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　　1原理與作用

　　厭氧消化是利用兼性菌和厭氧菌進(jìn)行厭氧生化反應(yīng)，分解污泥中有機物質(zhì)，實現(xiàn)污泥穩(wěn)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(xiàn)在：

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

　　(2)污泥減量化。通過厭氧過程對有機物進(jìn)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(chǎn)生沼氣。它可以回收生物質(zhì)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(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918中污泥穩(wěn)定化相關(guān)指標(biāo)的要求。

　　2應(yīng)用原則

　　污泥厭氧消化可以實現(xiàn)污泥處理的減量化、穩(wěn)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(guī)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(yīng)大于20d，有機物容積負(fù)荷一般為2.0~4.0kg/m3?d，有機物分解率可達(dá)到35%~45%，產(chǎn)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(chǎn)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(dá)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(tǒng)操作要求高。

　　3.2傳統(tǒng)厭氧消化工藝流程與系統(tǒng)組成

　　傳統(tǒng)厭氧消化系統(tǒng)的組成及工藝流程，如圖4-1所示。當(dāng)污水處理廠內(nèi)沒有足夠場地建設(shè)污泥厭氧消化系統(tǒng)時，可將脫水污泥集中到其他建設(shè)地點，經(jīng)適當(dāng)漿液化處理后再進(jìn)行污泥厭氧消化，其系統(tǒng)的組成及工藝流程圖，如圖4-2所示。

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

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

　　3.3厭氧消化新技術(shù)

　　在污泥消化過程中，可通過微生物細(xì)胞壁的破壁和水解，提高有機物的降解率和系統(tǒng)的產(chǎn)氣量。近年來，開發(fā)應(yīng)用較多的污泥細(xì)胞破壁和強化水解技術(shù)，主要是物化強化預(yù)處理技術(shù)和生物強化預(yù)處理技術(shù)。

　　1)基于高溫?zé)崴?THP)預(yù)處理的高含固污泥厭氧消化技術(shù)

　　該工藝是通過高溫高壓熱水解預(yù)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(shù)。工藝采用高溫(155℃~170℃)、高壓(6bar)對污泥進(jìn)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(fā)生水解、并破解污泥中微生物的細(xì)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(chǎn)氣量，同時能通過高溫高壓預(yù)處理，改善污泥的衛(wèi)生性能及沼渣的脫水性能、進(jìn)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(guī)?；こ虘?yīng)用。

　　圖4-3基于高溫高壓熱水解預(yù)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(yù)處理技術(shù)其它強化厭氧消化預(yù)處理技術(shù)有：

　　生物強化預(yù)處理技術(shù)。它主要利用高效厭氧水解菌在較高溫度下，對污泥進(jìn)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(jìn)行強化溶胞和水解。

　　超聲波預(yù)處理技術(shù)。它利用超聲波“空穴”產(chǎn)生的水力和聲化作用破壞細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)釋放，提高污泥厭氧消化的有機物降解率和產(chǎn)氣率。

　　堿預(yù)處理技術(shù)。它主要是通過調(diào)節(jié)pH，強化污泥水解過程，從而提高有機物去除效率和產(chǎn)氣量。

　　化學(xué)氧化預(yù)處理技術(shù)。它通過氧化劑如臭氧等，直接或間接的反應(yīng)方式破壞污泥中微生物的細(xì)胞壁，使細(xì)胞質(zhì)進(jìn)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(yù)處理技術(shù)。它是利用高壓泵產(chǎn)生機械力來破壞污泥內(nèi)微生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，使得胞內(nèi)物質(zhì)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(yù)處理技術(shù)。微波預(yù)處理是一種快速的細(xì)胞水解方法，在微波加熱過程中表面會產(chǎn)生許多“熱點”，破壞污泥微生物細(xì)胞壁，使胞內(nèi)物質(zhì)溶出，從而達(dá)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(zhì)

　　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(chǎn)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(jīng)凈化處理后可作為優(yōu)質(zhì)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(tǒng)應(yīng)采用高防腐等級的材質(zhì)。

