1、我国城市污水处理厂污泥厌氧消化产气问题及对策池勇志 1，2 ，刘晓敏 1，李玉友 3,*，王愉晨 1，费学宁 11. 天津城市建设学院环境与市政工程学院 天津 2. 中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室 北京 3. 日本东北大学大学院工学研究科土木工学专攻 日本仙台 980-8579摘要：厌氧消化工艺作为一种重要的污水污泥处理技术，其研究和应用已经受到了人们的广泛关注。在简要介绍厌氧消化工艺在国内外的应用现状后，针对厌氧消化工艺在我国应用时存在的比产气量不高的问题，提出采用加强污泥浓缩效果、强化污泥预处理、污水污泥与城市有机废弃物混合消化等措施加以解决。关键词：厌氧消化；城市污水
2、处理厂；污水污泥；预处理；混合消化；沼气产量近年来，我国城市污水处理厂污水污泥（以下简称污泥）产量在迅速增加，一方面是由于我国经济的发展和人口的增加，另一方面是由于我国对城市污水处理厂水质排放标准的要求越来越严格。截止到2010 年底，我国城镇生活污水污泥产量达到 7500t/d【1】 ，日益增加的污泥已经成为了严重的环境和安全问题，污泥的处理与处置已迫在眉睫。在污泥的处理方法中，厌氧消化工艺因具有技术成熟、动力消耗低、降解能力强和可产生甲烷等优点，已成为目前国外污水处理厂（平均污水日处理大于 20000m3/d）应用最广泛的污泥处理工艺 【2-4】 。但是与国外相比，在我国无论是含有厌氧消化
3、系统的污水处理厂占污水处理厂总数的比例还是污泥厌氧消化系统正常运行的污水处理厂占建有污泥厌氧消化系统的污水处理厂的比例都明显偏低 【5-6】 。为此，本文通过对比厌氧消化工艺在国内外污泥处理中的应用现状，提出了在我国厌氧消化工艺处理污泥时存在的主要问题和解决办法。一、厌氧消化工艺在污泥处理中的应用1、厌氧消化工艺在国外的应用厌氧消化技术可以把污泥转化为生物燃气（沼气） ，产生清洁生物质能源，实现城市污泥的减量化和高值循环利用，减少污泥处理处置过程的碳排放，是城市污泥处理和资源化利用的发展方向。厌氧消化在欧洲国家是实现污泥稳定化的主要方式 【7】 ，目前，在整个欧洲共有超过 36000 座厌氧消
4、化反应器，对污泥的处理量占欧洲总污泥量的 40%-50%【8】 。图 1 为 1996-2005 年欧盟的污泥产量及沼气产量 【9】 。其中沼气产量除来自污泥外，还包括其他有机废物。出于开发可再生能源和减少二氧化碳的需要，目前欧盟各国都在考虑开发沼气等能源。以丹麦为例，根据该国的长期能源战略规划21 世纪的能源，丹麦计划在 2030 年二氧化碳的排放量计划比 1990 年削减 50%。丹麦污泥经厌氧消后化的沼气产量和规划值如表1 所示。由表 1 可以看出，1999 年丹麦从污泥中获得的沼气量占污泥总产沼气潜能的比例（以能量计）为 19.8%，而到 2030 年这个比例将达 37.5%【10】
5、。注：（1）部分国家部分年度的统计数据有欠缺；（2）沼气产量的单位 1000TOE 是指 Thousands tons of oilequivalent，即 1 000 t 当量原油。图 1 1996-2005 年欧盟污泥的产量及沼气产量2表 1 丹麦污泥经厌氧消后化的沼气产量和规划值年度 1999 2002 2020 2030沼气量/（10 15J） 0.79 0.88 1.15 1.5日本的污泥产量呈上升的趋势，其产量从1984年的4.010 7 m3增加到2001年的7.510 7 m3（以浓缩后的湿污泥计，含固率为2.5%-3%） 。从2001年的统计资料分析，该年度的污泥产量达2.0
