污泥处理技术二：厌氧消化

1原理与作用

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，实现污泥稳定化非常有效的一种污泥处理工艺。污泥厌氧消化的作用主要体现在：

（1）污泥稳定化。对有机物进行降解，使污泥稳定化，不会腐臭，避免在运输及最终处置过程中对环境造成不利影响；

（2）污泥减量化。通过厌氧过程对有机物进行降解，减少污泥量，同时可以改善污泥的脱水性能，减少污泥脱水的药剂消耗，降低污泥含水率；

（3）消化过程中产生沼气。它可以回收生物质能源，降低污水处理厂能耗及减少温室气体排放。

厌氧消化处理后的污泥可满足国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918中污泥稳定化相关指标的要求。

2应用原则

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，减少温室气体排放。该工艺可以用于污水厂污泥的就地或集中处理。它通常处理规模越大，厌氧消化工艺综合效益越明显。

3厌氧消化工艺

3.1厌氧消化的分类

1）中温厌氧消化

中温厌氧消化温度维持在35℃±2℃，固体停留时间应大于20d，有机物容积负荷一般为2.0~4.0kg/m3⋅d，有机物分解率可达到35％~45％，产气率一般为0.75~1.10Nm3/kgVSS（去除）。

2）高温厌氧消化

高温厌氧消化温度控制在55℃±2℃，适合嗜热产甲烷菌生长。高温厌氧消化有机物分解速度快，可以有效杀灭各种致病菌和寄生虫卵。一般情况下，有机物分解率可达到35%~45%，停留时间可缩短至10~15d。缺点是能量消耗较大，运行费用较高，系统操作要求高。

3.2传统厌氧消化工艺流程与系统组成

传统厌氧消化系统的组成及工艺流程，如图4-1所示。当污水处理厂内没有足够场地建设污泥厌氧消化系统时，可将脱水污泥集中到其他建设地点，经适当浆液化处理后再进行污泥厌氧消化，其系统的组成及工艺流程图，如图4-2所示。

传统污泥厌氧消化系统主要包括：污泥进出料系统、污泥加热系统、消化池搅拌系统及沼气收集、净化利用系统。

消化池通常有蛋形和柱形等池形，可根据搅拌系统、投资成本及景观要求来选择。池体可采用混凝土结构或钢结构。在全年气温高的南方地区，消化池可以考虑不设置保温措施，节省投资。沼气搅拌系统可根据系统的要求选择沼气搅拌或机械搅拌。

3.3厌氧消化新技术

在污泥消化过程中，可通过微生物细胞壁的破壁和水解，提高有机物的降解率和系统的产气量。近年来，开发应用较多的污泥细胞破壁和强化水解技术，主要是物化强化预处理技术和生物强化预处理技术。

1）基于高温热水解（THP）预处理的高含固污泥厌氧消化技术

该工艺是通过高温高压热水解预处理（ThermalHydrolysisPre-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能，改善物料的流动性，提高污泥厌氧消化池的容积利用率、厌氧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，有利于厌氧消化后沼渣的资源化利用。

该工艺处理流程，如图4-3所示。此工艺已在欧洲国家得到规模化工程应用。

图4-3基于高温高压热水解预处理的高含固城市污泥厌氧消化流程图

2）其他强化厌氧消化预处理技术其它强化厌氧消化预处理技术有：

生物强化预处理技术。它主要利用高效厌氧水解菌在较高温度下，对污泥进行强化水解或利用好氧或微氧嗜热溶胞菌在较高温下，对污泥进行强化溶胞和水解。

超声波预处理技术。它利用超声波“空穴”产生的水力和声化作用破坏细胞，导致细胞内物质释放，提高污泥厌氧消化的有机物降解率和产气率。

碱预处理技术。它主要是通过调节pH，强化污泥水解过程，从而提高有机物去除效率和产气量。

化学氧化预处理技术。它通过氧化剂如臭氧等，直接或间接的反应方式破坏污泥中微生物的细胞壁，使细胞质进入到溶液中，增加污泥中溶解性有机物浓度，提高污泥的厌氧消化性能。

高压喷射预处理技术。它是利用高压泵产生机械力来破坏污泥内微生物细胞的结构，使得胞内物质被释放，从而提高污泥中有机物的含量，强化水解效果。

微波预处理技术。微波预处理是一种快速的细胞水解方法，在微波加热过程中表面会产生许多“热点”，破坏污泥微生物细胞壁，使胞内物质溶出，从而达到分解污泥的目的。

4沼气的收集、贮存及利用

4.1沼气的性质

沼气成份包括CH4、CO2和H2S等气体。甲烷的含量为60%~70%，决定了沼气的热值；CO2含量为30%~40%；H2S含量一般为0.1~10g/Nm3，会产生腐蚀及恶臭。沼气的热值一般为21000~25000kJ/Nm3，约5000~6000kcal/m3及6.0~7.0kWh/Nm3，经净化处理后可作为优质的清洁能源。

