污泥厌氧消化技术的研究与进展

环 境 工 程2008年第26卷增刊

污泥厌氧消化技术的研究与进展

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曹秀芹1 陈爱宁1 甘一萍2 常 江2 周 军2

(1.北京建筑工程学院环能学院,北京100044;2.北京市城市排水集团,北京100022)

摘 要 厌氧消化是目前国际上应用最为广泛的污泥稳定化和资源化的方法,随着全球性的能源危机以及各国可持续发展和环保法规的相继出台,该技术将有更加广阔的发展前景。阐述了厌氧消化的基本原理和应用情况,讨论了近年国外针对厌氧消化预处理技术和不同运行条件对厌氧消化反应效果的影响以及不同污泥处理工艺产能效果等方面研究成果及最新进展。关键词 厌氧消化 污泥 运行条件 能量分析

NEW DEV ELO PMENT OF ANA ER OBIC DIG ES TION TEC HNOLOGY O F S EW A GE S LUDGE

Cao Xiuqin Chen A ining

(Beijing U niver sity o f Civil Eng ineering and A rchitecture,Beijing 100044)

Gan Y iping Chang Jiang Zhou Jun

(Beijing U nban Drainag e Gr oup Co L td,Beijing 100022)

Abstract

A naerobic dig est ion is the most prev alent method of sewag e sludg e stabilizat ion and r ecyclation

thr ougho ut the w or ld A nd this technolog y will have a br oad pro spect.because o f envir onment and ener g y cr i sis and the implementation of related laws T he principles and pr act ical situatio n o f anaer obic digestio n ar e br iefly intr oduced It's new development,such as pretreatment technolog y,the influence of different operating co nditions and the co mpar ison of energ y balance of different config ur atio ns w ill also be discussed here Keywords anaerobic dig estion sludg e operating par ameters ener g y analy sis

*建设部科技发展项目(M OC06-k4-28);北京市留学人员资助项目(BOP-06);北京市创新团队项目(BJ E10016200611)。

0 前言

城镇污水厂污水处理过程中产生的初沉污泥和剩

余污泥中既含有N 、P 、K 等营养元素及大量有机物质,同时还有一定量的病原微生物、重金属和其他有害成分[1]

,因此对城镇污泥的处理不当会同时造成环境污染和资源浪费的问题。2006年我国污水年排放量已达536 8亿m 3

,污水处理率约20%,污泥产量约为3000万t/a (按含水率97%计)。按照我国城市污水处理厂的建设规划,2010年,我国城市污水的处理量和处理率将进一步增加,污泥年产量也将大幅度提高[2],可见我国污泥处理的形式十分严峻。在我国 十一五 有关污水处理设施的建设投资中污泥部分增长显著,约占总投资的16%。未来随着污泥处理处置的进一步完善,其投资力度必将进一步加大,因此寻求高效经济的污泥处理方法也日益引起重视。

在众多的污泥处理方法中,厌氧消化由于其高效

的能量回收和较低的环境影响是目前国际上应用最为广泛的污泥稳定化和资源化的处理方法。它可以使污泥中挥发性悬浮固体(VS)含量减少30%~50%,从而使污泥达到稳定,并有利于后续的脱水处理。经厌氧消化后的污泥中依然含有丰富的有机肥效成分,适用于土地利用,脱水后的消化污泥还可以作为发电厂或水泥厂的辅助燃料。在厌氧消化过程中产生的沼气可以用来发电以补充厌氧消化或污水厂内其他工艺用电需要。由此可见厌氧消化技术可以大大提高污泥综合利用的水平,在能源日益紧张,尤其是我国倡导节能减排的今天具有很强的现实意义。1 污泥厌氧消化的概况

1 1 污泥厌氧消化的原理及运行方式

厌氧消化是利用兼性菌和厌氧菌进行厌氧生化反应,分解污泥中有机物质的一种污泥处理工艺。该过程是由多种微生物参与的复杂过程,目前对厌氧消化的原理较为全面的阐述为Bryant 提出的三阶段理论和Zeikus 提出的四种群理论[3]。三阶段理论认为,整

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个厌氧消化过程分为水解酸化、产氢产乙酸和产甲烷三个阶段。有机物首先通过水解发酵细菌的作用生成挥发性脂肪酸、醇类和乳酸等,接着由产氢产乙酸菌的降解作用而被转化为乙酸、氢气和二氧化碳,然后再被产甲烷菌利用,最终为转化甲烷和二氧化碳。其中产氢产乙酸菌和产甲烷菌存在着互营共生的关系。四种群理论在三段理论基础上增加了第二阶段同型产乙酸菌,该菌群的代谢特点是能将氢气与二氧化碳合成为乙酸。但研究结果表明,这部分乙酸产量很少,一般可忽略不计。因此厌氧消化机理现阶段仍以三阶段理论阐述为主。

