城市污泥厭氧消化工藝設(shè)計(jì)與運(yùn)行研究

楊俊杰

（河南省固體廢物管理中心，河南 鄭州 450004）

污泥是污水處理廠在污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的，通常含有大量的病原微生物、寄生蟲(chóng)卵、難降解有機(jī)物等有毒、有害物質(zhì)，如不經(jīng)有效處理處置，將對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。目前常見(jiàn)的污泥處置技術(shù)有填埋、焚燒、堆肥、污泥消化等［1］，不同的污泥處置技術(shù)各有其特點(diǎn)。目前，衛(wèi)生填埋仍是我國(guó)主要的污泥處理處置方式，但80%～90%的污泥未經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化、無(wú)害化處理。厭氧消化不僅能穩(wěn)定化處理污泥，還能利用污泥中的生物質(zhì)能，其產(chǎn)生的沼氣也可加以利用，能大大降低污泥處理成本，其在國(guó)外已成為主要的污泥處理處置方式［2］。本文重點(diǎn)研究污泥厭氧消化生物制氣技術(shù)，旨在為城市管理者和城市污水處理廠在選擇污泥處理處置技術(shù)時(shí)提供依據(jù)和參考。同時(shí)對(duì)于改進(jìn)和完善污泥厭氧消化技術(shù)，促進(jìn)污水處理廠污泥安全有效處置，改善環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

1 工藝概述

本研究采用世界先進(jìn)的污泥厭氧消化生物制氣處理工藝。工藝流程包括污泥稀釋前處理、厭氧發(fā)酵、沼氣凈化、沼液濃縮、沼渣干燥碳化五個(gè)部分，具體如圖1所示。

污泥的處理處置中充分利用了污泥中有機(jī)質(zhì)的熱量，通過(guò)厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生大量沼氣，污泥量可以減少50%以上，實(shí)現(xiàn)污泥的減量［3］；通過(guò)對(duì)厭氧發(fā)酵后的沼渣進(jìn)行壓縮、干化（碳化）可以作為肥料用于綠化和還田；厭氧發(fā)酵后的濃縮液中氨氮含量比較高，進(jìn)行預(yù)處理后轉(zhuǎn)化為液態(tài)的氮肥，可用于農(nóng)田和園林、綠化等。通過(guò)多種技術(shù)的集成，最終實(shí)現(xiàn)國(guó)家環(huán)保部關(guān)于污泥“減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化、資源化”的要求。

圖1 污泥處理工藝流程圖

2 污泥厭氧消化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 厭氧消化技術(shù)原理

厭氧消化系統(tǒng)主要是將前處理升溫調(diào)節(jié)后的污泥物料進(jìn)行無(wú)害化、減量化、資源化處理。其生化處理工藝是在缺氧情況下，利用自然界固有的微生物厭氧菌（特別是甲烷菌），將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣和沼肥的過(guò)程。

厭氧消化的作用機(jī)理有兩段論、三段論、四段論之分，三階段理論是目前得到大家公認(rèn)的一種理論［4］，包括水解和發(fā)酵階段；產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，將丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉(zhuǎn)化為乙酸、H2/CO2；產(chǎn)甲烷階段：產(chǎn)甲烷菌利用乙酸和 H2、CO2產(chǎn)生CH4［5］。

圖2 厭氧反應(yīng)的階段理論

產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化過(guò)程的控制階段，因此，一般來(lái)說(shuō)，厭氧生物處理的影響因素主要是影響產(chǎn)甲烷菌的各項(xiàng)因素，包括溫度、pH值、氧化還原電位、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、F/M比、有毒物質(zhì)等。

2.2 厭氧消化處理工藝關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

本文所述污泥厭氧消化工藝采用完全混合厭氧反應(yīng)器（CSTR），它在沼氣發(fā)酵罐內(nèi)采用攪拌和加溫技術(shù)，使沼氣發(fā)酵速率大大提高。其特點(diǎn)是：固體濃度高，TS（8%～12%），可使污泥全部進(jìn)行沼氣發(fā)酵處理；處理量大，產(chǎn)沼氣量多，便于管理，易啟動(dòng)，運(yùn)行費(fèi)用低。由于這種工藝適宜處理含懸浮物高的有機(jī)物污泥，具有其他高效沼氣發(fā)酵工藝無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，在歐洲等沼氣工程發(fā)達(dá)地區(qū)被廣泛采用。其主要關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 完全混合厭氧反應(yīng)器內(nèi)污泥厭氧消化工藝參數(shù)

2.3 厭氧消化關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)參數(shù)

2.3.1 厭氧消化設(shè)備選擇

厭氧發(fā)酵技術(shù)的關(guān)鍵在于發(fā)酵罐的選擇、設(shè)計(jì)和建造。不同形狀的發(fā)酵消化池具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外成熟技術(shù)的對(duì)比，從而選擇具有高效、低成本、安全、可靠的池型和池體。消化池的池形樣式較多，基本池形有龜甲形、傳統(tǒng)圓柱形、卵形和平底圓柱形。本工藝采用“平底圓柱形Lipp消化罐”作為污泥厭氧消化反應(yīng)器，這是由于Lipp消化罐的投資少，建設(shè)周期短，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。