4.2沼气收集、净化与纯化

1）沼气的收集与储存

沼气是高湿度的混合气，具有强烈的腐蚀性，收集系统应采用高防腐等级的材质。

沼气管道应沿气流方向设置一定的坡度，在低点、沼气压缩机、沼气锅炉、沼气发电机、废气燃烧器、脱硫塔等设备的沼气管线入口、干式气柜的进口和湿式气柜的进出口处都需设置冷凝水去除装置。在消化池和贮气柜适当位置设置水封罐。由于沼气产量的波动以及沼气利用的需求，沼气系统需设置沼气贮柜来调节产气量的波动及系统的压力。沼气贮柜有高压（~10bar），低压（30~50mbar）和无压三种类型。沼气贮柜的体积应根据沼气的产量波动及需求波动来选择。储存时间通常为6~24h。为了保证，可根据沼气利用单元的压力要求，在沼气收集系统中设置压力提升装置。

2）沼气净化

沼气在利用之前，需进行去湿、除浊和脱硫处理。

去湿和除浊处理常采用沉淀物捕集器和水沫分离器（过滤器）来去除沼气中的水沫和沉淀物。

应根据沼气利用设备的要求选择沼气脱硫方法。脱硫有物化法和生物法两类。物化法脱硫主要有干法和湿法两种。干式脱硫剂一般为氧化铁。湿法吸收剂主要为NaOH或Na2CO3溶液。生物脱硫是在适宜的温度、湿度和微氧条件下，通过脱硫细菌的代谢作用将H2S转化为单质硫。

3）沼气纯化

厌氧消化产生的沼气含有60%~70%的甲烷，经过提纯处理后，可制成甲烷浓度90%~95%以上的天然气，成为清洁的可再生能源。

沼气纯化过程一般沼气经初步除水后，进入脱硫系统，脱硫除尘后的气体在特定反应条件下，全部或部分除去二氧化碳、氨、氮氧化物、硅氧烷等多种杂质，使气体中甲烷浓度达到90%~95%以上。

4.3沼气利用

消化产生的沼气一般可以用于沼气锅炉、沼气发电机和沼气拖动。沼气锅炉利用沼气制热，热效率可达90%~95%；沼气发电机是利用沼气发电，同时回收发电过程中产生的余热。通常1Nm3的沼气可发电1.5~2.2kWh，补充污水处理厂的电耗；内燃机热回收系统可以回收40%~50%的能量，用于消化池加温。沼气拖动是利用沼气直接驱动鼓风机，用于曝气池的供氧。

将沼气进行提纯后，达到相当于天然气品质要求，可作为汽车燃料、民用燃气和工业燃气。

5厌氧消化系统的运行控制和管理要点

5.1运行控制要点

1）系统启动

消化池启动可分为直接启动和添加接种污泥启动两种方式。通过添加接种污泥可缩短消化系统的启动时间，一般接种污泥量为消化池体积的10%。通常厌氧消化系统启动需2~3个月时间。

消化系统启动时先将消化池充满水，并加温到设计温度，然后开始添加生污泥。在初始阶段生污泥添加量一般为满负荷的五分之一，之后逐步增加到设计负荷。在启动阶段需要加强监测与测试，分析各参数以及参数关系的变化趋势，及时采取相应措施。

2）进出料控制

连续稳定的进出料操作是消化池运行的重要环节。进料浓度、体积及组成的突然变化都会抑制消化池性能。理想的进出料操作是24h稳定进料。

3）温度

温度是影响污泥厌氧消化的关键参数。温度的波动超过2℃就会影响消化效果和产气率。因此，操作过程中需要控制稳定的运行温度，变化范围宜控制在±1℃内。

4）碱度和挥发酸

消化池总碱度应维持在2000~5000mg/L，挥发性有机酸浓度一般小于500mg/L。

挥发性有机酸与碱度反映了产酸菌和产甲烷菌的平衡状态，是消化系统是否稳定的重要指标。

5）pH值

厌氧消化过程pH值受到有机酸和游离氨，以及碱度等的综合影响。消化系统的pH值应在6.0~8.0之间运行，最佳pH值范围为6.8~7.2。当pH值低于6.0或者高于8.0时，产甲烷菌会受到抑制，影响消化系统的稳定运行。

