城市污泥厭氧消化處理技術(shù)

1、城市污泥厭氧消化處理技術(shù)彭光霞 李彩斌 王立寧 張曉慧（北京中持綠色能源環(huán)境技術(shù)有限公司 北京 100192）摘要：隨著我國城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)的推進(jìn)，城市脫水污泥的處理處置問題越來越凸顯出來。目前我國多數(shù)城市污水處理廠多采用濃縮、脫水后外運(yùn)填埋或作農(nóng)肥。城市污泥中的生物質(zhì)能沒得到充分利用，造成了資源、能源的浪費(fèi)。污泥厭氧消化技術(shù)作為污泥處理處置的處理工藝，可以實(shí)現(xiàn)減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化，可與多種工藝相結(jié)合，為現(xiàn)有污水廠污泥處理處置提供了很好的方向。關(guān)鍵詞：污泥處理處置、厭氧消化、分級分相、土地利用、資源化1 概述污泥厭氧消化可以實(shí)現(xiàn)污泥處理的減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化。污泥經(jīng)厭氧消

2、化后，體積大大減少，脫水性能大大提高，可實(shí)現(xiàn)污泥的減量化和穩(wěn)定化；污泥在消化過程中，產(chǎn)生的甲烷菌具有很強(qiáng)的抗菌作用，可殺死大部分病原菌以及其它有害微生物，使污泥衛(wèi)生化。同時(shí)，污泥厭氧消化產(chǎn)生大量的清潔能源-沼氣，可用作鍋爐燃料、直接驅(qū)動鼓風(fēng)機(jī)、沼氣發(fā)電提供污水處理廠的部分用電量、沼氣提純并網(wǎng)、沼氣提純用作汽車燃料等。1.1 污泥厭氧處理技術(shù)原理厭氧消化是利用兼性菌和厭氧菌進(jìn)行厭氧生化反應(yīng)，分解污泥中有機(jī)物質(zhì)的一種污泥處理工藝。消化過程中可回收能源，但消化后的污泥含水率較高，仍需進(jìn)一步脫水。厭氧消化可以實(shí)現(xiàn)污泥處理的減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化。污泥厭氧消化是一個(gè)由多種細(xì)菌參與的多階段生化反應(yīng)

3、過程，每一反應(yīng)階段都以某類細(xì)菌為主，其產(chǎn)物供下一階段的細(xì)菌利用。厭氧降解過程的化學(xué)、生物化學(xué)和微生物學(xué)相發(fā)復(fù)雜，但是可以綜合三階段理論2：1）水解階段；2）產(chǎn)酸階段；3）產(chǎn)甲烷階段。圖1 厭氧消化三階段理論1.2 污泥厭氧消化處理工藝的優(yōu)點(diǎn)與特點(diǎn)2.2.1. 污泥厭氧消化工藝主要優(yōu)點(diǎn)1）減少污泥體積：減少污泥中可降的有機(jī)物含量，使污泥的體積減少，與消化前相比，消化污泥的體積一般可減少1/21/3。2）穩(wěn)定污泥性質(zhì)：減少污泥中可分解、易腐化物質(zhì)的數(shù)量，使污泥性質(zhì)穩(wěn)定。3）提高污泥的脫水效果：未消化的污泥呈粘性膠狀結(jié)構(gòu)，不易脫水。消化過的污泥，膠體物質(zhì)被氣化、液化或分解，使污泥中的水分與固體易分離

