污泥厌氧消化处理技术分析

查湘义

[摘要]厌氧消化是污泥稳定化、无害化、资源化的主要方式之一，是污泥处理与处置的发展趋势。本文对污泥厌氧消化技术的原理、影响因素以应用现状进行了分析，提出污泥厌氧消化的合理化建议。

[关键词]剩余污泥；水热预处理；国内外研究现状；建议

污泥是由多种微生物形成的菌胶团的集合体，含有大量极易腐败的有机物，因此如何减少污泥污染并且有效利用这类生物质能源对实现环境和经济的可持续发展具有重要意义。目前污泥的主要处理处置工艺有厌氧消化、好氧堆肥、干化焚烧、石灰稳定、深度脱水等，而厌氧消化相较于其他处理工艺可以实现污泥的减量化和稳定化，具有能耗低、消化后稳定度高的优点，并且污泥厌氧消化产生生物燃气甲烷，实现了污泥的资源化。但是污泥厌氧消化的投资高、处理技术较复杂、启动和处理的时间长，特别是我国北方地区由于温度低，对污泥厌氧消化系统的运行管理提出了更高的要求，因此一定程度上限制了污泥厌氧消化法的使用。因此如何充分发挥污泥厌氧消化的优势，解决污泥厌氧消化的问题，提高污泥消化速率，走污泥的资源化利用之路，具有重大研究价值。

一、污泥厌氧消化的原理

厌氧消化是指利用厌氧菌对污泥进行发酵，在微生物的作用下使污泥中的有机物得到降解并逐步到达稳定，并在此过程中不断产生生物燃料甲烷的一种方法。目前厌氧消化较为公认模式为三阶段理论，第一阶段为水解发酵阶段，第二阶段为产氢产乙酸阶段，第三阶段为产甲烷阶段。在第一阶段，污泥中的一些结构复杂的有机物被分解成简单的有机物，如一些脂类的物质会被转化成脂肪酸和甘油，一些蛋白质分子会被转化成氨基酸，一些纤维素类物质也会被水解成糖类等，然后产酸菌会通过厌氧发酵和氧化等过程把这些简单的有机物进一步的转化成醇类和脂肪酸类如甲酸、乙酸、丙酸等；在第二阶段，产氢产乙酸菌会把水解阶段产生的中间产物，如醇类和丙酸、丁酸等脂肪酸类简单有机物（甲烷、甲醇、乙酸除外）转化乙酸和氢并且会有二氧化碳放出；在第三阶段，产甲烷菌会将前两个阶段产生的乙酸、氢气及二氧化碳等小分子物质转化为甲烷。

二、污泥厌氧消化的影响因素

影响污泥厌氧消化的因素主要包括：底物组成、温度、pH值、搅拌、污泥龄与投配率等。

（1）温度。温度是厌氧发酵过程主要影响因素，适宜的温度能使污泥中有机物充分分解，增加产气量。当温度范围在10～30℃时为低温消化；温度范围在30～35℃时为中温消化；温度范围在50-55℃时为高温消化。目前的消化系统温度一般在35℃左右，属于中温消解，在此温度下，有机物的反应速率较快，产气量比较多，产生的浮渣量比较少，且反应后污泥混合液固液容易分离。

（2）污泥底物营养组成。污泥底物营养主要表现在C/N比值，厌氧细菌所需要的营养物质是由投配污泥提供的，是衡量营养配比的最重要的指标，C/N太高，细菌所需要的氮含量不足，消化液的缓冲能力就会降低，pH值就会下降；C/N太低，氮量含过多，pH值就会升高，从而抑制消化过程。

（3）pH值。水解过程与发酵菌及产氢产乙酸菌对pH值的适应范围大致为5～6.5，而对产甲烷菌的pH值的适应范围为6.6-7.5。如果超出厌氧微生物生长繁殖适宜的pH值范围，大多数微生物都不能存活。

其他影响因素，如搅拌，其目的是使消化池内的新旧污泥混合均匀，同时避免污泥结壳，加快消化池中消化气的释放。污泥龄与投配率则表现在污泥在消化池内的停留时间，投配率是指每天投入的新污泥占消化池有效体积的比例。

三、污泥厌氧消化国内应用现状

（1）青岛麦岛污水处理厂污泥处理项目。该项目处理水量为24万m³/d，为生活污水处理项目。污水处理厂占地3.9公顷，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12700rn3，搅拌方式为机械搅拌，污泥停留时间20d，消化温度35℃±1℃，沼气日产量14924m³/d，产生的沼气12%用于沼气锅炉，85%用于发电，通过4台500kW沼气发电机发电，能满足厂内68%的用电量，发电过程中产生的热水为消化池及厂房供热，实现了热电联供，剩余的3%沼气用于火炬燃烧。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。

