1原理與作用

　　厭氧消化是利用兼性菌和厭氧菌進行厭氧生化反應，分解污泥中有機物質，實現污泥穩定化非常有效的一種污泥處理工藝。污泥厭氧消化的作用主要體現在：

　　(1)污泥穩定化。對有機物進行降解，使污泥穩定化，不會腐臭，避免在運輸及最終處置過程中對環境造成不利影響;

　　(2)污泥減量化。通過厭氧過程對有機物進行降解，減少污泥量，同時可以改善污泥的脫水性能，減少污泥脫水的藥劑消耗，降低污泥含水率;

　　(3)消化過程中產生沼氣。它可以回收生物質能源，降低污水處理廠能耗及減少溫室氣體排放。

　　厭氧消化處理后的污泥可滿足國家《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GB18918中污泥穩定化相關指標的要求。

　　2應用原則

　　污泥厭氧消化可以實現污泥處理的減量化、穩定化、無害化和資源化，減少溫室氣體排放。該工藝可以用于污水廠污泥的就地或集中處理。它通常處理規模越大，厭氧消化工藝綜合效益越明顯。

　　3厭氧消化工藝

　　3.1厭氧消化的分類

　　1)中溫厭氧消化

　　中溫厭氧消化溫度維持在35℃±2℃，固體停留時間應大于20d，有機物容積負荷一般為2.0~4.0kg/m3?d，有機物分解率可達到35%~45%，產氣率一般為0.75~1.10Nm3/kgVSS(去除)。

　　2)高溫厭氧消化

　　高溫厭氧消化溫度控制在55℃±2℃，適合嗜熱產甲烷菌生長。高溫厭氧消化有機物分解速度快，可以有效殺滅各種致病菌和寄生蟲卵。一般情況下，有機物分解率可達到35%~45%，停留時間可縮短至10~15d。缺點是能量消耗較大，運行費用較高，系統操作要求高。

　　3.2傳統厭氧消化工藝流程與系統組成

　　傳統厭氧消化系統的組成及工藝流程，如圖4-1所示。當污水處理廠內沒有足夠場地建設污泥厭氧消化系統時，可將脫水污泥集中到其他建設地點，經適當漿液化處理后再進行污泥厭氧消化，其系統的組成及工藝流程圖，如圖4-2所示。

　　傳統污泥厭氧消化系統主要包括：污泥進出料系統、污泥加熱系統、消化池攪拌系統及沼氣收集、凈化利用系統。

　　消化池通常有蛋形和柱形等池形，可根據攪拌系統、投資成本及景觀要求來選擇。池體可采用混凝土結構或鋼結構。在全年氣溫高的南方地區，消化池可以考慮不設置保溫措施，節省投資。沼氣攪拌系統可根據系統的要求選擇沼氣攪拌或機械攪拌。

　　3.3厭氧消化新技術

　　在污泥消化過程中，可通過微生物細胞壁的破壁和水解，提高有機物的降解率和系統的產氣量。近年來，開發應用較多的污泥細胞破壁和強化水解技術，主要是物化強化預處理技術和生物強化預處理技術。

　　1)基于高溫熱水解(THP)預處理的高含固污泥厭氧消化技術

　　該工藝是通過高溫高壓熱水解預處理(ThermalHydrolysisPre-Treatment)，以高含固的脫水污泥(含固率15%~20%)為對象的厭氧消化技術。工藝采用高溫(155℃~170℃)、高壓(6bar)對污泥進行熱水解與閃蒸處理，使污泥中的胞外聚合物和大分子有機物發生水解、并破解污泥中微生物的細胞壁，強化物料的可生化性能，改善物料的流動性，提高污泥厭氧消化池的容積利用率、厭氧消化的有機物降解率和產氣量，同時能通過高溫高壓預處理，改善污泥的衛生性能及沼渣的脫水性能、進一步降低沼渣的含水率，有利于厭氧消化后沼渣的資源化利用。

