污泥處理與處置最全解析 附贈污泥堆肥工藝流程

1 厭氧消化的原理

厭氧消化基本原理形成經歷了酸堿發(fā)酵、三階段、四種群等理論階段。

1930年Buswell、Neave對有機物厭氧消化過程的認識延續(xù)了Thumm、Reichie(1914年)與Imhoff(1916年)酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵兩階段理論。

在兩階段理論基礎上，M.P.Bryant(1979年)完善形成了三階段理論，即水解發(fā)酵、產氫產乙酸、產甲烷三個階段。研究認為水解發(fā)酵是將復雜有機物在水解發(fā)酵菌胞外酶作用下轉化成有機酸和醇類，產氫產乙酸階段是產氫產乙酸菌將有機酸和醇類等水解發(fā)酵中間產物轉化為H2、CO2和乙酸，在產甲烷階段是產甲烷菌將由前兩階段產物轉化為CH4。

J.G.Zeikus(1979年)則進一步把參與復雜有機物厭氧消化產甲烷過程的微生物分為四種群，即是：水解發(fā)酵菌、產氫產乙酸菌、同型產乙酸菌和產甲烷菌。一般認為，四種群微生物又可以分為兩大類，即產酸細菌和產甲烷菌。相應也把厭氧消化產甲烷過程分為了產酸階段和產甲烷階段。在產酸階段參與復雜有機物降解的主要為水解發(fā)酵細菌，這類細菌的特點主要為：種類多，新陳代謝能力強、倍增時間短、對環(huán)境(溫度、pH、有毒有害或抑制物等)適應性很強。在產甲烷階段將產酸階段代謝產物甲烷化的細菌主要是產甲烷細菌，特點：相對種類少，能利用的代謝產物有限，倍增時間很長，同樣對環(huán)境因素要求也較高。

2 厭氧消化的分類

厭氧消化根據反應溫度、運行形式、污泥含固率等不同有多種分類方法。

(1)反應溫度

根據厭氧消化的溫度不同，主要分為中溫(33-35 ℃左右)、高溫(50-55 ℃左右)消化形式。其中高溫消化基于溫度高的條件，具有消化速率高、污泥處理負荷高、反應容器小等優(yōu)勢。但高溫導致高能耗、高成本的缺點，在實際應用中我國以中溫消化為主。

(2)運行形式

根據厭氧消化的運行形式不同，分為兩級消化和兩相消化。其中兩級消化是把消化池分為兩級，第一級消化池設有加熱、攪拌設備，出于節(jié)省能量、消化時間與產氣量關系的角度出發(fā)，污泥在第一級消化池內被降解后，送入第二級消化池。第二級消化池不設加熱與攪拌設備，依靠余熱繼續(xù)消化。由于不設攪拌設備，在第二級消化池，污泥成層沉淀的作用兼有污泥濃縮的功能。而兩級消化是基于產酸菌與產甲烷菌對生存環(huán)境因素的要求不同，設置兩個獨立的反應器，分別進行產酸階段和產甲烷階段反應，減少產酸階段對產甲烷菌的抑制影響。提高了污泥處理負荷和產氣效率。

(3)污泥含固率

根據厭氧消化處理污泥的含固率不同，分為干發(fā)酵和濕發(fā)酵。其中濕發(fā)酵的含固率一般為4~10%，具有啟動快，工藝成熟等優(yōu)點，是目前厭氧消化主流工藝。但存在反應容器大，設備投資造價高、發(fā)酵產物固液分離困難等不足。干發(fā)酵的含固率一般為20~30%。

具有產氣率高、能耗低、設備投資造價低、運行簡單等優(yōu)點。厭氧干發(fā)酵和厭氧濕發(fā)酵在生化反應本質上是相同的，主要是厭氧和兼性厭氧微生物在厭氧環(huán)境下分解有機物產生沼氣的過程，包括水解、酸化、乙酰化和甲烷化等反應階段。鑒于厭氧濕發(fā)酵和厭氧干發(fā)酵在生化過程上的相似性，并考慮到酸化產物對產甲烷細菌強烈的抑制作用，Ghosh于1983年提出兩階段(酸化階段和產甲烷階段)厭氧干發(fā)酵模式，在酸化階段完成對底物的水解酸化， 把大分子物質降解成揮發(fā)性脂肪酸(VFA)如乙酸、丙酸、丁酸等，這些酸性物質的積累會抑制產甲烷菌的代謝活性和生長繁殖，因此，當酸化階段完成后"需要對發(fā)酵體系總酸含量進行調節(jié)， 并將其轉移至產甲烷反應器中完成產甲烷過程。但是Shankaranand在實踐中發(fā)現，干發(fā)酵與濕發(fā)酵之間存在很大差異，這主要是由底物存在狀態(tài)的差異引起的。在干發(fā)酵中，底物是以不流動的固態(tài)存在，并且存在嚴重的異質性，盡管在發(fā)酵過程中存在滲出液的滲漏，但這種滲漏僅發(fā)生在局部，各種中間代謝產物和微生物的交流受到嚴重限制;在濕發(fā)酵中，底物在發(fā)酵過程中不斷地攪拌混合，各種中間代謝產物和微生物在底物層中分布均勻。

