污泥厌氧消化处理工程设计文献综述

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污泥厌氧消化处理工艺设计

摘要：污泥的处理是城市污水处理的一个重要环节，对其进行减量化、稳定化、无害化和资源化是污泥处理处置的核心任务。污泥合理处理与处置问题日益突出，污泥处理和处置设施的建设是城镇基础设施建设不可或缺的一部分。目前国内外常用的成熟污泥稳定的工艺有：厌氧消化、好氧消化、热处理、加热干化等。文章对城镇污泥来源及特点，污泥厌氧技术原理及影响因素，未来展望等进行综述，探求如何安全、高效、低成本地处理和处置污泥。

关键词：城市污水处理； 污泥处理工艺； 研究现状；处理处置

一、文献综述

1. 污泥的处理处置
2. 污泥的来源与特点

污、废水处理过程中产生的各种泥状物质统称为污泥，根据来源不同，可分为以下几类： 市政污泥（sewage sludge），污水处理过程中产生的半固态或固态物质，不包括栅渣、浮渣和沉砂；管网污泥，排水管网系统中的污泥；河湖淤泥，江河湖海的底部淤泥；工业污泥，工业生产过程中产生的含有水、油脂等与固体的混合物。在以上污泥的分类中，市政污泥数量最大，一般情况下，污泥指市政污泥。根据污水处理环节，污泥可细分为初沉污泥、剩余污泥、消化污泥等,见表1.1。

表1.1 污泥来源及分类

污泥中含有大量有毒有害物质，如寄生虫卵、病原微生物、细菌、合成有机物及重金属离子等，同时也含有植物营养素（N、P、K）和有机物等^[1]。随着污水来源、处理工艺的不同，污泥之间的成分存在差异。有研究者调研了中国25座城市的污泥泥质，涉及90座不同规模的污水处理厂，得到中国污泥的主要污染物（重金属）和营养物含量，分别如表1.2，表1.3所示^[2]。

表1.2我国污水处理厂污泥的重金属成分表

表1.3 我国污水处理厂污泥营养物成分表

目前，我国污水处理厂产生的污泥量与日俱增，污泥的处理与处置将消耗大量的人力、物力和财力。有统计显示，污泥的处理费用约占污水处理厂运营成本25%～65%^[3-4]。生污泥按照最终处置（卫生填埋或者农用）的要求可采用经过浓缩、稳定、调理、脱水、灭菌、干燥、堆肥、焚烧等一个或几个处理手段进行处理^[5]，也可根据污泥的性质、类型、处置方式的不同，采用多种处理形式。而污泥消化就是利用微生物的代谢作用，使污泥中的有机物质稳定化。当污泥中的挥发性固体 VSS 含量降到40%以下时，即可认为已达到稳定化。目前，国内外主流的污泥处置技术主要为好氧处理工艺和厌氧处理工艺。

1. 污泥的处理处置方式
2. 污泥的处理

近年来，国家对城市污水处理厂建设的投入大幅增加，城市污水处理率不断提高，在有效地控制了水污染问题的同时，产生了越来越多初沉污泥、剩余污泥，这些污泥具有含水率高、体积大、易腐败、有恶臭的特点，如不加以妥善处理与处置，任意排放，不仅对环境造成二次污染，也影响污水处理作用的发挥^[6]。常用污泥处理方法主要有浓缩、脱水、消化、发酵、干化等。

生污泥经过浓缩、消化之后，可直接最终处置，也可以经过自然干化、堆肥，或者机械脱水、干燥焚烧之后，再最终处置；生污泥可经过湿污泥池处理后直接最终处置。堆肥处理环节是以农用为目的；消化处理环节是以产沼气为目的；污泥浓缩后干燥焚烧，是以减少空间占用为目的。

1. 污泥的处置

生污泥按照最终处置（卫生填埋或者农用）的要求可采用经过浓缩、稳定、调理、脱水、灭菌、干燥、堆肥、焚烧等一个或几个处理手段进行处理^[5]，也可根据污泥的性质、类型、处置方式的不同，采用多种处理形式。在实际生产过程中，污泥稳定是非常必要的污泥处置方法，而污泥消化就是利用微生物的代谢作用，使污泥中的有机物质稳定化。