6、10 6t干固体，经厌氧消化处理的污泥为7.110 5t干固体，污泥厌氧消化比例达34.5%。图2为2001年度日本对305个污泥厌氧消化工艺的资料的计 【11】 。 沼 气 产 量230m/d平 均 投 入 量 215m3/d投 入 TS浓 度 .6% 70kg-D4V= 消 化 污 泥消 化 污 泥 TS浓 度 1.3%2 80kg-D/d1V=64HRT =34d温 度 容 量 70m消 化 池TS减 量 化 率 =51%V减 量 化 率 7污 泥 比 产 气 量 约 m3/注：（1）DS 是指干固体（Dry solids） ；（2）VS 是指挥发性固体（Volatile solids）
7、图 2 日本污泥消化池平均运行数据美国由于人口的增加和城镇污水处理水平的提高，污泥产量也呈上升趋势。目前美国有 16000 座城镇污水处理厂，其中有 3500 座的污泥处理工艺采用厌氧消化工艺，占污水处理厂总数的比例为21.9%【12】 。美国不同州的污水处理厂由于处理规模不同，采用的污泥稳定化工艺也有差异。以美国加利福尼亚州为例，对 113 个污水处理厂的污泥稳定化处理工艺的统计表明，有 92 个污水处理厂的污泥稳定化处理工艺采用污泥厌氧消化工艺，占污水处理厂总数的比例为 81.4%。考虑到厌氧消化工艺对污水处理厂处理量的要求，采用厌氧消化工艺处理的污泥量占总污泥量的比例应该比 81.4%还
8、要高。总体来讲，厌氧消化技术因其在污泥稳定、经济、环保、减排效益等方面成效显著，已经成为国外污水处理厂污泥处理的主要方法。2、厌氧消化工艺在我国的应用及存在的问题与国外相比，该工艺在在我国污泥处理中应用明显偏少。陈中颖和吴静等分别对国内91座和400余座城镇污水处理厂的污泥处理工艺进行了调查，结果表明，污泥处理工艺中含有厌氧消化系统的污水处理厂比例占被调查污水处理厂总数的10%-11%。污泥厌氧消化系统正常运行的污水处理厂占建有污泥厌氧消化系统的污水处理厂的比例为40%-53%，占被调查污水处理厂总数的比例更低，仅为4.4%-6.3% 【5-6】 。此外，该工艺在设计运行与管理维护上也同国外有
9、着很大的差距。由于我国在2008年才开始进行第一次全国污染源普查工作，因此在污泥处理处置方法的应用方面还缺乏权威性和有代表性的数据。表2是我国部分城市污水厂污泥厌氧消化池的运行参数统计。由表2可以看出：（1）我国污泥中有机物含量偏低，在47%-50%之间。朱昱统计我国部分污水处理厂污泥中有机物的含量在40%-66%之间 【13】 ，而由图2可见日本该值的全国平均值为73.7%；（2）我国有机物厌氧消化分解率较低，在32%-44%之间，图2中日本该值的全国平均值为64.3%；3（3）我国污泥厌氧消化时比产气率低，仅为（7.62-8.83）m 3-沼气/m 3-污泥，而日本该值的平均值为11m 3
10、-沼气/m 3-污泥。此外，吴静对高碑店等8家污水处理厂进行了统计调研，结果表明我国城市污水处理厂的沼气产率为（4-14）m 3-沼气/m 3-污泥，平均为7.5m 3-沼气/m 3-污泥 【14】 。我国城市污水处理厂污泥中有机物的含量、污泥厌氧消化后有机物的分解率及比产气率均明显偏低，为了解决这些问题，可从提高加强污泥浓缩效果、强化污泥预处理和与城市有机废弃物混合消化等方面入手。4表 2 我国部分城市污水厂污泥厌氧消化池的运行参数污水处理厂名称VS/%ALK/（mg/L）VFA/（mg/L）HRT/d pH有机物含量/%分解单位重量有机物的产气量/(m3/kg)投入消化池单位体积污泥的产气
11、量/（m 3/m3）污泥负荷kgVSS/（m3d）运行参数有机物降解率/%参考文献上海白龙港 1282-3096 82-410 24 7.1-7.4 0.81 1.2中温消化35 33-7015-16重庆鸡冠石 30-39 1500-3000 50-500 20 6.5-7.5 30-39 8.5 1.1中温消化33-36 2417天津东郊 55 55 7.0-8.0 中温消化 30-45 13-14-18天津纪庄子25mmol/L8.3mmol/L 10 6.5-7.5 50 6.0-10.0 1.02.0中温消化341 30-5019武汉三金潭 2100-2800 15-18 7.0-7.