3 厭氧消化的研究方向

我國污泥厭氧消化的研究主要有兩個方向：一是改善消化溫度、發(fā)酵產氫、碳氮營養(yǎng)比等消化條件以及基于厭氧消化原理的工藝條件調整;二是破壞污泥結構及細胞壁促進厭氧消化的污泥預處理研究，主要有超聲波處理、微波處理、熱處理、酸堿處理、臭氧處理、雙氧水處理、生物酶處理等及不同工藝的組合。

(1)工藝條件調整

戴曉虎等采用自主開發(fā)的自控溫的厭氧反應器對高含固率(TS為10%)的城市污泥進行了高溫兩相與單相厭氧消化試驗比較研究，兩相工藝進行了不同溫度的比較，兩次試驗的酸化、甲烷化溫度分別為70 ℃、55 ℃和55 ℃、55 ℃，單相的反應溫度為55 ℃，兩相產酸、產甲烷的污泥停留時間分別為4 d和16 d，單相為20 d，兩相工藝的VS去除率都達到了40%以上，而單相高溫的去除率僅為34.9%。

高瑞麗等采用添加廚余垃圾的方式改善了城市污泥的碳氮比、胞外多聚物等工藝條件，提高了厭氧消化產沼氣、甲烷的量。按質量比例2：1的投加量分別投加剩余污泥和廚余垃圾，在溫度為35 ℃時，沼氣和甲烷產量達到最高，沼氣量為156.56 ml/gVS，其中甲烷占67.52%，比空白試驗的產量分別提高了5倍和1.5倍。

(2)污泥預處理

吳靜等采用“熱水解+高溫厭氧消化”對含固率8%~9%的凈水廠剩余污泥進行處理研究，發(fā)現在熱水解(70℃)SRT為3d、高溫厭氧消化(55℃)SRT為25d時，有機物去除率達到42%以上，污泥的衛(wèi)生風險低于中溫消化。

劉吉寶等利用微波聯合其他工藝組合對北京小紅門污水處理廠剩余污泥進行了強化污泥的厭氧消化研究，發(fā)現微波組合工藝可以強化污泥厭氧消化產甲烷的作用。其中“微波+H2O2+堿”與空白對照組經過30 d試驗比較，產甲烷速率得到了增快，產甲烷量提高了13.34%。與單獨進行微波處理相比，投加了H2O2、堿的試驗組COD的溶解情況顯著改善，說明污泥細胞壁進行了有效的破碎。經過“微波+酸”處理的污泥，污泥的表面電性和粒徑分布出現了變化，污泥脫水性能良好，毛細作用的吸水時間為9.85 S。

陳涇濤等利用高壓均質和超聲波兩種物理方法對天津某污水處理廠的剩余污泥進行了厭氧消化性能研究，發(fā)現高壓均質和超聲波都能迅速破壞污泥結構。經過高壓均質、超聲波處理后，與空白對照組中揮發(fā)性脂肪酸和溶解性COD比較分別提高了206.5%、5.4%和22.9%、2.0%，分別進行12 h的厭氧消化處理后揮發(fā)性脂肪酸分別與空白對照組提高了589.4%和507.0%，產氣量和產氣率分別提高了57.2%、51.4%和18.5%、17.3%。

城市污泥處理的好氧消化技術

好氧消化技術是活性污泥法的一種延續(xù)，是通過鼓風曝氣實現污泥自身氧化的一種污泥處理技術。

1 好氧消化的原理

污泥好氧消化是在城市污泥在不投加消化底物的條件下，對污泥進行長時間的曝氣，將處于內源呼吸階段的微生物進行自身氧化，完成污泥的好氧消化和穩(wěn)定的過程。其細胞質反應方程如下：