　　該工藝處理流程，如圖4-3所示。此工藝已在歐洲國家得到規?；こ虘谩?/p>

　　圖4-3基于高溫高壓熱水解預處理的高含固城市污泥厭氧消化流程圖

　　2)其他強化厭氧消化預處理技術其它強化厭氧消化預處理技術有：

　　生物強化預處理技術。它主要利用高效厭氧水解菌在較高溫度下，對污泥進行強化水解或利用好氧或微氧嗜熱溶胞菌在較高溫下，對污泥進行強化溶胞和水解。

　　超聲波預處理技術。它利用超聲波“空穴”產生的水力和聲化作用破壞細胞，導致細胞內物質釋放，提高污泥厭氧消化的有機物降解率和產氣率。

　　堿預處理技術。它主要是通過調節pH，強化污泥水解過程，從而提高有機物去除效率和產氣量。

　　化學氧化預處理技術。它通過氧化劑如臭氧等，直接或間接的反應方式破壞污泥中微生物的細胞壁，使細胞質進入到溶液中，增加污泥中溶解性有機物濃度，提高污泥的厭氧消化性能。

　　高壓噴射預處理技術。它是利用高壓泵產生機械力來破壞污泥內微生物細胞的結構，使得胞內物質被釋放，從而提高污泥中有機物的含量，強化水解效果。

　　微波預處理技術。微波預處理是一種快速的細胞水解方法，在微波加熱過程中表面會產生許多“熱點”，破壞污泥微生物細胞壁，使胞內物質溶出，從而達到分解污泥的目的。

　　4沼氣的收集、貯存及利用

　　4.1沼氣的性質

　　沼氣成份包括CH4、CO2和H2S等氣體。甲烷的含量為60%~70%，決定了沼氣的熱值;CO2含量為30%~40%;H2S含量一般為0.1~10g/Nm3，會產生腐蝕及惡臭。沼氣的熱值一般為21000~25000kJ/Nm3，約5000~6000kcal/m3及6.0~7.0kWh/Nm3，經凈化處理后可作為優質的清潔能源。

　　4.2沼氣收集、凈化與純化

　　1)沼氣的收集與儲存

　　沼氣是高濕度的混合氣，具有強烈的腐蝕性，收集系統應采用高防腐等級的材質。

　　沼氣管道應沿氣流方向設置一定的坡度，在低點、沼氣壓縮機、沼氣鍋爐、沼氣發電機、廢氣燃燒器、脫硫塔等設備的沼氣管線入口、干式氣柜的進口和濕式氣柜的進出口處都需設置冷凝水去除裝置。在消化池和貯氣柜適當位置設置水封罐。由于沼氣產量的波動以及沼氣利用的需求，沼氣系統需設置沼氣貯柜來調節產氣量的波動及系統的壓力。沼氣貯柜有高壓(~10bar)，低壓(30~50mbar)和無壓三種類型。沼氣貯柜的體積應根據沼氣的產量波動及需求波動來選擇。儲存時間通常為6~24h。為了保證，可根據沼氣利用單元的壓力要求，在沼氣收集系統中設置壓力提升裝置。

　　2)沼氣凈化

　　沼氣在利用之前，需進行去濕、除濁和脫硫處理。

　　去濕和除濁處理常采用沉淀物捕集器和水沫分離器(過濾器)來去除沼氣中的水沫和沉淀物。

　　應根據沼氣利用設備的要求選擇沼氣脫硫方法。脫硫有物化法和生物法兩類。物化法脫硫主要有干法和濕法兩種。干式脫硫劑一般為氧化鐵。濕法吸收劑主要為NaOH或Na2CO3溶液。生物脫硫是在適宜的溫度、濕度和微氧條件下，通過脫硫細菌的代謝作用將H2S轉化為單質硫。

　　3)沼氣純化

　　厭氧消化產生的沼氣含有60%~70%的甲烷，經過提純處理后，可制成甲烷濃度90%~95%以上的天然氣，成為清潔的可再生能源。

　　沼氣純化過程一般沼氣經初步除水后，進入脫硫系統，脫硫除塵后的氣體在特定反應條件下，全部或部分除去二氧化碳、氨、氮氧化物、硅氧烷等多種雜質，使氣體中甲烷濃度達到90%~95%以上。

