全面解析污泥厌氧消化的预处理工艺与市场

随着全球污水产量的增加，污泥作为污水处理的衍生物，产量也在急剧增长。各污水处理公司都在着力升级水厂的厌氧消化工艺，以增加厌氧消化步骤的水解速率，从而提升处理后污泥产品的资源化利用效益，并扩大产能。今天，GWI将为大家解析哪些预处理技术正占据污泥市场的主导地位。

市场简述

近年来，随着污泥产量的不断增加，污泥处理需求也进一步加大。然而，大范围地扩充消化池容量需要大量的资本投入，所以污水处理公司正在探索一系列可以优化现有工艺的方法。污泥厌氧消化由于处理成本低、动力消耗小等优点，是目前普遍采用的污泥稳定化处理技术,但却存在污泥停留时间长,消化效率低的缺点。

为了解决这一难题，许多企业开始在预处理阶段寻求创新和突破。而随着市场对污泥填埋或者处理标准的逐步收紧，以及对污泥资源化（回收磷等）的兴趣日渐增加，厌氧消化工艺（anaerobic digestion，简称为AD）的优化已然非常必要。优化后的高级厌氧消化工艺不仅可以提高有机物的去除率，从而更好的实现污泥减量化；同时还可以改善污泥的脱水性能，提高沼气产量。

厌氧消化的系统构型在近几十年来变化不大，较为常见的是中温单级厌氧消化系统。一般而言，提升这一系统的消化效率主要有两种方法，一是在厌氧消化前添加预处理装置，使热水解污泥在进入消化池前首先经过预处理装置进行分解；另一种方法是对消化器本身进行优化。

迄今为止市场上开发了许多方法对厌氧消化工艺进行优化，其中包括高温厌氧消化、多级厌氧消化（如中温及适温水解、酸化反应器等）、以及将消化池分离后的固体再次送入消化池进行厌氧消化的再压缩法等。然而，现在市场上较为主导的依然是污泥破解的技术，即对污泥采用不同水解等方法的预处理以促进其分解。

污泥破解是指通过一定的方法，破坏污泥的絮体结构、细胞壁，从而改变其物理、生物和化学性能。常见的用于污泥破解的预处理技术主要分为物理法、化学法和生物法三种（如下图所示）。物理方法包含热处理法、高压喷射法、超声波处理法、冷冻法和辐照法；化学方法包含水解法、碱处理法和臭氧氧化法；生物法则包含生物酶技术等。

而在这些种类各异的预处理方法中，尽管超声波处理法在德国正以强劲的势头发展，但水解技术，尤其是热水解，因其效果显著、价格适中而逐渐成为应用最为普遍的方法。

由于厌氧消化水解过程进行缓慢，水解是污泥厌氧生化降解的控制性限速步骤。因此，将水解作为预处理从消化的步骤中隔离出来，有利于将微生物的细胞膜破坏，使胞内物质释放并进一步水解，从而加快厌氧消化过程，并有效提高有机物去除率以及甲烷的产量。

随着水解这一技术的广泛研究和应用，也为厌氧消化后续的步骤增加了许多新技术的应用机会。由于剩余污泥水解酸化的过程中会有氮磷的释出，从而导致回流中氮磷含量大幅增加，这可能会对污水的处理带来不好的影响。但另一方面，这也使过程中产生的氮磷更易被回收，为回收磷的技术发展创造了新的机会（详见文末相关文章回顾）。

市场驱动力是什么？

之前，在GWI全球水市场的预测中曾提到过，污泥的处理和管理将在未来有很大的发展潜力。那么，是什么在推动这一市场呢？

成本和质量是首要驱动力

水司对降低污泥处理成本的要求是厌氧消化工艺优化的首要驱动力。当然，不同的污泥处置用途所对应的成本也不相同。我国的“水十条”规定，禁止处理处置不达标的污泥进入耕地，因为污泥的成分非常复杂，其中可能包含病原体等污染物。GE Monsal高级厌氧消化技术部门的高级产品经理Michael Theodoulou告诉GWI，“我认为，污泥的处置途径正在变得越来越少，这也是为什么如今生产无病原体的高品质肥料如此重要的原因。当处置后的污泥不包含病原体及其他污染物时。它的利用途径和价值才会大大增加。”

提升消化装置的规模

而随着全球污泥产量的增加，现有厌氧消化装置的处理能力和规模都需要进一步提升。然而，若要安装更多的消化池，需要很大一笔资本投入。为了节省开支并同时解决污泥处置的问题，许多水司更希望通过应用先进技术对现有厌氧消化装置进行优化，最大程度地发挥其处理能力。“现在美国约有1,500个污水处理厂装有厌氧消化反应器，其中大部分在未来10到15年内都需要进一步扩增。” Theodoulou介绍说。