C5H7NO2+ 7O2 ➞ 5CO2+ 3H2O + H++NO3-

在好氧消化過程中，氨氮被氧化成NO3-，堿度降低，需要維持反應池中的pH在7左右，同時池內溶解氧不低于2 mg/L。另外為保持污泥的懸浮狀態(tài)，在保障攪拌功率的同時，污泥的含水率要維持在95%左右。

2 好氧消化的分類

城市污泥的好氧消化發(fā)展已有幾十年歷史，根據工藝的不同，主要經歷了傳統(tǒng)好氧消化工藝(CAD)、缺氧/好氧消化工藝(A/AD)、自熱高溫好氧消化工藝(ATAD)等三個工藝發(fā)展階段。

(1)好氧消化工藝(CAD)

傳統(tǒng)好氧消化工藝(CAD)根據進泥的方式不同分為連續(xù)進泥和間歇進泥。間歇進泥通過間歇操作實現了連續(xù)進泥濃縮池的作用。好氧消化的研究主要集中在對溫度、停留時間、曝氣攪拌條件以及污泥種類和初始進泥濃度進行了有機物(VSS)去除率和消化污泥的比氧攝取速率(SOUR)等污泥穩(wěn)定指標的研究。

(2)缺氧/好氧消化工藝(A/AD)

在傳統(tǒng)好氧消化工藝(CAD)中存在硝化反應消耗反應堿度的影響，研究形成了缺氧/好氧消化工藝(A/AD)，即在傳統(tǒng)好氧消化工藝(CAD)前段增加一個缺氧反應區(qū)。同樣也存在間歇操作和連續(xù)操作兩種工藝，間歇操作通過間歇曝氣在單一反應器內實現缺氧和好氧兩個工藝段，實現硝化和反硝化過程。連續(xù)操作分別設置缺氧反應器和好氧反應器，通過內回流的方式實現硝化反硝化過程的連續(xù)運行。

(3)自熱高溫好氧消化工藝(ATAD)

由于傳統(tǒng)好氧消化工藝(CAD)、缺氧/好氧消化工藝(A/AD)反應溫度低，對病原微生物的殺滅效果很差，在此基礎上自熱高溫好氧消化工藝(ATAD)應運而生。在維持污泥濃度MLSS在40 ~ 60 g/L(或VSS至少25 g/L以上)的同時，反應器采取密閉隔熱措施。并應當維持15%以上的氧轉移效率用以實現自熱。經典的自熱高溫好氧消化工藝(ATAD)采用間歇操作，設置2個反應器以上的串聯裝置運行。

3 好氧消化的研究方向

好氧消化需要曝氣供氧實現，能耗較高，但由于操作簡單、運行方便，限制應用在小型污水處理廠。目前好氧消化的研究方向主要集中在自熱高溫好氧消化工藝(ATAD)。

徐昌文等在污泥自熱高溫好氧消化研究中，通過投加消化處理后VSS去除率達到38%的消化污泥，按質量比1:9的比例添加濃縮城市污泥，控制消化溫度55 ℃、2.0 L/h的曝氣量、攪拌強度為120 r/min，發(fā)現經過15 d后消化后VSS去除率達到38.5%，而未經污泥反混的試驗去除率為33.4%。

紀月紅等改進了高溫好氧消化工藝為“中溫厭氧+高溫好氧”工藝，其中中溫厭氧消化4 d，發(fā)現經過15 d試驗后兩項工藝的VSS去除率都能達到40%以上，污泥實現了穩(wěn)定化。但是從能耗考慮，“中溫厭氧+高溫好氧”工藝 優(yōu)于單純的高溫好氧消化處理。

污泥處置

城市污泥的處置通常把污水廠污泥的堆肥、填埋、干化和加熱處理及最終利用，稱為污泥的處置。

世界范圍看，目前，城市污泥的主要處理處置方式有土地填埋、投棄大海、焚燒和土地利用。各國根據本國的地理環(huán)境、經濟水平、技術措施、交通運輸等因素確定不同的處置方式。但是，各種處置方法在實際應用中都存在一定的優(yōu)點和局限性。

(1)衛(wèi)生填埋

衛(wèi)生填埋是將經過簡單處理的城市生活污泥放置于經過特殊處理建造的填埋場，是目前污泥處置的主要方法。在我國，衛(wèi)生填埋也是主要的處置方法。衛(wèi)生填埋場的污泥經過長期的分解，可能發(fā)生滲漏現象，對地下水系造成污染。衛(wèi)生填埋同時埋掉了污泥中可回收再利用的成分，而且此法占用土地，適宜填埋的場所因城市生活污泥的大量產生而顯得越來越有限。由于滲濾液對地下水的潛在污染和城市用地的減少等原因，衛(wèi)生填埋的處理技術標準要求越來越高，許多國家和地區(qū)甚至堅決反對新建填埋場。

