市政污泥厌氧消化处理技术

学社技术 · 发表于 2019-9-10 09:24

污泥厌氧消化可以实现污泥处理的减量化、稳定化、无害化和资源化。污泥经厌氧消化后，体积大大减少，脱水性能大大提高，可实现污泥的减量化和稳定化；污泥在消化过程中，产生的甲烷菌具有很强的抗菌作用，可杀死大部分病原菌以及其它有害微生物，使污泥卫生化。同时，污泥厌氧消化产生大量的清洁能源--沼气，可用作锅炉燃料、直接驱动鼓风机、沼气发电提供污水处理厂的部分用电量、沼气提纯并网、沼气提纯用作汽车燃料等。

污泥厌氧处理技术原理

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的一种污泥处理工艺。消化过程中可回收能源，但消化后的污泥含水率较高，仍需进一步脱水。厌氧消化可以实现污泥处理的减量化、稳定化、无害化和资源化。

污泥厌氧消化是一个由多种细菌参与的多阶段生化反应过程，每一反应阶段都以某类细菌为主，其产物供下一阶段的细菌利用。厌氧降解过程的化学、生物化学和微生物学相发复杂，但是可以综合三阶段理论：1）水解阶段；2）产酸阶段；3）产甲烷阶段。

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污泥厌氧消化处理工艺的优点与特点

1.污泥厌氧消化工艺主要优点

1）减少污泥体积：减少污泥中可降的有机物含量，使污泥的体积减少，与消化前相比，消化污泥的体积一般可减少 1/2~1/3。
2）稳定污泥性质：减少污泥中可分解、易腐化物质的数量，使污泥性质稳定。
3）提高污泥的脱水效果：未消化的污泥呈粘性胶状结构，不易脱水。消化过的污泥，胶体物质被气化、液化或分解，使污泥中的水分与固体易分离。
4）利用产生的甲烷气体：污泥在消化过程中产生沼气，沼气中有用的甲烷气体约占 2/3，可作为燃料用来发电、烧锅炉、驱动机械等。
5）消除恶臭：污泥在厌氧消化过程，硫化氢分离出硫分子或与铁结合成为硫化铁，因此消化后的污泥不会再发出恶臭。
6）提高污泥的卫生质量：污泥中含有很多有毒物质如细菌、病原微生物、寄生虫卵，极不卫生。污泥在消化过程中，产生的甲烷菌具有很强的抗菌作用，可杀死大部分病原菌以及其它有害微生物，使污泥卫生化。

2.污泥厌氧消化处理工艺主要特点

1）满足污泥“四化”处理的要求稳定化：通过厌氧消化，将污泥中挥发份降解；减量化：通过厌氧消化，绝干重减量30~40%；通过深度脱水，总量减量 60~75%；无害化：厌氧消化能够杀灭绝大多数的病菌和蛔虫卵；资源化：厌氧消化产生的沼气能够用以供热、发电等。
2）符合“循环利用、节能降耗、安全环保、稳妥可靠”的原则
3）符合低碳经济的发展方向通过厌氧消化处理，回收污泥、粪便及其他有机废弃物中的生物质能，贯彻了可持续发展理念；为生态城市（Eco-City)、宜居城市的持续发展提供支撑和保障；减排的二氧化碳可进行碳交易，形成碳汇。
4）为区域内的其他有机物处理提供了高效的厌氧处理基地在欧洲，尤其是德国，厌氧消化用于污泥处理、有机垃圾处理、餐厨垃圾处理已有三、四十年的历史；随着城市的发展，厌氧消化装置将成为城市基础设施的一部分。

城市污泥厌氧消化处理技术发展趋势

40 年内在池型、搅拌等方面取得了长足的进步，建成的厌氧消化装置也都能稳定运行。

70 年代初，Ghosh 和 Pohland 提出了两相理论。 Lettinga 教授认为，分级的厌氧生物反应器将是未来发展的方向之一。

从技术发展上讲，基本形成了下面所示的发展趋势：

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1 分级/分相厌氧消化

20 世纪 70 年代初期，Pohland 和 Ghosh[4]等人在厌氧消化领域首先提出了“相分离”的概念，即将产酸发酵菌和产甲烷菌分别富集在分离的环境中，满足各自最适的 pH、氧化还原电位、负荷、碱度和温度等条件，发挥各自最大的代谢能力。Pohland 和 Ghosh 等提出的两相厌氧工艺，由两个分离的中温厌氧反应器组成，第一个反应器用于水解和酸化，第二个反应器则主要实现产乙酸化并实现产甲烷，最终完成整个厌氧消化过程。