12、5 40-45 0.75中温消化35 40-4513郑州王新庄 24 12.1中温消化3520北京高碑店 30 6.9-7.5 50 8.2中温消化33-35 3613-14北京小红门 20 70 0.93中温消化35 5221-22杭州四堡 1000-5000 6.6-7.2 7.0-9.0 中温消化 3014-23海口白沙门 40 0.5-0.68 4.5-6.0 中温消化 4524平均值 47-50 0.75-0.79 7.6-8.8 中温消化 32-44备注：表中所述气体均指沼气。5二、提高污泥厌氧消化时比产气量的途径1、加强污泥浓缩效果，提高污泥含固率（1）厌氧消化自持加热污泥含固率
13、的计算国外污泥厌氧消化的实践表明，污泥加热和消化池保温只需要所产沼气量的 35%-45%，还有 55%-65%的沼气可做他用。为了预测甲烷的产量，更好地利用沼气，下面对甲烷产量与污泥固体浓度的关系进行简要分析。厌氧消化工艺按照消化温度的不同可以分为中温消化（32-35）和高温消化（50-55） 。两种消化工艺处理污泥的产气量与污泥的 TS 浓度有如下关系。（1） 10yqabc式中， y 为消化处理单位体积的污泥所产生的沼气量（Nm 3m-3） ； q 为每分解 1kg 污泥中的 VS 所产生的沼气量，其变化范围在（0.75-1.12）Nm 3/kg VS，计算中采用 1 Nm3/kg VS；
14、 a 为污泥中 VS 占 TS 的比例，取 70%； b 为中温消化和高温消化对 VS 的去除率，分别取 40%和 50%； c 为污泥中 TS 浓度（%） 。由式（1）可以得到在中温消化和高温消化条件下，消化处理单位体积的污泥产生的沼气量，即污泥比沼气产量与污泥中 TS 浓度的关系曲线如图 3 所示。图 3 污泥比沼气产量与污泥 TS 浓度的关系为了寻找污泥自持加热的最小 TS 浓度，首先需要计算加热单位体积污泥所需要的热量。对于中温消化和高温消化，加热单位体积污泥所需要的热量可由式（2）计算 25。（2）12()dsQkT式中， Q为 1m3污泥温度升高到消化温度所需要的热量（MJm -3
15、） ； k1为考虑加热损失后的系数，取k1=1.1，无单位； k2为采用蒸汽加热方式将 1m3污泥加热温度升高 1所需要的热量（MJ/m 3） ，取k2=5.67； Td为消化温度（） ，对于中温消化和高温消化分别取 35和 55； Ts为污泥全年平均泥温（） ，取 Ts=16。由式（2）可以得到对于中温消化和高温消化而言，加热 1m3污泥至相应温度所需要的热量分别为 118.5 MJ 和 243.2MJ。结合式（1）和式（2） ，在保证污泥消化自持加热时，中温消化和高温消化所需要的污泥最小 TS 浓度分别为 2.1%和 3.6%，相应污泥比产气率分别为 5.88Nm3/m3和12.6Nm3/
16、m3。（2）厌氧消化工艺处理高含固率污泥时需要注意的问题虽然增大污泥含固率可提高污泥的比产气率，例如孙晓等 8的实验表明，厌氧消化系统的进泥含固率升高至 10%后，每投入 1m3的污泥产气约 16-18m3沼气，远高于现有浓缩污泥厌氧消化系统的产气率（8-10m 3沼气/m 3污泥） ，但是污泥固体浓度过高也会对厌氧消化工艺产生不利影响。比如当 TS 浓度过高时，有可能产生氨抑制的问题，也可能对消化池的搅拌造成困难。此外，考虑到污泥泵输送污泥的困难和保持消化池内污泥充分混合的要求，在污泥厌氧消化时应控制污泥固体浓度不宜过高，一般在 10%左右6为宜。2、污泥预处理大量研究表明，在污泥的厌氧消化