2.3.2 厭氧消化設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)

Lipp消化罐采用產(chǎn)氣、貯氣一體化結(jié)構(gòu)，適合有機(jī)物原料TS（8%～12%），非常安全可靠，冬季也能正常運(yùn)行。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：一體化沼氣發(fā)酵裝置下部為發(fā)酵部分，罐內(nèi)安裝側(cè)攪拌器，罐壁上安裝增溫管，利用發(fā)電機(jī)鍋爐余熱增溫；罐體上部為雙膜式柔性貯氣柜，用于收集、貯存和輸送沼氣，其中外膜保護(hù)并維持貯氣柜的結(jié)構(gòu)，內(nèi)膜收集并貯存沼氣。貯氣柜通過(guò)支撐鼓風(fēng)機(jī)的充氣，調(diào)整并維持內(nèi)外膜之間夾層中的空氣壓力，并將內(nèi)膜內(nèi)的沼氣送入輸氣管道，供發(fā)電機(jī)使用。

圖3 發(fā)酵裝置

圖4 溫度對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率影響

厭氧消化反應(yīng)過(guò)程受溫度影響很大，如圖3、4所示。本工藝厭氧處理單元設(shè)計(jì)為中溫，其最佳溫度范圍為35～38℃。為了保證厭氧反應(yīng)在冬季仍可正常運(yùn)行，必須對(duì)系統(tǒng)實(shí)施增溫和整體保溫措施。

3 沼氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

厭氧發(fā)酵罐剛產(chǎn)出的沼氣是含飽和水蒸氣的混合氣體，除含有氣體燃料CH4和CO2外，還含有H2S和懸浮的顆粒狀雜質(zhì)。H2S不僅有毒，而且有很強(qiáng)的腐蝕性。過(guò)量的H2S和雜質(zhì)會(huì)危害后續(xù)設(shè)備管道閥門的壽命，因此需進(jìn)行脫硫、氣水分離等凈化處理，其中沼氣的脫硫是其主要問(wèn)題。因此，污泥厭氧消化所產(chǎn)生的沼氣在貯存和利用之前必須經(jīng)過(guò)脫水脫硫處理。沼氣經(jīng)脫水、脫硫處理后，若要達(dá)到天然氣的品質(zhì)要求，還需要進(jìn)行脫碳處理。

3.1 H2O的脫除

不同的溫度下沼氣中飽和水蒸氣的含量不同，在35℃時(shí)水的含量接近5%，在輸入天然氣管網(wǎng)前沼氣中的水必須去除。針對(duì)不同的凈化工藝，在各個(gè)階段有不同的方法。在壓縮之前需除去冷凝水，這樣在洗滌去除CO2和H2S工藝中就不需要再對(duì)氣體進(jìn)行干燥，在吸收凈化工藝之前也常常需要對(duì)氣體進(jìn)行干燥。氣體干燥最常用的方法為冷凝法，即在熱交換系統(tǒng)中通過(guò)冷卻器冷卻氣體而除去冷凝水。這種方法由于是在熱交換器的表層冷卻，通常比露點(diǎn)低0.5～1℃，為了取得更低的露點(diǎn)，必須在冷凝之前先壓縮氣體，然后再釋放到需要的壓力。

3.2 H2S的脫除

不同的去除工藝有不同的去除率，應(yīng)根據(jù)凈化要求選擇不同的工藝。從經(jīng)濟(jì)成本、運(yùn)行效果等綜合因素上考慮，本研究中H2S的去除采用生物脫硫。沼氣中的H2S可以被脫硫微生物氧化為單質(zhì)S，同時(shí)利用沼氣中的CO2作為其碳源。根據(jù)沼氣中不同的H2S含量，向沼氣中通入2%～5%的空氣，以滿足脫硫微生物的需要。在大型沼氣工程中，水洗和生物脫硫常常被聯(lián)合起來(lái)用以去除H2S，將廢水或者沼氣罐中的上清液從脫硫塔的頂部通入，沼氣從底部通入，進(jìn)入脫硫塔前的沼氣中通2%～5%的空氣，脫硫塔為水吸收H2S和脫硫微生物的生長(zhǎng)提供充足的接觸面積。

3.3 CO2的脫除

沼氣中CO2的去除采用物理和化學(xué)吸收方法，即使在氣體壓力很低的情況下也能對(duì)其進(jìn)行有效分離，而且工藝流程比較簡(jiǎn)單，需要的基礎(chǔ)投資和成本相對(duì)較低。CO2脫除常用的吸附劑為Selexol，主要成分為二甲基聚乙烯乙二醇（DMPEG）。水和鹵化烴（主要來(lái)自填埋場(chǎng)沼氣）也可以用Selexol洗滌去除，使用水蒸氣或者惰性氣體吹脫Selexol進(jìn)行再生。