Dague 首先提出了温度分级的厌氧消化工艺，即由在高温下运行的第一级厌氧消化反应器和在中温下运行的第二级厌氧消化反应器组成，使污泥首先在高温下得以厌氧消化，随后继续在中温下进行厌氧消化。

为了给产酸菌和产甲烷菌提供各自的最佳生长环境，产酸/产气两相厌氧消化在两个反应池中进行，这样组合的工艺特点：

提高有机物降解率高，污泥有机物降解率大于 40%；
泡沫得到控制，每一相都可以控制在高温或中温条件下运行；
杀死更多病原微生物；
提高消化后污泥脱水性能；
缩短厌氧消化的停留时间，使厌氧消化时间比单级单相厌氧消化缩短 30%;

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图 2 TS/BP 厌氧消化工艺系统图

2 高含固污泥厌氧消化技术

该工艺通过高温高压热水解预处理（Thermal Hydrolysis Pre-Treatment），以高含固的脱水污泥（含固率 15-20%）为对象的厌氧消化技术。工艺采用高温（155℃-170℃）、高压（6bar）对污泥进行热水解与闪蒸处理，使污泥中的胞外聚合物和大分子有机物发生水解、并破解污泥中微生物的细胞壁，强化物料的可生化性，改善物料的流动性，提高污泥厌氧消化池的容积利用率、艳阳消化的有机物降解率和产气量，同时能通过高温高压预处理，改善污泥的卫生性能及沼渣的脱水性能、进一步降低沼渣的含水率，有利于艳阳消化后沼渣的资源化利用。

该工艺处理流程，如图 2 所示。此工艺已在欧洲国家得到规模化工程应用。

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据国外案例，产气效率比传统厌氧消化高出 30%。但高含固厌氧消化技术本身存在一些难点：

1）反应基质浓度高，造成反应中间产物与能量在介质中传递、扩散困难，易形成反馈抑制；

2）水分含量低影响细胞移动或酶扩散，增大启动难度；

3）搅拌阻力大，能耗高。

学社技术 · 发表于 2019-9-10 09:26

厌氧消化强化预处理技术

1 Cambi 处理工艺

由Purac开发的Cambi工艺中，通过水解过程使污泥中的有机成份从不溶解状态转化为溶解状态，使有机物可用于生物降解，即厌氧消化。热解处理法通过对污泥进行加热，使污泥中的部分细胞体受热膨胀而破裂，释放出蛋白质和胶质、矿物质以及细胞膜碎片，进而在高温下受热水解、溶化，形成可溶性聚缩氨酸、氨氮、挥发酸以及碳水化合物等，从而实现细胞内溶物的溶出和水解。

2 MicroSludge 处理工艺

Cambi 高级厌氧消化工艺流程图
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加拿大研发的 MicroSludge 工艺系统，使用碱和高压使剩余活性污泥中的微生物细胞破碎和液化，然后进入污泥消化池进行厌氧消化，显著提高了厌氧降解工艺从而降低运营成本并增加生产能力。MicroSludge 作为模块化系统，可方便地安装在现有市政污水处理厂处理设施中。

3 碱解处理法

碱解处理法是在常温下，通过向污泥中投加碱性物质（常用 NaOH 或 Ca(OH)2），促进污泥细胞壁的破裂，提高细胞内溶物溶出的方法。碱液预处理能有效溶解污泥中的纤维成分，使其转变为可溶性的有机碳化合物。

碱处理法的优点主要体现在：增加污泥 COD 和 VS 的降解率，增大产气量，提高产气中甲烷含量；缩短污泥厌氧消化的周期；同时调节污泥的 pH 值，使其处于适宜于厌氧消化的 pH 值控制范围。但在另一方面，加碱预处理过程中会产生一些抑制厌氧消化反应和一些难溶性的物质， Na+和 OH-两种离子自身也是厌氧消化的抑制剂，而因此最合理的碱投加量及碱处理法的负面效应尚待进一步深入的研究。

在工程应用中，应根据实际需要，依据现场条件，综合考虑运行费用的前提下，因地制宜地选择合理的预处理技术。

学社技术 · 发表于 2019-9-10 09:28

厌氧消化系统构成

厌氧消化系统包含：厌氧消化池、进出料系统、搅拌系统、加温系统、气体收集净化和利用系统。

1）厌氧消化池：厌氧消化池主要分为柱形和蛋形消化池，柱型消化池是我国应用最为广泛的消化池，它由中部柱体(径高比为 1)和上下锥体组成，圆椎形底便于清扫，下部坡度为 1.0～1.7，顶部为 0.6～1.0。这种构型为完全内循环提供了良好条件，有利于池内保持均相。