4、。4）利用產(chǎn)生的甲烷氣體：污泥在消化過程中產(chǎn)生沼氣，沼氣中有用的甲烷氣體約占2/3，可作為燃料用來發(fā)電、燒鍋爐、驅(qū)動機(jī)械等。5）消除惡臭：污泥在厭氧消化過程，硫化氫分離出硫分子或與鐵結(jié)合成為硫化鐵，因此消化后的污泥不會再發(fā)出惡臭。6）提高污泥的衛(wèi)生質(zhì)量：污泥中含有很多有毒物質(zhì)如細(xì)菌、病原微生物、寄生蟲卵，極不衛(wèi)生。污泥在消化過程中，產(chǎn)生的甲烷菌具有很強(qiáng)的抗菌作用，可殺死大部分病原菌以及其它有害微生物，使污泥衛(wèi)生化。2.2.2. 污泥厭氧消化處理工藝主要特點(diǎn)1）滿足污泥“四化”處理的要求穩(wěn)定化：通過厭氧消化，將污泥中揮發(fā)份降解；減量化：通過厭氧消化，絕干重減量3040%；通過深度脫水，總量減量6

5、075%；無害化：厭氧消化能夠殺滅絕大多數(shù)的病菌和蛔蟲卵；資源化：厭氧消化產(chǎn)生的沼氣能夠用以供熱、發(fā)電等。2）符合“循環(huán)利用、節(jié)能降耗、安全環(huán)保、穩(wěn)妥可靠”的原則3）符合低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方向通過厭氧消化處理，回收污泥、糞便及其他有機(jī)廢棄物中的生物質(zhì)能，貫徹了可持續(xù)發(fā)展理念；為生態(tài)城市（eco-city)、宜居城市的持續(xù)發(fā)展提供支撐和保障；減排的二氧化碳可進(jìn)行碳交易，形成碳匯。4）為區(qū)域內(nèi)的其他有機(jī)物處理提供了高效的厭氧處理基地在歐洲，尤其是德國，厭氧消化用于污泥處理、有機(jī)垃圾處理、餐廚垃圾處理已有三、四十年的歷史；隨著城市的發(fā)展，厭氧消化裝置將成為城市基礎(chǔ)設(shè)施的一部分。2 城市污泥厭氧消化處理技

6、術(shù)發(fā)展趨勢 40 年內(nèi)在池型、攪拌等方面取得了長足的進(jìn)步，建成的厭氧消化裝置也都能穩(wěn)定運(yùn)行。 70年代初，ghosh和pohland提出了兩相理論。 lettinga 教授認(rèn)為，分級的厭氧生物反應(yīng)器將是未來發(fā)展的方向之一。 從技術(shù)發(fā)展上講，基本形成了下面所示的發(fā)展趨勢：2.1分級/分相厭氧消化20世紀(jì)70年代初期，pohland和ghosh4等人在厭氧消化領(lǐng)域首先提出了“相分離”的概念，即將產(chǎn)酸發(fā)酵菌和產(chǎn)甲烷菌分別富集在分離的環(huán)境中，滿足各自最適的ph、氧化還原電位、負(fù)荷、堿度和溫度等條件，發(fā)揮各自最大的代謝能力。pohland和ghosh等提出的兩相厭氧工藝，由兩個(gè)分離的中溫厭氧反應(yīng)器組成，

7、第一個(gè)反應(yīng)器用于水解和酸化，第二個(gè)反應(yīng)器則主要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)乙酸化并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)甲烷，最終完成整個(gè)厭氧消化過程。dague首先提出了溫度分級的厭氧消化工藝，即由在高溫下運(yùn)行的第一級厭氧消化反應(yīng)器和在中溫下運(yùn)行的第二級厭氧消化反應(yīng)器組成，使污泥首先在高溫下得以厭氧消化，隨后繼續(xù)在中溫下進(jìn)行厭氧消化。為了給產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌提供各自的最佳生長環(huán)境，產(chǎn)酸/產(chǎn)氣兩相厭氧消化在兩個(gè)反應(yīng)池中進(jìn)行。這種組合工藝優(yōu)點(diǎn)： 提高有機(jī)物降解率高，污泥有機(jī)物降解率大于40%； 泡沫得到控制，每一相都可以控制在高溫或中溫條件下運(yùn)行； 殺死更多病原微生物； 提高消化后污泥脫水性能； 縮短厭氧消化的停留時(shí)間，使厭氧消化時(shí)間比單級單相厭氧消

