjenbruch等对生物酶预处理，Park等对微波预处理法均分别进行了实验研究，并验证了这些方法在改善污泥厌氧消化性能方面的作用[10-14]。在我国，清华大学的王治军、王伟、乔玮和蒋建国，北京师范大学的周刚，北京市政工程设计研究院的戴前进，大连理工大学的何玉凤、南京大学的牟艳艳、华北电力大学的崔磊等专家也分别开展了污泥特性改善方法的课题研究，并取得了一定的研究成果[15-20]。总的来说，国内外对热处理、加碱预处理和超声波预处理开展的研究较多，对其它方法的报道较少，但无论在国内还是国外，这些预处理方法大多数还停留在实验室阶段。

3 污泥厌氧消化技术应用现状

3.1 国外

厌氧消化技术以其出色的污泥减量化、无害化与资源化效果，得到了主张污泥回收再利用的欧美等发达国家的关注，并成为欧美等发达国家污泥处理处置的主流技术之一。通过大量研究，这些国家目前已在工艺、药剂等方面取得较大突破。尤其是欧盟，对厌氧消化技术最为推崇，是使用的污泥消化设施最多的地区之一，69%污水处理厂建有污泥消化和沼气利用设施，厌氧消化也成为其最常见的处理方式（见表1）。此外，由于全球能源价格的飙升、气候变暖等因素，日本对以焚烧为主的污泥处理处置技术路线进行了战略调整，将包括厌氧消化在内的污泥生物质利用和能源化利用技术作为研究重点。

表1 欧盟各国采用的污泥处理方法[21]

国外还出现了很多实力突出的环保企业及相关设备生产企业，其中有代表性的主要有法国的威立雅环境集团（VEOLIA）和得利满公司（DEGREMONT）、德国的斯特林（STERLING）公司和洛蒂格（ROEDIGER）公司、瑞典普拉克公司（PURAC）、美国贝克（BAKER）公司等。污泥厌氧消化项目也在世界各地纷纷涌现，如美国都柏林圣达蒙污水处理厂污泥处理工程，荷兰斯鲁斯耶第克污泥处理厂，以及英国的安格利安水务Cotton Valley污泥处理中心和泰晤士水务Chertsey污泥处理中心等。

3.2 国内

相对于发达国家，我国污泥厌氧消化技术及设备的研发较为滞后。迄今为止，国内对于污泥厌氧消化技术的研究尚未取得突破性进展，在甲烷生产效率提高、厌氧反应条件优化及污泥浓度控制等方面仍存在难度。厌氧消化专业设备的国产化率较低，国内厌氧消化关键技术和设备仍主要依靠进口，天津、青岛、烟台、海口、永州、杭州等多地污水处理厂污泥厌氧消化所采用的搅拌设备均来自国外。

国内污泥厌氧消化技术的应用情况也不乐观，据资料统计[22]，国内污泥中仅有38.04%采用了厌氧消化的稳定方法，在全国目前2600多座污泥处理厂中，约有60座采用了厌氧消化工艺，但正在运行的仅有10～30座，运转良好的厌氧消化工程就更加少。我国多采用中温厌氧消化，这主要是受我国经济条件和高温消化的高能耗限制[1]。在国内，还建成了若干污泥厌氧消化项目，较有代表性的项目如表2所示。

表2 国内典型污泥厌氧消化项目列表

4 发展趋势及建议

我国人口众多，资源和能源相对短缺，采用厌氧消化技术将污泥资源化和能源化的做法符合我国国情。国家还陆续出台了一系列的政策法规来鼓励该技术的研究和应用，并在《废物资源化科技工程“十二五”专项规划》中，将污水处理厂污泥厌氧消化技术列为“十二五”重点研究并大力推广的污泥处理处置与资源化关键技术。可见，厌氧消化发展具有巨大的市场潜力和有利的政策环境，将成为引领污泥行业方向的污泥处理处置技术之一。如何改善污泥消化性能以提高厌氧消化效果仍然是今后的研究热点和重点，并将主要从以下几方面开展研究工作。

4.1 有机废物与污泥协同厌氧消化技术

我国每年产生的厨余垃圾、生活垃圾数量庞大，将其单独进行厌氧消化的效果不理想，而将厨余垃圾和生活垃圾的有机组分与污泥进行混合消化可以实现“双赢”或“三赢”，对我国具有非常重要的现实意义。因此，有机废物与污泥混合厌氧消化技术仍然是我国今后的主要研究方向之一。但鉴于生活垃圾有机和无机组分分类收集的实际操作性较差，建议将厨余垃圾和污泥的混合消化作为研究重点，实现在混合比例、反应条件等工艺参数上的突破，奠定其工程应用的基础。

4.2 中温和高温联合厌氧消化技术

目前，国外已开始了对中温和高温相结合的厌氧消化工艺的探索，并证明了中高温联合厌氧消化工艺具有比单独中温消化更高的产能。但国内外对该联合工艺的研究均不多，尤其在我国，至今还未见这方面的报道。因此我国也应开展这方面的研究，实现高效低耗的污泥厌氧消化制沼气的过程。

4.3 污泥预处理技术

今后应主要研究低能耗、高效率的预处理技术和相关设备，实现厌氧消化产能与预处理耗能之间的平衡，甚至盈余，提高各种预处理技术的经济可用性。

4.4 高含固率厌氧消化技术

目前，高含固率有机垃圾的厌氧消化已在欧美、日本等发达国家得了广泛应用，而在我国针对高含固率有机废物厌氧消化的研究主要集中在农村户用沼气池方面。应大力开展高含固率污泥厌氧消化技术与配套设备的研究工作，解决含固量污泥厌氧消化过程中的菌种活性易受抑制、挥发性脂肪酸积累、堵塞等难题。

此外，针对我国目前厌氧项目运行不良的现实情况，还应加强对工程工艺设计的优化和设备的改良，避免或减少因工艺和设备原因导致的运行不良。

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