污泥厌氧消化技术现状及应注意的问题

王 涛，王鑫洁

（1.机械科学研究总院环保技术与装备研究所，北京 100044；2.机科发展科技股份有限公司，北京 100044；3.吉林大学管理学院，长春 130012）

1 厌氧消化技术概述

1.1 技术来源

厌氧消化是利用兼氧菌和厌氧菌进行厌氧生化反应，分解污泥中有机质的一种污泥处理工艺。

1881年法国Mouras研发的净化器是污水（污泥）厌氧生物处理的雏形；1905年，德国的Imhoff池的出现，第一次将泥水分离进行厌氧处理；1927年，首次在厌氧消化池中加上了加热装置，使产气速率显著提高；随后，又增加了机械搅拌器，反应速率进一步提高；20世纪50年代初又出现了利用沼气循环的搅拌装置。多种形式的厌氧消化池逐渐发展形成了现代污泥厌氧消化技术的核心工艺体系。

1.2 技术原理

厌氧消化的作用机理有两段论、三段论、四段论之分，两段论可以分为产酸阶段和产甲烷阶段，其中产酸阶段又可细分为水解酸化阶段、酸性衰退阶段。

水解酸化阶段（酸性发酵）：污水中不溶性大分子有机物，如多糖、淀粉、纤维素等水解，主要产物为甲、乙、丙、丁酸、乳酸；紧接着氨基酸、蛋白质、脂肪水解生成氨和胺、多肽等。

产甲烷阶段（碱性发酵）：产甲烷细菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等基质通过不同途径转化为甲烷，其中最主要的基质为乙酸。

全部反应可以概括为：

1.3 厌氧消化池分类

厌氧消化池从构造上一般分为池顶、池体和池底三部分：池顶主要起到收集沼气的作用；池体主要起到容纳作用；池底一般主要起到排泥的作用。

按照消化池形状可分为：圆柱形、椭圆形（卵形）和龟甲形等。

按照池顶结构形式可分为：固定盖式和移动盖式。

按照搅拌形式可分为：机械搅拌和沼气搅拌两种形式；机械搅拌又分为泵搅拌、桨叶搅拌、水射器搅拌等；沼气搅拌又可分为气提式搅拌、竖管式搅拌和气体扩散式搅拌等。

1.4 国内应用情况

2000年，建设部、国家环保总局、科技部联合发布的《城市污水处理及污染防治技术政策》规定：“处理能力达10万m3/d的污水处理二级设施产生的污泥，宜采取厌氧消化工艺进行处理”。截至2011年，国内已建成市政污水处理厂3078座，其中配套建设厌氧消化系统的50余座，这其中稳定正常运行的不超过10座。2010年、2011年污泥处理处置十大推荐案例中共列入6个厌氧消化项目，其中还包括当时“尚未进行24小时连续运行和冬季运行”的上海市白龙岗污水处理厂污泥处理工程。

依据中国水网2010年、2011年度污泥处理处置推荐案例评选资料及部分国内公开发表文献资料摘录列举国内正常运行的主要厌氧消化工程实例情况有：

（1）大连东泰夏家河污泥处理厂

夏家河项目占地2.47公顷，日处理市政污泥600t。采用LIIP消化罐12个（圆柱形平底形式），直径16m，高度15m，有效高度11.2m，单池有效容积2230m3，污泥停留时间22～25d，进泥含固率10%，污泥投配率4%～5%，消化温度37℃，沼气日产量3万～3.2万m3，池容产气率1.12～1.20m3/m3，经提纯处理后CH4日产量16,500m3供应市政燃气。电耗1.5万～1.8万kW·h/d（搅拌强度19.5W/m3）。沼渣脱水后含水率降至70%左右，送至垃圾填埋场晾晒填埋；沼液排至夏家河污水处理厂处理排放。

