污泥处理技术二：厌氧消化
1 原理与功能
厌氧消化是一种非常有效的污泥处理工艺，利用兼氧菌和厌氧菌进行厌氧生化反应，分解污泥中的有机物，实现污泥的稳定化。污泥厌氧消化的作用主要体现在：
（1）污泥稳定化。降解有机物，使污泥稳定化，防止其酸败，避免在运输和最终处置过程中对环境造成不利影响；
（2）污泥减量化。利用厌氧工艺可降解有机物，减少污泥量。同时可改善污泥的脱水性能，减少污泥脱水剂的消耗，降低污泥的含水率；
（3）消化过程中产生沼气，可以回收利用生物质能源，减少污水处理厂的能耗，减少温室气体排放。
厌氧消化处理后的污泥能够满足国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》中污泥稳定化相关指标的要求。
2 应用原则
污泥厌氧消化可实现污泥处理的减量化、稳定化、无害化和资源化，减少温室气体排放。该工艺可用于污水厂污泥的就地或集中处理。一般处理规模越大，厌氧消化工艺的综合效益越明显。
3厌氧消化过程
3.1 厌氧消化的分类
1）中温厌氧消化
中温厌氧消化温度维持在35℃±2℃，固体停留时间应大于20d，有机物容积负荷一般为2.0~4.0kg/m3⋅d，有机物分解率可达35%~45%，产气速率一般为0.75~1.10Nm3/kgVSS（去除率）。
2）高温厌氧消化
高温厌氧消化温度控制在55℃±2℃，适合嗜热产甲烷菌生长。高温厌氧消化有机物分解速度快，能有效杀灭各种病原菌及寄生虫卵，一般情况下有机物分解率可达35%~45%，停留时间可缩短至10~15d。缺点是能耗高，运行费用高，系统运行要求高。
3.2 传统厌氧消化工艺及系统组成
传统厌氧消化系统组成及工艺流程如图4-1所示。当污水处理厂内没有足够的空间建设污泥厌氧消化系统时，可将脱水污泥集中到其他建设场地，经过适当的泥浆处理后再进行厌氧消化。系统组成及工艺流程如图4-2所示。
传统的污泥厌氧消化系统主要包括：污泥进出系统、污泥加热系统、消化池搅拌系统和沼气收集、净化利用系统。
沼气池通常为蛋形或柱形，可根据混合系统、投资成本、景观要求等选择。池体可采用混凝土或钢结构。在常年气温较高的南方地区，可以考虑不设置沼气池保温措施，以节省投资。沼气混合系统可根据系统要求选择，既可采用沼气混合，也可采用机械混合。
3.3 厌氧消化新技术
在污泥消化过程中，通过破碎、水解微生物细胞壁可以提高有机物降解率和系统产气量。近年来，污泥细胞壁破碎及强化水解技术得到较多开发和应用，主要有物理化学强化预处理技术和生物强化预处理技术。
1）基于高温热水解（THP）预处理的高固体污泥厌氧消化技术
本工艺是以高固含量脱水污泥（含固量15%~20%）为对象，通过高温高压热水解预处理（-）的厌氧消化技术。该工艺利用高温（155℃~170℃）、高压（6bar）对污泥进行热水解和闪蒸，使污泥中的胞外聚合物及大分子有机物水解，同时使污泥中微生物的细胞壁破碎，增强物料的可生物降解性，提高物料的流动性，提高污泥厌氧消化池的容积利用率、厌氧消化中有机物的降解率及产气量。同时，高温高压预处理可以改善污泥的卫生性质和沼渣的脱水性能，进一步降低沼渣的含水率，有利于沼渣厌氧消化后的资源化利用。
工艺流程如图4-3所示，该工艺已在欧洲国家大型项目中得到应用。
图4-3 基于高温高压热水解预处理的高含固城市污泥厌氧消化工艺流程图
2）其他强化厌氧消化预处理技术其他强化厌氧消化预处理技术包括：
生物强化预处理技术。主要是利用高效厌氧水解菌在较高温度下强化污泥水解，或利用好氧或微好氧嗜热水解菌在较高温度下强化污泥的裂解水解。
超声波预处理技术。利用超声波“空化”产生的水力和声波作用，破坏细胞，导致细胞内物质释放，提高污泥厌氧消化的有机物降解率和产气率。
碱预处理技术：主要通过调节pH值、强化污泥水解过程等来提高有机物去除效率和产气量。
化学氧化预处理技术。它是利用臭氧等氧化剂直接或间接地破坏污泥中微生物的细胞壁，使细胞质进入溶液中，增加污泥中溶解性有机物的浓度，提高污泥的厌氧消化性能。
高压射流预处理技术。它是利用高压泵产生机械力，破坏污泥中微生物细胞的结构，使胞内物质释放出来，从而增加污泥中有机物含量，增强水解效果。
