讓厭氧消化工藝技術重新煥發(fā)活力

唐建國（上海市水務局）

傳統(tǒng)的厭氧消化存在的主要問題：

問題一，消化效率低。5%進泥含固率，消化池體積龐大，時間長，污泥有機質(zhì)含量低；

問題二，沼氣產(chǎn)物中H₂S含量高。除硫不容易，沼氣利用難；

問題三，設計和運行考慮不周。污泥中高含砂量，磨損、沉積；高浮渣含量。

——實際運行運行往往達不到設計規(guī)模，上海白龍港僅能夠達到設計規(guī)模的80%。

問題四，消化后的污泥產(chǎn)物無出路。處理后國內(nèi)基本上還是填埋。

上述問題導致了對厭氧消化工藝技術的“畏懼”，使這一在國外為主流的污泥處理技術，在國內(nèi)并不受青睞。

問題產(chǎn)生的原因：

原因一：沒有從污泥處理、處置的全過程來考慮污泥處理，導致處理后的產(chǎn)物沒有出路。——處置決定處理，處理失去了實際意義。

原因二：沒有充分認識到厭氧消化后，處理產(chǎn)物的價值，沼氣是能源、生物碳土含有珍貴的腐殖酸（胡敏酸和富里酸等）。——沒有真正認識到生物質(zhì)利用的重要性，被重金屬嚇怕。

原因三：厭氧消化工藝操作比較復雜。——沒有沉下心來，研究設計和運行中存在的問題，專業(yè)人才匱乏，運行管理的水平不高。

原因四：沒有深入研究厭氧消化和物質(zhì)轉(zhuǎn)化機理，硫酸鹽、重金屬等形態(tài)變化、pH變化規(guī)律等。——掌握機理，對做好厭氧消化非常重要。

厭氧消化技術發(fā)展：

以高溫熱水解為厭氧消化預處理技術，是解決工藝系統(tǒng)問題的良策。

——國外將“高溫熱水解——厭氧消化”稱之為“高級厭氧消化”。

——英國：目前土地利用：只允許高級厭氧消化后這種深度處理后的處理產(chǎn)物。

水解的作用

作用一：水解以改善厭氧消化反應條件為目標，是一個預處理過程；

作用二：分解不可降解，或者難降解的物質(zhì)，如胞外聚合物（EPS）。

該預處理技術是本世紀初由挪威CAMBI公司發(fā)明。

目前全球范圍已有20多個項目使用了這項技術，據(jù)資料介紹每年處理420000t污泥（以干重計），按照含水率80%計，相當于每天5800m3。

其目的是利用高溫和高壓迫使污泥分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（俗稱：破壁），以加快整個消化過程和脫水性能，并優(yōu)化污泥轉(zhuǎn)化為沼氣的有機物質(zhì)比例。

熱水解處理過程包括以下階段：

——脫水污泥（含水率15~20%）進入混合預熱罐（也稱漿化罐），與從高溫熱水解污泥換熱和閃蒸罐回收蒸汽混和，將污泥預加熱至約100 ℃；

——預熱后的污泥進入高溫熱水解罐進行熱水解反應，在0.6~0.7MPa和150~170℃情況下，（熱水解）反應30min，一般采用序批式方法工作，即通過罐體準備、進料、反應、出料的四步輪換，實現(xiàn)連續(xù)運行；

——熱水解后的污泥會被急速送到閃蒸罐，由于壓力的釋放，在壓力差的作用下，污泥細胞得到破壞；

——經(jīng)熱水解和閃蒸罐釋放壓力后的污泥溫度100~110℃，經(jīng)熱交換器進行冷卻，換熱后污泥溫度在40~50℃，以滿足后續(xù)厭氧消化的要求。

——整個批次4~5小時。

高溫熱水解的效果：可提高可生化利用的物質(zhì)；提高降解率，意味著能源——沼氣產(chǎn)量的提高；可改善脫水效果，實現(xiàn)污泥減量；可提高衛(wèi)生化水平。