17、过程中污泥水解步骤是整个反应的限速步骤。污泥预处理技术能将污泥的细胞壁破坏，使得细胞壁中的易降解物质泄漏出来，并且能将生物难降解的大分子物质分解成生物易降解的小分子物质，从而提高水解速率。污泥水解速率缓慢的主要原因有两个：一是污泥中含有大量大分子的有机化合物，二是剩余污泥中微生物细胞壁（膜）的存在。因为污泥是厌氧菌的基质来源，而污泥本身主要是由微生物构成，厌氧菌进行发酵所需的基质就包含在微生物的细胞壁（膜）内，因此只有打破细胞壁（膜）将这些有机质释放出来，厌氧菌才能利用它们进行厌氧消化。通过对污泥进行预处理，同时可以达到破坏细胞壁（膜）和将生物难降解的大分子物质分解成生物易降解的小分子物质的效
18、果，提高厌氧消化过程中污泥的水解速率及溶解性化学需氧量（SCOD）等溶解性有机物的含量，有效改善污泥的消化性能。目前促进污泥厌氧消化的预处理方法主要有热处理、化学处理、机械处理、生物处理等，其中热处理、机械预处理、高级氧化预处理和超声波预处理污泥对厌氧消化性能的影响如表 3 所示。表 3 污泥热处理、机械预处理、高级氧化预处理和超声波预处理污泥对厌氧消化性能的影响预处理类型 最佳处理条件与对照相比的处理效果 厌氧消化条件 处理对象参考文献热处理70，9h 比沼气产量增加30% 间歇实验，55 混合污泥 2670，9h 比沼气产量增加36%连续搅拌完全混合式反应器，HRT=10d，55混合污泥
19、26170，60s 比沼气产量增加49% 间歇，20d，55 剩余污泥 27170，30min 比甲烷产量增加51% CSTR，HRT=20d，35 剩余污泥 28机械预处理高压高速撞击法（310 5 Pa）在 VS 去除率保持 30%的情况下，HRT 从 13d 缩短到 6dCSTR，HRT=6-13d，35 剩余污泥 29高速剪切（速度梯度为 1.1104s-1）TS 和 VS 的去除率分别提高 22%和 21%生产性CSTR，HRT=30d，35混合污泥 30高级氧化处理0.16gO3/gTS 比甲烷产量增加23% 间歇实验，35 剩余污泥 28pH=3，60min，Fe 2+/H2O2
20、=0.07g/g，0.05gH2O2/gDS比甲烷产量增加75%，VS 去除率增加 57%间歇实验，37 剩余污泥 310.06g 过硫酸氢钾复合盐/gDS比甲烷产量加138%，VS 去除率增加 90%间歇实验，37 剩余污泥 317预处理类型 最佳处理条件与对照相比的处理效果 厌氧消化条件 处理对象参考文献超声波处理8000kJ/kgTS，31kHzVS 去除率增加31%CSTR，HRT=16d，37 剩余污泥 326250kJ/kgTS，20kHz比沼气产量增加51% 间歇实验，35 剩余污泥 283、与城市有机废弃物混合消化为了解决目前我国污水处理厂中已投入运行的消化池容积利用率低，VS
21、 去除率和产气量不高的问题，我们还可以采用污泥与城市有机废弃物混合消化技术。城市有机废弃物与污泥的特性如表 4 所示 33。由表 4 可知，二者的组分互为补充。首先将高固体浓度的城市有机废弃物与低固体浓度的污泥混合后可以提高混合消化基质的固体浓度。其次常量和微量元素含量高的污泥可以对营养元素含量不足的城市有机废弃物进行营养补充。最终由于上述两个原因，混合消化工艺的 VS 或 VSS 去除率和比产气量得到提高。表 4 城市有机废弃物与污泥的特性比较比较对象 城市有机废弃物 污泥常量元素含量 低 高微量元素含量 低 高C/N 高 低可生物降解有机物含量 高 低干物质含量 高 低国外在 1923 年
22、即开始进行这方面的研究，近几年我国在这方面的研究也已经起步 34-36。由于受消化池的固体停留时间和有机物负荷的限制，城市有机废弃物与污泥在混合时存在一个混合比例优化的问题，该比例取决于混合前两种基质性质与消化池运行参数。国外部分城市有机废弃物与污泥混合消化的运行实例如表 5 所示。表 5 国外部分城市有机废弃物与污泥混合消化的运行实例城市有机废弃物种类及其与污泥的混合比例处理效果 厌氧消化条件 参考文献易腐有机垃圾：2971（以 VS 计）比甲烷产量为394ml/gVSSin消化池总容积为 1400m3，中温一级厌氧消化，HRT=22-37d37城市有机废弃物：4753（以 VSS 计）比甲
