市政污泥與高濃度廢棄物的厭氧共消化：一種生物質(zhì)能源凈產(chǎn)生的途徑

Spyros G. Pavlostathis

(佐治亞理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系，美國亞特蘭大，GA 30332-0512)

市政污泥與高濃度廢棄物的厭氧共消化：一種生物質(zhì)能源凈產(chǎn)生的途徑

Spyros G. Pavlostathis

(佐治亞理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系，美國亞特蘭大，GA 30332-0512)

厭氧共消化是一種綠色、實(shí)用的回收廢棄物中能源的技術(shù)。本文介紹了厭氧共消化技術(shù)的原理，并介紹了美國佐治亞州F. Wayne Hill水資源處理中心采用油脂廢棄物（FOG）和含糖工業(yè)廢水與市政污泥進(jìn)行連續(xù)流厭氧共消化的實(shí)際應(yīng)用案例。結(jié)果表明，厭氧共消化可顯著提高甲烷產(chǎn)量達(dá)2倍以上，甲烷產(chǎn)量隨著高濃度有機(jī)廢棄物負(fù)荷率及厭氧消化反應(yīng)器停留時(shí)間的延長而增加，且COD和VS降解率可保持在合理范圍內(nèi)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

共消化；生物質(zhì)能源；市政污泥

前言

生活污水中含有大量的水、能源和營養(yǎng)物質(zhì)，人們越來越意識(shí)到生活污水中的大量資源若是能被有效利用將成為一筆巨大的財(cái)富，因此，如今生活污水處理技術(shù)的重點(diǎn)已經(jīng)從污水的處理轉(zhuǎn)移到了資源和能源的回收，污水處理廠的改良方向也朝著降低污水處理能耗和提高可再生能源產(chǎn)出的目標(biāo)發(fā)展。

厭氧發(fā)酵不僅能夠處理污水、污泥，還可以利用

其中的生物質(zhì)產(chǎn)生能源。在中國的農(nóng)村地區(qū)，人們常用生活污水、廢棄物等發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣來為日常生活提供一部分能源[1,2]，這種傳統(tǒng)技術(shù)與厭氧共消化技術(shù)的原理不謀而合[3]。厭氧消化技術(shù)發(fā)展至今已有150多年的歷史，已是一種成熟的技術(shù)，大多數(shù)污水處理廠均選擇厭氧發(fā)酵的方式作為生物能源的產(chǎn)能途徑，用污水和污泥發(fā)酵來產(chǎn)生沼氣。在美國，有一些污水處理廠會(huì)將產(chǎn)出的沼氣與熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相結(jié)合，但熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)需要足夠大的進(jìn)水流量，因此僅有不到10 %的污水處理廠采用了這種系統(tǒng)。由于認(rèn)識(shí)到大部分市政污泥厭氧消化反應(yīng)器運(yùn)行負(fù)荷較低，現(xiàn)在越來越多的污水處理廠將市政污泥與高濃度有機(jī)廢棄物共同發(fā)酵，來得到更大的能源產(chǎn)出和更高的運(yùn)行效率。

1．厭氧共消化技術(shù)原理

有機(jī)物在微生物菌群的作用下經(jīng)過發(fā)酵產(chǎn)生沼氣是一個(gè)極其自然卻又相當(dāng)復(fù)雜的系列反應(yīng)，如圖1所示[4-6]。復(fù)雜的大分子有機(jī)物如多糖類物質(zhì)、蛋白質(zhì)和脂肪等首先經(jīng)過水解、酸化菌群分解成小分子有機(jī)物，比如單糖、氨基酸、多肽及長鏈脂肪酸等。這些小分子有機(jī)物在產(chǎn)酸菌群的作用下分解為丁酸、丙酸和乙酸等短鏈脂肪酸及H2、CO2等氣體，然后，在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群的作用下進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸及H2、CO2。H2和CO2也可能在氫利用產(chǎn)乙酸菌的作用下轉(zhuǎn)化為乙酸。最終，H2、CO2和乙酸分別在兩種不同的產(chǎn)甲烷菌的作用下產(chǎn)生甲烷。

市政污泥是污水處理廠在污水處理過程中的必然產(chǎn)物。未經(jīng)恰當(dāng)處理的污泥進(jìn)入環(huán)境后，將給水體和大氣帶來二次污染，不但降低了污水處理廠的綜合效益，而且對生態(tài)環(huán)境和人類的活動(dòng)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。美國污水處理廠普遍采用厭氧消化工藝進(jìn)行污泥處理，污泥進(jìn)入消化池，經(jīng)過20天左右的消化作用，約有50%的有機(jī)物被降解[7,8]。根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，初沉污泥在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的甲烷產(chǎn)量為175 – 263 m3@ STP/tonne COD fed，剩余活性污泥在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的甲烷產(chǎn)量為123 – 158 m3@ STP/tonne COD fed。初沉污泥與剩余污泥的甲烷產(chǎn)量平均比值約為1.6。