6）毒性

由于H2S、游离氨及重金属等对厌氧消化过程有抑制作用。因此，厌氧消化系统的运行要充分考虑此类毒性物质的影响。

5.2安全管理

为了防止沼气爆炸和H2S中毒，需注意以下事项：

（1）甲烷（CH4）在空气中的浓度达到5%~14%（体积比）区间时，遇明火就会产生爆炸。所以，在贮气柜进口管线上、所有沼气系统与外界连通部位以及沼气压缩机、沼气锅炉、沼气发电机等设备的进出口处、废气燃烧器沼气管进口处都需要安装消焰器。同时，在消化池及沼气系统中还应安装过压安全阀、负压防止阀等，避免空气进入沼气系统；

（2）沼气系统的防爆区域应设置CH4/CO2气体自动监测报警装置，并定期检查其可靠性，防止误报；

（3）消化设施区域应按照受限空间对待。参照行业标准《化学品生产单位受限空间作业安全规范》AQ3028执行；

（4）定期检查沼气管路系统及设备的严密性，发现泄漏，应迅速停气检修；

（5）沼气贮存设备因故需要放空时，应间断释放，严禁将贮存的沼气一次性排入大气；放空时应认真选择天气，在可能产生雷雨或闪电的天气严禁放空。另外，放空时应注意下风向有无明火或热源；

（6）沼气系统防爆区域内一律禁止明火，严禁烟火，严禁铁器工具撞击或电焊操作。防爆区域内的操作间地面应敷设橡胶地板，入内必须穿胶鞋；

（7）防爆区域内电气装置设计及防爆设计应遵循《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058相关规定；

（8）沼气系统区域周围一般应设防护栏、建立出入检查制度；

（9）沼气系统防爆区域的所有厂房、场地应符合国家规定的甲级防爆要求设计。具体遵循《建筑设计防火规范》GB50016，并可参照《石油化工企业设计防火规范》GB50160相关条款。

6二次污染控制和要求

6.1消化液的处理与磷的回收利用

污泥消化上清液（沼液）中含有高浓度的氮、磷（氨氮300~2000mg/L，总磷70~200mg/L）。沼液肥效很高，有条件时，可作为液态肥进行利用。

针对污泥上清液中高氮磷、低碳源的特点，可采用基于磷酸铵镁（鸟粪石）法的磷回收技术和厌氧氨氧化工艺的生物脱氮技术，对污泥消化上清液进行处理，以免加重污水处理厂水处理系统的氮磷负荷，影响污水处理厂的正常运行。

6.2消化污泥中重金属的钝化耦合

污泥中的重金属主要以可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、硫化物及有机结合态和残渣态五种形态存在。其中，前三种为不稳定态，容易被植物吸收利用；后两种为稳定态，不易释放到环境中。污泥中锌和镍主要以不稳定态的形式存在；铜主要以硫化物及有机结合态存在；铬主要以残渣态存在；汞、镉、砷、铅等毒性大的金属元素几乎全部以残渣态存在。在污泥的厌氧消化过程中，硫酸盐还原菌、酸化细菌等能促使污泥中硫酸盐的还原和含硫有机质的分解，而生成S2-离子。所生成的硫离子能够与污泥中的重金属反应生成稳定的硫化物，使铜、锌、镍、铬等重金属的稳定态含量升高，从而降低对环境造成影响。另外，温度、酸度等环境条件的变化，CO32-等无机物以及有机物与重金属的络合；微生物的作用，同样可以引起可交换的离子态向其他形态的转化，使重金属的形态分布趋于稳定态。从而它们可以达到稳定、固着重金属的作用。

6.3臭气、烟气、沼气和噪声处理

厌氧消化池是一个封闭的系统，通常不会有臭气逸出，但是污泥在输送和贮存过程会有臭气散发。对厌氧消化系统内会散发臭气的点应进行密闭，并设排风装置，引接至全厂统一的除臭装置中进行处理。

沼气燃烧尾气污染物主要为SO2和NOx，排放浓度应遵守相关标准的要求。

当沼气产生量高于沼气利用量时或沼气利用系统未工作时，沼气应通过废气燃烧器烧掉。

沼气发电和沼气拖动设备会产生噪声，产生噪声的设备应设在室内，建筑应采用隔音降噪处理。人员进入时，需戴护耳罩。

7投资与成本的评价及分析

国内污泥消化系统运行好的项目较少，采用的关键设备和配套设施主要依赖进口。因此，目前的投资与运行费用统计尚不具有典型性。

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约为20~40万元/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。

厌氧消化直接运行成本约60~120元/t污泥（含水率80%）（不包括浓缩和脱水），折合吨水处理成本约0.05~0.10元/t。考虑沼气回收利用后，可节省部分运行成本。