污泥高級(jí)厭氧消化的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 2016-03-11 陳珺，楊琦
發(fā)布日期：2016-03-13 瀏覽次數(shù)：
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核心提示：污泥高級(jí)厭氧消化的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
2016-03-11 陳珺，楊琦 中國給水排水
對(duì)污泥高級(jí)厭氧消化的技術(shù)發(fā)展動(dòng)力進(jìn)行了分析，指出了提高能源效率、污泥品質(zhì)、脫水性能、消化性能及運(yùn)行效果是高級(jí)厭氧消化發(fā)展的主要?jiǎng)恿�。�?duì)高溫消化、兩相消化、延時(shí)消化、協(xié)同消化及熱水解+消化等幾種高級(jí)厭氧消化技術(shù)進(jìn)行了介紹，分析了其技術(shù)的優(yōu)、缺點(diǎn)和工藝發(fā)展的各種變型。最后對(duì)高級(jí)厭氧消化技術(shù)的未來發(fā)展前景進(jìn)行了展望。陳珺（1975—），博士在讀，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槲鬯幚碣Y源化技術(shù)、營養(yǎng)物去除與回收、水回用及污泥處理處置技術(shù)。傳統(tǒng)厭氧消化用于處理城市污水處理廠的污泥在歐洲已超過100年歷史，污水處理的污泥厭氧中溫消化是傳統(tǒng)的處理技術(shù)，隨著對(duì)可再生能源及及經(jīng)濟(jì)效益的追求，污泥高級(jí)厭氧消化成為最近10年來污泥處理領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)鮮明的發(fā)展方向。所謂高級(jí)厭氧消化是指相對(duì)于傳統(tǒng)中溫厭氧消化能夠顯著提高揮發(fā)性固體負(fù)荷降解率（VSR）的厭氧消化技術(shù)。目前，高級(jí)厭氧消化技術(shù)主要有高溫消化、兩相消化、延時(shí)消化、協(xié)同消化以及熱水解+消化等技術(shù)形式。與傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)相比，高級(jí)厭氧消化技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用歷史較短，但一些技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)出了良好的發(fā)展勢(shì)頭，這些新技術(shù)的發(fā)展正在奠定將來厭氧消化的技術(shù)局面。很多技術(shù)目前仍然處于不斷的研究之中，高溫消化與中溫消化很類似，所不同的是運(yùn)行的溫度在50~57℃之間，高溫消化的一個(gè)顯著特點(diǎn)是高溫會(huì)更高效地滅活病原菌并使反應(yīng)速度加快。研究結(jié)果顯示，病原菌的滅活時(shí)間會(huì)隨著溫度的升高很降低。高溫消化在設(shè)計(jì)參數(shù)上與中溫消化有所不同，例如懸浮固體的負(fù)荷要高很多，另外SRT也會(huì)更低，約11~15天。高溫消化有幾種不同的形式，包括幾個(gè)高溫消化池串聯(lián)、高溫消化+中溫消化、中溫消化+高溫消化+中溫消化等形式，最常見的是高溫消化+中溫消化，這種形式的消化往往又被稱為異溫分段厭氧消化（TPAD），TPAD的一個(gè)顯著特點(diǎn)是在利用高溫消化的同時(shí)又可避免揮發(fā)性有機(jī)酸釋放的惡臭。圖1是TPAD的示意圖。目前在北美約有20個(gè)處理廠應(yīng)用了這一技術(shù)。高溫厭氧消化有諸多的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，包括提高VSS分解率、池容更小、病原菌滅活效果更好、消化污泥脫水的效果更好等。當(dāng)然這一技術(shù)也存在一些不足，比如單級(jí)高溫消化會(huì)有比較重的惡臭，污泥加熱所需的能量較高，高溫對(duì)混凝土池體是個(gè)考驗(yàn)，污泥脫水濾液中的氨含量較高，溫度較高可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器的堵塞等。為了達(dá)到較高的病原菌滅活效果，需要避免消化池在攪拌上由于完全混合池型所導(dǎo)致的短流問題，因此高溫消化池有時(shí)候會(huì)采取間歇的運(yùn)行方式，或是幾個(gè)高溫消化池串聯(lián)運(yùn)行。