1. 污泥厌氧消化技术
2. 污泥厌氧消化的原理

厌氧消化是指在无氧条件下，污泥中的有机物被兼性菌及专性厌氧细菌降解，产生二氧化碳和甲烷的过程，厌氧消化是污泥生物稳定过程。

目前公认的是厌氧消化三阶段理论，第一阶段是有污泥中的碳水化合物、蛋白质和脂肪等大分子化合物，经过水解和发酵，被转化为小分子态的单糖、氨基酸和脂肪酸等；第二阶段，产酸阶段，这个阶段活跃的是产氢产乙酸菌，由第一阶段产生的小分子态单糖、氨基酸和脂肪酸等被进一步转化为H、CO₂、CH₃COOH等；第三阶段，产甲烷阶段，在产甲烷菌的作用下，H和CO₂合成CH₄、CH₃COOH脱酸产生CH₄。

1. 污泥厌氧消化的影响因素

在厌氧消化过程中水解和酸化阶段可参与的兼性菌和厌氧菌数量和种类较多，因而具有较强的抵抗环境变化的能力。在产乙酸阶段和甲烷化过程中乙酸菌和甲烷菌则相反，它们是敏感性和专一性的细菌，所以对消化池的环境条件有严格的要求。温度、污泥投配率、搅拌、C/N、pH和有毒物质都会对厌氧消化系统造成影响。

目前，比较广泛采用的厌氧消化工艺主要分为三类：标准消化法、快速厌氧消化法和两级厌氧消化法：标准消化法，又称为一级消化，生污泥在1d内从2-3个入口分批（2-3次）加入池内，随着分解的进行逐渐分为明显的三层，自上而下依次为浮渣层、分离液层和污泥层。分离液通常返回到废水处理厂入口，容易造成废水综合处理效率降低；快速厌氧消化法，与标准消化法的区别是池内装有搅拌装置，混合均匀，操作性好，可以解决池内沉淀问题，广泛使用；两级厌氧消化法，利用第二个消化池对厌氧消化过的污泥进行浓缩，同时可产生一部分气体，进一步杀灭细菌，使总的出污泥减少。在实际的市场运行中，两相消化并没有表现优越性，系统需要更多的投资，以及运行维护也更复杂。

1. 温度

厌氧细菌可分为嗜温菌（中温菌）、嗜热菌（或高温菌）；相应地，厌氧消化分为：常温消化（10～30℃）、中温消化（33～35℃）和高温消化（50～55℃）；高温消化的反应速率约为中温消化的1.5～1.9倍，产气率也相对较高，但气体中甲烷含量较低；当处理含有病原菌和寄生虫卵的废水或污泥时，高温消化可取得较好的卫生效果，消化后污泥的脱水性能也较好

产乙酸阶段和甲烷化过程对温度的影响是非常敏感的，若要达到相同的消化率，温度越低要求的消化时间越长。在40℃时是中温细菌和高温细菌的交界点， 图1为温度与消化时间的关系图^[7-8]。

图1 温度与消化时间的关系

1. 污泥投配率

在产乙酸阶段和甲烷化阶段起作用的分别是产酸菌和产甲烷菌，这两种细菌因世代时间的不同而使两阶段过程产生差异。若污泥投配率过大，使污泥很快转化为有机酸而使消化液pH降低，污泥消化不完全，产气率低；若污泥投配率过小，污泥消化完全，产气高，但造成消化池容积过大，利用率低，基建费用高。

李美艳^[14]等认为，进泥含固率和污泥停留时间（ＳＲＴ）均对厌氧消化效能有明显的影响。随着ＳＲＴ的延长，消化池单位容积产气率下降，污泥产气率增加，ＶＳ的去除率增加。因此，要获得较高的消化池容积产气率宜选择短ＳＲＴ，而要获得较高的污泥产气率和污泥减量效果，宜选择长ＳＲＴ。

1. 搅拌

搅拌可使消化物料分布均匀，增加微生物与物料的接触，并使消化产物及时分离，从而提高消化效率、增加产气量。同时，对消化池进行搅拌，可使池内温度均匀，加快消化速度，提高产气量。

搅拌方法包括气体搅拌、机械搅拌、泵循环等。气体搅拌是将消化池产生的沼气，加压后从池底部冲入，利用产生的气流，达到搅拌的目的。机械搅拌适合于小的消化池，液搅拌和气搅拌适合于大、中型的沼气工程。

