污泥处理与处置最全解析 附赠污泥堆肥工艺流程

1 厌氧消化的原理

厌氧消化基本原理形成经历了酸碱发酵、三阶段、四种群等理论阶段。

1930年Buswell、Neave对有机物厌氧消化过程的认识延续了Thumm、Reichie(1914年)与Imhoff(1916年)酸性发酵和碱性发酵两阶段理论。

在两阶段理论基础上，M.P.Bryant(1979年)完善形成了三阶段理论，即水解发酵、产氢产乙酸、产甲烷三个阶段。研究认为水解发酵是将复杂有机物在水解发酵菌胞外酶作用下转化成有机酸和醇类，产氢产乙酸阶段是产氢产乙酸菌将有机酸和醇类等水解发酵中间产物转化为H2、CO2和乙酸，在产甲烷阶段是产甲烷菌将由前两阶段产物转化为CH4。

J.G.Zeikus(1979年)则进一步把参与复杂有机物厌氧消化产甲烷过程的微生物分为四种群，即是：水解发酵菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌和产甲烷菌。一般认为，四种群微生物又可以分为两大类，即产酸细菌和产甲烷菌。相应也把厌氧消化产甲烷过程分为了产酸阶段和产甲烷阶段。在产酸阶段参与复杂有机物降解的主要为水解发酵细菌，这类细菌的特点主要为：种类多，新陈代谢能力强、倍增时间短、对环境(温度、pH、有毒有害或抑制物等)适应性很强。在产甲烷阶段将产酸阶段代谢产物甲烷化的细菌主要是产甲烷细菌，特点：相对种类少，能利用的代谢产物有限，倍增时间很长，同样对环境因素要求也较高。

2 厌氧消化的分类

厌氧消化根据反应温度、运行形式、污泥含固率等不同有多种分类方法。

(1)反应温度

根据厌氧消化的温度不同，主要分为中温(33-35 ℃左右)、高温(50-55 ℃左右)消化形式。其中高温消化基于温度高的条件，具有消化速率高、污泥处理负荷高、反应容器小等优势。但高温导致高能耗、高成本的缺点，在实际应用中我国以中温消化为主。

(2)运行形式

根据厌氧消化的运行形式不同，分为两级消化和两相消化。其中两级消化是把消化池分为两级，第一级消化池设有加热、搅拌设备，出于节省能量、消化时间与产气量关系的角度出发，污泥在第一级消化池内被降解后，送入第二级消化池。第二级消化池不设加热与搅拌设备，依靠余热继续消化。由于不设搅拌设备，在第二级消化池，污泥成层沉淀的作用兼有污泥浓缩的功能。而两级消化是基于产酸菌与产甲烷菌对生存环境因素的要求不同，设置两个独立的反应器，分别进行产酸阶段和产甲烷阶段反应，减少产酸阶段对产甲烷菌的抑制影响。提高了污泥处理负荷和产气效率。

(3)污泥含固率

根据厌氧消化处理污泥的含固率不同，分为干发酵和湿发酵。其中湿发酵的含固率一般为4~10%，具有启动快，工艺成熟等优点，是目前厌氧消化主流工艺。但存在反应容器大，设备投资造价高、发酵产物固液分离困难等不足。干发酵的含固率一般为20~30%。

具有产气率高、能耗低、设备投资造价低、运行简单等优点。厌氧干发酵和厌氧湿发酵在生化反应本质上是相同的，主要是厌氧和兼性厌氧微生物在厌氧环境下分解有机物产生沼气的过程，包括水解、酸化、乙酰化和甲烷化等反应阶段。鉴于厌氧湿发酵和厌氧干发酵在生化过程上的相似性，并考虑到酸化产物对产甲烷细菌强烈的抑制作用，Ghosh于1983年提出两阶段(酸化阶段和产甲烷阶段)厌氧干发酵模式，在酸化阶段完成对底物的水解酸化， 把大分子物质降解成挥发性脂肪酸(VFA)如乙酸、丙酸、丁酸等，这些酸性物质的积累会抑制产甲烷菌的代谢活性和生长繁殖，因此，当酸化阶段完成后"需要对发酵体系总酸含量进行调节， 并将其转移至产甲烷反应器中完成产甲烷过程。但是Shankaranand在实践中发现，干发酵与湿发酵之间存在很大差异，这主要是由底物存在状态的差异引起的。在干发酵中，底物是以不流动的固态存在，并且存在严重的异质性，尽管在发酵过程中存在渗出液的渗漏，但这种渗漏仅发生在局部，各种中间代谢产物和微生物的交流受到严重限制;在湿发酵中，底物在发酵过程中不断地搅拌混合，各种中间代谢产物和微生物在底物层中分布均匀。