8、化縮短30%;圖 2 ts/bp厭氧消化工藝系統(tǒng)圖2.2高含固污泥厭氧消化技術(shù) 該工藝通過高溫高壓熱水解預(yù)處理（thermal hydrolysis pre-treatment），以高含固的脫水污泥（含固率15-20%）為對象的厭氧消化技術(shù)。工藝采用高溫（155-170）、高壓（6bar）對污泥進(jìn)行熱水解與閃蒸處理，使污泥中的胞外聚合物和大分子有機(jī)物發(fā)生水解、并破解污泥中微生物的細(xì)胞壁，強(qiáng)化物料的可生化性，改善物料的流動性，提高污泥厭氧消化池的容積利用率、厭氧消化的有機(jī)物降解率和產(chǎn)氣量，同時(shí)能通過高溫高壓預(yù)處理，改善污泥的衛(wèi)生性能及沼渣的脫水性能、進(jìn)一步降低沼渣的含水率，有利于艷陽消化后沼渣的

9、資源化利用。據(jù)國外案例，產(chǎn)氣效率比傳統(tǒng)厭氧消化高出30%。但高含固厭氧消化技術(shù)本身存在一些難點(diǎn)：1）反應(yīng)基質(zhì)濃度高，造成反應(yīng)中間產(chǎn)物與能量在介質(zhì)中傳遞、擴(kuò)散困難，易形成反饋抑制；2）水分含量低影響細(xì)胞移動或酶擴(kuò)散，增大啟動難度；3）攪拌阻力大，能耗高。2.3厭氧消化強(qiáng)化預(yù)處理技術(shù) 2.3.1 熱水解處理工藝熱水解工藝通過水解過程使污泥中的有機(jī)成份從不溶解狀態(tài)轉(zhuǎn)化為溶解狀態(tài)，使有機(jī)物可用于生物降解，即厭氧消化。熱解處理法通過對污泥進(jìn)行加熱，使污泥中的部分細(xì)胞體受熱膨脹而破裂，釋放出蛋白質(zhì)和膠質(zhì)、礦物質(zhì)以及細(xì)胞膜碎片，進(jìn)而在高溫下受熱水解、溶化，形成可溶性聚縮氨酸、氨氮、揮發(fā)酸以及碳水化合物等，從

10、而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)溶物的溶出和水解。2.3.2 堿解加高壓噴射處理工藝堿解加高壓噴射處理工藝使用堿和高壓使剩余活性污泥中的微生物細(xì)胞破碎和液化，然后進(jìn)入污泥消化池進(jìn)行厭氧消化，顯著提高了厭氧降解工藝從而降低運(yùn)營成本并增加生產(chǎn)能力。2.3.3堿解處理法堿解處理法是在常溫下，通過向污泥中投加堿性物質(zhì)（常用naoh或ca(oh)2），促進(jìn)污泥細(xì)胞壁的破裂，提高細(xì)胞內(nèi)溶物溶出的方法。堿液預(yù)處理能有效溶解污泥中的纖維成分，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘挠袡C(jī)碳化合物。堿處理法的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：增加污泥cod和vs的降解率，增大產(chǎn)氣量，提高產(chǎn)氣中甲烷含量；縮短污泥厭氧消化的周期；同時(shí)調(diào)節(jié)污泥的ph值，使其處于適宜于厭氧消化的

11、ph值控制范圍。但在另一方面，加堿預(yù)處理過程中會產(chǎn)生一些抑制厭氧消化反應(yīng)和一些難溶性的物質(zhì)，而na+和oh-兩種離子自身也是厭氧消化的抑制劑，因此最合理的堿投加量及堿處理法的負(fù)面效應(yīng)尚待進(jìn)一步深入的研究。在工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，依據(jù)現(xiàn)場條件，綜合考慮運(yùn)行費(fèi)用的前提下，因地制宜地選擇合理的預(yù)處理技術(shù)。3 厭氧消化系統(tǒng)構(gòu)成及工程應(yīng)用3.1厭氧消化系統(tǒng)厭氧消化系統(tǒng)包含：厭氧消化池、進(jìn)出料系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、氣體收集凈化和利用系統(tǒng)。1）厭氧消化池：厭氧消化池主要分為柱形和蛋形消化池，柱型消化池是我國應(yīng)用最為廣泛的消化池，它由中部柱體(徑高比為1)和上下錐體組成，圓椎形底便于清掃，下部坡度為