2）厌氧消化搅拌：搅拌主要分为沼气搅拌、机械搅拌、水力循环搅拌三种形式。搅拌设备应在 2~5h 内至少将全池的污泥搅拌一次，搅拌能耗在 5.2~40W/m3。一般当池内各处污泥浓度的变化范围不超过 10%，即认为搅拌均匀。

3）厌氧消化加温：厌氧消化反应要在一定的温度下进行，加温方式主要有池内加热盘管加热、外部换热器(包括套管式、管壳式)、螺旋板式换热，螺旋板式换热器不易堵塞，尤其适于污泥处理以及直接蒸汽加热等方式。采用沼气锅炉加温或利用沼气发电余热作为厌氧消化池热源目前应用较多。但在冬季，有时须用辅助锅炉加温。

4）沼气净化、存储与利用：沼气中含有水分(H2O)和硫化氢(H2S)，利用前必须进行脱硫、脱水处理。沼气中硫化氢占 0%~1.0%，采用化学脱硫（湿式、干式脱硫塔）和生物脱硫。干式脱硫气体以 0.4~0.6m/min 的速度通过脱硫剂，接触时间一般为 2~3min。

脱硫剂一般 3 个月需要再生一次；湿式脱硫采用含量 2~3%的碳酸钠溶液从脱硫塔顶喷淋，沼气逆流接触，除去硫化氢。化学脱硫法存在运行费用高、设备复杂、管理不便、脱硫产物回收利用困难等缺点。生物脱硫法是在有氧的条件下，通过硫细菌的代谢作用将硫化氢转化为单质硫。

生物脱硫的优点是：不需要催化剂、不需要处理化学污泥，生物污泥产生量少、耗能低、可回收单质硫、去除效率高。我国在生物脱硫方面的研究才刚起步。

贮气柜对整个系统具有气量调蓄和稳压的作用。主要有两种储气方式：湿式储气、干式储气。储气柜的容积一般按日均产气量的 25-40%。

干式柜的工作压力为 0.4-0.6MPa。湿式柜的工作压力是 0.2-0.3MPa。

目前沼气的主要用途主要分以下几种形式：

a. 沼气锅炉直接为消化池提供热能；沼气锅炉的热效率较高，一般在 90%以上；
b. 沼气发电机发电供污水处理厂内部使用，发电效率 34-36%，加上余热利用热效率可达到 80-85%；
c. 沼气发动机提供直接带动污水处理厂的鼓风机或水泵，余热还可为消化池提供热能。
d. 沼气提纯工艺，生产车用或生活燃气。

5）消化上清液处理：对于污泥上清液中磷多采用化学法处理。对于污泥上清液中氨氮，采用厌氧氨氧化工艺处理；

学社技术 · 发表于 2019-9-10 09:29

工程应用

污泥厌氧消化技术在美国、欧洲都有大量的应用，目前，在整个欧洲共有超过 36000座厌氧消化反应器，对污泥的处理量占欧洲总产泥量的 40%-50%[5]。根据美国环保局 1998年的调查，厌氧消化是美国污水厂采用最普遍的污泥稳定方法，占 60%。我国厌氧消化技术应用始于 20 世纪 30 年代，但直至 70 年代后期才开始较稳步地发展。但是我国污水厂的污泥厌氧消化技术应用与发达国家相比差距较大。我国仅约 50 余座污水处理厂采用了污泥厌氧消化工艺，不到全国城市污水厂的 3%。

目前国内一些大型污水处理厂已建完善污泥厌氧消化与沼气发电设施。如北京高碑店污水处理厂(100 万 m 3/d)污泥处理采用两级中温厌氧消化工艺，通过技术改造和工艺调整，最大限度地收集沼气用于发电。天津纪庄子污水处理厂(52 万 m 3/h)、东郊污水处理厂(40 万m3/h)、咸阳路污水处理厂(45 万 m 3/h)等也建有完善的污泥厌氧消化与沼气发电设施。大连东泰夏家和污泥处理厂已建完善污泥厌氧消化与沼气脱碳及天然气并网设施。以上工程对于我国污泥厌氧消化技术的应用与推广具有重大的示范意义。