3 厌氧消化的研究方向

我国污泥厌氧消化的研究主要有两个方向：一是改善消化温度、发酵产氢、碳氮营养比等消化条件以及基于厌氧消化原理的工艺条件调整;二是破坏污泥结构及细胞壁促进厌氧消化的污泥预处理研究，主要有超声波处理、微波处理、热处理、酸碱处理、臭氧处理、双氧水处理、生物酶处理等及不同工艺的组合。

(1)工艺条件调整

戴晓虎等采用自主开发的自控温的厌氧反应器对高含固率(TS为10%)的城市污泥进行了高温两相与单相厌氧消化试验比较研究，两相工艺进行了不同温度的比较，两次试验的酸化、甲烷化温度分别为70 ℃、55 ℃和55 ℃、55 ℃，单相的反应温度为55 ℃，两相产酸、产甲烷的污泥停留时间分别为4 d和16 d，单相为20 d，两相工艺的VS去除率都达到了40%以上，而单相高温的去除率仅为34.9%。

高瑞丽等采用添加厨余垃圾的方式改善了城市污泥的碳氮比、胞外多聚物等工艺条件，提高了厌氧消化产沼气、甲烷的量。按质量比例2：1的投加量分别投加剩余污泥和厨余垃圾，在温度为35 ℃时，沼气和甲烷产量达到最高，沼气量为156.56 ml/gVS，其中甲烷占67.52%，比空白试验的产量分别提高了5倍和1.5倍。

(2)污泥预处理

吴静等采用“热水解+高温厌氧消化”对含固率8%~9%的净水厂剩余污泥进行处理研究，发现在热水解(70℃)SRT为3d、高温厌氧消化(55℃)SRT为25d时，有机物去除率达到42%以上，污泥的卫生风险低于中温消化。

刘吉宝等利用微波联合其他工艺组合对北京小红门污水处理厂剩余污泥进行了强化污泥的厌氧消化研究，发现微波组合工艺可以强化污泥厌氧消化产甲烷的作用。其中“微波+H2O2+碱”与空白对照组经过30 d试验比较，产甲烷速率得到了增快，产甲烷量提高了13.34%。与单独进行微波处理相比，投加了H2O2、碱的试验组COD的溶解情况显著改善，说明污泥细胞壁进行了有效的破碎。经过“微波+酸”处理的污泥，污泥的表面电性和粒径分布出现了变化，污泥脱水性能良好，毛细作用的吸水时间为9.85 S。

陈泾涛等利用高压均质和超声波两种物理方法对天津某污水处理厂的剩余污泥进行了厌氧消化性能研究，发现高压均质和超声波都能迅速破坏污泥结构。经过高压均质、超声波处理后，与空白对照组中挥发性脂肪酸和溶解性COD比较分别提高了206.5%、5.4%和22.9%、2.0%，分别进行12 h的厌氧消化处理后挥发性脂肪酸分别与空白对照组提高了589.4%和507.0%，产气量和产气率分别提高了57.2%、51.4%和18.5%、17.3%。

城市污泥处理的好氧消化技术

好氧消化技术是活性污泥法的一种延续，是通过鼓风曝气实现污泥自身氧化的一种污泥处理技术。

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条件下，对污泥进行长时间的曝气，将处于内源呼吸阶段的微生物进行自身氧化，完成污泥的好氧消化和稳定的过程。其细胞质反应方程如下：