12、1.01.7，頂部為0.61.0。這種構(gòu)型為完全內(nèi)循環(huán)提供了良好條件，有利于池內(nèi)保持均相。2）厭氧消化攪拌：攪拌主要分為沼氣攪拌、機(jī)械攪拌、水力循環(huán)攪拌三種形式。攪拌設(shè)備應(yīng)在25h 內(nèi)至少將全池的污泥攪拌一次，攪拌能耗在5.240w/m3。一般當(dāng)池內(nèi)各處污泥濃度的變化范圍不超過10%，即認(rèn)為攪拌均勻。3）厭氧消化加溫：厭氧消化反應(yīng)要在一定的溫度下進(jìn)行，加溫方式主要有池內(nèi)加熱盤管加熱、外部換熱器(包括套管式、管殼式)、螺旋板式換熱，螺旋板式換熱器不易堵塞，尤其適于污泥處理以及直接蒸汽加熱等方式。采用沼氣鍋爐加溫或利用沼氣發(fā)電余熱作為厭氧消化池?zé)嵩茨壳皯?yīng)用較多。但在冬季，有時(shí)須用輔助鍋爐加溫。4）

13、沼氣凈化、存儲與利用：沼氣中含有水分(h2o)和硫化氫(h2s)，利用前必須進(jìn)行脫硫、脫水處理。沼氣中硫化氫占0%1.0%，采用化學(xué)脫硫（濕式、干式脫硫塔）和生物脫硫。干式脫硫氣體以0.40.6m/min 的速度通過脫硫劑，接觸時(shí)間一般為23min。脫硫劑一般3 個(gè)月需要再生一次；濕式脫硫采用含量23%的碳酸鈉溶液從脫硫塔頂噴淋，沼氣逆流接觸，除去硫化氫?；瘜W(xué)脫硫法存在運(yùn)行費(fèi)用高、設(shè)備復(fù)雜、管理不便、脫硫產(chǎn)物回收利用困難等缺點(diǎn)。生物脫硫法是在有氧的條件下，通過硫細(xì)菌的代謝作用將硫化氫轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫。生物脫硫的優(yōu)點(diǎn)是：不需要催化劑、不需要處理化學(xué)污泥，生物污泥產(chǎn)生量少、耗能低、可回收單質(zhì)硫、去除效

14、率高。我國在生物脫硫方面的研究才剛起步。貯氣柜對整個(gè)系統(tǒng)具有氣量調(diào)蓄和穩(wěn)壓的作用。主要有兩種儲氣方式：濕式儲氣、干式儲氣。儲氣柜的容積一般按日均產(chǎn)氣量的25-40%。干式柜的工作壓力為0.4-0.6mpa。濕式柜的工作壓力是0.2-0.3mpa。目前沼氣的主要用途主要分以下幾種形式：a. 沼氣鍋爐直接為消化池提供熱能；沼氣鍋爐的熱效率較高，一般在 90%以上；b. 沼氣發(fā)電機(jī)發(fā)電供污水處理廠內(nèi)部使用，發(fā)電效率 34-36%，加上余熱利用熱效率可達(dá)到80-85%；c. 沼氣發(fā)動機(jī)提供直接帶動污水處理廠的鼓風(fēng)機(jī)或水泵，余熱還可為消化池提供熱能。d. 沼氣提純工藝，生產(chǎn)車用或生活燃?xì)狻?）消化上清液