　　4.3沼氣利用

　　消化產生的沼氣一般可以用于沼氣鍋爐、沼氣發電機和沼氣拖動。沼氣鍋爐利用沼氣制熱，熱效率可達90%~95%;沼氣發電機是利用沼氣發電，同時回收發電過程中產生的余熱。通常1Nm3的沼氣可發電1.5~2.2kWh，補充污水處理廠的電耗;內燃機熱回收系統可以回收40%~50%的能量，用于消化池加溫。沼氣拖動是利用沼氣直接驅動鼓風機，用于曝氣池的供氧。

　　將沼氣進行提純后，達到相當于天然氣品質要求，可作為汽車燃料、民用燃氣和工業燃氣。

　　5厭氧消化系統的運行控制和管理要點

　　5.1運行控制要點

　　1)系統啟動

　　消化池啟動可分為直接啟動和添加接種污泥啟動兩種方式。通過添加接種污泥可縮短消化系統的啟動時間，一般接種污泥量為消化池體積的10%。通常厭氧消化系統啟動需2~3個月時間。

　　消化系統啟動時先將消化池充滿水，并加溫到設計溫度，然后開始添加生污泥。在初始階段生污泥添加量一般為滿負荷的五分之一，之后逐步增加到設計負荷。在啟動階段需要加強監測與測試，分析各參數以及參數關系的變化趨勢，及時采取相應措施。

　　2)進出料控制

　　連續穩定的進出料操作是消化池運行的重要環節。進料濃度、體積及組成的突然變化都會抑制消化池性能。理想的進出料操作是24h穩定進料。

　　3)溫度

　　溫度是影響污泥厭氧消化的關鍵參數。溫度的波動超過2℃就會影響消化效果和產氣率。因此，操作過程中需要控制穩定的運行溫度，變化范圍宜控制在±1℃內。

　　4)堿度和揮發酸

　　消化池總堿度應維持在2000~5000mg/L，揮發性有機酸濃度一般小于500mg/L。

　　揮發性有機酸與堿度反映了產酸菌和產甲烷菌的平衡狀態，是消化系統是否穩定的重要指標。

　　5)pH值

　　厭氧消化過程pH值受到有機酸和游離氨，以及堿度等的綜合影響。消化系統的pH值應在6.0~8.0之間運行，最佳pH值范圍為6.8~7.2。當pH值低于6.0或者高于8.0時，產甲烷菌會受到抑制，影響消化系統的穩定運行。

　　6)毒性

　　由于H2S、游離氨及重金屬等對厭氧消化過程有抑制作用。因此，厭氧消化系統的運行要充分考慮此類毒性物質的影響。

　　5.2安全管理

　　為了防止沼氣爆炸和H2S中毒，需注意以下事項：

　　(1)甲烷(CH4)在空氣中的濃度達到5%~14%(體積比)區間時，遇明火就會產生爆炸。所以，在貯氣柜進口管線上、所有沼氣系統與外界連通部位以及沼氣壓縮機、沼氣鍋爐、沼氣發電機等設備的進出口處、廢氣燃燒器沼氣管進口處都需要安裝消焰器。同時，在消化池及沼氣系統中還應安裝過壓安全閥、負壓防止閥等，避免空氣進入沼氣系統;

　　(2)沼氣系統的防爆區域應設置CH4/CO2氣體自動監測報警裝置，并定期檢查其可靠性，防止誤報;

　　(3)消化設施區域應按照受限空間對待。參照行業標準《化學品生產單位受限空間作業安全規范》AQ3028執行;

　　(4)定期檢查沼氣管路系統及設備的嚴密性，發現泄漏，應迅速停氣檢修;

　　(5)沼氣貯存設備因故需要放空時，應間斷釋放，嚴禁將貯存的沼氣一次性排入大氣;放空時應認真選擇天氣，在可能產生雷雨或閃電的天氣嚴禁放空。另外，放空時應注意下風向有無明火或熱源;