C5H7NO2+ 7O2 ➞ 5CO2+ 3H2O + H++NO3-

在好氧消化过程中，氨氮被氧化成NO3-，碱度降低，需要维持反应池中的pH在7左右，同时池内溶解氧不低于2 mg/L。另外为保持污泥的悬浮状态，在保障搅拌功率的同时，污泥的含水率要维持在95%左右。

2 好氧消化的分类

城市污泥的好氧消化发展已有几十年历史，根据工艺的不同，主要经历了传统好氧消化工艺(CAD)、缺氧/好氧消化工艺(A/AD)、自热高温好氧消化工艺(ATAD)等三个工艺发展阶段。

(1)好氧消化工艺(CAD)

传统好氧消化工艺(CAD)根据进泥的方式不同分为连续进泥和间歇进泥。间歇进泥通过间歇操作实现了连续进泥浓缩池的作用。好氧消化的研究主要集中在对温度、停留时间、曝气搅拌条件以及污泥种类和初始进泥浓度进行了有机物(VSS)去除率和消化污泥的比氧摄取速率(SOUR)等污泥稳定指标的研究。

(2)缺氧/好氧消化工艺(A/AD)

在传统好氧消化工艺(CAD)中存在硝化反应消耗反应碱度的影响，研究形成了缺氧/好氧消化工艺(A/AD)，即在传统好氧消化工艺(CAD)前段增加一个缺氧反应区。同样也存在间歇操作和连续操作两种工艺，间歇操作通过间歇曝气在单一反应器内实现缺氧和好氧两个工艺段，实现硝化和反硝化过程。连续操作分别设置缺氧反应器和好氧反应器，通过内回流的方式实现硝化反硝化过程的连续运行。

(3)自热高温好氧消化工艺(ATAD)

由于传统好氧消化工艺(CAD)、缺氧/好氧消化工艺(A/AD)反应温度低，对病原微生物的杀灭效果很差，在此基础上自热高温好氧消化工艺(ATAD)应运而生。在维持污泥浓度MLSS在40 ~ 60 g/L(或VSS至少25 g/L以上)的同时，反应器采取密闭隔热措施。并应当维持15%以上的氧转移效率用以实现自热。经典的自热高温好氧消化工艺(ATAD)采用间歇操作，设置2个反应器以上的串联装置运行。

3 好氧消化的研究方向

好氧消化需要曝气供氧实现，能耗较高，但由于操作简单、运行方便，限制应用在小型污水处理厂。目前好氧消化的研究方向主要集中在自热高温好氧消化工艺(ATAD)。

徐昌文等在污泥自热高温好氧消化研究中，通过投加消化处理后VSS去除率达到38%的消化污泥，按质量比1:9的比例添加浓缩城市污泥，控制消化温度55 ℃、2.0 L/h的曝气量、搅拌强度为120 r/min，发现经过15 d后消化后VSS去除率达到38.5%，而未经污泥反混的试验去除率为33.4%。

纪月红等改进了高温好氧消化工艺为“中温厌氧+高温好氧”工艺，其中中温厌氧消化4 d，发现经过15 d试验后两项工艺的VSS去除率都能达到40%以上，污泥实现了稳定化。但是从能耗考虑，“中温厌氧+高温好氧”工艺 优于单纯的高温好氧消化处理。

污泥处置

城市污泥的处置通常把污水厂污泥的堆肥、填埋、干化和加热处理及最终利用，称为污泥的处置。

世界范围看，目前，城市污泥的主要处理处置方式有土地填埋、投弃大海、焚烧和土地利用。各国根据本国的地理环境、经济水平、技术措施、交通运输等因素确定不同的处置方式。但是，各种处置方法在实际应用中都存在一定的优点和局限性。

(1)卫生填埋

卫生填埋是将经过简单处理的城市生活污泥放置于经过特殊处理建造的填埋场，是目前污泥处置的主要方法。在我国，卫生填埋也是主要的处置方法。卫生填埋场的污泥经过长期的分解，可能发生渗漏现象，对地下水系造成污染。卫生填埋同时埋掉了污泥中可回收再利用的成分，而且此法占用土地，适宜填埋的场所因城市生活污泥的大量产生而显得越来越有限。由于渗滤液对地下水的潜在污染和城市用地的减少等原因，卫生填埋的处理技术标准要求越来越高，许多国家和地区甚至坚决反对新建填埋场。