（2）郑州王新庄污水处理厂污泥厌氧消化处理项目。该项目处理水量为24万m³/d，生活污水所占比例为80%。进泥含水率96%，进泥量1500 m³/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，单池有效容积1万m³，污泥停留时间21d，搅拌方式采用沼气搅拌，消化温度35℃±1℃，沼气日产量2万m³左右，产生的沼气20%用于沼气锅炉，60%用作城市燃气，20%放散到空气中。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。郑州王新庄污水厂从2010年9月开始将沼气并入城市煤气管网，从而实现一定的经济效益。

（3）大连夏家河污泥处理厂污泥厌氧消化处理项目。该项目为生活污水处理项目，进泥含水率90%，进泥量1200m³/d，采用圆柱形消化罐，直径16m，高度15m，有效高度11.2m，单池有效容积2500m³，污泥停留时间22d，污泥投配率4%～5%，消化温度35℃±1℃，搅拌方式为机械搅拌，沼气日产量1.7万～1.8万m³，产生的沼气30%用于沼气锅炉，70%用作城市燃气。该项目利用沼气并网可实现4万元/d（以3.5元/m³沼气计）的经济效益，全年可实现收益约1400万元。沼渣脱水后含水率降至70%左右，送至垃圾填埋场晾晒填埋。

（4）上海白龙港污水处理厂污泥厌氧消化处理项目。污泥厌氧消化系统共有8座單体容积为12400m³的消化池，进泥流量为4080m³/d，日产沼气为44512m³/d，控制消化池温度为35-36℃。沼气储存系统为4座单体为5000m³的气囊式储存柜，厌氧消化系统所产生的沼气优先保证其自身加热需求，富余沼气作为污泥干化系统能源。系统运行后，存在浮渣及泡沫、鸟粪石结晶、砂粒积累等问题。由于厌氧消化会造成污泥中磷和氨氮的释放，使得消化污泥的总磷、氨氮含量较高，容易造成消化池排泥管路形成鸟粪石结垢。在实际运行中已发现较为严重的鸟粪石结垢问题，鸟粪石完全堵塞了消化排泥管路，并且此问题已延伸至消化池之后的脱水上清液管道。同时，泡沫也是目前消化池存在的主要问题之一。不同于浮渣，泡沫质量较轻，会夹杂浮渣及污泥颗粒，随沼气进入沼气处理设施后易造成设施不通畅，严重时会导致消化池破封等问题。

四、存在问题及解决方向

（一）泥质方面

污泥泥质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。大多数污水厂没有对污水水质以及泥质进行详细调研，厌氧消化工程的建设带有盲目性，很多投资巨大的消化系统甚至从开始便无法正常运行。因而应对污水厂进水水质和泥质进行全面系统的考察是非常必要的。如前面说述，污泥底物营养主要表现在碳氮比值，而一般污水厂剩余污泥中碳氮比仅为4-5，无法达到厌氧消化反应所需的理想碳氮比。因此可以考虑加入高碳氮比的秸秆、杂草、果蔬以及厨房垃圾等易腐有机废物来提高生物污泥的厌氧消化性质。

（二）运行管理方面

污泥厌氧消化处理系统投资很高，通常占污水厂总投资的1/3～1/2，污泥厌氧消化工艺操作比较复杂，运行难度大。一般污泥厌氧消化系统启动期长达数月，设备磨合期长，关键设备容易出现故障，有的为国外进口设备，零部件的维修和更换不方便。因此，应实现厌氧消化关键设备国产化，降低维修费用，加强对技术工人专业知识培训，使其熟练掌握系统自动化的运行管理。

（三）运行费用方面

消化系统沼气产量不稳定时，常常导致沼气收益不足以抵消其运行费用，从而造成污泥消化设施被首先闲置。目前，我国处于污水处理设施运营由政府负担向市场经济机制过渡的阶段，应通过政策导向，提高污水处理费、财政补贴或减免税收等方式落实污泥处理处置费用，使污泥处理进入良性循环。

（四）厌氧消化新技术方面

主要是从改善工艺条件、采取预处理强化措施以及提高产能效果等方面进行深入研究，比如采用超声波预处理、高温预处理法、臭氧预处理、加碱预处理和生物酶预处理等方法。超声波预处理的原理是当一定强度的超声波作用于污泥时产生空化现象，空化现象产生的气泡瞬间破裂并伴随高温、高压和较强的剪切力，从而破坏污泥絮体结构并释放大量污泥有机物质，易于污泥后续的水解并提高污泥厌氧消化的效果。