李 琳

（北京機(jī)電院高技術(shù)股份有限公司，北京 100027）

污泥是污水經(jīng)過物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法等方法處理后的副產(chǎn)物，是一種由有機(jī)殘片、細(xì)菌菌體、無機(jī)顆粒、膠體等組成的極其復(fù)雜的非均質(zhì)體，懸浮物濃度一般為1%～10%，并呈介于液體和固體兩種形態(tài)之間的膠體狀態(tài)。隨著各國(guó)污水產(chǎn)生和處理量的快速增長(zhǎng)，污泥的產(chǎn)生量也隨之大幅增加，其對(duì)環(huán)境造成的污染已引起全球的共同關(guān)注，污泥的處理處置也成為當(dāng)今重要的研究課題之一。

目前世界污泥處理處置的主流技術(shù)有厭氧消化、好氧堆肥、干化焚燒、土地利用等，在這些技術(shù)中，厭氧消化以其顯著的污泥穩(wěn)定化、能源化效果得到了國(guó)內(nèi)外的青睞。

1 污泥厭氧消化技術(shù)

污泥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(jī)物質(zhì)，使之達(dá)到減量化和穩(wěn)定化，同時(shí)產(chǎn)生沼氣的一種污泥處理工藝。沼氣回收后可以用于燃燒發(fā)電或供熱，也可以將沼氣加工成工業(yè)原料；消化后的污泥經(jīng)脫水和無害化處理后，可制成有機(jī)肥或作為水泥廠、燃煤電廠的輔助燃料。

目前國(guó)際公認(rèn)的對(duì)厭氧消化原理和反應(yīng)過程闡述較為全面的是三階段論，由Bryant等人于1979年根據(jù)微生物種群的生理分類特點(diǎn)而提出。他們認(rèn)為，厭氧消化依次分為水解及酸化階段、乙酸化階段和甲烷化階段，各階段之間既相互聯(lián)系又相互影響，并具有獨(dú)特的微生物群體。水解酸化階段：參與該階段的微生物包括細(xì)菌、原生動(dòng)物和真菌，大多數(shù)為絕對(duì)厭氧菌，此外還有兼性厭氧菌，污泥中的碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素等非水溶性高分子有機(jī)物在微生物水解酶的作用下水解成溶解性物質(zhì)，再轉(zhuǎn)化成乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸和乙醇、二氧化碳。乙酸化階段：該階段的微生物主要為產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌以及同型乙酸菌，將水解酸化產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜?。甲烷化階段：甲烷菌是該階段的主要細(xì)菌，屬于絕對(duì)厭氧菌。甲烷菌分為兩組，一組把氫和二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲烷，另一組是對(duì)乙酸脫羧產(chǎn)生甲烷。

按消化反應(yīng)溫度，污泥厭氧消化分為中溫消化和高溫消化，反應(yīng)溫度分別是30℃～35℃和50℃～55℃。相比之下，高溫消化比中溫消化反應(yīng)速度快、有機(jī)負(fù)荷高、產(chǎn)氣率高、消化池體積小、有機(jī)物降解更徹底、病原菌殺滅率更高，但能耗相對(duì)較高，投入大，控制困難[1]。因此，溫度是影響厭氧消化的重要因素之一。此外，厭氧消化的影響因素還有生物固體停留時(shí)間（污泥齡）與負(fù)荷、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、C/N比、有毒物質(zhì)、pH值和消化液的緩沖作用等。

2 污泥厭氧消化技術(shù)研究進(jìn)展

總體來看，目前國(guó)內(nèi)外的有關(guān)研究主要集中在如何改善污泥的厭氧消化性能，以提高反應(yīng)效率、污染物去除率和沼氣產(chǎn)生率，其中對(duì)有機(jī)廢物與污泥混合處理以及以預(yù)處理技術(shù)方面的研究最多。

有機(jī)廢物與污泥混合厭氧消化技術(shù)。厭氧消化的最佳C/N比是10～20，而污水處理廠污泥的C/N比較低，一般僅為4.60～5.04，在其單獨(dú)厭氧消化時(shí)，含N物質(zhì)溶出較快，致使NH3-N濃度過高，不利于維持體系營(yíng)養(yǎng)配比的平衡和分解反應(yīng)的進(jìn)行[1-4]。為了解決這一問題，國(guó)內(nèi)外對(duì)廚余垃圾、秸稈等高C/N比有機(jī)廢物與污泥的混合消化開展了較多的研究。日本的Komatsu等[5]研究了將稻桿與污泥以1 ∶ 0.5的比例混合時(shí)，對(duì)中溫和高溫厭氧消化效果的影響。實(shí)驗(yàn)證明，污泥中加入稻桿后，中溫和高溫厭氧消化的甲烷產(chǎn)量分別增加了66%～82%和37%～63%，厭氧消化后污泥的脫水性能也得以改善，可使消化后的污泥脫水至更低的含水率，進(jìn)而縮減污泥體積。Sosnowki等將污水處理廠污泥和城市有機(jī)垃圾以3∶1的比例混合，沼氣產(chǎn)量增至污泥單獨(dú)厭氧消化時(shí)的2倍[4]。

