污泥厭氧消化技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

查湘義

（遼寧省交通高等專科學(xué)校，遼寧 沈陽(yáng) 110122）

隨著我國(guó)城市化和工業(yè)化的發(fā)展，人民生活水平的提高，城鎮(zhèn)生活污水的排放量也在急劇增加，加之國(guó)家對(duì)城鎮(zhèn)污水的處理率以及污水的排放要求不斷提高，這就不可避免地增加了污水處理過(guò)程中所產(chǎn)生的污泥量。據(jù)國(guó)家生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2015 年中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》顯示：我國(guó)生活污水排放總量為535.2 億噸，城鎮(zhèn)污水處理廠為6910 座，全年共產(chǎn)生的污泥量為3015.9 萬(wàn)噸。污泥的成分復(fù)雜、含水率高且體積大，污泥中不僅含有寄生蟲(chóng)卵、病原菌以及重金屬等有害物質(zhì)，還含有大量有機(jī)物質(zhì)以及植物生產(chǎn)所需的N、P 等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。如此大量的污泥不經(jīng)過(guò)處理直接排放，不僅會(huì)危害生態(tài)環(huán)境以及人體健康，還會(huì)造成污泥中大量資源無(wú)法利用。目前污泥的處理處置方法有堆肥、干化焚燒、石灰穩(wěn)定、厭氧消化等[2]。雖然污泥的處理處置方法較多，但大多的污泥處理方法是使污泥達(dá)到減量化、無(wú)害化和穩(wěn)定化的目的，忽略了污泥的資源化利用。而污泥厭氧消化處理則可實(shí)現(xiàn)污泥的減量化、無(wú)害化和資源化利用，生成的甲烷等能源物質(zhì)可以緩解當(dāng)前緊張的能源供需矛盾。

一、污泥厭氧技術(shù)的理論發(fā)展

污泥的厭氧消化技術(shù)的理論發(fā)展主要經(jīng)歷Barker 提出的厭氧消化“兩階段學(xué)說(shuō)”和Bryan 提出的厭氧消化“三階段學(xué)說(shuō)”[3-4]。兩階段學(xué)說(shuō)是根據(jù)厭氧消化過(guò)程中微生物代謝的不同產(chǎn)物劃分為水解酸化階段和產(chǎn)甲烷階段，水解酸化階段是將復(fù)雜的有機(jī)物水解為可溶性有機(jī)物，并進(jìn)一步酸化為乙酸、丙酸、丁酸等揮發(fā)性脂肪酸；產(chǎn)甲烷階段是將第一階段的產(chǎn)物進(jìn)一步分解為無(wú)機(jī)氣體CH4和CO2。隨著研究的深入，1979 年Bryan 提出了厭氧消化“三階段學(xué)說(shuō)”，該學(xué)說(shuō)根據(jù)產(chǎn)生作用的菌群類別不同將消化階段分為水解酸化階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。第一階段是利用水解產(chǎn)酸菌的代謝作用降解有機(jī)物，生成脂肪酸和醇類；第二階段產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將第一階段的產(chǎn)物繼續(xù)分解為H2、CO2和乙酸；第三階段是產(chǎn)甲烷菌利用乙酸、氫氣以及二氧化碳產(chǎn)生甲烷。

二、污泥厭氧消化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

影響厭氧消化效果的因素較多，如溫度、pH、營(yíng)養(yǎng)和C/N 比、停留時(shí)間等，因此污泥厭氧消化的效果受到諸多因素的制約。按照厭氧反應(yīng)的溫度高低來(lái)劃分，厭氧消化可分為常溫消化、中溫消化和高溫消化。常溫消化溫度較低，不需提供熱源，能耗低，但需要污泥的停留時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)氣量較低。高溫消化停留時(shí)間短，反應(yīng)速率快，能夠有效殺死污泥中的寄生蟲(chóng)卵，但消耗熱量大。