1. C/N

厌氧消化原料在厌氧消化过程中既是产生沼气的基质，又是厌氧消化微生物赖以生长、繁殖的营养物质。这些营养物质中最重要的是碳素和氨素两种营养物质，厌氧发酵原料的C/N比以（20～30）:1为宜。原料C/N比过高，碳素多，氮素养料相对缺乏，系统的缓冲能力低，pH易降低，细菌和其他微生物的生长繁殖受到限制，有机物的分解速度就慢、发酵过程就长。若C/N比过低，可供消耗的碳素少，氮素养料相对过剩，则容易造成系统中氨氮浓度过高，出现氨中毒，会抑制消化过程。

厌氧微生物对N、P等营养物质的要求略低于好氧微生物，其要求COD：N：P=200：5：1；多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功能，所以有时需要投加：K、Na、Ca等金属盐类；微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；有机微量物质：酵母浸出膏、生物素、维生素等。

1. pH和有毒物质

pH对厌氧消化有显著影响，产甲烷菌在过酸和过碱条件下都会受到抑制，其最适宜pH为6.5～7.8。与中温厌氧消化相比，高温厌氧消化的pH和碱度更高，且能够在更短时间内达到相对稳定的pH。由于高温条件下蛋白质的水解酸化速率更快，大量有机氮转化为氨氮，因此高温厌氧消化液的碱度会更高，能够对生成的挥发性脂肪酸（VFA）起到有效的中和作用^[15]。

VFA是消化原料酸性消化的产物，同时也是甲烷菌的生长代谢的基质。一定的挥发性脂肪酸浓度是保证系统正常运行的必要条件，但过高的VFA会抑制甲烷菌的生长，从而破坏消化过程。

有许多化学物质能抑制厌氧消化过程中微生物的生命活动，这类物质被称为抑制剂。抑制剂的种类也很多，包括部分气态物质、重金属离子、酸类、醇类、苯、氰化物及去垢剂等。常见的抑制性物质有：硫化物、氨氮、重金属、氰化物及某些有机物等。

1. 污泥厌氧消化的调控手段

由图1，高温消化比中温消化所需的时间短，产气速率高。高温消化对寄生虫卵的杀灭率可达90%以上，而中温消化的杀灭率相对较低。但高温消化加热污泥所消耗热量大，消化池及管道的保温费用也高，因此，只有在卫生条件要求严格，或要求多生产沼气时才采用。

由于污泥中大多数有机物存在于微生物细胞内，而细胞壁是一个稳定的半刚性结构，这直接影响了厌氧消化反应的时长。因此，在污泥厌氧消化技术中，污泥的预处理是当中重要的一个环节。

污泥预处理的主要目的是破坏污泥中细胞结构，释放细胞内含的有机物质，提高污泥的水解速率及溶解性CODCr（化学需氧量），以提高污泥的消化性能^[9]。常用的污泥消化预处理技术有热处理技术、超声波处理技术、碱处理技术和微波预处理技术等。其中，工程中得到成功应用的主要为热处理技术。

1. 污泥厌氧消化的研究现状

2005年欧盟所有的成员国（EU-27）污泥总年产量约为1.09times;107t（干基，污泥干重），其年产量逐年攀升，预计其在 2020 年将突破1.3times;107t（干基）。厌氧消化是EU-27中最常用的污泥处理技术，在其中的24个国家被普遍使用，在西班牙、英国、意大利、芬兰和斯洛伐克等国家作为最主流技术被使用；尽管捷克共和国和波兰推广的主流技术是污泥好氧消化技术，但好氧消化技术在这些国家主要适用于小型污水处理厂，当污泥量较大时仍主要采用厌氧消化处理，如在捷克共和国，大约97 %的污泥采用厌氧稳定化。德国共有约10000座污水处理厂，日污水处理量约为2800万m³，污泥年产量约2times;106t（干基），厌氧消化技术处理污泥的应用规模已达5000t/d，厌氧消化处理率达到64 %，处理过程中所收集的甲烷用于发电，可保证污水厂的供电需求。^[11]英国每年在城市污水处理过程中产生的污泥量约为1.2times;106 t（干基），在2007年其厌氧消化处理率为66 %，到了2015年该比例提升至85 %，根据规划，英国2020年可再生能源要达到总能耗的15 %，其中污水行业要达到20%，因而英国计划将大量污泥中的生物质用于厌氧消化以获得电能和热能。^[10]