北京中持绿色能源环境技术有限公司承担了国家 863 重点课题“城市污泥分级分相厌氧消化组合技术研发及工程示范”；参编了住房和城乡建设部《城市污水处理厂污泥处理处置技术指南》和发改委主编的《城镇污水处理厂污泥处理处置项目建设标准》的编制工作。2011 年 1 月北京中持绿色能源环境技术有限公司成功中标浙江宁海县城北污泥处理处置总承包项目，项目分二期建设，总建设规模为日处理含水率 80%的污泥 150 吨，其中一期日处理规模 75 吨。

此外，同时还将宁海县城范围内每天产生的 30 吨粪便（98.5%）纳入污泥处理厂进行处理。该工程采用“分级分相厌氧消化+ 深度脱水+优先土地利用”工艺路线，对污泥进行减量化、资源化、稳定化和无害化处理，降解污泥中的有机物，杀灭病虫卵中，降低含水率。经处理后的污泥可用作园林绿化的营养土，同时回收污泥中的能源，产生的沼气经发电后利用。一期工程建成后，预计每天产生 27.56 吨营养土，3200m 沼气，发电6100kW.h。

污泥厌氧消化技术评估

通过污泥厌氧消化技术在我国的实际应用，可以在以下几个方面进行技术评估：

1）初沉污泥和剩余污泥应在进入厌氧消化池前进行浓缩，污泥进厌氧消化含水率控制在 90-94%，以减少污泥消化池的建造体积和耗热量。

2）污泥厌氧消化技术投资成本在 20-40 万/t.d（含水率 80%）（不包括浓缩和脱水），直接运行成本 60-120 元/吨污泥（含水率 80%）（不包括浓缩和脱水），考虑沼气发电回收电量后，运行成本可下降 42%左右，为 35-70 元/吨污泥（含水率 80%）（不包括浓缩和脱水）。投资成本高于污泥热干化、石灰稳定技术，略低于高温好养发酵工艺；直接运行成本最低，考虑沼气能源的利用，优势更加明显。

3）日处理能力在 50000m 3 以上的污水二级处理设施产生的污泥，宜采取厌氧消化进行减量化、稳定化处理，同时进行沼气综合利用。

4）污泥厌氧消化技术与其他污泥处理处置技术如土地利用等结合后效果更佳。厌氧消化后的污泥中依然含有丰富的有机肥效成分，适用于土地利用，脱水后的消化污泥还可以作为发电厂或水泥厂的辅助燃料。

5）污泥厌氧消化可实现节能减碳和资源再利用。污泥厌氧消化降解污泥有机物实现节能减排，同时厌氧消化过程中产生的沼气可以用来发电以补充厌氧消化或污水厂内其他工艺用电需要或者提纯天然气并网或提纯作车用燃料，在能源日益紧张,尤其是我国倡导节能减排的今天具有很强的现实意义。

6）厌氧消化后污泥中重金属的稳定性提高，污泥经厌氧消化后污泥中硫酸盐等含硫化合物可被硫酸盐还原菌转化成硫离子，硫离子可促进重金属由不稳定态向硫化物稳定态的形式转化。

7）厌氧消化技术减少污泥体积、稳定污泥性质、提高污泥的卫生质量、消除恶臭、提高污泥的脱水效果。消化污泥经深度脱水后，含水率降至 60%以下，直接土地利用或卫生填埋。

我国目前城市污泥处理处置面临着艰巨的任务，厌氧消化可以减少污泥体积，稳定污泥性质，提高污泥的脱水效果，减少污泥恶臭，提高污泥的卫生质量。污泥厌氧消化通过把有机物转化为沼气和二氧化碳，消减有机物含量，产生沼气。污泥厌氧消化可以实现污泥处理的减量化、稳定化、无害化和资源化。

目前，我国采取污泥厌氧消化处理的污水处理厂不到 5%，存在技术落后、管理水平低等问题，这主要与国家政策执行不力、设计和运行单位的认识不足有关。但从技术角度来看，下列几个方面是当前首要解决的问题：

加强城市污泥强化预处理，提高污泥的破壁率和细胞内容物的溶出率；
开发以分级/分相为代表的高效污泥厌氧消化新工艺，提高污泥降解率和沼气产率，实现污泥厌氧消化技术上的突破；
开发与污泥消化相关的搅拌、换热和沼气脱硫等关键设备；
消除含高浓度氮磷的污泥上清液回流对污水厂主流程的氮磷负荷的不利影响；
通过新技术提高污水处理厂的能量自给率，为实现城市污水处理厂的节能减排提供技术支撑。
保证厌氧消化池的安全运行，在沼气池、储气柜、脱硫间周边划定管理区，重点防火，配备消防安全设施。