對策措施：

對策一，從工藝系統(tǒng)上加以完善。

通過高溫熱水解預處理，解決了如下問題：

1、提高了消化效率：消化池進泥含固率從傳統(tǒng)的5%，可以提高的10~12%；消化溫度40℃左右，消化時間從20~25天，可以縮短到15~20天。

2、改善了污泥性能。污泥粘滯性得到改善，經(jīng)高溫熱水解處理后污泥含固率降至11%左右。其粘滯性與含固率5%的污泥粘滯性相近。

——正因為如此，原有輸送和攪拌設備不用更換，就能夠?qū)崿F(xiàn)能力翻倍。

——歐洲在厭氧消化設施擴容時，首選高溫熱水解作為預處理。

3、提高了沼氣產(chǎn)量。水解后，有機成分中能夠厭氧消化降解的成分增多，使沼氣產(chǎn)量增加；處理一立方米污泥（含水率80%）沼氣產(chǎn)量：

傳統(tǒng)厭氧消化為：30~40立方米。

高級厭氧消化為：50~60立方米。

——沼氣產(chǎn)量提高的另外一個意義是：有機物降解更加充分，污泥穩(wěn)定化成度更好。

4、改善了消化環(huán)境。高溫熱水解后，消化液的高銨氮濃度，使得消化液為弱堿性，有利于甲烷菌生長。

——甲烷菌較水解和酸化微生物對環(huán)境條件更加敏感，故其最易受到破壞。一旦甲烷菌受到破壞，消化的中間產(chǎn)物——有機酸就會富集。

——有機酸含量增加到2000毫克/升以上時，傳統(tǒng)消化的pH值就會降低到7.0以下（與消化液堿度有關）。

——pH值降低，又會導致非離解性酸含量和CO2增加，而使沼氣產(chǎn)量下降。

5、降低了硫化氫含量。傳統(tǒng)厭氧消化沼氣的硫化氫含量數(shù)百，乃至數(shù)千ppm，而高溫熱水后，往往不足100ppm。

——消化池中H2S的含量與pH有關，pH越低對消化反應的抑制作用就越大。

——高溫熱水后，消化池內(nèi)的pH值為7.5~8.0。

——pH值7.3意味著比pH值為7.8溶液的H+摩爾濃度高3倍多。氫離子濃度低了，也就降低了形成硫化氫的可能性。

——硫化氫含量低是沼氣利用的福音。

6、降低了重金屬的溶解性。由于氫離子濃度的降低，為硫與重金屬離子的結(jié)合創(chuàng)造了條件，形成難溶解的硫化與重金屬的化合物，而且是難溶解的。

——離子態(tài)重金屬，成為非離子態(tài)的重金屬。

——這就是“固定”或者“鈍化”作用。

——重金屬的毒性——一定要結(jié)合重金屬的形態(tài)變化來講。

7、提高穩(wěn)定化水平。熱水解厭氧消化后的污泥有機物降解率高，消化后的“污泥”不粘手，也沒有令人作嘔的氣味。

——德國DIN4045定義：穩(wěn)定化處理是指減少氣味物質(zhì)和有機物含量的處理，與此同時改善脫水性能，減少病原菌的污泥處理過程。

——穩(wěn)定化的實質(zhì)是：微生物不再具有發(fā)生作用條件。

對策二，從裝備和運行上予以應對。

1、積極應對砂和渣。我國污泥中高砂和高渣含量直接影響著輸送和消化設施的安全運行。

——美國旋流沉砂池可以做到對0.07mm砂子的去除率達到85%。

——彌補措施，采取對進泥進行分離的辦法。

2、設備形式要改進。主動從設備形式上和設備配備上進行改進，適應我國的泥性。

——不同的高溫熱水解罐形式。

3、強化消化池攪拌。攪拌好了就能夠有效避免浮渣和沉砂。

對策三，從生物質(zhì)利用高度解決出路

1、了解一下日本。日本最近更改了下水道的定義，新的下水道定義是：收集從城市排放出的資源、能源并進行再生的設施。

2009年3月日本《社會資本建設重點計劃》進行了修改，將下水污泥循環(huán)利用率進行了修改，采用新的指標——生物質(zhì)循環(huán)利用率。

生物質(zhì)循環(huán)利用率的定義是：下水道污泥中的有機物被有效用于氣體發(fā)電等能源利用和綠農(nóng)地利用的比例。

——這一定義的修改，更加體現(xiàn)了日本對下水污泥生物質(zhì)資源化利用的重視。

——目標是由2008年的23%，提高到2012年的39%。

2、看看我們自己。差距在哪里？

——把好氧發(fā)酵和厭氧消化處理后產(chǎn)物，仍然稱為污泥，才有了污泥處置。

——污泥處置，提法科學嗎？

——處理后的產(chǎn)物，為什么不能夠叫“生物碳土”。

——處置是處理后產(chǎn)物的利用。

——處理是滿足產(chǎn)物利用的要求。

3、如何有出路。有機物、氮、磷進入水體——富營養(yǎng)化；進入大氣——溫室氣體、PM2.5；

只有把有機物、氮、磷變成生物質(zhì)——能源和生物碳土加以利用才有出路，而且不會污染。

可借鑒的經(jīng)驗：

1、充分注重與污泥實情相結(jié)合。不但要應對砂子，還要應對“老泥”的處理。

——魚梁洲污水處理廠日產(chǎn)污泥約150~200噸/d（含水率80%），在該污泥處理廠建成之前，由于污泥未加處理，導致近15萬噸的污泥（含水率80%）堆積在廠內(nèi)，所以該污泥處理廠除要處理每日脫水的新鮮污泥外，在近期還要承擔堆積污泥的處理任務，目前每天約處理堆積污泥100噸。

2、充分利用高溫熱水解帶來優(yōu)勢。襄陽工程沼氣的硫化氫含量為50-100ppm（消化池出泥pH為7.8）�，F(xiàn)厭氧消化池每天約產(chǎn)生沼氣8000~10000m3，除系統(tǒng)自用外，其余提純處理——約為1000~15000 m3，達到國家壓縮車用天然氣標準，用于加氣站，供汽車使用，售價4.5元/ m3。

——上海市白龍港污水處理廠沼氣的硫化氫含量為350~800ppm（消化池出泥平均pH為7.34）。

——除硫的簡化——省事、省錢。

3、充分挖掘設施潛力。積極利用設施潛力，積極探索餐廚垃圾的同步處理。

4、充分實踐“生物碳土”的利用。獨到的“可移動式”苗木栽培技術，讓處理后的產(chǎn)物——生物碳土有了出路。

（根據(jù)中國給水排水雜志2014年中國城鎮(zhèn)污泥處理處置技術與應用高級研討會報告速記內(nèi)容刪減，未經(jīng)報告人審核。）

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