目前我國(guó)廣泛采用的污泥厭氧消化為中溫消化，與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)污泥厭氧消化技術(shù)相對(duì)落后，處理設(shè)備也相對(duì)較簡(jiǎn)單。在運(yùn)行過(guò)程中，還存在著沼氣產(chǎn)率和甲烷含量低、反應(yīng)條件較難控制、成本相對(duì)較高等問(wèn)題。為解決此類問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究。Poland 和Ghosh 提出溫度分相厭氧消化工藝，進(jìn)一步提高了厭氧消化的處理能力和效率。這種兩相厭氧消化的工藝是將水解酸化階段和產(chǎn)甲烷階段分別在兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，并提供水解酸化菌和產(chǎn)甲烷菌的最適宜生長(zhǎng)代謝條件。通過(guò)相分離的方式，可以使水解酸化菌和產(chǎn)甲烷菌充分發(fā)揮各自的最大活性，同時(shí)水解酸化相具有更高的抗沖擊負(fù)荷能力和更寬泛的pH 適應(yīng)能力，與單相厭氧消化工藝相比處理效率和穩(wěn)定性都得到大幅度提高。

在國(guó)內(nèi)，李東[5]等人將雞糞和稻草按照不同的比例進(jìn)行混合，考察了雞糞和稻草不同配比對(duì)厭氧消化效果的影響，結(jié)果表明：雞糞和稻草以1：1 的比例混合后比單獨(dú)以稻草或雞糞為原料甲烷產(chǎn)率分別提高了40.58%、17.82%。袁光環(huán)[6]等人對(duì)污泥分別進(jìn)行了單獨(dú)堿處理、先酸后堿和先堿后酸處理，考察了對(duì)污泥進(jìn)行不同預(yù)處理時(shí)產(chǎn)氣的效能，研究結(jié)果表明，單獨(dú)堿處理的上清液COD 含量比其他兩者都高，采用先酸后堿預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)組乙酸產(chǎn)量最高。王在釗[7]等利用水熱的方法對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，考察了水熱溫度、時(shí)間和污泥固液比對(duì)污泥理化性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)水熱溫度為200 ℃、水熱時(shí)間為1h 時(shí)，污泥中有機(jī)物的溶出率可達(dá) 到0.433，污泥減 量化也可達(dá)到預(yù)期水平。王治軍[8-9]等將北京某污水處理廠的剩余污泥利用熱水解的方法進(jìn)行試驗(yàn)，研究污泥熱水解過(guò)程中的固體有機(jī)物的變化規(guī)律。試驗(yàn)研究表明，污泥中固體有機(jī)物經(jīng)歷了溶解和水解兩個(gè)過(guò)程。污泥中有機(jī)物水解生成揮發(fā)性脂肪酸（VFA），VFA 占溶解性COD（SCOD）的30%～40%，其中乙酸占VFA 的55%以上，該比例隨熱水解溫度的升高而增大。由此可知，污泥熱水解預(yù)處理促進(jìn)固體有機(jī)物的溶出，有利于污泥后續(xù)厭氧消化。

三、鐵元素強(qiáng)化污泥厭氧消化研究進(jìn)展

提高污泥厭氧消化的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)化率是污泥厭氧消化的主要研究方向。在污泥厭氧消化過(guò)程中，厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)受到溶解自由態(tài)金屬元素的濃度以及種類的影響。鐵元素強(qiáng)化厭氧消化作用主要表現(xiàn)以下幾個(gè)方面：1.作為電子供體與厭氧體系H+反應(yīng)生成H2，提高耗氫產(chǎn)甲烷菌總量與活性；2.向厭氧體系中釋放Fe2+并參與關(guān)鍵酶的合成，進(jìn)而提高厭氧體系中產(chǎn)甲烷菌活性；3.作為強(qiáng)還原劑降低體系氧化還原電位、消耗體系H+而提高pH，營(yíng)造更加易于產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)代謝的環(huán)境。4.優(yōu)化微生物種群結(jié)構(gòu)，改變水解發(fā)酵種類與促進(jìn)丙酸產(chǎn)乙酸過(guò)程，提高乙酸產(chǎn)量。

