1. 厭氧消化技術(shù)概述

    1.1技術(shù)來源

厭氧消化是利用兼氧菌和厭氧菌進(jìn)行厭氧生化反應(yīng)，分解污泥中有機(jī)質(zhì)的一種污泥處理工藝。

1881年法國Mouras凈化器是污水（污泥）厭氧生物處理的雛形；1905年，德國的Imhoff池的出現(xiàn)，第一次將泥水分離進(jìn)行厭氧處理；1927年，首次在厭氧消化池中加上了加熱裝置，使產(chǎn)氣速率顯著提高；隨后，又增加了機(jī)械攪拌器，反應(yīng)速率進(jìn)一步提高；20世紀(jì)50年代初又出現(xiàn)了利用沼氣循環(huán)的攪拌裝置。多種形式的厭氧消化池形成了現(xiàn)代污泥厭氧消化技術(shù)的核心工藝體系。

    1.2技術(shù)原理

厭氧消化的作用機(jī)理有兩段論、三段論、四段論之分，就兩段論可以分為產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段，其中產(chǎn)酸階段又可細(xì)分為水解階段、酸化階段、酸性衰退階段。

水解酸化階段（酸性發(fā)酵）：污水中不溶性大分子有機(jī)物，如多糖、淀粉、纖維素、烴類（烷、烯、炔等）水解，主要產(chǎn)物為甲、乙、丙、丁酸、乳酸；緊接著氨基酸、蛋白質(zhì)、脂肪水解生成氨和胺、多肽等。

產(chǎn)甲烷階段（堿性發(fā)酵）：產(chǎn)甲烷細(xì)菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等基質(zhì)通過不同途徑轉(zhuǎn)化為甲烷，其中最主要的基質(zhì)為乙酸。

全部反應(yīng)可以概括為：

淀  粉——水解——葡萄糖——產(chǎn)酸菌——乙酸——甲烷菌——甲烷

脂  肪——水解——甘  油——產(chǎn)酸菌——乙酸——甲烷菌——甲烷

蛋白質(zhì)——水解——氨基酸——產(chǎn)酸菌——乙酸——甲烷菌——甲烷

    1.3厭氧消化池分類

厭氧消化池從構(gòu)造上一般分為池頂、池體和池底三部分：池頂主要起到收集沼氣的作用；池體主要起到容納作用；池底一般主要起到排泥的作用。

按照消化池形狀可以分為：圓柱形、橢圓形（卵形）和龜甲形等。

按照池頂結(jié)構(gòu)形式可以分為：固定蓋式和移動蓋式。

按照攪拌形式可以分為：機(jī)械攪拌和沼氣攪拌兩種形式；機(jī)械攪拌又分為泵攪拌、槳葉攪拌、水射器攪拌等；沼氣攪拌又可分為氣提式攪拌、豎管式攪拌和氣體擴(kuò)散式攪拌等。

    1.4國內(nèi)應(yīng)用情況

2000年，建設(shè)部、國家環(huán)保局、科技部聯(lián)合發(fā)布《城市污水處理及污染防治技術(shù)政策》規(guī)定：“處理能力達(dá)于10萬m3/d的污水處理二級設(shè)施產(chǎn)生的污泥，宜采取厭氧消化工藝進(jìn)行處理”。截至2011年，國內(nèi)已建成市政污水處理廠3078座，其中配套建設(shè)厭氧消化系統(tǒng)的50余座，這其中穩(wěn)定正常運(yùn)行不超過10座。2010、2011年污泥處理處置十大推薦案例中共列入6個厭氧消化項目，其中還包括當(dāng)時“尚未進(jìn)行24小時連續(xù)運(yùn)行和冬季運(yùn)行”的上海市白龍崗污水廠污泥處理工程。

以下主要依據(jù)中國水網(wǎng)2010、2011年度污泥處理處置推薦案例評選資料及部分國內(nèi)公開發(fā)表文獻(xiàn)資料摘錄列舉國內(nèi)正常運(yùn)行的主要厭氧消化工程實例情況：