(2)污泥焚烧

城市生活污泥中含有一定量的有机物质，可在高温下燃烧为灰烬。但焚烧处置要求污泥达到较高的燃烧值，一般来讲，低位发热量小于 3300 kJ/kg 时不适宜焚烧处理;低位发热量介于 3300~5000 kJ/kg 时适宜焚烧处理;低位发热量大于 5000kJ/kg 时适宜焚烧处理并回收热能。这种处置方法解决了污泥的出路问题，又可充分地利用污泥中的能量，而且不需要进行无害化预处理。在国外，特别是西欧和日本已得到了广泛的应用，在日本，污泥焚烧处理已经占污泥处理总量的 60%以上，欧盟也在 10%以上。在我国由于其一次性投资和处理成本大、焚烧烟气需进一步处理等问题而一直未得到广泛应用。此外，污泥中的重金属和一些有害的挥发性物质在燃烧过程会随着烟尘的扩散而污染空气，易造成二次污染，而且焚烧法也烧掉了污泥中的可回收再利用部分。

(3)污泥投海

这是一种操作简单而经济的处理方法，利用江河海洋消纳城市生活垃圾和污泥一般不需进行严格的无毒无害化处理，而且容量大。但这种方法只能是解决污泥污染问题的一种权宜之计，并没有从根本上解决环境污染问题。污泥进入水体后，其中的有害有毒物溶入水环境，导致水生环境恶化;另一方面，污泥经长年累月进入水体，其中的泥沙会致使河床码头淤塞。随着生态环境意识的加强，人们越来越多地关注污泥投海对海洋生态环境可能存在的影响。因此，该法已逐渐被各国禁止使用。

(4)土地利用

土地利用即将垃圾和污泥直接或经堆肥化处理后作为一种有机肥料施用于土壤。该法处置容量大，资源化程度高，但若不合理施用也可能会对环境造成污染。土地利用越来越被认为是一种积极、有效、有前途的垃圾和污泥处置方式。我国是一个发展中国家，又是一个农业大国，相对于其它处置方式而言，城市生活垃圾和污泥的土地利用更符合我国的国情。

目前, 我国在各种污泥处置方法中, 农用约占44. 8% , 陆地填埋约占31%, 其他处置约占10. 5%，另有大约13. 7%的城市污泥未经任何处理便重新回到自然界中。污泥的农田利用由于既能为作物提供营养成分、改良和培肥土壤，又能大量处理污泥，从而受到国内外的普遍视，若将污泥加以利用，每年可得到价值相当于9 500万美元的商品化肥。以上几种方法，焚烧法的技术与设备复杂，能耗大，投资高，并伴有大气污染问题;填埋法受到用地的限制，且填埋场周围的环境也会恶化;投海会污染海洋，对海洋生态系统和人类食物链造成威胁，国际公约已明令禁止;用堆肥法处理后的城市污泥进行农业利用，具有经济简便、可资源化等优点，但重金属和病原菌、有机物等有毒有害污染物在土壤中的累积是污泥堆肥使用中的一个重大障碍。由于可持续发展的社会需求和政府的政策扶持，当今固体废物处理的重心已从污染控制转向资源开发。近年来发达国家已就促进厌氧消化进程技术和污泥减量技术展开研究，污泥厌氧消化技术在许多国家得到广泛应用。沼气作为可再生的清洁能源，既可替代秸秆、薪柴等传统生物质能源，也可替代煤炭等商品能源。发展沼气是我国能源战略的重要组成部分，对增加优质能源供应、缓解国家能源压力具有重大的现实意义，因此利用厌氧发酵技术处理这些废弃生活污泥，不仅能缓解环境污染的问题，而且可以变废为宝，因此充分利用污泥进行沼气发酵必然成为中国沼气发展方向。

 

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