15、處理：對于污泥上清液中磷多采用化學(xué)法處理。對于污泥上清液中氨氮，采用厭氧氨氧化工藝處理；3.2工程應(yīng)用污泥厭氧消化技術(shù)在美國、歐洲都有大量的應(yīng)用，目前，在整個(gè)歐洲共有超過36000座厭氧消化反應(yīng)器，對污泥的處理量占?xì)W洲總產(chǎn)泥量的40%-50%5。根據(jù)美國環(huán)保局1998年的調(diào)查，厭氧消化是美國污水廠采用最普遍的污泥穩(wěn)定方法，占60%。我國厭氧消化技術(shù)應(yīng)用始于20世紀(jì)30年代，但直至70年代后期才開始較穩(wěn)步地發(fā)展。但是我國污水廠的污泥厭氧消化技術(shù)應(yīng)用與發(fā)達(dá)國家相比差距較大。我國僅約50余座污水處理廠采用了污泥厭氧消化工藝，不到全國城市污水廠的3%。目前國內(nèi)一些大型污水處理廠已建完善污泥厭氧消化與沼

16、氣發(fā)電設(shè)施。如北京高碑店污水處理廠(100萬m3/d)污泥處理采用兩級中溫厭氧消化工藝，通過技術(shù)改造和工藝調(diào)整，最大限度地收集沼氣用于發(fā)電。天津紀(jì)莊子污水處理廠(52萬m3/h)、東郊污水處理廠(40萬m3/h)、咸陽路污水處理廠(45萬m3/h)等也建有完善的污泥厭氧消化與沼氣發(fā)電設(shè)施。大連東泰夏家和污泥處理廠已建完善污泥厭氧消化與沼氣脫碳及天然氣并網(wǎng)設(shè)施。以上工程對于我國污泥厭氧消化技術(shù)的應(yīng)用與推廣具有重大的示范意義。北京中持綠色能源環(huán)境技術(shù)有限公司承擔(dān)了國家863重點(diǎn)課題“城市污泥分級分相厭氧消化組合技術(shù)研發(fā)及工程示范”；參編了住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部城市污水處理廠污泥處理處置技術(shù)指南和發(fā)改委主

17、編的城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的編制工作。2011年1月北京中持綠色能源環(huán)境技術(shù)有限公司成功中標(biāo)浙江寧?？h城北污泥處理處置總承包項(xiàng)目，項(xiàng)目分二期建設(shè)，總建設(shè)規(guī)模為日處理含水率80%的污泥150噸，其中一期日處理規(guī)模75噸。此外，同時(shí)還將寧海縣城范圍內(nèi)每天產(chǎn)生的30噸糞便（98.5%）納入污泥處理廠進(jìn)行處理。該工程采用“分級分相厭氧消化+ 深度脫水+優(yōu)先土地利用”工藝路線，對污泥進(jìn)行減量化、資源化、穩(wěn)定化和無害化處理，降解污泥中的有機(jī)物，殺滅病蟲卵中，降低含水率。經(jīng)處理后的污泥可用作園林綠化的營養(yǎng)土，同時(shí)回收污泥中的能源，產(chǎn)生的沼氣經(jīng)發(fā)電后利用。一期工程建成后，預(yù)計(jì)每天產(chǎn)生27.56

18、噸營養(yǎng)土，3200m3沼氣，發(fā)電6100kw.h。4 污泥厭氧消化技術(shù)評估通過污泥厭氧消化技術(shù)在我國的實(shí)際應(yīng)用，可以在以下幾個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)評估：1）初沉污泥和剩余污泥應(yīng)在進(jìn)入?yún)捬跸厍斑M(jìn)行濃縮，污泥進(jìn)厭氧消化含水率控制在90-94%，以減少污泥消化池的建造體積和耗熱量。2）污泥厭氧消化技術(shù)投資成本在20-40萬/t.d（含水率80%）（不包括濃縮和脫水），直接運(yùn)行成本60-120元/噸污泥（含水率80%）（不包括濃縮和脫水），考慮沼氣發(fā)電回收電量后，運(yùn)行成本可下降42%左右，為35-70元/噸污泥（含水率80%）（不包括濃縮和脫水）1。投資成本高于污泥熱干化、石灰穩(wěn)定技術(shù)，略低于高溫好養(yǎng)發(fā)酵