    1.4.1大連東泰夏家河污泥處理廠

夏家河項目占地2.47公頃，日處理市政污泥600噸。采用LIIP消化罐12個（圓柱形平底形式），直徑16m，高度15m，有效高度11.2m，單位有效容積2230m3，污泥停留時間22~25d，進(jìn)泥含固率10%，污泥投配率4~5%，消化溫度37℃，沼氣日產(chǎn)量30000-32000 m3，池容產(chǎn)氣率1.12~1.20m3/m3，經(jīng)提純處理后CH4 日產(chǎn)量16500立方米供應(yīng)市政燃?xì)?。電?5000~18000 kW.h/d（攪拌強(qiáng)度19.5W/m3）。沼渣脫水后含水率降至70%左右，送至垃圾填埋場晾曬填埋；沼液排至夏家河污水處理廠處理排放。

項目工程總投資14913萬元，運(yùn)行成本130-150 元/噸。

項目于2007年開工建設(shè)，2009年4月正式運(yùn)行。

    1.4.2青島麥島污水廠污泥處理項目

麥島項目為青島麥島140，000 m3/d污水處理廠擴(kuò)建工程配套子項目，污水廠占地3.9公頃，污泥系統(tǒng)處理規(guī)模48tDS/d（相當(dāng)于含水率80%脫水污泥240t/d）。采用圓柱形消化池2座，直徑29.3m，高度25.7m，有效高度18m，單位有效容積12700m3，污泥停留時間20d，進(jìn)泥含固率3.8~4%，污泥投配率1.9kgDS/m3.d，消化溫度35±2℃，沼氣日產(chǎn)量14400~15000 m3，池容產(chǎn)氣率0.59m3/m3，產(chǎn)品首先用于4臺500kVA沼氣發(fā)電機(jī)能源，剩余的沼氣通過火炬燃燒。攪拌強(qiáng)度0.9W/m3。沼渣脫水后含水率降至78%以下，送至垃圾填埋場或堆肥處理；沼液由污水處理廠處理排放。

項目于2008年6月正式運(yùn)行。

    1.4.3北京小紅門污水廠污泥處理項目

小紅門項目為北京小紅門600，000 m3/d污水處理廠工程配套子項目，污泥系統(tǒng)處理規(guī)模132.5tDS/d（相當(dāng)于含水率80%脫水污泥662.5t/d）。采用卵形消化池5座，單位有效容積12300m3，污泥停留時間20d，進(jìn)泥含固率3.2%，污泥投配率5%，消化溫度35℃，沼氣日產(chǎn)量30000m3，池容產(chǎn)氣率0.49m3/m3，產(chǎn)品用于沼氣拖動鼓風(fēng)機(jī)。攪拌強(qiáng)度3W/m3。沼渣脫水后含水率降至83%左右，送至石灰干化車間干化外運(yùn)填埋；沼液由污水處理廠處理排放。

項目工程總投資20000萬元，運(yùn)行費用1464萬元/年。

項目于2008年11月竣工正式投入運(yùn)行。

    1.4.4上海白龍崗污水廠污泥處理項目

白龍崗項目為上海白龍崗污水廠2，000，000 m3/d污水處理廠升級改造工程配套子項目，污泥系統(tǒng)處理規(guī)模204tDS/d（相當(dāng)于含水率80%脫水污泥1020t/d）。采用卵形消化池8座，池體最大直徑25m，垂直高度44m（地上32m，地下12m），單位有效容積12400m3，設(shè)計污泥停留時間24.3d，進(jìn)泥含固率5%，污泥投配率4.1%，消化溫度33~35℃，沼氣日產(chǎn)量44512m3，池容產(chǎn)氣率0.45m3/m3，產(chǎn)品用于消化池加熱保溫和后續(xù)污泥干化。攪拌強(qiáng)度4.7W/m3。沼渣脫水后含水率降至75%左右，送至流化床干化工序處理至含固率70%外運(yùn)；沼液由污水處理廠處理排放。