在國(guó)內(nèi)，同濟(jì)大學(xué)的李磊，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的付勝濤、嚴(yán)曉菊和于水利，江南大學(xué)的高瑞麗、嚴(yán)群等[6-9]研究人員，也分別對(duì)污泥和廚余垃圾的混合厭氧消化開展了實(shí)驗(yàn)研究，分析了添加廚余垃圾對(duì)污泥厭氧消化過程及沼氣產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，添加廚余垃圾后，污泥厭氧消化性能和沼氣產(chǎn)量均得到了不同程度的提高?？傮w而言，國(guó)內(nèi)外對(duì)有機(jī)廢物與污泥混合消化的已有研究主要集中在污泥與市政固體廢棄物中有機(jī)組分的混合消化，以及溫度、混合比例等工藝參數(shù)對(duì)反應(yīng)的影響方面，而在污泥與廚余垃圾混合厭氧消化方面的報(bào)道仍不多[9]。

為了改善污泥厭氧消化性能，對(duì)污泥預(yù)處理技術(shù)的研究必不可少。目前，污泥預(yù)處理技術(shù)主要包括熱處理、加堿預(yù)處理、超聲波預(yù)處理、生物酶處理、微波預(yù)處理法、高壓噴射、臭氧氧化法、冷凍法、Fenton試劑氧化預(yù)處理等。國(guó)外在這方面進(jìn)行了較多的研究，比如，Mavi等對(duì)熱處理，Vlyssides等對(duì)加堿預(yù)處理，Tiehm等對(duì)超聲波預(yù)處理，Barjenbruch等對(duì)生物酶預(yù)處理，Park等對(duì)微波預(yù)處理法均分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并驗(yàn)證了這些方法在改善污泥厭氧消化性能方面的作用[10-14]。在我國(guó)，清華大學(xué)的王治軍、王偉、喬瑋和蔣建國(guó)，北京師范大學(xué)的周剛，北京市政工程設(shè)計(jì)研究院的戴前進(jìn)，大連理工大學(xué)的何玉鳳、南京大學(xué)的牟艷艷、華北電力大學(xué)的崔磊等專家也分別開展了污泥特性改善方法的課題研究，并取得了一定的研究成果[15-20]。總的來說，國(guó)內(nèi)外對(duì)熱處理、加堿預(yù)處理和超聲波預(yù)處理開展的研究較多，對(duì)其它方法的報(bào)道較少，但無論在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，這些預(yù)處理方法大多數(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

3 污泥厭氧消化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外

厭氧消化技術(shù)以其出色的污泥減量化、無害化與資源化效果，得到了主張污泥回收再利用的歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的關(guān)注，并成為歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家污泥處理處置的主流技術(shù)之一。通過大量研究，這些國(guó)家目前已在工藝、藥劑等方面取得較大突破。尤其是歐盟，對(duì)厭氧消化技術(shù)最為推崇，是使用的污泥消化設(shè)施最多的地區(qū)之一，69%污水處理廠建有污泥消化和沼氣利用設(shè)施，厭氧消化也成為其最常見的處理方式（見表1）。此外，由于全球能源價(jià)格的飆升、氣候變暖等因素，日本對(duì)以焚燒為主的污泥處理處置技術(shù)路線進(jìn)行了戰(zhàn)略調(diào)整，將包括厭氧消化在內(nèi)的污泥生物質(zhì)利用和能源化利用技術(shù)作為研究重點(diǎn)。

表1 歐盟各國(guó)采用的污泥處理方法[21]

國(guó)外還出現(xiàn)了很多實(shí)力突出的環(huán)保企業(yè)及相關(guān)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，其中有代表性的主要有法國(guó)的威立雅環(huán)境集團(tuán)（VEOLIA）和得利滿公司（DEGREMONT）、德國(guó)的斯特林（STERLING）公司和洛蒂格（ROEDIGER）公司、瑞典普拉克公司（PURAC）、美國(guó)貝克（BAKER）公司等。污泥厭氧消化項(xiàng)目也在世界各地紛紛涌現(xiàn)，如美國(guó)都柏林圣達(dá)蒙污水處理廠污泥處理工程，荷蘭斯魯斯耶第克污泥處理廠，以及英國(guó)的安格利安水務(wù)Cotton Valley污泥處理中心和泰晤士水務(wù)Chertsey污泥處理中心等。

3.2 國(guó)內(nèi)