　　沼氣管道應(yīng)沿氣流方向設(shè)置一定的坡度，在低點、沼氣壓縮機、沼氣鍋爐、沼氣發(fā)電機、廢氣燃燒器、脫硫塔等設(shè)備的沼氣管線入口、干式氣柜的進(jìn)口和濕式氣柜的進(jìn)出口處都需設(shè)置冷凝水去除裝置。在消化池和貯氣柜適當(dāng)位置設(shè)置水封罐。由于沼氣產(chǎn)量的波動以及沼氣利用的需求，沼氣系統(tǒng)需設(shè)置沼氣貯柜來調(diào)節(jié)產(chǎn)氣量的波動及系統(tǒng)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(yīng)根據(jù)沼氣的產(chǎn)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(jù)沼氣利用單元的壓力要求，在沼氣收集系統(tǒng)中設(shè)置壓力提升裝置。

　　2)沼氣凈化

　　沼氣在利用之前，需進(jìn)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(yīng)根據(jù)沼氣利用設(shè)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(xì)菌的代謝作用將H2S轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫。

　　3)沼氣純化

　　厭氧消化產(chǎn)生的沼氣含有60%~70%的甲烷，經(jīng)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(jīng)初步除水后，進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，脫硫除塵后的氣體在特定反應(yīng)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(zhì)，使氣體中甲烷濃度達(dá)到90%~95%以上。

　　4.3沼氣利用

　　消化產(chǎn)生的沼氣一般可以用于沼氣鍋爐、沼氣發(fā)電機和沼氣拖動。沼氣鍋爐利用沼氣制熱，熱效率可達(dá)90%~95%;沼氣發(fā)電機是利用沼氣發(fā)電，同時回收發(fā)電過程中產(chǎn)生的余熱。通常1Nm3的沼氣可發(fā)電1.5~2.2kWh，補充污水處理廠的電耗;內(nèi)燃機熱回收系統(tǒng)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(qū)動鼓風(fēng)機，用于曝氣池的供氧。

　　將沼氣進(jìn)行提純后，達(dá)到相當(dāng)于天然氣品質(zhì)要求，可作為汽車燃料、民用燃?xì)夂凸I(yè)燃?xì)狻?/p>

　　5厭氧消化系統(tǒng)的運行控制和管理要點

　　5.1運行控制要點

　　1)系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)啟動需2~3個月時間。

　　消化系統(tǒng)啟動時先將消化池充滿水，并加溫到設(shè)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(fù)荷的五分之一，之后逐步增加到設(shè)計負(fù)荷。在啟動階段需要加強監(jiān)測與測試，分析各參數(shù)以及參數(shù)關(guān)系的變化趨勢，及時采取相應(yīng)措施。

　　2)進(jìn)出料控制

　　連續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)出料操作是消化池運行的重要環(huán)節(jié)。進(jìn)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(jìn)出料操作是24h穩(wěn)定進(jìn)料。

　　3)溫度

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

　　4)堿度和揮發(fā)酸

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

　　揮發(fā)性有機酸與堿度反映了產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的平衡狀態(tài)，是消化系統(tǒng)是否穩(wěn)定的重要指標(biāo)。

　　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(tǒng)的pH值應(yīng)在6.0~8.0之間運行，最佳pH值范圍為6.8~7.2。當(dāng)pH值低于6.0或者高于8.0時，產(chǎn)甲烷菌會受到抑制，影響消化系統(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)的運行要充分考慮此類毒性物質(zhì)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(dá)到5%~14%(體積比)區(qū)間時，遇明火就會產(chǎn)生爆炸。所以，在貯氣柜進(jìn)口管線上、所有沼氣系統(tǒng)與外界連通部位以及沼氣壓縮機、沼氣鍋爐、沼氣發(fā)電機等設(shè)備的進(jìn)出口處、廢氣燃燒器沼氣管進(jìn)口處都需要安裝消焰器。同時，在消化池及沼氣系統(tǒng)中還應(yīng)安裝過壓安全閥、負(fù)壓防止閥等，避免空氣進(jìn)入沼氣系統(tǒng);

　　(2)沼氣系統(tǒng)的防爆區(qū)域應(yīng)設(shè)置CH4/CO2氣體自動監(jiān)測報警裝置，并定期檢查其可靠性，防止誤報;

　　(3)消化設(shè)施區(qū)域應(yīng)按照受限空間對待。參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《化學(xué)品生產(chǎn)單位受限空間作業(yè)安全規(guī)范》AQ3028執(zhí)行;

　　(4)定期檢查沼氣管路系統(tǒng)及設(shè)備的嚴(yán)密性，發(fā)現(xiàn)泄漏，應(yīng)迅速停氣檢修;