微波预处理技术。微波预处理是一种快速细胞水解方法。在微波加热过程中，表面会产生许多“热点”，破坏污泥微生物的细胞壁，溶解细胞内物质，从而达到分解污泥的目的。
4. 沼气的收集、储存和利用
4.1 沼气的性质
沼气成分包括CH4、CO2、H2S，其中甲烷含量为60%~70%，决定了沼气的热值；CO2含量为30%~40%；H2S含量一般为0.1~10g/Nm3，会产生腐蚀、异味等。沼气热值一般为21000~/Nm3，约5000~/m3，电费为6.0~7.0kWh/Nm3，经净化后可作为优质清洁能源利用。
4.2 沼气的收集、净化和提纯
1）沼气的收集和储存
沼气是高湿度混合气体，腐蚀性较强，因此收集系统应采用防腐等级高的材料。
沼气管道应沿气流方向设置一定的坡度，在低处、沼气压缩机、沼气锅炉、沼气发电机、尾气燃烧器、脱硫塔等设备的沼气管道入口、干式气柜入口、湿式气柜进出口处均应安装冷凝水去除装置。在沼气池、储气罐的适当位置应安装水封罐。由于沼气产量的波动和沼气利用的需求，沼气系统中应安装沼气储罐，以调节产气量的波动和系统的压力。沼气储罐有高压(~10bar)、低压(30~)和无压三种类型，应根据沼气产量和需求量的波动来选择沼气储罐的容积，储存时间通常为6~24h。为保证，可根据沼气利用单位的压力要求，在沼气收集系统中设置增压装置。
2）沼气净化
沼气在使用前需要经过除湿、除浊、脱硫等处理。
除湿除浊处理常采用沉淀物收集器和水沫分离器（过滤器）来除去沼气中的水沫和沉淀物。
沼气脱硫方法应根据沼气利用设备的要求进行选择。脱硫有物理化学法和生物法两大类，物理化学脱硫主要有干法和湿法两大类，干法脱硫剂一般为氧化铁，湿法吸收剂主要为NaOH或溶液，生物脱硫是在适宜的温度、湿度和微氧条件下，通过脱硫菌的代谢将H2S转化为单质硫。
3）沼气净化
厌氧消化产生的沼气含有60%~70%的甲烷，经过净化处理后可制成甲烷浓度达90%~95%以上的天然气，成为一种清洁的可再生能源。
在沼气净化过程中，沼气一般经过脱水处理后进入脱硫系统，在特定的反应条件下，经过脱硫除尘后的气体将全部或部分去除其中的二氧化碳、氨气、氮氧化物、硅氧烷等各种杂质，使气体中的甲烷浓度达到90%~95%以上。
4.3 沼气利用
沼气消化产生的沼气一般可用于沼气锅炉、沼气发电机和沼气牵引。沼气锅炉利用沼气进行加热，热效率可达90%～95%；沼气发电机利用沼气发电，并回收发电过程中产生的废热。通常1Nm3沼气可发电1.5～2.2度电，补充污水处理厂用电；内燃机热回收系统可回收40%～50%的能量用于沼气池加热。沼气牵引利用沼气直接驱动鼓风机，向曝气池供氧。
沼气经净化后达到与天然气相当的质量要求，可作为汽车燃料、家用燃气和工业燃气。
5 厌氧消化系统运行控制与管理要点
5.1 运行控制要点
1）系统启动
消化池启动分为直接启动和投加接种污泥启动两种方式，投加接种污泥可以缩短消化系统启动时间，一般接种污泥量为消化池容积的10%，厌氧消化系统启动时间一般为2~3个月。
消化系统启动时，首先向消化池内注水并加热至设计温度，然后加入生污泥。初期生污泥投加量一般为满负荷的五分之一，以后逐渐增加至设计负荷。启动阶段要加强监测测试，分析各项参数的变化趋势及参数关系，及时采取相应措施。
2）进出料控制
连续稳定的进料、出料操作是沼气池运行的重要环节，进料浓度、量和成分的突然变化都会抑制沼气池性能，理想的进料、出料操作是24h稳定进料。
3）温度
温度是影响污泥厌氧消化的关键参数，温度波动超过2℃就会影响消化效率和产气量，因此运行过程中需要控制稳定的运行温度，变化范围控制在±1℃以内。
4）碱度和挥发性酸度
消化池总碱度应维持在2000~/L，挥发性有机酸浓度一般应小于500mg/L。
挥发性有机酸和碱度反映了产酸菌与产甲烷菌之间的平衡，是消化系统是否稳定的重要指标。
5）pH值
厌氧消化过程pH值受有机酸、游离氨、碱度等影响，消化系统pH值应在6.0～8.0之间，最佳pH范围为6.8～7.2。pH值低于6.0或高于8.0时，产甲烷菌会受到抑制，影响消化系统稳定运行。
6）毒性
由于H2S、游离氨及重金属等对厌氧消化过程有抑制作用，因此厌氧消化系统的运行必须充分考虑此类毒性物质的影响。