相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)污泥厭氧消化技術(shù)及設(shè)備的研發(fā)較為滯后。迄今為止，國(guó)內(nèi)對(duì)于污泥厭氧消化技術(shù)的研究尚未取得突破性進(jìn)展，在甲烷生產(chǎn)效率提高、厭氧反應(yīng)條件優(yōu)化及污泥濃度控制等方面仍存在難度。厭氧消化專業(yè)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率較低，國(guó)內(nèi)厭氧消化關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備仍主要依靠進(jìn)口，天津、青島、煙臺(tái)、海口、永州、杭州等多地污水處理廠污泥厭氧消化所采用的攪拌設(shè)備均來自國(guó)外。

國(guó)內(nèi)污泥厭氧消化技術(shù)的應(yīng)用情況也不樂觀，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)[22]，國(guó)內(nèi)污泥中僅有38.04%采用了厭氧消化的穩(wěn)定方法，在全國(guó)目前2600多座污泥處理廠中，約有60座采用了厭氧消化工藝，但正在運(yùn)行的僅有10～30座，運(yùn)轉(zhuǎn)良好的厭氧消化工程就更加少。我國(guó)多采用中溫厭氧消化，這主要是受我國(guó)經(jīng)濟(jì)條件和高溫消化的高能耗限制[1]。在國(guó)內(nèi)，還建成了若干污泥厭氧消化項(xiàng)目，較有代表性的項(xiàng)目如表2所示。

表2 國(guó)內(nèi)典型污泥厭氧消化項(xiàng)目列表

4 發(fā)展趨勢(shì)及建議

我國(guó)人口眾多，資源和能源相對(duì)短缺，采用厭氧消化技術(shù)將污泥資源化和能源化的做法符合我國(guó)國(guó)情。國(guó)家還陸續(xù)出臺(tái)了一系列的政策法規(guī)來鼓勵(lì)該技術(shù)的研究和應(yīng)用，并在《廢物資源化科技工程“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》中，將污水處理廠污泥厭氧消化技術(shù)列為“十二五”重點(diǎn)研究并大力推廣的污泥處理處置與資源化關(guān)鍵技術(shù)?？梢?，厭氧消化發(fā)展具有巨大的市場(chǎng)潛力和有利的政策環(huán)境，將成為引領(lǐng)污泥行業(yè)方向的污泥處理處置技術(shù)之一。如何改善污泥消化性能以提高厭氧消化效果仍然是今后的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)，并將主要從以下幾方面開展研究工作。

4.1 有機(jī)廢物與污泥協(xié)同厭氧消化技術(shù)

我國(guó)每年產(chǎn)生的廚余垃圾、生活垃圾數(shù)量龐大，將其單獨(dú)進(jìn)行厭氧消化的效果不理想，而將廚余垃圾和生活垃圾的有機(jī)組分與污泥進(jìn)行混合消化可以實(shí)現(xiàn)“雙贏”或“三贏”，對(duì)我國(guó)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，有機(jī)廢物與污泥混合厭氧消化技術(shù)仍然是我國(guó)今后的主要研究方向之一。但鑒于生活垃圾有機(jī)和無機(jī)組分分類收集的實(shí)際操作性較差，建議將廚余垃圾和污泥的混合消化作為研究重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在混合比例、反應(yīng)條件等工藝參數(shù)上的突破，奠定其工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。

4.2 中溫和高溫聯(lián)合厭氧消化技術(shù)

目前，國(guó)外已開始了對(duì)中溫和高溫相結(jié)合的厭氧消化工藝的探索，并證明了中高溫聯(lián)合厭氧消化工藝具有比單獨(dú)中溫消化更高的產(chǎn)能。但國(guó)內(nèi)外對(duì)該聯(lián)合工藝的研究均不多，尤其在我國(guó)，至今還未見這方面的報(bào)道。因此我國(guó)也應(yīng)開展這方面的研究，實(shí)現(xiàn)高效低耗的污泥厭氧消化制沼氣的過程。

4.3 污泥預(yù)處理技術(shù)

今后應(yīng)主要研究低能耗、高效率的預(yù)處理技術(shù)和相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)厭氧消化產(chǎn)能與預(yù)處理耗能之間的平衡，甚至盈余，提高各種預(yù)處理技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可用性。

4.4 高含固率厭氧消化技術(shù)

目前，高含固率有機(jī)垃圾的厭氧消化已在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家得了廣泛應(yīng)用，而在我國(guó)針對(duì)高含固率有機(jī)廢物厭氧消化的研究主要集中在農(nóng)村戶用沼氣池方面。應(yīng)大力開展高含固率污泥厭氧消化技術(shù)與配套設(shè)備的研究工作，解決含固量污泥厭氧消化過程中的菌種活性易受抑制、揮發(fā)性脂肪酸積累、堵塞等難題。

此外，針對(duì)我國(guó)目前厭氧項(xiàng)目運(yùn)行不良的現(xiàn)實(shí)情況，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)工程工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)化和設(shè)備的改良，避免或減少因工藝和設(shè)備原因?qū)е碌倪\(yùn)行不良。

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