19、工藝；直接運(yùn)行成本最低，考慮沼氣能源的利用，優(yōu)勢更加明顯。3）日處理能力在 50000m3 以上的污水二級處理設(shè)施產(chǎn)生的污泥，宜采取厭氧消化進(jìn)行減量化、穩(wěn)定化處理，同時(shí)進(jìn)行沼氣綜合利用。4）污泥厭氧消化技術(shù)與其他污泥處理處置技術(shù)如土地利用等結(jié)合后效果更佳。厭氧消化后的污泥中依然含有豐富的有機(jī)肥效成分，適用于土地利用，脫水后的消化污泥還可以作為發(fā)電廠或水泥廠的輔助燃料。5）污泥厭氧消化可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減碳和資源再利用。污泥厭氧消化降解污泥有機(jī)物實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，同時(shí)厭氧消化過程中產(chǎn)生的沼氣可以用來發(fā)電以補(bǔ)充厭氧消化或污水廠內(nèi)其他工藝用電需要或者提純天然氣并網(wǎng)或提純作車用燃料，在能源日益緊張,尤其是我國倡導(dǎo)

20、節(jié)能減排的今天具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。6）厭氧消化后污泥中重金屬的穩(wěn)定性提高，污泥經(jīng)厭氧消化后污泥中硫酸鹽等含硫化合物可被硫酸鹽還原菌轉(zhuǎn)化成硫離子，硫離子可促進(jìn)重金屬由不穩(wěn)定態(tài)向硫化物穩(wěn)定態(tài)的形式轉(zhuǎn)化6。7）厭氧消化技術(shù)減少污泥體積、穩(wěn)定污泥性質(zhì)、提高污泥的衛(wèi)生質(zhì)量、消除惡臭、提高污泥的脫水效果。消化污泥經(jīng)深度脫水后，含水率降至60%以下，直接土地利用或衛(wèi)生填埋。5 結(jié)論與建議我國目前城市污泥處理處置面臨著艱巨的任務(wù)，厭氧消化可以減少污泥體積，穩(wěn)定污泥性質(zhì)，提高污泥的脫水效果，減少污泥惡臭，提高污泥的衛(wèi)生質(zhì)量。污泥厭氧消化通過把有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣和二氧化碳，消減有機(jī)物含量，產(chǎn)生沼氣。污泥厭氧消化可以

21、實(shí)現(xiàn)污泥處理的減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化。目前，我國采取污泥厭氧消化處理的污水處理廠不到5%，存在技術(shù)落后、管理水平低等問題，這主要與國家政策執(zhí)行不力、設(shè)計(jì)和運(yùn)行單位的認(rèn)識不足有關(guān)。但從技術(shù)角度來看，下列幾個(gè)方面是當(dāng)前首要解決的問題： 加強(qiáng)城市污泥強(qiáng)化預(yù)處理，提高污泥的破壁率和細(xì)胞內(nèi)容物的溶出率； 開發(fā)以分級/分相為代表的高效污泥厭氧消化新工藝，提高污泥降解率和沼氣產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)污泥厭氧消化技術(shù)上的突破； 開發(fā)與污泥消化相關(guān)的攪拌、換熱和沼氣脫硫等關(guān)鍵設(shè)備； 消除含高濃度氮磷的污泥上清液回流對污水廠主流程的氮磷負(fù)荷的不利影響； 通過新技術(shù)提高污水處理廠的能量自給率，為實(shí)現(xiàn)城市污水處理廠的節(jié)能減排提供技術(shù)支撐。 保證厭氧消化池的安全運(yùn)行，在沼氣池、儲氣柜、脫硫間周邊劃定管理區(qū)，重