項目工程總投資63000萬元，運(yùn)行成本約120 元/噸脫水污泥。

項目于2010年10月建成，2011年4月12日進(jìn)入調(diào)試運(yùn)行。

    1.4.5新疆烏魯木齊河?xùn)|污水廠污泥消化及熱電聯(lián)產(chǎn)項目

新疆烏魯木齊河?xùn)|污水廠污泥消化及熱電聯(lián)產(chǎn)項目為新疆烏魯木齊河?xùn)|污水廠原污泥厭氧消化系統(tǒng)維修改造項目。污泥系統(tǒng)處理規(guī)模79tDS/d（相當(dāng)于含水率80%脫水污泥395t/d）。采用圓柱形消化池4座，直徑20m，高度30.2m，期中柱體高度20m，單位有效容積7164m3，污泥停留時間16d，進(jìn)泥含固率4%，消化溫度35℃，沼氣日產(chǎn)量41225 m3。產(chǎn)品首先用于沼氣發(fā)電機(jī)能源，剩余的沼氣通過火炬燃燒。電耗60000kW.h/d（攪拌強(qiáng)度0.94W/m3）。沼渣脫水后含水率降至78%左右，送至垃圾填埋場或堆肥處理；沼液由污水處理廠處理排放。

注：按照0.85Nm3/kgVSS產(chǎn)氣率估算，上述污泥系統(tǒng)處理規(guī)模與沼氣日產(chǎn)量對應(yīng)100%的有機(jī)質(zhì)含量和60%的降解率，顯然失實。

項目于2006年由于設(shè)備問題停用，2009年經(jīng)改造后恢復(fù)運(yùn)行使用，2010年底開始4座消化池正常運(yùn)行。

    1.4.6鄭州王新莊污水廠污泥厭氧消化及沼氣利用項目

鄭州王新莊污水廠污泥厭氧消化及沼氣利用項目為鄭州王新莊污水廠工程配套子項目，污泥系統(tǒng)處理規(guī)模相當(dāng)于含水率80%脫水污泥330t/d。采用圓柱形消化池，一級3座，二級1座，直徑28.8m，高度20.2m，期中柱體高度14.5m，單位有效容積10000m3，污泥總停留時間24d，進(jìn)泥含固率5%，污泥投配率5%，消化溫度35±1℃，沼氣日產(chǎn)量20000 m3左右，池容產(chǎn)氣率0.5m3/m3，經(jīng)提純處理后CH4 日產(chǎn)量10000立方米供應(yīng)市政燃?xì)狻Ｕ釉撍蠛式抵?8%左右，送至垃圾填埋場或堆肥處理；沼液由污水處理廠處理排放。

項目于2001年正式運(yùn)行，根據(jù)2006.3.14~3.23運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄（平均值）：生污泥量1205m3/d，進(jìn)泥含水率94.89%，沼氣產(chǎn)量17625m3/d，基本達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。

表1.1厭氧消化典型案例主要技術(shù)參數(shù)對比

    2.處理過程應(yīng)注意的問題

    2.1泥質(zhì)

中國城鎮(zhèn)污水處理廠水質(zhì)與發(fā)達(dá)國家存在差異，在污水處理工藝選擇和優(yōu)化方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，在污泥處理處置方面同樣可以借鑒污水處理經(jīng)驗，在充分分析掌握中國泥質(zhì)特點的前提下，引入國外成熟技術(shù)時，應(yīng)在本土化改良后謹(jǐn)慎適度推廣，否則將只能是事倍功半，甚至無功而返。

    2.1.1有機(jī)質(zhì)含量

中國城鎮(zhèn)污水處理廠污泥有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)地域和季節(jié)不均勻特點，總體水平較發(fā)達(dá)國家明顯偏低。我國2001年抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)較美國2000年統(tǒng)計數(shù)據(jù)低28%，這主要是由于我國市政污水進(jìn)水濃度偏低造成的；2009年抽樣數(shù)據(jù)較2001年低25%，這主要是由于新建大量中小污水處理廠，較大中城市污水處理廠進(jìn)水濃度更低。下表清楚地反映了上述情況。

表2.1城市污水處理廠有機(jī)質(zhì)含量統(tǒng)計表（單位：g/kg）