在这一背景下，相比于对现有的厌氧消化池进行扩增，采用水解的预处理以加快厌氧消化过程在成本上具有更大的优势。无论是改建项目还是新建项目，都是如此。

“任何装有厌氧消化器的水厂都会更加倾向于采用水解的预处理技术。”CNP技术公司总裁Gerhard Forstner 说：“在美国，市场的发展趋势对这些技术非常有利。”

也有人认为，提升消化池的处理规模和能力并不是主要的驱动力。 Forstner 表示：“当然，对于部分人而言，提升处理规模的确非常重要，但对于大多数人来说，进一步改善污泥处理后的脱水性能使其更好地减量化才是最为核心的目的。热水解可以显著提高污泥的脱水性能，含固率可以由处理前的20-25％提升至30-35％。这也是它领先于其他消化技术的关键优势。”

而来自荷兰Eliquo水和能源公司Bert Geraats则告诉GWI：“一些其他的技术和联合厌氧消化工艺虽然能提高甲烷产量，但同时干固体量也会相应减小，污泥的脱水性能并没有得到很大改善，运输方面依然会造成一笔不小的费用。”据悉，荷兰Eliquo水和能源公司是一家由德国投资机构SKion所支持的污水和污泥处理厂供应商。

沼气的用途

污泥经过厌氧消化水解后所产生的沼气，作为一种可再生能源，可同时应用于工厂供电而减少对外部能源的消耗。所回收的沼气可作为热电联产系统的能源供应，也可以通过提纯净化得到生物甲烷而用于天然气，或用作汽车燃料等。然而，尽管厌氧消化的副产物具有如此大的回收利用价值，但如何走出一条成熟的商业化道路，这还需要很长的时间。

预处理技术的类型与发展

1. 热水解

关于厌氧消化的热水解预处理技术的开发要追溯到本世纪初，挪威Cambi（康碧）公司率先将这一技术与消化处理过程相结合使用，彻底改变了污泥厌氧消化市场的发展动态。尽管许多的水解技术都使用热量，但一般只有高于100°C的水解方法才被称为热水解。其中，经大量的试验表明，最有利于污泥水解的热处理温度范围为165°C至180°C，在这一高温下，污泥中的部分细胞体将受热膨胀而破裂，所释放的蛋白质、矿物质在高温下受热水解形成可溶性的聚缩氨酸等，进而增强污泥的生物降解性。

在当时英国所推动对耕地无害的无病原体污泥的要求驱动下，Cambi的热水解装置首先在英国市场上得到应用和发展。之后，该公司陆续将业务拓展至全球，共累积安装近60个热水解系统，其中包含世界上最大的污泥热水解项目——美国华盛顿Blue Plains污水处理厂，平均每年处理干固体约13.5万吨。

与此同时，其他公司也纷纷进入市场，企图打破Cambi对热水解工艺的统治地位。

威立雅凭借其序批式污泥热水解工艺Biothelys一鸣惊人，之后又开发出连续式污泥热水解工艺Exelys。与Cambi工艺中通过反应罐和泄压罐循环添加热蒸汽的形式完全不同，在Exelys的系统中，污泥和热蒸汽将一起进料，并连续注入反应器。Exelys系统目前应用于丹麦Billund生物能源工厂中，可以提供远高于实际需求的能量。

而在威立雅努力进入这一市场的同时，荷兰Eliquo水和能源公司凭借其广为应用的LysoTherm工艺也大步迈入。与Cambi的蒸汽爆破工艺不同（指高压蒸汽对污泥进行蒸煮并使饱和水瞬间卸压形成的蒸汽爆破），LysoTherm主要是通过热交换系统进行热蒸汽的供应。

欲了解本图详情，请参见GWI最新杂志7月刊

除了以上这些在已经在热交换市场上占据一定份额的企业之外，也有不少新公司陆陆续续登场，如Sustec，Haarslev和teCH4+等，但还未获得一定市场地位。距真正地打破Cambi的垄断，似乎还有很长一段路要走。

除了热水解之外，常用的水解技术还包含生物水解和化学水解。

2. 生物水解

生物水解，或称酶水解，最早由英国的厌氧消化技术专家Monsal公司开发。Monsal自2001年开发第一项技术后，2006年已经完成近百例厌氧消化项目，2014年被GE收购成为现在的GE Monsal。该项技术产品在液氧消化罐之前添加生物水解的步骤，可以更好地加快厌氧消化的动力学过程。

