热水解工艺强化低有机质污泥厌氧消化产气率的中试研究

孙飞，徐兴

（江苏雨田环境工程有限公司，江苏宿迁 223800）

随着我国污水处理率的提高，污泥产量也在迅速增加，截至2020 年底，全国城市污水处理厂污泥年产量超过6 000 万吨[1]。污泥厌氧消化工艺可将有机物转化成沼气能源，实现污泥的稳定化和资源化，但存在停留时间长、消化效率低等缺陷。热水解高级消化、分级分相厌氧消化、高含固厌氧消化等工艺已经被逐渐应用于污泥处理处置工程[2]。热水解处理后的污泥溶解性有机质含量提高、可生化性好，可提高后续厌氧消化工艺效率，缩短停留时间[3]。

热水解与厌氧消化工艺结合形成了新型高级消化工艺。对于国内污泥有机质含量普遍较低的现状，热水解工艺对低有机质污泥预处理前后的理化性质及对厌氧消化工艺的影响还需深入研究[4]。本文采用高级消化工艺对低有机质污泥进行中试实验，并与传统厌氧消化工艺对比，探讨热水解工艺对污泥理化性质和后续厌氧消化工艺的改善作用。

1 材料与方法

1.1 进料与接种物

热水解工艺进泥采用脱水污泥；厌氧消化罐进料包括浓缩污泥和热水解处理后的污泥。

1.2 污泥性质

试验期间，每天取剩余污泥和浓缩污泥分别检测含固率和有机质含量，结果取平均值，剩余污泥平均含固率为1.39%，有机质平均含量38.31%；浓缩污泥平均含固率为5.04%，有机质平均含量35.73%。本次试验过程中污泥有机质含量偏低，主要有3 方面原因：（1）6—9 月属于夏季，雨水较多，污水厂进水负荷较低；（2）污水厂进水中工业污水的比例占75%以上，污泥中的无机颗粒较多；（3）生化池采用长泥龄的处理工艺，活性污泥中有机质在工艺流程内消耗[5]。

1.3 实验设备

热水解设备为序批式反应器，处理能力4 L/批次，反应温度和压力可设定；厌氧消化设备有效容积60 L，配有自动控温系统和pH 在线测定，消化液温差控制在±0.5 ℃范围内。

1.4 试验方法

1.4.1 污泥脱水处理

取适量浓缩污泥置于滤布内，按1 000 r/min 的转速离心脱水20 min，将污泥含固率由5%脱水至9%～10%备用。

1.4.2 热水解处理

热水解反应温度160 ℃，压力0.6 MPa，停留时间30 min。

1.4.3 厌氧消化

厌氧消化温度（40.0±0.5）℃，机械搅拌速度20～30 r/min；半连续式进料，投配率6.7%，停留时间15 d。

1.4.4 检测方法

污泥含固率、有机质含量采用CJ/T221-2018 城市污水处理厂污泥检验方法进行检测，COD 采用GB11914-89 水质化学需氧量的测定_重铬酸钾法进行检测，沼气成分及各组分含量采用气相色谱检测方法（GB/T10410-2008 人工煤气和液化石油气常量组分气相色谱分析法；GB/T14678-1993 空气质量 硫化氢、甲硫醇、甲硫醚和二甲二硫的测定 气相色谱法）。

2 结果与分析

2.1 热水解工艺降低污泥粘度

不同含固率的污泥粘度差异较大，对比含固率分别为2.8%、6.1%、8.8%的剩余污泥和含固率为8.4%的热水解后污泥的粘度，结果如图1 所示。由图可知，剩余污泥含固率2.8%时粘度为185 MPa·s，含固率6.1%时粘度为10 750 MPa·s，含固率8.8%时粘度为22 755 MPa·s；经热水解处理后，含固率为8.4%时粘度仅为4 550 MPa·s。

图1 污泥含固率与粘度

2.2 热水解工艺提高污泥溶解性有机质含量

将脱水后污泥进行热水解处理，分别检测处理前后污泥含固率、溶解性固体、有机质和溶解性有机质含量。其中，剩余污泥含固率为10.45%，溶解性固体含量为4.13%，有机质含量为38.31%，溶解性有机质含量为8.70%；经热水解处理后，污泥含固率变为9.03%，溶解性固体含量为28.90%，有机质含量为35.73%，溶解性有机质含量为52.18%。经热水解处理后的污泥溶解性有机质含量提高了6 倍。

2.3 热水解工艺提高厌氧消化产气效率

本实验厌氧消化污泥含固率调节至9%和6%，消化罐其他运行参数保持相同，对比不同实验组的产气效率，结果如图2 所示。经热水解处理后含固率为9%的污泥厌氧消化产气效率为0.26 m3/(kg VS·d)；未经热水解处理含固率9%的污泥消化产气效率为0.15 m3/(kg VS·d)。在相同厌氧消化条件下，含固率为9%的热水解污泥实验组与含固率为9%的剩余污泥实验组相比，污泥减量提高0.1 kg DS/(m3·d)，与含固率为6%的剩余污泥（传统厌氧消化）实验组相比，污泥减量提高了50%。

图2 不同含固率污泥实验组的沼气产率和污泥减量对比

2.4 热水解工艺加强厌氧消化后污泥稳定性

厌氧消化试验开始和结束时，分别取消化罐进泥和排泥5 mL，稀释后分别检测总化学需氧量（TCOD）。高级消化实验进泥TCOD 平均值为625.84 mg/g DS，出料TCOD 平均值为502.48 mg/g DS，TCOD 平均去除率为19.21%；传统厌氧消化实验进料TCOD 平均为628.68 mg/g DS，出料为579.64 mg/g DS，平均去除率为7.80%。

实验前后TCOD 变化数据表明：经热水解处理后的剩余污泥更容易被厌氧消化，TCOD 去除率达到传统厌氧消化的2.46 倍。厌氧消化过程必须先经过污泥水解酸化阶段，将固体有机物转化为溶解状态，热水解预处理可以强化污泥中固体有机物溶解效率，提高消化液中溶解性化学需氧量（SCOD）含量[6]。采用热水解工艺对剩余污泥处理后，提高了厌氧消化后的污泥稳定性。

3 结论

（1）热水解工艺降低污泥粘度，改善污泥流动性能。热水解处理后污泥的粘度降低80%，流动性好，可以减小污泥传送和搅拌过程中的能耗，节约运行成本。

（2）热水解工艺提高污泥中溶解性有机质含量。污泥经热水解处理后，溶解性有机质含量由8.70%提高至52.18%，提高近6 倍。

（3）热水解工艺提高了厌氧消化工艺沼气产率，强化污泥资源化效果。进泥含固率为9%时经热水解预处理后的厌氧消化与未热水解预处理的厌氧消化试验相比，产气效率分别为0.26 m3/(kg VS·d)和0.15 m3/(kg VS·d)。

（4）热水解工艺提高了厌氧消化工艺有机物削减量，与未进行热水解厌氧消化相比，TCOD 去除率提高了2.46 倍。消化后的污泥有机质含量降低，污泥稳定性更好。