傳統(tǒng)的厭氧消化包括水解、產(chǎn)酸及甲烷化這三個(gè)階段，通常都是在一個(gè)池內(nèi)完成上述反應(yīng)過程。兩相厭氧消化工藝是把酸化和甲烷化兩個(gè)階段分離在兩個(gè)串聯(lián)反應(yīng)器中，使產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌各自在最佳環(huán)境條件下生長，這樣不僅有利于充分發(fā)揮其各自的活性，而且提高了處理效果，達(dá)到了提高容積負(fù)荷率，減少反應(yīng)容積，增加運(yùn)行穩(wěn)定性的目的，工藝示意如圖2。
兩相厭氧消化在具體實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)有多種不同的組合形式，包括中溫酸化消化+高溫產(chǎn)氣消化、中溫酸化消化+中溫產(chǎn)氣消化等，為了獲得A類污泥的要求，其中的一個(gè)消化池必須是高溫消化。兩相厭氧消化有諸多的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，包括更高的VSS分解率、泡沫控制、產(chǎn)氣率更高、建設(shè)成本更低等。主要的缺點(diǎn)包括相分離導(dǎo)致操作上的復(fù)雜、酸化階段可能會(huì)產(chǎn)生高濃度的硫化氫、酸化消化池在操作過程中會(huì)遇到明顯的惡臭。延時(shí)消化是把污泥厭氧消化的水力停留時(shí)間與固體停留時(shí)間分離，通常是消化池的出泥進(jìn)行固液分離后再回流到消化池，如圖3所示。延時(shí)厭氧消化的一個(gè)關(guān)鍵是用濃縮設(shè)備分離污泥，分離后的污泥再與進(jìn)來的原泥相混合進(jìn)入消化池，這樣做的一個(gè)重要目的是避免了傳統(tǒng)厭氧消化池完全混合式的以下弊端，如短流等問題，污泥的停留時(shí)間更長。延時(shí)消化的優(yōu)點(diǎn)在于將更多的細(xì)菌回流到消化池內(nèi)進(jìn)一步分解有機(jī)物，提高產(chǎn)氣率。實(shí)際上，將泥齡與水力停留時(shí)間分離的做法最早在上世紀(jì)60年代的紐約就開始嘗試，當(dāng)時(shí)的紐約衛(wèi)生局的工程師Torpey最先提出的這一想法，所以在美國有時(shí)這種做法又叫Torpey工藝，當(dāng)時(shí)主要是通過重力沉降的方法來分離固液，最近幾年采用離心和氣浮的方法在一些地方開始嘗試。延時(shí)厭氧消化的主要優(yōu)點(diǎn)包括厭氧消化池池容減小、VSS分解率更高、脫水絮凝劑量降低、消化池固體含量提高等。當(dāng)然這項(xiàng)技術(shù)存在一些缺點(diǎn)，如增加的固液分離設(shè)備可能會(huì)抵消消化池減小而導(dǎo)致的占地面積減小。另外，人們對(duì)延時(shí)消化的一個(gè)擔(dān)憂是在固液分離階段厭氧菌是否會(huì)受到明顯的影響，在澳大利亞和美國的幾個(gè)生產(chǎn)性厭氧消化工程的結(jié)果顯示，固液分離的短暫好氧階段不會(huì)到厭氧菌造成明顯的影響。但一些報(bào)告顯示，在某些污水處理廠應(yīng)用這種技術(shù)后存在換熱器堵塞嚴(yán)重的問題。協(xié)同厭氧消化是指污水處理廠污泥與其他有機(jī)廢物共同進(jìn)入消化池進(jìn)行消化，這些有機(jī)廢物包括油脂、餐廚廢物等。協(xié)同厭氧消化在歐美發(fā)展非常迅速，很多污水處理廠都在應(yīng)用這一技術(shù)，包括加州著名的EBMUD污水處理廠由于采用協(xié)同厭氧消化而成為美國一座能量自給污水處理廠的典范，見下圖。采用協(xié)同厭氧消化的主要?jiǎng)恿碜杂趯?duì)提高污水處理廠沼氣產(chǎn)量的需求，滿足污水處理廠能耗的要求，同時(shí)使一定地區(qū)內(nèi)的碳足跡最小化。采用協(xié)同消化需要注意一些問題，比如外部有機(jī)物如果碳含量太高，可能會(huì)導(dǎo)致氮的缺乏，從而引起丙酸的積累；而如果碳含量太低，則可能會(huì)引起氨中毒，因此需要在營養(yǎng)物的平衡上格外注意。與初沉污泥相比，剩余污泥在消化與脫水方面都有一定的困難，造成這種現(xiàn)象的主要原因是剩余污泥中EPS的含量較高。