污泥的能源化利用

污泥的能源化利用

1概述

1.1污泥的分类

污泥一般指介于液体和固体之间的浓稠物，很难通过沉降进行固液分离。污泥一般按以下方法分类：

1、按来源分主要有生活污水污泥、工业废水污泥和给水污泥。

2、按处理方法和分离过程分沉淀污泥（包括物理沉淀污泥、混凝沉淀污泥、化学沉淀污泥）及生物处理污泥（包括剩余污泥、生物膜法污泥）。一般废水处理厂的污泥大都是沉淀污泥和生物处理污泥的混合污泥。

3、按污泥的成分和某些性质分有机污泥和无机污泥；亲水性污泥和疏水性污泥。生活污水处理产生的混合污泥和工业废水产生的生物处理污泥是典型的有机污泥，污泥的能源化利用主要是针对该类污泥而言的。

1.2污泥的理化性质

本专题主要考虑污泥的热值。

污泥中含有较多的有机物。根据日本的分析，其元素组成为： C 50.8%, H 7.56%, N 6.11%，S 2.00%，O 33.5%。污泥具有较高的热值，干燥后相当于褐煤，可以直接当燃料或发酵产生沼气作燃气使用等。

2、能源化技术

2.1污泥消化制沼气

2.1.1污泥厌氧消化过程

污泥厌氧消化过程如图1所示：

新细胞

图1污泥厌氧消化两阶段示意图

厌氧消化是利用无氧环境下生长于污水、污泥中的厌氧菌菌群的作用，使有 机物经液化、气化而分解成稳定物质，病菌、寄生虫卵被杀死，固体达到减量和 无害化的方法。这些菌群可分为两类：兼性厌氧菌 （产酸菌）和专性厌氧菌（甲烷 菌）。

污泥的消化过程分为下图所示的两个阶段。

第一阶段一一酸性消化阶段，高分子有机物（污泥）首先在胞外酶的作用下， 水解与液化。这一过程把多糖水解成单糖，蛋白质水解成肽和氨基酸，脂肪水解 成丙三醇、脂肪酸。然后渗入细胞体内，在胞内酶的作用下转化为醋酸等挥发性 有机酸和硫化物。在这种场合下，常有大量的氢和少量的甲烷游离出来。 氢的产 生，是消化

第一阶段的特征，所以第一阶段也称“氢发酵” 。中间产物的数量和 种类均随污泥成分和消化池运行方式的不同而不同，兼性厌氧菌的分解产物或代 谢产物，几乎都具酸性，因而使污泥迅速呈酸性。所以，消化第一阶段的分解作 用亦称为“酸性发酵”或“酸性消化”。

兼性厌氧菌在分解有机物过程中产生的能量几乎全部消耗作为有机物发酵 所需的能源，只有少部分合成新细胞。因此酸性消化时，细胞的增殖很少。产酸 菌在低pH 值时也能生存，具有适应温度、pH 值迅速变化的能力，在有氧或无 氧的状态下都能生长。

第二阶段一一碱性消化阶段，专性厌氧菌将消化过程第一阶段由兼性厌氧菌 产生的中间产物和代谢产物分解成二氧化碳、 甲烷和氨。由于消化过程第二阶段 的特征是产生大量的甲烷气体，所以第二阶段称为“甲烷发酵” 。在这一阶段起 作用的细菌称为“甲烷菌”。大部分的二氧化碳气体和甲烷气体都挥发了，而氨 则以强碱性的亚硝酸铵的形式留在污泥中， 亚硝酸铵中和了消化第一阶段产生的 酸性，创造了甲烷菌生存所需的弱碱性环境。 因此，将甲烷菌进行的分解作用称 为“碱性消化”。

甲烷化过程产生的能量主要用于维持细菌生存，只有很少能量用于合成新细

胞，所以细胞的增殖也很少。甲烷菌的生长条件比较苛刻，只要有空气和光的存

甲烷 二

氧化碳

在就会立即停止活动，必须保持绝对厌氧。甲烷菌生长的最适pH值是7.0—7.6, 超过这个范围，其活性将会受到很大阻害。对中温菌最适宜的温度是[（30〜37）

± 2] C,高温菌是（53 ± 0.5）E。它们都对温度的变化和毒性物质非常敏感，生存条件非常苛刻。

专性厌氧菌能从其他物质的分子中摄取它生存所需的氧，而不依赖空气中的氧。这种细菌的酶能够溶解并分解细胞膜外的不溶性有机物，或完全分解进入细

胞内的溶解物，所以它可以使兼性厌氧菌的中间产物（乙醇、有机酸、有机盐）和代谢产物（二氧化碳气体）溶解，用来作为其本身生长和繁殖所需的能量。甲烷菌还具有在没有太阳能和叶绿素的情况下分解二氧化碳的能力。二氧化碳的还原作