项目工程总投资14,913万元，运行成本130～150元/t。2007年开工建设，2009年4月正式运行。

（2）青岛麦岛污水处理厂污泥处理项目

麦岛项目为青岛麦岛14万m3/d污水处理厂扩建工程配套子项目，污水处理厂占地3.9公顷，污泥系统处理规模48tDS/d（相当于含水率80%脱水污泥240t/d）。采用圆柱形消化池2座，直径29.3m，高度25.7m，有效高度18m，单池有效容积12,700m3，污泥停留时间20d，进泥含固率3.8%～4%，污泥投配率5%，消化温度35℃±2℃，沼气日产量14,400～15,000m3，池容产气率0.59m3/m3，产品首先用于4台500kVA沼气发电机能源，剩余的沼气通过火炬燃烧。搅拌强度0.9W/m3。沼渣脱水后含水率降至78%以下，送至垃圾填埋场或堆肥处理；沼液由污水处理厂处理排放。项目于2008年6月正式运行。

（3）北京小红门污水处理厂污泥处理项目

小红门项目为北京小红门60万m3/d污水处理厂工程配套子项目，污泥系统处理规模132.5tDS/d（相当于含水率80%脱水污泥662.5t/d）。采用卵形消化池5座，单池有效容积12,300m3，污泥停留时间20d，进泥含固率3.2%，污泥投配率5%，消化温度35℃，沼气日产量3万m3，池容产气率0.49m3/m3，产品用于沼气拖动鼓风机。搅拌强度3W/m3。沼渣脱水后含水率降至83%左右，送至石灰干化车间干化外运填埋；沼液由污水处理厂处理排放。

项目工程总投资20,000万元，运行费用1464万元/a。2008年11月竣工正式投入运行。

（4）上海白龙岗污水处理厂污泥处理项目

白龙岗项目为上海白龙岗污水处理厂200万m3/d污水处理厂升级改造工程配套子项目，污泥系统处理规模204tDS/d（相当于含水率80%脱水污泥1020t/d）。采用卵形消化池8座，池体最大直径25m，垂直高度44m（地上32m，地下12m），单池有效容积12,400m3，设计污泥停留时间24.3d，进泥含固率5%，污泥投配率4.1%，消化温度33℃～35℃，沼气日产量44,512m3，池容产气率0.45m3/m3，产品用于消化池加热保温和后续污泥干化。搅拌强度4.7W/m3。沼渣脱水后含水率降至75%左右，送至流化床干化工序处理至含固率70%外运；沼液由污水处理厂处理排放。

项目工程总投资63,000万元，运行成本约120元/t脱水污泥。2010年10月建成，2011年4月12日进入调试运行。

（5）新疆乌鲁木齐河东污水处理厂污泥消化及热电联产项目

新疆乌鲁木齐河东污水处理厂污泥消化及热电联产项目为新疆乌鲁木齐河东污水处理厂原污泥厌氧消化系统维修改造项目。污泥系统处理规模79tDS/d（相当于含水率80%脱水污泥395t/d）。采用圆柱形消化池4座，直径20m，高度30.2m，期中柱体高度20m，单池有效容积7164m3，污泥停留时间16d，进泥含固率4%，消化温度35℃，沼气日产量41,225m3。产品首先用于沼气发电机能源，剩余的沼气通过火炬燃烧。电耗6万kW·h/d（搅拌强度0.94W/m3）。沼渣脱水后含水率降至78%左右，送至垃圾填埋场或堆肥处理；沼液由污水处理厂处理排放（注：按照0.85Nm3/kgVSS产气率估算，上述污泥系统处理规模与沼气日产量对应100%的有机质含量和60%的降解率，显然有失实）。