“我们从这一生物水解过程中获得了大量的挥发性脂肪酸，通过将污泥加热到不同的温度并保持特定的停留时间对其进行调整，可以使厌氧消化罐的处理达到最好的效果，为产甲烷菌提供有利的环境，最大限度地提高生物气体的产量。” Theodoulou告诉GWI。目前，GE Monsal系统已经广泛应用于英国部分地区，但在世界其他国家尚未取得显著的发展。而鉴于热水解技术在市场上获得的优秀成果，GE现在正在直接向终端用户销售这项技术。“我们发现，当我们的技术供应和终端用户之间有中介方时，往往会因为在热水解所有相关技术方面的不同的观点而产生一定分歧，而不能将最具效益的解决方案提供给客户。” Theodoulou说。

3. 化学水解

化学水解通常是指在一定的温度下（一般小于100°C），通过添加碱（氢氧化钠或氢氧化钙）促进污泥中纤维成分更好地溶解的方法。现在已经有许多企业对这一过程进行研究，如CNP，Lystek，BCR Environment和意大利的污泥处理技术专家newlisi公司等。与热水解法相比，这些公司将化学水解的方法称为“软水解”。

4. 超声波处理法

除了以上介绍的三种水解方法以外，超声波处理法是另一种常用的污泥预处理方法，但应用不及水解法普及，其中发展比较好的是德国ULTRAWAVES公司的超声波污泥处理系统。Ultrawaves成立于2001年，其超声波处理系统已经在逾80个污水处理厂中得以应用，Ultrawaves的技术总监Luis Vergara告诉GWI，该技术处理生物污泥所用的超声波能量密度为4 KWh/m，用以破坏微生物细胞的细胞壁，是细胞内的有机质释放出来促进水解和消化的进行。

5. 其他方法

除此之外，其他几种机械或电力分解的技术尚处于起步阶段，在改善处理后污泥的脱水性能、降解速度和产气率的方面，并没有很大的突破。

加拿大的Paradigm环境技术公司旗下的Microsludge工艺系统，使用碱和高压使剩余活性污泥中的微生物细胞破碎和液化，然后进入污泥消化池进行厌氧消化，对厌氧降解工艺进行优化。然而，由于在市政污水处理设施中系统调试时间过长，使公司出现严重的财务问题而不得不停止了大部分业务。2015年11月，Paradigm公司的资产和Microsludge的工艺系统被一家名为Eagleridge Innovations Corporation的PE收购。在之前Paradigm的失败经验下，Eagleridge计划将商业目光投向销售周期较短的工业污泥处理市场，推广其Microsludge工艺系统。

在之前GWI与大家分享的污泥厌氧消化预处理市场的上篇中，为大家主要介绍了污泥预处理技术的市场概貌、核心驱动力和技术分析。作为回顾，不同污泥预处理技术如下图所示：

今天，GWI将为大家重点聚焦于热水解技术在污泥厌氧消化工艺流程中的应用。

热水解系统与污水处理厂规模的匹配

不同规模的污水处理厂所适用的热水解系统也各不相同，这与系统设备所占的空间有很大关联。 Cambi的许多产品普遍适用于较大规模的水厂，如超过40万人口当量处理规模的污水厂等（P.E.; 此处以人口当量表示污水厂处理能力）。这样大型的处理系统虽然能显著提高污泥水解的效率，但同时对处理温度和压力条件也会有更严格的要求，从而增加了使用成本。

这也是为什么Cambi在北美市场并没有特别多项目的原因之一，因为北美只有少数的水司有足够的处理规模和经济能力来运行这套热水解系统。考虑到市场普及性和适用性的问题，Cambi最近专门针对小规模水厂设计了占地更为紧凑的B2处理系统。Cambi的业务发展高级副总裁Harald Kleiven告诉GWI：“开发出[适用于小规模水厂]的产品，将是我们重点关注的目标领域。”

已经有许多技术公司推出了专门针对小规模污泥处理厂所设计的热水解处理系统。如荷兰Eliquo水和能源公司的LysoTherm工艺，LysoTherm主要是通过热交换系统进行热蒸汽的供应，并广泛应用于食品和饮料行业。Reinhard Huebner表示：“在这一行业领域，尤其是一些小规模的工厂，Cambi的蒸汽爆破工艺并不适用。但是对于一些大规模的工厂，Cambi的装置绝对比我们更具竞争力。” 据悉，Lysotherm工艺的适用规模一般在5万至10万人口当量（P.E.）范围内，但因为是模块化的系统，所以不会受到容量的限制。