蔡梅[10]等在污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中添加零價(jià)鐵，研究投加粒徑、投加量、pH 和溫度等因素對(duì)產(chǎn)酸的影響。結(jié)果表明，零價(jià)鐵 投加能有效促進(jìn)污泥發(fā)酵產(chǎn)酸，在 5.0g/L 納米級(jí)零價(jià)鐵投加量、pH7.0、37℃ 的適應(yīng)條件下，污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸量在第4d 達(dá)到最大值。劉吉寶[11]等考察了微米級(jí)零價(jià)鐵對(duì)剩余污泥、熱水解污泥厭氧消化的影響以及對(duì)高氨氮抑制解除的影響。結(jié)果表明，投加4g·L-1和10g·L-1零價(jià)鐵對(duì)剩余污泥、熱水解污泥厭氧消化過(guò)程中的產(chǎn)甲烷速率、遲滯時(shí)間和產(chǎn)甲烷潛勢(shì)等動(dòng)力學(xué)特征均未有影響。但是，在高氨氮抑制的厭氧消化過(guò)程中，4g·L-1和10g·L-1的零價(jià)鐵投加可使厭氧消化受氨氮抑制的產(chǎn)甲烷遲滯時(shí)間由對(duì)照組的18.61d分別縮短為17.22d 和16.18d，最大產(chǎn)甲烷速率（以VS 計(jì)）由對(duì)照組的6.34 mL·（d·g）-1提升為7.84 mL·（d·g）-1和7.39 mL·（d·g）-1。零價(jià)鐵并未通過(guò)化學(xué)反應(yīng)對(duì)厭氧消化的pH 緩沖體系產(chǎn)生直接影響，而是使氨氮抑制后的產(chǎn)甲烷優(yōu)勢(shì)古菌的相對(duì)豐度（27d）由對(duì)照組的30.71%提升到53.50%和60.30%。經(jīng)雪[12]等將城市污泥和餐廚垃圾混合后協(xié)同厭氧消化，為提高厭氧消化產(chǎn)甲烷效率還加入了純鐵粉，考察純鐵粉不同投加量產(chǎn)甲烷效率。結(jié)果表明：隨著純鐵粉投加量的增加，甲烷產(chǎn)量也隨之增加，當(dāng)系統(tǒng)中純鐵粉投加量為20g/L 時(shí)累計(jì)產(chǎn)甲烷量最大，達(dá)到330.07mL/gVSS，比不外加任何鐵元素的空白組提高了41%；厭氧消化第6 天產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)酸是14329.5mg/L，比空白組提高52%；消化結(jié)束時(shí)，VS 去除率最大達(dá)到40.6%，比空白組的VS 去除率提高了47%，污泥達(dá)到穩(wěn)定。

王慶鵬等采用投加不同劑量納米零價(jià)鐵（NZVI）的低有機(jī)質(zhì)污泥進(jìn)行半連續(xù)中溫厭氧消化試驗(yàn)，研究了反應(yīng)器在不同納米零價(jià)鐵投加量下的產(chǎn)甲烷特性及微生物群落變化。研究表明，NZVI 的投加前期對(duì)產(chǎn)甲烷具有促進(jìn)作用，隨著反應(yīng)器中的NZVI 累積逐漸對(duì)產(chǎn)甲烷產(chǎn)生抑制，且投加量越高抑制效果產(chǎn)生越早抑制作用也越強(qiáng)。投加NZVI 反應(yīng)器未造成酸化或氨抑制，厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，系統(tǒng)上清液中磷酸鹽去除率最高達(dá) 97.78%。NZVI 的投加可以促進(jìn)水解產(chǎn)酸菌和氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)，而對(duì)嚴(yán)格的乙酸型產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)有一定抑制作用。劉 波等研究了單獨(dú)加鐵、單獨(dú)加碳和鐵碳聯(lián)合投加對(duì)剩余污泥厭氧消化的影響。結(jié)果表明，在水解酸化過(guò)程中，鐵碳聯(lián)合投加組SCOD 降解率最高，乙酸含量也最大，占VFAs的50.4%；在厭氧消化過(guò)程中，鐵碳聯(lián)合投加組產(chǎn)甲烷量最高，比對(duì)照組提高了35.0%。從微生物角度分析，鐵碳聯(lián)合投加促進(jìn)了微生物中甲烷鬃毛菌的生長(zhǎng)，豐度達(dá)到 52.2%。鐵碳聯(lián)合投加可以強(qiáng)化剩余污泥厭氧消化。