项目在2006年由于设备问题停用，2009年经改造后恢复运行使用，2010年底开始4座消化池正常运行。

（6）郑州王新庄污水处理厂污泥厌氧消化及沼气利用项目

郑州王新庄污水处理厂污泥厌氧消化及沼气利用项目为郑州王新庄污水处理厂工程配套子项目，污泥系统处理规模相当于含水率80%脱水污泥330t/d。采用圆柱形消化池，一级3座，二级1座，直径28.8m，高度20.2m，期中柱体高度14.5m，单池有效容积1万m3，污泥总停留时间24d，进泥含固率5%，污泥投配率5%，消化温度35℃±1℃，沼气日产量2万m3左右，池容产气率0.5m3/m3，经提纯处理后CH4日产量1万m3供应市政燃气。沼渣脱水后含水率降至78%左右，送至垃圾填埋场或堆肥处理；沼液由污水处理厂处理排放。

项目于2001年正式运行，根据2006年3月14日-3月23日的运行数据记录（平均值）：生污泥量1205m3/d，进泥含水率94.89%，沼气产量17,625m3/d，基本达到设计指标。

以上厌氧消化典型案例的主要技术参数对比见表1。

表1 厌氧消化典型案例主要技术参数对比

2 处理过程应注意的问题

2.1 泥质

我国城镇污水处理厂的水质与发达国家存在差异，在污水处理工艺选择和优化方面已经积累了丰富的经验，在污泥处理处置方面同样可以借鉴污水处理的经验，在充分分析掌握我国泥质特点的前提下，引入国外成熟技术时，应在本土化改良后谨慎适度推广，否则将只能是事倍功半，甚至是做无用功。

2.1.1 有机质含量

我国城镇污水处理厂污泥有机质含量呈现地域和季节不均匀特点，总体水平较发达国家明显偏低。我国2001年抽样调查数据较美国2000年的统计数据低28%，这主要是由于我国的市政污水进水浓度偏低造成的；2009年我国的抽样调查数据较美国2000年的低46%，这主要是由于国内新建了大量中小型污水处理厂，较大中城市的污水处理厂的进水浓度更低。表2反映了上述情况。

表2 城市污水处理厂进水有机质含量统计对比 （单位：g/kg）

在SRT = 20d的情况下，如果按照50%的有机物降解率和0.85Nm3/kgVSS的产气率估算，本文1.4节所列举的项目有机质含量平均应达到55%以上，方可实现设计产气率目标；按照45%的有机物降解率和0.8Nm3/kgVSS的产气率估算，本文1.4节所列举的项目有机质含量平均应达到65%以上，方可实现设计产气率目标。而如果按照40%的有机物降解率和0.7Nm3/kgVSS的产气率估算，则这一指标必须达到83%以上方可实现设计产气率目标。

因此，有机质含量低将直接影响厌氧消化过程的产气率指标，从而影响系统能耗和运行成本，这也是我国大部分厌氧消化池停运的主要原因之一。保守粗略估计，有机质含量低于60%的污泥很难在日后的运行过程中实现设计的经济指标。

2.1.2 含砂量

污泥中的有机质成分偏低对应着无机成分偏高，从侧面反映出污水处理厂进水含砂量偏高。究其原因主要有：雨污分流系统不完善、污水管道受损、人为因素等。

根据设计规范：城市污水的含砂量可按10万m3污水沉砂30m3计算（注：合流制污水的含砂量应根据实际情况确定），但有些污水处理厂的进水口水样检测高于上述值，甚至是设计含砂量的2～3倍。

目前污水处理厂所采用的沉砂系统主要用于去除污水中粒径大于0.2mm、密度大于2.65t/m3的砂粒，以保护管道、阀门等设施免受磨损和阻塞。因此即使在除砂系统正常工作的前提下，部分砂粒也会随污泥进入到污水生化反应系统和污泥处理系统中。在污泥处理系统中，由于砂粒具有流动性差、易沉积的特点，会引起污泥管道堵塞、消化池底部积砂，从而影响消化池的正常运行和沼气产量，并且磨损设备尤其是机械式搅拌器。

解决消化池沉砂的办法有：1）加大搅拌动力和延长搅拌时间，避免砂沉降并使之随污泥排出池外；2）定期清理消化池。但前者意味着运行成本的提高和设备磨损的加快，后者意味着无法连续运行并可能需要清空消化池。此外优化改善污水处理中沉砂系统的去除效果也不失为有效的办法。