另一方面，CNP技术公司总裁Gerhard Forstner告诉GWI，CNP的PONDUS污泥热化学水解设备主要的目标水厂规模在20~60 MGD（75~225,000m/d）之间，该方法的温度条件要低于Cambi的工艺设备，但同时需要加入苛性钠来提高pH值。“PONDUS系统可以实现Cambi热水解系统80%的效果，但价格却仅为Cambi的三分之一。” Forstner补充道。

消化前or消化后热水解？

不同污泥预处理技术与其对应的技术领先公司如下图所示：

尽管现在大多数的工艺都是针对污泥厌氧消化的预处理技术，一些技术公司也开始探索对污泥厌氧消化后的沼渣等残余物进行水解和脱水，这一后处理的目的是为了将处置后的污泥更好地资源化利用。Lystek International Inc.是加拿大有机及生物固废管理方面的专家，其LysteMize工艺流程基于热碱处理的原理，在75摄氏度的温度条件下，向污泥加入碱并进行高剪切混合。这一工艺产物不仅符合加拿大的A类生物固体标准及先进标准，同时也可以提升消化的效果。

Lystek的技术总监Ajay Singh向GWI解释道，当他们将沼渣从低效率消化器转移至常规效率的消化器中时，仍然有大量[残留的]挥发性固体，但如果将这些残留固体重新加入LysteMize工艺流程的消化设备中，它们可以帮助进一步提高沼气的产量。

Lystek市场部总监Kevin Litwiller补充道，如果在厌氧消化步骤之前采用水解，可能会对水厂的运营带来一些危害。“这可能会对水厂的运营和操作产生一定负面的影响，因为需要对工艺流程做出显著的改变。”但尽管对消化后的污泥进行处理具有很多的优点，Singh依然表示，这一技术还未能普及，Lystek现在计划的是将其厌氧消化的预处理系统用于两个污泥处理的项目中。

除了Lystek，许多其他的污泥处理技术公司也发现了将消化后的生物质回收再循环利用以改善污泥脱水性能并提高沼气产量的优点。Cambi最近开发了一种叫做SolidStream的后处理工艺，将热水解后的固体流进行脱水处理，并通过热碱处理的方法加速滤液中COD的溶出，将其回收至消化池进行水解酸化，从而进一步提高可生化性和沼气的产量。类似地，Eliquo公司的LysoTherm工艺也将水解后的污泥再次回收至消化池进行处理，以达到循环再利用的目的。

污泥的产生与污水厂的生产工艺和处理方式密切相关，按照污水处理工艺流程可将污泥分为两种类型：第一种通常称为初级污泥，是指经过初步混凝、沉降等初级废水处理所分离得到的污泥。另一种称为剩余活性污泥，指经过二次沉淀池所排出系统外的活性污泥。与剩余活性污泥相比，初级污泥通常更容易被消化，这也就意味着只有剩余污泥可以通过这一后续的水解酸化方法来提高厌氧消化单元的性能。

然而，基于热水解方法所能够实现的消毒功效，意味着水司必须做出一个选择——“是只处理剩余污泥、还是将剩余污泥和初级污泥一起处理，这取决于水司对处理效果的要求。若在提高厌氧消化效果的基础上，同时需要使处理后的污泥达到A类生物固体标准，那么单单处理剩余污泥是远远不够的。” 水处理工程公司One Water Solutions总裁Glen Daigger提到，“如果客户希望将剩余污泥进一步干化或者焚烧，那么技术公司如Cambi就会先将初级污泥和剩余污泥相混合，然后再将混合后的污泥重新回收至消化池进行水解酸化。”

德国ULTRAWAVES公司的超声波污泥处理系统通常只分解30%~50％的剩余污泥。Ultrawaves的技术总监Luis Vergara告诉GWI，“这意味着超声波处理技术与其他预处理技术相比，节省了大量的能量。”

除了在厌氧消化步骤前或者后添加热水解之外，Cambi同时开始研究在消化过程中添加热水解的工艺流程。即将热水解的处理步骤添加至第一个简短的厌氧消化阶段（指易消化的物质转化为甲烷的阶段）与后一个高级厌氧消化阶段之间。“在保持消化池容量不变的基础上，这一技术不仅进一步提升了采用传统热水解步骤所实现的效果，同时节省了占地面积和所用的蒸汽量。”