　　(6)沼氣系統防爆區域內一律禁止明火，嚴禁煙火，嚴禁鐵器工具撞擊或電焊操作。防爆區域內的操作間地面應敷設橡膠地板，入內必須穿膠鞋;

　　(7)防爆區域內電氣裝置設計及防爆設計應遵循《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》GB50058相關規定;

　　(8)沼氣系統區域周圍一般應設防護欄、建立出入檢查制度;

　　(9)沼氣系統防爆區域的所有廠房、場地應符合國家規定的甲級防爆要求設計。具體遵循《建筑設計防火規范》GB50016，并可參照《石油化工企業設計防火規范》GB50160相關條款。

　　6二次污染控制和要求

　　6.1消化液的處理與磷的回收利用

　　污泥消化上清液(沼液)中含有高濃度的氮、磷(氨氮300~2000mg/L，總磷70~200mg/L)。沼液肥效很高，有條件時，可作為液態肥進行利用。

　　針對污泥上清液中高氮磷、低碳源的特點，可采用基于磷酸銨鎂(鳥糞石)法的磷回收技術和厭氧氨氧化工藝的生物脫氮技術，對污泥消化上清液進行處理，以免加重污水處理廠水處理系統的氮磷負荷，影響污水處理廠的正常運行。

　　6.2消化污泥中重金屬的鈍化耦合

　　污泥中的重金屬主要以可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、硫化物及有機結合態和殘渣態五種形態存在。其中，前三種為不穩定態，容易被植物吸收利用;后兩種為穩定態，不易釋放到環境中。污泥中鋅和鎳主要以不穩定態的形式存在;銅主要以硫化物及有機結合態存在;鉻主要以殘渣態存在;汞、鎘、砷、鉛等毒性大的金屬元素幾乎全部以殘渣態存在。在污泥的厭氧消化過程中，硫酸鹽還原菌、酸化細菌等能促使污泥中硫酸鹽的還原和含硫有機質的分解，而生成S2-離子。所生成的硫離子能夠與污泥中的重金屬反應生成穩定的硫化物，使銅、鋅、鎳、鉻等重金屬的穩定態含量升高，從而降低對環境造成影響。另外，溫度、酸度等環境條件的變化，CO32-等無機物以及有機物與重金屬的絡合;微生物的作用，同樣可以引起可交換的離子態向其他形態的轉化，使重金屬的形態分布趨于穩定態。從而它們可以達到穩定、固著重金屬的作用。

　　6.3臭氣、煙氣、沼氣和噪聲處理

　　厭氧消化池是一個封閉的系統，通常不會有臭氣逸出，但是污泥在輸送和貯存過程會有臭氣散發。對厭氧消化系統內會散發臭氣的點應進行密閉，并設排風裝置，引接至全廠統一的除臭裝置中進行處理。

　　沼氣燃燒尾氣污染物主要為SO2和NOx，排放濃度應遵守相關標準的要求。

　　當沼氣產生量高于沼氣利用量時或沼氣利用系統未工作時，沼氣應通過廢氣燃燒器燒掉。

　　沼氣發電和沼氣拖動設備會產生噪聲，產生噪聲的設備應設在室內，建筑應采用隔音降噪處理。人員進入時，需戴護耳罩。

　　7投資與成本的評價及分析

　　國內污泥消化系統運行好的項目較少，采用的關鍵設備和配套設施主要依賴進口。因此，目前的投資與運行費用統計尚不具有典型性。

　　投資成本與系統的構成、污泥性質、自動化程度、設備質量等因素相關。一般情況下，厭氧消化系統的工程投資約為20~40萬元/t污泥(含水率80%)(不包括濃縮和脫水)。若采用更多進口設備，投資成本將會增加。

　　厭氧消化直接運行成本約60~120元/t污泥(含水率80%)(不包括濃縮和脫水)，折合噸水處理成本約0.05~0.10元/t?？紤]沼氣回收利用后，可節省部分運行成本。