針對(duì)這種問題，業(yè)界發(fā)展出了很多細(xì)胞破壁技術(shù)，主要有物理、化學(xué)、生物等方法，但絕大多數(shù)這些方法的能耗或成本較高，近幾年來熱水解技術(shù)的發(fā)展實(shí)踐表明，這是一種在污泥消化與脫水方面極具前景的一項(xiàng)技術(shù)。傳統(tǒng)污泥熱水解是首先將混合污泥（初沉污泥與剩余污泥）從含固率約3%脫水至16%左右，然后進(jìn)行熱水解，以Cambi工藝為例，該技術(shù)主要由三個(gè)階段組成，首先污泥進(jìn)入漿化罐，工藝的廢熱對(duì)污泥進(jìn)行加熱，通常污泥會(huì)加熱到90℃然后進(jìn)入反應(yīng)罐；反應(yīng)罐的數(shù)量會(huì)根據(jù)處理廠規(guī)模大小而有所不同，在反應(yīng)罐內(nèi)污泥加熱到165℃左右，壓力維持在6.5巴，反應(yīng)30min左右。反應(yīng)之后的污泥進(jìn)入閃蒸罐迅速泄壓，細(xì)胞壁大量破碎，閃蒸罐的蒸汽返回漿化罐預(yù)熱下一批污泥，污泥然后冷卻、稀釋到9%~10%的含固率。挪威的Hias污水處理廠最早于1995年應(yīng)用了污泥熱水解工程，英國泰晤士水務(wù)的Chertsey污水處理廠在1999年應(yīng)用了污泥熱水解技術(shù)，是英國最早的案例，此后在英國和愛爾蘭有數(shù)十個(gè)項(xiàng)目應(yīng)用了這一技術(shù)。美國華盛頓Blue Plains污水處理廠的污泥熱水解工程在2014年投入運(yùn)行，這是迄今為止全球最大的污泥熱水解工程。除了Cambi之外，還有威立雅的Biothelys、Exelys以及荷蘭開發(fā)的Turbotec等熱水解技術(shù)。圖5 美國華盛頓Blue Plains污水處理廠熱水解工程污泥熱水解+厭氧消化的工藝有著諸多的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，首先污泥經(jīng)過高溫、高壓的熱水解后可以達(dá)到A級(jí)污泥的標(biāo)準(zhǔn)；其次，污泥熱水解使得胞內(nèi)的物質(zhì)釋放，提高了消化VSS分解率，沼氣產(chǎn)量會(huì)有一定程度的提高；由于細(xì)胞壁的破碎，污泥的脫水效果會(huì)大為改善，泥餅含固率會(huì)提高6%左右；最后，由于污泥經(jīng)過熱水解后消化池的進(jìn)泥含固率在10%左右，這樣會(huì)大幅度降低消化池的池容，減少投資。當(dāng)然熱水解也有其自身的弱點(diǎn)，主要是技術(shù)復(fù)雜、初期投資高、濾液中含有較高的氨氮和SCOD。由于世界各地污泥消化在發(fā)展的側(cè)重點(diǎn)上的不同，污泥熱水解技術(shù)在近年來也出現(xiàn)了多種技術(shù)組合形式，主要有以下幾種：（1）初沉污泥與剩余污泥全部進(jìn)入熱水解，然后再厭氧消化；（2）剩余污泥進(jìn)行熱水解后與初沉污泥混合后進(jìn)入消化池消化；（3）初沉污泥與剩余污泥全部先進(jìn)行消化，然后進(jìn)行熱水解，最后再進(jìn)入消化池消化。如圖6所示a、b、c。上述三種技術(shù)組合的應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)不同，（a）路線適合于對(duì)處理后污泥泥質(zhì)有較高的場(chǎng)合，出泥可以達(dá)到A級(jí)污泥的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)所需消化池的池容較小，但是熱水解單元的占地面積較大；（b）路線的出泥達(dá)不到A級(jí)污泥的標(biāo)準(zhǔn)，可以達(dá)到B級(jí)污泥的標(biāo)準(zhǔn)，熱水解單元的占地面積最��；（c）路線的消化池占地面積和熱水解的占地面積都較前兩者略大，但能量的回收率較高，同時(shí)可以達(dá)到A級(jí)污泥的標(biāo)準(zhǔn)。因此，具體的選擇哪一種方式取決于當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況。2 高級(jí)厭氧消化的發(fā)展動(dòng)力從前文介紹可以看出，高級(jí)厭氧消化技術(shù)的諸多自身特點(diǎn)使其在不同程度上會(huì)滿足各地的發(fā)展需求，這些特點(diǎn)大致可以總結(jié)如下：厭氧消化的一個(gè)重要功能是可以產(chǎn)生沼氣，從而實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)或沼氣的直接利用，污水處理自身對(duì)電能與熱能的需求正好符合厭氧消化的這一重要功能。