根据厌氧消化过程中甲烷菌的适宜温度范围,污泥厌氧消化可以分为中温(30~36 )和高温消化过程(50~53 )。其中,高温消化具有消化速度快、处理负荷高、反应时间短和反应器容积小等优点。高温条件对有机物的降解和病原菌的杀灭非常有效,尤其当污泥进一步作土地利用时,高温处理更为必要。因此其在国外的应用实例不断增加,但在我国实际应用中,多采用中温消化,这是受我国经济发展水平所限,为了维持高温消化的温度,需要消耗更多能量,其运行成本要高于中温消化。

根据厌氧消化的工艺运行形式,分为两相消化和两级消化。两相消化工艺设有两个单独的反应器,为产酸菌和产甲烷菌提供了各自的生存环境,能够降低在有机负荷过高的情况下挥发性有机酸积累对产甲烷菌活性的抑制,降低反应器中不稳定因素的影响,提高反应器的负荷和产气的效率。但在实际应用中由于两相消化系统需要更多的投资,运转维护也更为复杂,并没有表现出优越性,在欧洲固体垃圾厌氧消化中,两相消化所占的比重比单相消化要小得多[4]。两级消化是为了节省污泥加温与搅拌所需能量,根据消化时间与产气量的关系而建立的运行方式。该方法把消化池设为两级,第一级消化池有加热、搅拌设备,污泥在该池内被降解后,送入第二级消化池。第二级消化池不设加热与搅拌设备,依靠余热继续消化。由于不搅拌,第二级消化池还兼有污泥浓缩的功能,并降低污泥含水率。目前国内外仍以两级厌氧消化运行为主。

1 2 国内外的应用情况

目前,在整个欧洲共有超过36000座厌氧消化反应器,对污泥的处理量占欧洲总产泥量的40%~ 50%[5]。根据美国环保局1998年的调查,厌氧消化是美国污水厂采用最普遍的污泥稳定方法,占60%。日本大多数污水处理厂也是采用厌氧消化来处理污泥,而且近年不断改进消化技术,如通过机械浓缩产生更高浓度污泥进行厌氧消化以及对搅拌技术和热效的改善等。另外,为了提高消化率,还在探讨热碱、超声波强化处理等预处理工艺对厌氧消化效果的改善等[6]。早在20世纪80年代,发达国家的城镇污水处理厂污泥厌氧消化产生沼气转化的电能即可满足污水厂处理时所需电力的33%~100%[7]。

我国厌氧消化技术应用始于20世纪30年代,但直至70年代后期才开始较稳步地发展。其中农用沼气池普及速度较快,至今已有单池容积6~10m3的农村家用池570万个,容积在100m3以上的大中型沼气工程装置540多处,在获取能源、净化环境方面起到了很好作用[6]。

但是我国污水厂的污泥厌氧消化技术应用与发达国家相比差距较大。我国现有污水处理设施中,具有污泥稳定处理设施的不到25%,处理工艺和配套设施完善的不到10%。由于建设厌氧消化池并配套沼气发电设备加大了污水处理厂的投资和运行管理难度,因此一度污水处理厂都不建厌氧消化系统。但是随着国家政策和法规的不断完善,同时为缓解我国能源资源严重短缺的状况,污泥厌氧消化技术必将会得到进一步的发展。

目前国内一些大型污水处理厂已建完善污泥厌氧消化与沼气发电设施。如北京高碑店污水处理厂(100万m3/d)污泥处理采用两级中温厌氧消化工艺,通过技术改造和工艺调整,最大限度地收集沼气用于发电。2004年的上半年,其沼气发电机组累计发电528万(kW h),占全厂电量消耗的22 6%。天津纪庄子污水处理厂(52万m3/h)、东郊污水处理厂(40万m3/h)和咸阳路污水处理厂(45万m3/h)等也建有完善的污泥厌氧消化与沼气发电设施。但迄今为止,我国厌氧消化池的稳定运行和沼气利用等问题还有待进一步完善[8]。

2 厌氧消化技术的新进展

自1868年Bechamp第一个提出甲烷的形成是微生物学过程以来,国际上众多的微生物学家与环境学家就一直在致力于厌氧消化技术的研究,并使其获得广泛的应用和长足的发展。以下主要就厌氧消化技术在改善工艺条件、采取预处理强化措施以及产能效果等方面进行深入分析。

2 1 改善工艺条件

2 1 1 提高碳氮比改善厌氧消化性能

通常厌氧消化反应的理想碳氮比为10~20,而实际污水处理厂剩余污泥中碳氮比仅为4 60~5 04无法达到厌氧消化反应所需的理想碳氮比。因此可以考

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