4 污泥厭氧消化系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行

4.1 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)的污泥厭氧消化工藝參數(shù)見(jiàn)下表。

由表2可知，本研究設(shè)計(jì)污泥處理量為10t/d，采用中溫濕式厭氧發(fā)酵處理含水率90%的污泥，發(fā)酵溫度為33～35℃；采用單池體積為500m3LIPP厭氧罐，厭氧罐內(nèi)有機(jī)負(fù)荷為1.56kgVSS/m3.d；為了實(shí)現(xiàn)厭氧罐內(nèi)高濃度污泥的完全混合效果，采用機(jī)械與沼氣攪拌兩種攪拌方式對(duì)含固率為10%的污泥進(jìn)行攪拌；采用熱水對(duì)污泥進(jìn)行加熱及保溫，保證污泥的發(fā)酵溫度在33～35℃范圍內(nèi)。

4.2 調(diào)試運(yùn)行期間污泥泥質(zhì)分析

調(diào)試運(yùn)行期間污泥泥質(zhì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

污泥進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行厭氧發(fā)酵處理的過(guò)程中，主要檢測(cè)污泥的pH、氧化還原電位、脂肪酸以及堿度，由該類指標(biāo)表征污泥厭氧發(fā)酵的過(guò)程及厭氧發(fā)酵的程度。由表3可知，污泥在厭氧發(fā)酵過(guò)程中pH值在7.10～7.50之間波動(dòng)；厭氧發(fā)酵初期，污泥中的pH逐漸降低；到厭氧發(fā)酵后期，污泥中的pH逐漸升高。這表明，在污泥厭氧發(fā)酵初期，在產(chǎn)酸菌的作用下，污泥被消解生成有機(jī)酸，從而使污泥的pH降低；在厭氧發(fā)酵后期，厭氧發(fā)酵菌將污泥中的氮元素降解為氨，從而使污泥的pH呈現(xiàn)升高狀態(tài)。在整個(gè)厭氧發(fā)酵過(guò)程中，污泥的氧化還原電位均在-100～-200mV之間，這表明，污泥在厭氧發(fā)酵過(guò)程中均為厭氧或無(wú)氧狀態(tài)。污泥中脂肪酸含量的變化趨勢(shì)與污泥厭氧消化過(guò)程中的pH變化趨勢(shì)相似，同樣可以證明污泥厭氧發(fā)酵的初期產(chǎn)酸過(guò)程。

表2 污泥厭氧消化工藝參數(shù)

表3 調(diào)試運(yùn)行期間污泥泥質(zhì)

4.3 調(diào)試運(yùn)行期間沼氣成分及天然氣

調(diào)試運(yùn)行期間沼氣成分及天然氣指標(biāo)見(jiàn)下表。

表4 調(diào)試運(yùn)行期間沼氣成分分析（%）

表4為厭氧發(fā)酵過(guò)程中，不同階段沼氣中甲烷、二氧化碳以及氮?dú)獾暮孔兓闆r。從表4可以看出，厭氧發(fā)酵的不同階段，沼氣中甲烷氣體的含量呈現(xiàn)不斷升高趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。由表4可知，厭氧發(fā)酵過(guò)程逐漸趨于穩(wěn)定，沼氣中甲烷的含量達(dá)到最大值；沼氣中的二氧化碳的含量在厭氧發(fā)酵過(guò)程中基本上在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)；沼氣中氮?dú)獾暮砍尸F(xiàn)逐漸降低，最后趨勢(shì)穩(wěn)定。由此可知，在厭氧發(fā)酵后期，污泥中的氮元素大部分轉(zhuǎn)化為離子態(tài)氨氮類物質(zhì)，致使沼氣中的氮?dú)夂拷档汀?/p>

本工藝所產(chǎn)生的沼氣，經(jīng)過(guò)脫水、脫硫、脫碳處理后，制備成天然氣（生物燃?xì)猓?，其主要性能指?biāo)見(jiàn)表5。

表5 沼氣制備的生物燃?xì)庵笜?biāo)

由表5可知，污泥資源化處理得到的生物質(zhì)燃?xì)獬^(guò)國(guó)家二類天然氣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以直接并入管網(wǎng)或用于汽車加氣。

4.4 正常運(yùn)行參數(shù)

污泥厭氧消化正常運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)下表。

表6 污泥厭氧消化正常運(yùn)行參數(shù)

由表6可知，污泥在厭氧罐內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足厭氧消化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

目前，各地都在積極探索污泥處置的工藝、方法，尋找適合本地區(qū)的污泥處置方案。本研究通過(guò)中溫厭氧發(fā)酵技術(shù)對(duì)污泥進(jìn)行處理，通過(guò)專性厭氧菌控制技術(shù)，降解污泥中的有機(jī)物，生成甲烷氣體；通過(guò)沼氣提純技術(shù)制備天然氣，提供潔凈能源。該技術(shù)及工藝為污泥的清潔生產(chǎn)工藝，在整個(gè)工藝流程中，實(shí)現(xiàn)資源化，達(dá)到零排放，無(wú)二次污染。

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