目前各類高級(jí)厭氧消化技術(shù)的一個(gè)重要功能是可以在一定程度上提高沼氣的產(chǎn)量，提高的幅度與具體的技術(shù)有關(guān)，這在一定程度上促進(jìn)了高級(jí)厭氧消化技術(shù)的發(fā)展。高級(jí)厭氧消化應(yīng)用的一個(gè)重要目的是滿足污泥處置更加嚴(yán)格的要求，這種更加嚴(yán)格的要求來自多方面，包括更加嚴(yán)格的法規(guī)要求、處置成本的提高以及公眾的呼聲。美國環(huán)保局頒布的503條款將污泥分為A類污泥和B類污泥正是基于處理工藝對(duì)病原菌的不同殺滅效果而規(guī)定的。達(dá)到B類污泥的技術(shù)包括傳統(tǒng)好氧與厭氧消化、堆肥、石灰穩(wěn)定以及干化。B類污泥回用于農(nóng)田、牧場(chǎng)以及公眾接觸的場(chǎng)合會(huì)受到一定的限制，能夠達(dá)到A類污泥的技術(shù)包括堆肥、熱干化、高溫消化、巴氏消毒、熱水解等，A類污泥的應(yīng)用靈活性會(huì)很大，因?yàn)槠浜苌儆惺芟拗频膱?chǎng)合。 一些高級(jí)厭氧消化可以明顯提高VSS的分解率，這樣污泥的脫水效果就會(huì)有所提高進(jìn)而會(huì)降低與之相關(guān)的運(yùn)行成本，包括絮凝劑的消耗都會(huì)有所降低。對(duì)于已有消化的污水處理廠，高級(jí)厭氧消化可以明顯提高消化負(fù)荷從而避免已有設(shè)施的擴(kuò)容或降低新建設(shè)施的池容，這種特點(diǎn)對(duì)于占地面積緊湊的污水廠無疑具有很大的吸引力。在一些現(xiàn)有的傳統(tǒng)厭氧消化的污水處理廠中經(jīng)常會(huì)遇到一些運(yùn)行上的問題，包括臭味的控制、泡沫問題、脫水效果差、沼氣產(chǎn)量低等，這些問題雖然不是高級(jí)厭氧消化所都能解決的，但在某些情況下高級(jí)厭氧消化可以有效地避免這些問題。在污水處理廠的建設(shè)與運(yùn)行成本中，污泥濃縮、消化、脫水的所占的比例很高，高級(jí)厭氧消化在這方面具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以在較短時(shí)間內(nèi)收回投資。隨著氣候變化及對(duì)可再生能源需求呼聲的日益高漲，污泥厭氧技術(shù)正在快速發(fā)展，尤其是高級(jí)厭氧消化技術(shù)。這些技術(shù)的發(fā)展對(duì)設(shè)計(jì)和運(yùn)行提出了新的要求和新的挑戰(zhàn)，因此這些新型高級(jí)厭氧消化技術(shù)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)很難在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)中找到相應(yīng)的表述或依據(jù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用促使模型在污泥厭氧消化中將發(fā)揮更大的作用，尤其是這些新型技術(shù)的建模。在研發(fā)上，新型厭氧消化技術(shù)在與其他技術(shù)耦合時(shí)出現(xiàn)的一些新的問題也需要引起關(guān)注，例如污泥熱水解技術(shù)+消化的方式會(huì)導(dǎo)致消化液中的氨氮與SCOD較高，這種情況對(duì)側(cè)流厭氧氨氧化的應(yīng)用會(huì)是一種挑戰(zhàn)。由于歷史及其他原因，中國的污水處理廠很多沒有厭氧消化，在未來一些大型污水處理廠可能需要再建消化池，這些污水處理廠往往已經(jīng)沒有太多的占地，發(fā)展高級(jí)厭氧消化無疑對(duì)于這些污水處理廠的污泥處置之路非常關(guān)鍵。更多內(nèi)容參見《中國給水排水》雜志2016年3月第6期：污泥厭氧消化的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，作者：陳珺（中國地質(zhì)大學(xué)<北京>水資源與環(huán)境學(xué)院），楊琦（宜興新概念環(huán)境技術(shù)有限公司）。
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