2.1.3 营养与碳氮比

消化池的营养由投配污泥供给，营养配比中最重要的是C/N比。C/N比太高，细菌氮量不足，消化液缓冲能力降低，pH值容易下降；C/N比太低，含氮量过多，pH值可能上升到8.0以上，脂肪酸的铵盐发生积累，使有机物分解受到抑制。

据研究，对于污泥消化处理来说， C/N比以10～20较合适，因此，初沉污泥的消化效果较好，剩余污泥C/N比为5～10，不宜单独进行消化处理。近期建设的污水处理厂大多都省略了初沉系统，因此应关注C/N比值对于厌氧消化系统稳定运行的不利影响。

2.2 池形的选择

目前在国内有应用案例的，按照形状可分为如下两类：

2.2.1 圆柱形消化池

圆柱形消化池的形状是圆柱状中部、圆锥形底部和顶部。这种池形的优点是设计简便，易选择搅拌系统。但其底部面积较大，易造成粗砂的堆积，因此需要定期进行停池清理。更重要的是在形状变化的部分存在尖角，应力很容易聚集在这些区域，使结构处理较困难。底部和顶部的圆锥部分，在土建施工浇铸时混凝土难密实，易产生渗漏。在传统圆柱形消化池基础上，近些年发展出平底圆柱形消化池，是一种土建成本较低的池形，它要求池形与装备和功能之间要有更好的相互协调性。

2.2.2 卵形消化池

德国在1956年就开始采用卵形消化池，目前应用较普遍。其优点主要有：1）其池形能促进混合搅拌的均匀，单位面积内可获得较多的微生物，用较小的能量即可达到良好的混合效果；2）可有效消除粗砂和浮渣的堆积，池内一般不产生死角，可保证生产的稳定性和连续性；3）表面积小，耗热量较低，很容易保持系统温度；4） 生化效果好，分解率高；5）上部面积少，不易产生浮渣，即使生成也易去除；6）消化池的壳体形状使池体结构受力分部均匀，结构设计具有很大优势，可以做到消化池单池池容的大型化。

卵形消化池的缺点是土建施工费用比传统消化池高，因此对大体积消化池采用卵形池更能体显其优点。

卵形消化池与圆柱形消化池的定性比较见表3。

消化池是实现厌氧消化工艺目的的核心构筑物，但仅起到“工具”和“手段”的作用，并非项目成败的“关键”。结合项目规模和现场实际情况，选择适宜的池型即可。

2.3 温度与无害化程度

厌氧消化代谢温度在35℃～38℃和50℃～65℃存在两个反应高峰，因此厌氧发酵常控制在这两个温度区间内，以获得尽可能高的降解速度和产气率。相应，厌氧消化被分为高温消化（55℃左右）和中温消化（35℃左右）。 实际上，在10℃～60℃的范围内，产甲烷菌并没有特定的温度限制，然而在一定温度范围内被驯化以后，小幅度温度升降即可严重影响消化进程；研究表明：在污泥厌氧消化过程中，温度发生±3℃变化时，就会抑制污泥消化速度；温度发生±5℃变化时，就会突然停止产气，使有机酸发生大量积累而破坏厌氧消化；尤其是高温消化，对温度变化更为敏感。因此，在厌氧消化操作运行过程中，应尽量保持温度不变。厌氧的消化温度和时间关系曲线见下图。

厌氧消化温度-时间关系曲线图

表3 消化池形状的定性比较

高温消化的反应速率为中温消化的1.5～1.9倍，产气率也较高，消化时间短，可取得较好的卫生效果，消化后污泥的脱水性能也较好。但由于高温消化加热污泥所消耗的热量大、能耗高，运行管理要求严格，国内外现多采用中温厌氧消化形式。但中温厌氧消化在无害化方面存在以下问题：