有機(jī)物發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣中甲烷的含量與發(fā)酵原料的有機(jī)組分密切相關(guān)。發(fā)酵原料中的有機(jī)物組分可以用基質(zhì)中碳原子的平均氧化態(tài)來描述，其計(jì)算公式如下所示。

碳原子平均氧化態(tài) (OS) = 4–1.5(COD/TOC)

在基質(zhì)礦化完全、忽略微生物自身生長的情況下，有機(jī)物中碳原子的平均氧化態(tài)與產(chǎn)出沼氣的甲烷含量關(guān)系如圖2所示[9]。當(dāng)原料中的碳原子均以無機(jī)形態(tài)存在時(shí)，產(chǎn)甲烷過程并不能發(fā)生，比如原料為尿素時(shí)，碳原子的平均氧化態(tài)為+4，產(chǎn)物即為100 %的CO2。隨著原料中有機(jī)物含量的增加，即碳原子平均氧化態(tài)的降低，產(chǎn)物中的甲烷含量會(huì)逐漸升高。當(dāng)發(fā)酵原料為碳水化合物、乙酸等時(shí)，理論上應(yīng)產(chǎn)出50 %的CH4和50%的CO2?？傮w來說，符合CH4(%) = 100–12.5 (OS + 4)這一通式。

表1中列舉了一些發(fā)酵原料的生物質(zhì)生成量和氣體產(chǎn)物的組分含量數(shù)據(jù)，與理論計(jì)算的結(jié)果基本一致。這一現(xiàn)象從原理上解釋了將高濃度有機(jī)廢棄物與市政污泥共同發(fā)酵能夠提升消化過程產(chǎn)甲烷效率的原因，

為厭氧共消化技術(shù)提供了理論支持。厭氧共消化是一種非常綠色、實(shí)用的技術(shù)。利用污水處理廠的市政污泥與其他高濃度有機(jī)廢棄物如餐廚垃圾、高濃度有機(jī)廢水等進(jìn)行共消化的過程后，可提升消化反應(yīng)器運(yùn)行效率，得到更多的生物質(zhì)能源[10,11]。在設(shè)計(jì)厭氧共消化工藝時(shí)，應(yīng)充分考慮發(fā)酵原料的毒性、所含病菌的類型和數(shù)量、生物可降解性以及是否易于操作等。

2．厭氧共消化技術(shù)應(yīng)用案例

美國佐治亞州Gwinnett縣的F. Wayne Hill水資源處理中心采用市政污泥進(jìn)行了厭氧共消化試驗(yàn)。該污水處理廠的處理能力為190,000 m3/d，建設(shè)有五個(gè)蛋形反應(yīng)器。厭氧共消化試驗(yàn)的目標(biāo)是通過市政混合污泥與高濃度有機(jī)廢棄物混合共同發(fā)酵來提高甲烷的產(chǎn)量。由于CO2排放量的限制，在消化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)過程中，能量的最大化并不是最終的目標(biāo)，另外也要考慮工廠設(shè)計(jì)方面的限制。

試驗(yàn)研究了重力脫水油脂廢棄物（LES FOG）、工業(yè)廢水（WriW）、市政混合污泥（Sludge-mix，初沉污泥與剩余污泥的TS比為40 : 60）、Publix超市溶氣浮選產(chǎn)生的浮渣（Publix DAF）、餐廳撇油池的油脂廢棄物廢物（Grease trap） 等五種有機(jī)廢棄物，樣品分析的數(shù)據(jù)見表2。由表2可見，F(xiàn)OG和WriW的TS、VS含量及VS/TS明顯比市政污泥高。此外，污泥中有機(jī)組分以粗蛋白為主，F(xiàn)OG主要有機(jī)成分為脂類，而WriW主要有機(jī)成分為碳水化合物。五種高濃度有機(jī)廢棄物的容積負(fù)荷率和水力停留時(shí)間（HRT）與總有機(jī)負(fù)荷率（Total OLR）的關(guān)系如圖3所示。根據(jù)圖3的結(jié)果，Publix DAF和Grease trap的有機(jī)負(fù)荷較低，其中Publix DAF還有一定毒性，因此不宜作為與市政污泥厭氧共消化的基質(zhì)。

