1. 厭氧消化技術(shù)概述

    1.1技術(shù)來(lái)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(guó)Mouras凈化器是污水（污泥）厭氧生物處理的雛形；1905年，德國(guó)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(guò)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(dòng)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(guó)內(nèi)應(yīng)用情況

2000年，建設(shè)部、國(guó)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(wàn)m3/d的污水處理二級(jí)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(guó)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(guò)10座。2010、2011年污泥處理處置十大推薦案例中共列入6個(gè)厭氧消化項(xiàng)目，其中還包括當(dāng)時(shí)“尚未進(jìn)行24小時(shí)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(guó)水網(wǎng)2010、2011年度污泥處理處置推薦案例評(píng)選資料及部分國(guó)內(nèi)公開(kāi)發(fā)表文獻(xiàn)資料摘錄列舉國(guó)內(nèi)正常運(yùn)行的主要厭氧消化工程實(shí)例情況：

    1.4.1大連東泰夏家河污泥處理廠

夏家河項(xiàng)目占地2.47公頃，日處理市政污泥600噸。采用LIIP消化罐12個(gè)（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(shí)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(chǎng)晾曬填埋；沼液排至夏家河污水處理廠處理排放。

項(xiàng)目工程總投資14913萬(wàn)元，運(yùn)行成本130-150 元/噸。

項(xiàng)目于2007年開(kāi)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(xiàng)目

麥島項(xiàng)目為青島麥島140，000 m3/d污水處理廠擴(kuò)建工程配套子項(xiàng)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(shí)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(tái)500kVA沼氣發(fā)電機(jī)能源，剩余的沼氣通過(guò)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(chǎng)或堆肥處理；沼液由污水處理廠處理排放。

項(xiàng)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(xiàng)目

小紅門項(xiàng)目為北京小紅門600，000 m3/d污水處理廠工程配套子項(xiàng)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(shí)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(dòng)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(xiàng)目工程總投資20000萬(wàn)元，運(yùn)行費(fèi)用1464萬(wàn)元/年。

項(xiàng)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(xiàng)目

白龍崗項(xiàng)目為上海白龍崗污水廠2，000，000 m3/d污水處理廠升級(jí)改造工程配套子項(xiàng)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(jì)污泥停留時(shí)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(xiàng)目工程總投資63000萬(wàn)元，運(yùn)行成本約120 元/噸脫水污泥。

項(xiàng)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(xiàng)目

新疆烏魯木齊河?xùn)|污水廠污泥消化及熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)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(xiàng)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(shí)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(guò)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(chǎng)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(duì)應(yīng)100%的有機(jī)質(zhì)含量和60%的降解率，顯然失實(shí)。

項(xiàng)目于2006年由于設(shè)備問(wèn)題停用，2009年經(jīng)改造后恢復(fù)運(yùn)行使用，2010年底開(kāi)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(xiàng)目

鄭州王新莊污水廠污泥厭氧消化及沼氣利用項(xiàng)目為鄭州王新莊污水廠工程配套子項(xiàng)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(jí)3座，二級(jí)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(shí)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)?。沼渣脫水后含水率降?8%左右，送至垃圾填埋場(chǎng)或堆肥處理；沼液由污水處理廠處理排放。

項(xiàng)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(jì)指標(biāo)。

表1.1厭氧消化典型案例主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比

    2.處理過(guò)程應(yīng)注意的問(wèn)題

    2.1泥質(zhì)

中國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠水質(zhì)與發(fā)達(dá)國(guó)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(yàn)，在污泥處理處置方面同樣可以借鑒污水處理經(jīng)驗(yàn)，在充分分析掌握中國(guó)泥質(zhì)特點(diǎn)的前提下，引入國(guó)外成熟技術(shù)時(shí)，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(wú)功而返。

    2.1.1有機(jī)質(zhì)含量

中國(guó)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(diǎn)，總體水平較發(fā)達(dá)國(guó)家明顯偏低。我國(guó)2001年抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)較美國(guó)2000年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)低28%，這主要是由于我國(guó)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(jì)表（單位：g/kg）