23、烷产量为 168L ml/gVSSin，VSS 分解率为 47.3%消化池总容积为 10500m3，中温一级厌氧消化，HRT=22.5d38厨余垃圾：1090-2575（以 VSS 计）比沼气产量从 390 增加到 600ml/gVSSin，VSS分解率从 71%提高到 81%消化池总容积为 2000m3，中温二级厌氧消化，HRT=20d39备注：VSS in 指进泥的 VSS。国外的工程实践表明，采用城市有机废弃物与污泥混合消化可以达到提高产气量和有机物分解率的目的，从而解决目前污泥消化过程中存在的产气量不高的问题。德国的一家污水处理厂就采用了城市有机废物与污泥混合消化技术，结果表明：将污水
24、处理厂运行中产生的大量污泥单独进行厌氧消化处理时，沼气中的能量能够满足整个污水处理厂 30%-50%的能耗需求；如果往消化池内添加一定量的有机垃圾，就可以使整个污水处理厂做到能量自平衡，而不需要耗费额外的能源。消化后得到的固体，还可以进行一8些后续处理，然后作为肥料应用于农田和园林绿化 40。在我国，城市有机废物与污泥混合消化技术仍处在起步阶段，我们还处在探索研究试验阶段。同时随着我国城市工业化进程的发展，工业废水的产量也在快速增加，而我国的一些污水厂在建设初期存在水量不足问题，为此，一些污水厂引入了部分工业废水，与本厂污水进行共同处理，起到了补充水量的目的。但是工业废水中的有毒有机化合物、重
25、金属离子等会残存在剩余污泥中，对污泥厌氧消化的产气起到一定的抑制作用。有报道指出，污泥厌氧消化系统中铜离子浓度不能超过 0.7mg/L，高于这一浓度将对厌氧消化过程产生明显的抑制作用，在铜量超污泥干重的 2.03%时，将导致厌氧消化过程的失败 41。潘玉霞等 42的实验表明适量的微量金属元素 Fe2+、Co 2+、Ni 2+能加速厌氧消化反应启动速度，增加产气量，但是过量的该元素会对污泥厌氧消化的产气产生抑制作用。此外，工业废水中有毒有机物也会对厌氧消化产甲烷起到抑制作用，如苯环化合物、脂肪酸中的丙酸、己酸、十二烷酸等。虽然混合消化在我国刚刚起步，但是随着我国城镇污水处理厂建设步伐的加快，相信
26、不久的将来，我国城市有机废弃物与污水厂污水污泥混合消化会得到很好的优化解决。 三、结论1、通过对比厌氧消化工艺在国内外污泥处理中的应用表明，厌氧消化工艺虽然在国外发展甚好，但在国内应用的较少，且存在着很多问题，如运行管理差、产气量低等。2、在设定边界条件下，通过计算得到污泥中温消化和高温消化时实现污泥消化自持加热的污泥 TS浓度。3、国内外的大量研究表明，通过对污泥进行预处理是提高污泥消化效果的一个有效途径，国外已有工程实际应用，我国实际应用的较少，今后应加强污泥预处理技术的推广和应用。4、国外的工程实践表明，采用城市有机废弃物与污泥混合消化可以实现提高产气量和有机物分解率的目的。结合我国污泥
27、中有机物含量低的特点来看，今后应加强污泥与有机废弃物混合消化技术的研究和应用。参考文献1杨瑶,徐鹤,尹建锋.我国污水处理厂污泥资源化利用现状分析 J.南水北调与水利科技,2012,10(05):114-118.2CHEN Y,CHENG J J,CREAMER K S.Inhibition of anaerobic digestion process: A reviewJ.Bioresource Technology,2008,99(10):4044-4064.3HONG J,HONG J,OTAKI M,et al.Environmental and economic life cycle
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