（1）主要细菌、病毒、寄生虫卵致死温度均在50℃以上（见表4），因此中温消化温度无法实现无害化处理过程。

表4 主要细菌、病毒、寄生虫卵的灭活温度

（2）厌氧消化确实能较大程度杀灭细菌和寄生虫卵，但杀菌机理目前尚不完全清楚，且无害化处理的可靠性尚存在质疑。谢秀兰关于中温（37℃）沼气发酵对4种细菌杀灭效果的研究表明：沼气发酵对不同的病原菌杀灭效果不一致，其中伤寒沙门氏菌10d方能完全杀灭，福氏志贺菌30d仍不能完全杀灭。

（3）厌氧消化池运行模式决定，新投配污泥有可能在没有满足停留时间的情况下随出泥排出池外，无法完成反应过程，同时也无法完成无害化处理过程。

彻底解决上述问题的办法有：1）增加前处理工序并考虑无害化措施，如高温高压热水解预处理等；2）除机械脱水外增加后处理工序，如高温好氧堆肥、热干化等。

2.4 污泥含固率与搅拌动力

进入消化池的物料的含水率应尽量少，一方面可以减少消化池容积，降低耗热量；另一方面可以提高污泥中甲烷菌浓度，加速生化反应。李礼等对含固率（TS）分别为2%、6%、10%和14%的4组牛粪液进行厌氧消化实验，系统运行48d，结果表明，进料TS是影响厌氧消化产气效果的重要因素，调节进料TS至10%。可以使其厌氧消化获得最佳的产气效果，产气率225cm3/g，产气中甲烷含量为56.1%；而TS为6%时，产气率117.8cm3/g，产气中甲烷含量为53.4%。

但由于浓缩系统和输送搅拌系统的限制，污泥含固率设计值一般采用3%～5%，目前最大可行的污泥含固率范围为10%～12%。本文前述中的5个案例采用了3%～5%的含固率，只有夏家河项目采用了10%的含固率，主要是因为该项目的处理对象为含水率80%左右的脱水污泥，其他项目的处理对象均为浓缩污泥，含水率很难提高到5%。但从夏家河项目的数据可以看出两个问题：

（1）含水率80%的脱水污泥运入厂内后，需添加相同质量的水稀释到含水率为90%时方可进入消化池，造成了资源能源的重复消耗；

（2）由于消化池固含量高，夏家河项目需付出相对于其他项目平均水平6.8倍的搅拌动力消耗。

3 处置过程应注意的问题

2011年3月住房城乡建设部、国家发展改革委下发的《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南（试行）》，给出了厌氧消化相关推荐处置技术路线：

（1）厌氧消化→脱水→自然干化（或好氧发酵）→土地利用（用于改良土壤、园林绿化、限制性农用）；

（2）脱水→厌氧消化→脱水→自然干化（或好氧发酵）→土地利用（用于改良土壤、园林绿化、限制性农用）；

（3）厌氧高温好氧发酵（好氧堆肥）消化（或脱水后厌氧消化）→罐车运输→直接注入土壤（改良土壤、限制性农用）。

厌氧消化后污泥进入土地前需在两道后处理工序中选择其一。自然干化面临占地面积、气候影响、二次污染等诸多因素影响，因此高温好氧发酵（好氧堆肥）作为后处理工序从技术和风险控制方面最具优势。

对比高温好氧发酵（好氧堆肥）相关推荐处置技术路线：

（1）脱水→高温好氧发酵→土地利用（用于土壤改良、园林绿化、限制性农用）；

（2）脱水→高温好氧发酵→园林绿化等分散施用。

不难发现，好氧发酵 + 土地利用与厌氧消化 + 好氧发酵 + 土地利用技术路线部分重合。因此必须考虑处理对象的有机质浓度：若厌氧消化正常运行后大幅度降低，会明显影响好氧发酵的进程；若厌氧消化运行效果欠佳，则单位投资高于好氧发酵的厌氧消化系统建设的必要性将受到质疑。

4 经济性分析

根据环境保护部2010年2月颁布的《城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南（试行）》给出的参考数据：