試驗(yàn)最終選取FOG和工業(yè)廢水（IndW），首先研究了這兩種高濃度有機(jī)廢棄物（2.25 g COD/L）與初沉污泥（PS）、剩余污泥（TWAS）及混合污泥（Sludge-mix） 等市政污泥（4.5 g COD/L）的最終可降解性，結(jié)果如圖4所示。FOG和IndW的甲烷產(chǎn)量明顯比市政污泥高，其VS降解率分別可達(dá)85%和64%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于市政污泥的30% ～ 50%。FOG和IndW產(chǎn)生的沼氣中甲烷含量分別為80.7%和72.7%，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于市政污泥的35.2% ～ 49.2%。由此可見，兩種有機(jī)廢棄物中有機(jī)組分的差異對于VS的降解和甲烷的產(chǎn)生均有很大的影響。

在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上，分別采用FOG、IndW與sludge-mix進(jìn)行了連續(xù)流厭氧共消化的試驗(yàn)。試驗(yàn)共設(shè)置了4個(gè)厭氧反應(yīng)器，在不同的試驗(yàn)條件下分別獨(dú)立運(yùn)行（如表3所示），試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，通過厭氧共消化，甲烷的產(chǎn)量至少能達(dá)到市政污泥的兩倍，而且產(chǎn)生的沼氣和甲烷非常接近甚至超過污水處理廠的能量需求值。同時(shí)，厭氧共消化使

COD和VS的降解率增加多達(dá)10.9%。并且厭氧共消化反應(yīng)器的出水與普通市政污泥單獨(dú)消化反應(yīng)出水并無二致，也不會(huì)影響到厭氧消化污泥的脫水性能。根據(jù)以上結(jié)果，預(yù)計(jì)F. Wayne Hill水資源處理中心最初啟動(dòng)時(shí)（日處理量為114000 m3/d）每年可以節(jié)約300 000美元的成本，當(dāng)達(dá)到最大設(shè)計(jì)運(yùn)行負(fù)荷后，日處理量可達(dá)228000 m3/d，屆時(shí)每年可節(jié)約的成本為700 000美元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3．結(jié)論

市政污泥與高濃度有機(jī)廢棄物的厭氧共消化可提高甲烷產(chǎn)生量，甲烷的產(chǎn)量隨著高濃度有機(jī)廢棄物負(fù)荷率及厭氧消化反應(yīng)器停留時(shí)間的延長而增加，且COD和VS降解率可保持在合理范圍內(nèi)。

厭氧共消化技術(shù)的應(yīng)用需要從厭氧消化系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況及整個(gè)污水處理廠的限制條件等角度全面考慮。

采用高濃度有機(jī)廢棄物與市政污泥混合發(fā)酵時(shí)，應(yīng)對高濃度有機(jī)廢棄物的潛在毒性、最終生物可降解性和產(chǎn)甲烷勢等方面進(jìn)行預(yù)篩選和評(píng)估，以避免增加系統(tǒng)的不確定性，從而真正實(shí)現(xiàn)污水廠生物質(zhì)能源的凈生成。

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Anaerobic Co-Digestion of Municipal Sludge and High-Strength Waste: A Path to Net Bioenergy Production

Spyros G. Pavlostathis
（School of Civil and Environmental Engineering，Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332-0512, USA）

Anaerobic digestion, traditionally considered as a sludge stabilization process, is now being viewed as a major source of bioenergy production at municipal WWTPs via the conversion of sludge (and wastewater) to methane. The realization that most municipal anaerobic digesters are underloaded has led to adoption of co-digestion of municipal sludge and high-strength waste to increase both energy production and digester effciency. The paper reviews the basic principles of the anaerobic conversion of organic material to methane with focus on the anaerobic digestion of municipal sludge. The results of bench-scale studies on the co-digestion of mixed municipal sludge, fat-oil-grease (FOG), and other high-strength waste in terms of both increased methane production and solids destruction was discussed, along with the potential for cost savings/revenue generation.

co-digestion; bioenergy; municipal sludge

X703

A

1674-6252（2014）05-0047-05

Spyros G. Pavlostathis是美國佐治亞理工大學(xué)環(huán)境工程終身教授，美國環(huán)境工程師學(xué)會(huì)認(rèn)證環(huán)境工程師（BCEEM），國際水協(xié)會(huì)（IWA）和水環(huán)境聯(lián)合會(huì)（WEF）首屆會(huì)士（Fellow）。Dr. Pavlostathis是環(huán)境生物技術(shù)和生物工藝工程領(lǐng)域國際公認(rèn)的知名專家，在受污染環(huán)境的生物修復(fù)、市政及工業(yè)污廢水的處理、特別是生物處理工藝的動(dòng)力學(xué)和模型研究等方面具有深厚造詣。目前已在Environmental Science & Technology，Environmental Microbiology，Water Research及Biotechnology and Bioengineering等國際知名刊物上發(fā)表SCI論文130余篇。Dr. Pavlostathis是厭氧領(lǐng)域具有權(quán)威并得到廣泛引用的綜述文章Kinetics of Anaerobic Treatment和厭氧消化1號(hào)模型（ADM1）的主要作者.