5.2 安全管理
为防止沼气爆炸和H2S中毒，请注意以下几点：
（1）当空气中甲烷（CH4）浓度达到5%～14%（体积比）范围时，遇明火就会发生爆炸。因此，在储气罐的入口管道、沼气系统与外界连通的各个部分以及沼气压缩机、沼气锅炉、沼气发电机等设备的进出口、废气燃烧器的沼气管道入口处均需安装阻火器。同时，在沼气池、沼气系统还应安装超压安全阀、防负压阀，防止空气进入沼气系统；
（2）沼气系统防爆区域应安装CH4/CO2气体自动监测报警装置，并定期检查其可靠性，防止误报警；
（3）消解设施区域应按密闭空间处理。参照行业标准《化工生产单位密闭空间作业安全规范》执行；
（4）定期检查沼气管道系统及设备的密封性，如发现泄漏现象，应立即停气进行检修；
（5）沼气储存设备因故需要排气时，应间断排放，严禁将储存的沼气一次性全部排入大气。排气时应谨慎选择天气，严禁在雷雨天、雷电天气排气。另外，排气时还要注意下风向是否有明火或热源；
（6）沼气系统防爆区内严禁明火、烟火、铁器冲击、电焊等作业。防爆区操作室地面应铺设橡胶地板，进入时必须穿胶鞋；
（7）防爆区域内的电气设备设计、防爆设计应符合《爆炸和火灾危险环境电气设备设计规范》的有关规定；
（8）沼气系统区域周围应安装防护围栏，并建立出入口检查制度；
（9）沼气系统防爆区域内所有厂房、场地均应按照国家甲级防爆要求进行设计，具体应遵循《建筑设计防火规范》，可参照《石油化工企业设计防火规范》的有关规定。
6. 二次污染控制及要求
6.1 消化液处理及磷的回收
污泥消化上清液(沼液)含有较高的氮、磷浓度(氨氮300~/L、总磷70~200mg/L)，沼液肥效较高，有条件时可作为液肥利用。
针对污泥上清液中高氮、高磷、低碳源的特点，可采用基于磷酸铵镁（鸟粪石）法的磷回收技术和基于厌氧氨氧化工艺的生物反硝化技术对污泥消化上清液进行处理，避免增加污水处理厂水处理系统的氮、磷负荷，影响污水处理厂的正常运行。
6.2 消化污泥中重金属的钝化耦合
污泥中重金属主要以可交换状态、碳酸盐结合状态、铁锰氧化物结合状态、硫化物及有机结合状态、残渣状态5种形式存在。其中前三种为不稳定状态，易被植物吸收利用；后两种为稳定状态，不易释放到环境中。污泥中的锌、镍主要以不稳定状态存在；铜主要以硫化物和有机结合状态存在；铬主要以残渣状态存在；而汞、镉、砷、铅等剧毒金属元素几乎都以残渣状态存在。在污泥厌氧消化过程中，硫酸盐还原菌、酸化菌等可以促进污泥中硫酸盐的还原和含硫有机物的分解生成S2-离子。生成的硫离子可与污泥中的重金属发生反应，生成稳定的硫化物，使铜、锌、镍、铬等重金属的稳定态含量增加，从而减少对环境的影响。另外，温度、酸度等环境条件的变化、CO32-等无机物和有机物与重金属的络合作用以及微生物的作用，也可引起可交换离子向其他形态转化，使重金属形态分布趋于稳定，从而达到稳定、固定重金属的效果。
6.3 臭气、烟雾、甲烷和噪声治理
厌氧消化池为密闭系统，通常不会有臭气逸出，但污泥在运输、贮存过程中会散发臭气。厌氧消化系统中散发臭气的点应密闭并设置排气装置，并接入全厂统一的除臭装置进行处理。
沼气燃烧废气中主要污染物为SO2和NOx，排放浓度应符合相关标准的要求。
当沼气产量大于沼气利用量或沼气利用系统无法正常工作时，应通过废气燃烧器对沼气进行燃烧。
沼气发电、沼气牵引设备会产生噪声，产生噪声的设备应安装在室内，建筑物应采取隔声、降噪措施，进入建筑物的人员必须佩戴耳罩。
7、投资及成本评估分析
国内采用良好污泥消化系统的项目较少，所采用的关键设备及配套设施主要依赖进口，因此目前的投资和运行费用统计不具有典型性。
投资费用与系统组成、污泥性质、自动化程度、设备质量等因素有关，一般来说，厌氧消化系统工程投资约20~40万元/吨污泥（含水率80%）（不含浓缩脱水），若采用较多进口设备，投资费用会有所增加。
厌氧消化直接运行费用约60~120元/t污泥（含水率80%）（不含浓缩脱水），折合水处理费用约0.05~0.10元/t，考虑到沼气的回收利用，还可节省部分运行费用。
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