美国现有的污水处理厂约26000座，日处理污水量1.5亿m³，污泥年产量约为7times;106t（干基）。美国已有650座集中厌氧消化设施，用于处理58 %的污泥。目前美国一方面在增加污泥厌氧消化的比例，另一方面也在建设热电联供系统以使得产生的沼气全部有效利用。^[12]

2011年日本全国污水处理厂污泥产量约为2.2times;106t（干基），且其在当时的处理方式以焚烧为主（66 %左右），然而由于其国家的能源和环境问题，对现有的以焚烧为主的污泥处理处置工艺也做了相应的战略调整，将包括污泥厌氧消化在内的处理处置工艺作为重点研究和使用的对象，对厌氧消化产生的生物质的利用和能源化利用技术进行深入研究。^[12]

在厌氧消化技术的应用上，我国已建成的污泥厌氧消化设备仅为60座左右，且其中正常运行的不足20座，污泥厌氧消化稳定率不足3 %，相对于国外，我国污泥厌氧消化并未取得广泛应用，其主要原因有：a) 投资成本高；b) 进泥含固率低、有机质含量低；c) 设备配套化水平低、关键设备依赖进口；d)技术、管理水平问题。这使得我国剩余污泥的生物减量化、稳定化与资源化都与以上发达国家有着明显的差距^[10][13]。

1. 总结与展望

城市污水处理作为中国城市管理的一个问题，在资源日益紧张的今天，剩余污泥的合理利用成为影响中国经济效益和社会效益增长的主要影响因素。我国污泥处理处置应符合“安全环保、循环利用、节能降耗、因地制宜、稳妥可靠”的原则，有效处理处置污泥的同时实现污泥资源化利用。随着近些年来中国污泥资源化处理技术的逐渐成熟。通过对城市污水处理厂剩余污泥处置的资源化利用效果分析，结合中国实际国情，为今后剩余污泥处理资源化利用技术创新提供可靠依据，实现社会经济有效发展。

二、查阅中外文献资料目录

1. 张自杰. 排水工程(下册). 北京: 中国建筑工业出版社, 2000.
2. 王涛. 中国城镇污水厂污泥成分分析与处置路线评述[J]. 西南给排水, 2015, 37(5)
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11. 廖海涛. 德国污泥处理处置发展趋势简介[J]. 中国给水排水, 2014(14).
12. 白妮,王爱民,王金玺,孙志勇,高雯雯,陈碧.城市剩余污泥处置与利用技术研究新进展[J].工业用水与废水,2019,50(04):6-11.
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14. 李志东,李娜,魏莉,张勇,张令戈,张洪林,酒井裕司.污泥投配率对污泥中温厌氧消化效果影响的试验研究[J].环境污染与防治,2007(07):530-532.
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资料编号：[275321]

污泥厌氧消化处理工艺设计

摘要：污泥的处理是城市污水处理的一个重要环节，对其进行减量化、稳定化、无害化和资源化是污泥处理处置的核心任务。污泥合理处理与处置问题日益突出，污泥处理和处置设施的建设是城镇基础设施建设不可或缺的一部分。目前国内外常用的成熟污泥稳定的工艺有：厌氧消化、好氧消化、热处理、加热干化等。文章对城镇污泥来源及特点，污泥厌氧技术原理及影响因素，未来展望等进行综述，探求如何安全、高效、低成本地处理和处置污泥。

关键词：城市污水处理； 污泥处理工艺； 研究现状；处理处置

一、文献综述

1. 污泥的处理处置
2. 污泥的来源与特点

污、废水处理过程中产生的各种泥状物质统称为污泥，根据来源不同，可分为以下几类： 市政污泥（sewage sludge），污水处理过程中产生的半固态或固态物质，不包括栅渣、浮渣和沉砂；管网污泥，排水管网系统中的污泥；河湖淤泥，江河湖海的底部淤泥；工业污泥，工业生产过程中产生的含有水、油脂等与固体的混合物。在以上污泥的分类中，市政污泥数量最大，一般情况下，污泥指市政污泥。根据污水处理环节，污泥可细分为初沉污泥、剩余污泥、消化污泥等,见表1.1。

表1.1 污泥来源及分类

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