　　(5)沼氣貯存設(shè)備因故需要放空時，應(yīng)間斷釋放，嚴(yán)禁將貯存的沼氣一次性排入大氣;放空時應(yīng)認(rèn)真選擇天氣，在可能產(chǎn)生雷雨或閃電的天氣嚴(yán)禁放空。另外，放空時應(yīng)注意下風(fēng)向有無明火或熱源;

　　(6)沼氣系統(tǒng)防爆區(qū)域內(nèi)一律禁止明火，嚴(yán)禁煙火，嚴(yán)禁鐵器工具撞擊或電焊操作。防爆區(qū)域內(nèi)的操作間地面應(yīng)敷設(shè)橡膠地板，入內(nèi)必須穿膠鞋;

　　(7)防爆區(qū)域內(nèi)電氣裝置設(shè)計及防爆設(shè)計應(yīng)遵循《爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》GB50058相關(guān)規(guī)定;

　　(8)沼氣系統(tǒng)區(qū)域周圍一般應(yīng)設(shè)防護(hù)欄、建立出入檢查制度;

　　(9)沼氣系統(tǒng)防爆區(qū)域的所有廠房、場地應(yīng)符合國家規(guī)定的甲級防爆要求設(shè)計。具體遵循《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016，并可參照《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》GB50160相關(guān)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(tài)肥進(jìn)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(shù)和厭氧氨氧化工藝的生物脫氮技術(shù)，對污泥消化上清液進(jìn)行處理，以免加重污水處理廠水處理系統(tǒng)的氮磷負(fù)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(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、硫化物及有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)五種形態(tài)存在。其中，前三種為不穩(wěn)定態(tài)，容易被植物吸收利用;后兩種為穩(wěn)定態(tài)，不易釋放到環(huán)境中。污泥中鋅和鎳主要以不穩(wěn)定態(tài)的形式存在;銅主要以硫化物及有機結(jié)合態(tài)存在;鉻主要以殘渣態(tài)存在;汞、鎘、砷、鉛等毒性大的金屬元素幾乎全部以殘渣態(tài)存在。在污泥的厭氧消化過程中，硫酸鹽還原菌、酸化細(xì)菌等能促使污泥中硫酸鹽的還原和含硫有機質(zhì)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(yīng)生成穩(wěn)定的硫化物，使銅、鋅、鎳、鉻等重金屬的穩(wěn)定態(tài)含量升高，從而降低對環(huán)境造成影響。另外，溫度、酸度等環(huán)境條件的變化，CO32-等無機物以及有機物與重金屬的絡(luò)合;微生物的作用，同樣可以引起可交換的離子態(tài)向其他形態(tài)的轉(zhuǎn)化，使重金屬的形態(tài)分布趨于穩(wěn)定態(tài)。從而它們可以達(dá)到穩(wěn)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(tǒng)，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(fā)。對厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)會散發(fā)臭氣的點應(yīng)進(jìn)行密閉，并設(shè)排風(fēng)裝置，引接至全廠統(tǒng)一的除臭裝置中進(jìn)行處理。

　　沼氣燃燒尾氣污染物主要為SO2和NOx，排放濃度應(yīng)遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　當(dāng)沼氣產(chǎn)生量高于沼氣利用量時或沼氣利用系統(tǒng)未工作時，沼氣應(yīng)通過廢氣燃燒器燒掉。

　　沼氣發(fā)電和沼氣拖動設(shè)備會產(chǎn)生噪聲，產(chǎn)生噪聲的設(shè)備應(yīng)設(shè)在室內(nèi)，建筑應(yīng)采用隔音降噪處理。人員進(jìn)入時，需戴護(hù)耳罩。

　　7投資與成本的評價及分析

　　國內(nèi)污泥消化系統(tǒng)運行好的項目較少，采用的關(guān)鍵設(shè)備和配套設(shè)施主要依賴進(jìn)口。因此，目前的投資與運行費用統(tǒng)計尚不具有典型性。

　　投資成本與系統(tǒng)的構(gòu)成、污泥性質(zhì)、自動化程度、設(shè)備質(zhì)量等因素相關(guān)。一般情況下，厭氧消化系統(tǒng)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(jìn)口設(shè)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。考慮沼氣回收利用后，可節(jié)省部分運行成本。