投资成本与系统的构成、污泥性质、自动化程度、设备质量等因素相关。一般情况下，厌氧消化系统的工程投资为20万～40万元/t污泥（含水率80%）（不包括浓缩和脱水）。若采用更多进口设备，投资成本将会增加。从以上案例数据分析，工程投资25万～60万元/t。全过程工程投资估算结果：按照厌氧消化系统平均单位投资35万元/ t污泥（污泥含水率80%）；减量30%；脱水与好氧发酵等后处理平均单位投资30万元/ t污泥（污泥含水率80%）；合计约56万元/ t污泥（污泥含水率80%）。

厌氧消化直接运行成本为60～120 元/t 污泥（含水率80%）（不包括浓缩和脱水），从以上案例数据分析，运行成本为60～150元/t。直接运行费用全成本估算结果：按照厌氧消化过程减量30%；脱水与好氧发酵等后处理平均100元/t污泥（含水率80%）；合计为130～190元/t，并且运行成本指标必须在泥质条件良好的前提下方能实现。

5 结语

厌氧消化技术是一项成熟的技术，但在我国的应用情况并不稳定，主要原因有污泥有机质含量较低、含砂量较高等客观原因，也存在运行管理等主观因素。如果将厌氧消化技术放在一个处理工序上客观看待，可以部分实现减量化、稳定化、无害化，同时为资源化提供了良好的载体CH4；但厌氧消化并不是一个完整过程，就如同厌氧生化处理工序在污水处理工序中的位置一样，必须与其它工艺联合方可发挥自身特点，弥补先天不足。

此外，厌氧消化技术的经济性和运行管理水平要求处理规模应该是大型处理项目，并且下游完善可靠的最终处置和沼气资源化利用渠道也是项目顺利实施的重要保障。

最后，能源回收固然重要，但如果能使物质按照最接近自然的方法循环起来，就更有意义，在这方面完全可以参照污水处理发展所走过的道路。

[1] 北京市政院主编，《给水排水设计手册-第5册-城镇排水（第二版）》[M].北京：中国建筑工业出版社，2004，2.

[2] 吴静，等.我国城市污水处理厂污泥厌氧消化系统的运行现状[J].中国给水排水，2008，（22）.

[3] M. Schröder，姚刚.德国污泥厌氧稳定工艺的基础[C]，排水通讯/污泥处理与处置论文精选，2006.

[4] 陈海，等.大连市夏家河污泥处理厂的工艺设计与运行经验[J].中国给水排水，2010，6.

[5] 王志玺.AAe高浓度高效率厌氧消化工艺在市政污泥处理中的应用[C].2001（第三届）上海水业热点论坛会刊，2011，9.

[6] 张辰，等.上海市白龙岗污水处理厂污泥厌氧消化工程设计[J].给水排水， 2010，9.

[7] 王建龙，等.AB工艺在乌鲁木齐河东污水处理厂的应用[J].石河子大学学报，2003，12.

[8] 李霞，等.郑州王新庄污水处理厂污泥消化系统设计与运行[J].给水排水， 2007，7.

[9] 吴敬东，等.北京市污水处理厂污泥处理处置现状及对策[J].北京水务， 2010，（5）.

[10] 尹守迁.污泥厌氧消化处理工程技术问题探讨[J].铁道劳动安全卫生与环保，2008，1.

[11] 郭广慧，等.中国城市污泥的有机质和养分含量及其变化趋势[J].中国给水排水，2009，7（13）.

[12] 李艳霞，等.中国城市污泥有机质养分含量与土地利用[J].生态学报， 2003，11.

[13] 李中天，蒋伟文.城市污水处理中砂的影响及对策[J].给水排水，2004，6.

[14] 李礼，徐龙君.含固率对牛粪常温厌氧消化的影响[J].环境工程学报， 2010，6.

[15] 谢秀兰.沼气发酵对病原菌杀灭效果的研究[J].川北医学院学报，2008，4.