用是在消化第一阶段产生的氢存在的情况下进行的。因此，好的沼气通常不含

有游离氢。

CO2 十2H2 f CH4 十02

实践证明，甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异丙醇和大量生成的醋酸、丙酸、丁

酸、蚁酸、硬脂酸等，最终均能被甲烷菌利用。在不考虑形成新细胞的情况下，这些有机物的分解过程可用下述Buswell—Mueller标准式表示：

C n H a O b n 旦b H2O - - b CH 4 - - - CO2

8 2 2 8 4 2 8 4

由于甲烷菌只能在弱碱性环境中生存，如果没有外部的帮助，就不可能克服第一阶段的酸性环境，即使能克服，也很缓慢，而需要很长的时间。正确的污泥消化方法是一开始就将pH值调整到甲烷菌能大量繁殖的弱碱性，从而使酸性的中间产物和代谢产物及时而且不断的分解。为了使消化池内不呈酸性，必须使第一阶段与第二阶段经常保持一致。这样通过两种细菌的共同作用，使酸性分解和碱性分解保持平衡，消化污泥就呈弱碱性。

消化过程中污泥分解为气体是产酸菌和甲烷菌共同作用的结果。但如上所述，甲烷菌的生长条件特别严格，即使在合适的条件下其增殖速度也非常小，因此甲烷化过程控制着整个消化进程，提高消化效率的关键是如何维持甲烷菌最适宜的生长条件。

污泥中所有的有机物被完全分解、矿化成为最终产物之前，需要很长的时间。

但经过几个星期的消化处理以后，污泥已经不再发出臭气，污泥胶体中的结合水也容易去除，这种状态的污泥叫做消化污泥。

2.1.2厌氧消化工艺

已得到研究和应用的厌氧消化工艺有：低负荷、高负荷、厌氧接触和分相消化

等四种基本工艺

、低负荷消化

低负荷工艺是最老的厌氧消化工艺，也称为普通或标准厌氧消化工艺。在这

一构造中污泥间歇进入一个没有混合，且常常没有加热的消化池。消化池内发生分层，形成浮渣、上清液、活性消化污泥和稳定化污泥层。上清液和稳定化污泥定期从消化池排出。由于消化池总体积仅很小一部分含有活性消化污泥，因此若要取得良好的污泥消化效果，需要很大的池容。此外，由于在消化池内环境条件不易控制，消化过程不稳定，效率低。因此，这一工艺几乎不用于初沉污泥的稳定化。

无加热和没有搅拌的低负荷消化池有时用于高负荷消化池之后，用于脱水前的污泥浓缩。在这种工艺中，初沉污泥被厌氧消化，二级消化池中发生显著的污泥浓缩现象。如果二级处理厂的剩余污泥与初沉污泥混合在一起消化，二级消化池固液分离效果很差。若初沉污泥与剩余污泥混合消化，在消化之前把污泥浓缩至4%……6%,二级消化池内的重力浓缩通常也非常困难。由于这些原因，目前多数设计者避免在剩余污泥消化后用二级消化池来浓缩消化污泥。

二、高负荷消化高负荷厌氧消化是在研究证实可以控制消化池内环境条件的优点后发展起来的。高负荷消化池的特征是：具体加热和搅拌，稳定的进料速度，污泥消化前经过浓缩。通过合理的设计和操作，整个消化池的大部分区域可保持较一致的条件，从而使消化池体积下降，并且消化过程的稳定性也得到了改善。

高负荷消化池既被用于中温、也用于高温消化过程。大部分消化池在中温范

围操作，中温操作需要的热能少，且过程的稳定性更好。根据最近对全美146 家污水处理厂的厌氧消化池所作的调查，有143家工厂采用中温消化。如果存在难消化的固体或油脂含量高，采用高温消化可能是有利的。在高温范围操作可提高消化速率，减少所需消化池体积。尽管高温消化增加病原微生物的杀灭率，但该工艺稳定性较差，控制较困难。

高负荷消化通常设计有搅拌系统，以便达到规定百分比的活性（工作）体积。工作体积定义为消化池总体积减去用于砂石、浮渣积累和超高的体积余量。典型设计要求的工作体积为消化池总体积的85%〜95%（即污泥占总体积的85% —95%）。

均匀的搅拌有助于维持消化池内稳定的环境条件，避免冲击负荷和“营养过

剩与营养不足”，改善过程的稳定性和消化效率。高负荷消化池很少采用连续进料，普遍的做法是把污泥按一定的时间间隔间歇加到消化池中（例如每 1 〜

2h）。

进料程序是：①在消化污泥排出之前短时间进料和搅拌；②进料前排出污泥。

试验结果表明，如果消化池以第②种进料方式操作，而不是以第①种进料方

式操作，那么病原微生物的杀灭效果就会显著的改善。

污泥浓缩可减少通过消化池的流量，因此对给定的停留时间可以采用体积更小