(2)污泥焚燒

城市生活污泥中含有一定量的有機物質，可在高溫下燃燒為灰燼。但焚燒處置要求污泥達到較高的燃燒值，一般來講，低位發(fā)熱量小于 3300 kJ/kg 時不適宜焚燒處理;低位發(fā)熱量介于 3300~5000 kJ/kg 時適宜焚燒處理;低位發(fā)熱量大于 5000kJ/kg 時適宜焚燒處理并回收熱能。這種處置方法解決了污泥的出路問題，又可充分地利用污泥中的能量，而且不需要進行無害化預處理。在國外，特別是西歐和日本已得到了廣泛的應用，在日本，污泥焚燒處理已經占污泥處理總量的 60%以上，歐盟也在 10%以上。在我國由于其一次性投資和處理成本大、焚燒煙氣需進一步處理等問題而一直未得到廣泛應用。此外，污泥中的重金屬和一些有害的揮發(fā)性物質在燃燒過程會隨著煙塵的擴散而污染空氣，易造成二次污染，而且焚燒法也燒掉了污泥中的可回收再利用部分。

(3)污泥投海

這是一種操作簡單而經濟的處理方法，利用江河海洋消納城市生活垃圾和污泥一般不需進行嚴格的無毒無害化處理，而且容量大。但這種方法只能是解決污泥污染問題的一種權宜之計，并沒有從根本上解決環(huán)境污染問題。污泥進入水體后，其中的有害有毒物溶入水環(huán)境，導致水生環(huán)境惡化;另一方面，污泥經長年累月進入水體，其中的泥沙會致使河床碼頭淤塞。隨著生態(tài)環(huán)境意識的加強，人們越來越多地關注污泥投海對海洋生態(tài)環(huán)境可能存在的影響。因此，該法已逐漸被各國禁止使用。

(4)土地利用

土地利用即將垃圾和污泥直接或經堆肥化處理后作為一種有機肥料施用于土壤。該法處置容量大，資源化程度高，但若不合理施用也可能會對環(huán)境造成污染。土地利用越來越被認為是一種積極、有效、有前途的垃圾和污泥處置方式。我國是一個發(fā)展中國家，又是一個農業(yè)大國，相對于其它處置方式而言，城市生活垃圾和污泥的土地利用更符合我國的國情。

目前, 我國在各種污泥處置方法中, 農用約占44. 8% , 陸地填埋約占31%, 其他處置約占10. 5%，另有大約13. 7%的城市污泥未經任何處理便重新回到自然界中。污泥的農田利用由于既能為作物提供營養(yǎng)成分、改良和培肥土壤，又能大量處理污泥，從而受到國內外的普遍視，若將污泥加以利用，每年可得到價值相當于9 500萬美元的商品化肥。以上幾種方法，焚燒法的技術與設備復雜，能耗大，投資高，并伴有大氣污染問題;填埋法受到用地的限制，且填埋場周圍的環(huán)境也會惡化;投海會污染海洋，對海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類食物鏈造成威脅，國際公約已明令禁止;用堆肥法處理后的城市污泥進行農業(yè)利用，具有經濟簡便、可資源化等優(yōu)點，但重金屬和病原菌、有機物等有毒有害污染物在土壤中的累積是污泥堆肥使用中的一個重大障礙。由于可持續(xù)發(fā)展的社會需求和政府的政策扶持，當今固體廢物處理的重心已從污染控制轉向資源開發(fā)。近年來發(fā)達國家已就促進厭氧消化進程技術和污泥減量技術展開研究，污泥厭氧消化技術在許多國家得到廣泛應用。沼氣作為可再生的清潔能源，既可替代秸稈、薪柴等傳統(tǒng)生物質能源，也可替代煤炭等商品能源。發(fā)展沼氣是我國能源戰(zhàn)略的重要組成部分，對增加優(yōu)質能源供應、緩解國家能源壓力具有重大的現實意義，因此利用厭氧發(fā)酵技術處理這些廢棄生活污泥，不僅能緩解環(huán)境污染的問題，而且可以變廢為寶，因此充分利用污泥進行沼氣發(fā)酵必然成為中國沼氣發(fā)展方向。

 

原標題:污泥處理與處置最全解析 附贈污泥堆肥工藝流程