水解+磷回收=新的市场机会

在水解阶段随污泥分离出的磷酸盐是污泥采用水热预处理的一个副产物。除此之外，水解后的污泥水中还含有由细胞物质水解得到的高浓度的氨氮。如果这一高氮磷含量的污泥水被循环至污水处理厂中，不仅会对工厂氮磷去除提出更高的要求，同时还会造成脱水设备的结垢。通过在厌氧消化步骤之后添加回收磷的技术，可以大大提升污泥处理的经济效益。

来自荷兰Eliquo水和能源公司的Bert Geraats告诉GWI：“我们发现，在很多热水解应用的商业案例中，很少有在水解技术之外复合添加另一个技术的工艺流程。”他解释说：“但是，如果能将热水解的副产物氮磷通过一些方法进行回收，那无异于我们正在热水解的缺点上获益。这也是荷兰Amersfoort污水处理厂转变为能量和营养盐回收厂的初衷所在。”

荷兰Amersfoort污水处理厂（处理规模为30万人口当量）将其消化池装置在2016年进行升级，添加了Eliquo公司所提供的热水解系统。此外，该厂同时采用Ostara公司的Pearl工艺，将液体中的氮、磷提取出来，并转化为可农用的高效肥料。Pearl工艺是Ostara公司专门针对鸟粪石（简称MAP，磷回收产品的主要形式之一）的综合性专利解决方案。

Pearl工艺通过控制液化床反应器中化学结晶的程度，使鸟粪石转化成高纯度的结晶颗粒。然而在现在的市场上，将热水解与磷回收技术相结合的工艺并不多。德国CNP水与污泥处理公司在一个污泥处理厂中，将其PONDUS水解系统与其AirPrex磷回收单元相结合，并希望将这一复合型工艺运用于更多的污泥处理项目中。“我们认为热水解与氮磷回收相结合将是未来的发展热点。如果你在一个安装有热水解工艺的污水处理厂，就一定会考虑氮磷回收的问题。”

中温消化vs高温消化

虽然目前一般主流都采用单阶段中温消化的方法，但是在一些地区，高温消化技术逐渐开始重新被采用。“在荷兰，一些客户开始选择高温消化技术。因为它的反应速率更快，可以在处理污泥体积增加的情况下避免消化体积的进一步增加。”

GE的Theodoulou同时告诉GWI，北美水司如今对高温消化持有更加开放的态度。高温消化的优点在于更短的污泥停留时间、更大的沼气产量、以及更好的灭菌效果。但尽管如此，与热水解相比，高温消化仍存在气味重的问题。“Glen Daigger说。

水解技术的市场机会

之前，在GWI全球水市场的预测中曾提到过，得益于全球污泥消化系统升级的需求驱动，污泥预处理技术将具有非常大的市场增长空间。尤其是中国，对高级厌氧消化过程有很大的需求。但是从短期到中期来看，这些市场机会在大城市中会受到一定限制。此外，中国雨污分流水平低的现状，往往导致污泥有机物含量低。但尽管如此，在大城市中依然有非常可观的市场。 随着北京及周边地区五座大型热水解项目的落地，以康碧为首的许多优秀污泥处理技术公司（如CNP等）都开始逐渐崭露头角。

在发达国家的污泥市场中，污泥处置的选择受到更为严格的监管（比如填埋），这使得污泥填埋的成本大大增加。其中最有吸引力的是美国市场，美国正在严格规范有机物的填埋处置。目前，加利福尼亚128个允许填埋的场地中只有55个能够接受有机固体。西欧地区的部分国家也是如此。以德国为例，德国水司并没有很大的资本支出压力，所以与普通18~20天的停留时间相比，德国水司一般会采用30天或更长的停留时间。 Huebner评论道：“这样的现状导致的结果就是，与英国相比，预处理技术并没有在德国得到普遍的采用，这也使得这一技术在德国具有更大的未来发展空间。德国最近也通过了禁止大型污水处理厂污泥进行土地利用的法规，同时也对用于土地利用的污泥进行更加严格的污染物限制。”

印度作为世界人口第二大的国家，也是众多技术供应商密切关注的对象，但是印度市场发展速度相比于其他市场却略显缓慢。印度的污水收集处理率还需大幅度提升，“我们估计，像德里这样的大城市，随着整体收集率的增加，其污泥的产量将会是现在的五到六倍。”Kleiven告诉GWI。尽管目前印度市场发展较慢，但是印度政府正在大力寻求全球最佳先进经验，并推行在安装厌氧消化系统设备时采用更先进的技术，如水解技术等。

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