2011年我國污泥產(chǎn)量約2188萬t，預(yù)估到2015年我國污泥產(chǎn)量將超過3000萬t，已成為我國最緊迫的環(huán)境問題之一[1]. 其中接近70%的直接填埋，15%去向不明，存在突出的二次污染. 厭氧消化是一項廣泛應(yīng)用的污泥穩(wěn)定化、 減量化、 無害化、 資源化技術(shù)，并且能夠回收沼氣. 歐盟地區(qū)50%以上污水廠均采用污泥厭氧消化[2]. 各國厭氧消化比例：比利時67%，丹麥50%，法國49%，德國64%，希臘97%，意大利56%，盧森堡81%，西班牙65%[3].

　　厭氧消化也是我國鼓勵的主要污泥處理技術(shù). 國家近年發(fā)布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術(shù)指南(試行)》、 《“十二五”期間污泥處置建議》和《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術(shù)政策(試行)》等均明確提出“大中型廠宜優(yōu)先選用厭氧消化污泥處理工藝”、 “鼓勵城鎮(zhèn)污水處理廠采用污泥厭氧消化工藝”等. 但目前為止，全國僅50余家污水廠建有污泥厭氧消化設(shè)備，且40%左右停運[4]. 全國經(jīng)過厭氧處理的污泥不足2%. 高含固率的污泥厭氧消化(簡稱高固消化，進(jìn)泥含固率8%以上)是近年受到關(guān)注的污泥消化新技術(shù)[5, 6, 7, 8]. 與傳統(tǒng)污泥厭氧消化(進(jìn)泥含固率3%～5%)相比，單位投資可減少40%～50%[9]，又明顯節(jié)省加熱量，故經(jīng)濟優(yōu)勢明顯. 另一方面，我國的污泥有機物含量明顯低于歐美，也是厭氧技術(shù)推廣難的原因之一. 考慮到污泥消化的速控步驟是污泥水解，而我國污泥有機物含量低的情況，提出了“熱水解-高溫厭氧消化”的高固污泥處理工藝. 該工藝的主要特點包括：①采用70℃熱水解作為預(yù)處理來促進(jìn)細(xì)胞溶解; ②采用高溫厭氧消化來加快消化. 目前高固消化的研究還不夠充分，尤其缺乏設(shè)計和實際運行經(jīng)驗. 本研究具有較好的參考價值. 1 材料與方法 1.1 工藝流程

　　本中試在廣州市某水質(zhì)凈化廠進(jìn)行，共持續(xù)9個多月. 中試的工藝流程見圖 1. 進(jìn)泥在水解罐中水解，之后用泵打入高溫厭氧罐. 熱水解罐和高溫罐的有效容積分別為0.6 m3和2.0 m3，前者的反應(yīng)溫度為70℃±1℃，后者為55℃±1℃. 熱水解的固體停留時間(solid retention time，SRT)為3 d.

　　圖 1 工藝流程示意

　　1.2 接種污泥和處理的污泥

　　接種污泥為中溫厭氧消化污泥，接種揮發(fā)性懸浮固體(volatile suspended solid，VSS)濃度為17.01 g ·L-1，有機物含量為57%. 試驗所用進(jìn)泥為污水廠的脫水剩余污泥配制，含固率為8%~9%，有機物含量為59.76%~69.94%，VSS為52.95~58.45 g ·L-1，SCOD為1268~3443 mg ·L-1，氨氮60~336 mg ·L-1. 該污水廠進(jìn)水中工業(yè)廢水約占70%左右. 1.3 有機物去除率

　　有機物去除率以VSS去除率表示，其計算是基于相同SRT下的穩(wěn)定運行階段的物料平衡得出：

　　式中，ηMB：平均VSS去除率，%; VSSF：平均進(jìn)泥VSS濃度，g ·L-1; VSSP：平均出泥VSS濃度，g ·L-1. 1.4 測試方法

　　pH采用精密pH試紙測量，含水率、 VSS采用重量法測量，COD采用快速消解分光光度法(蘭州連華環(huán)保科技有限公司，5B-1B)測量，堿度采用溴甲酚綠-甲基紅指示劑滴定法測量，氨氮采用納氏比色法測量，沼氣含量采用甲烷測定儀(北京恒奧德儀器儀表有限公司，HA80-CH4)測量，沼氣產(chǎn)量采用濕式流量計(長春汽車濾清器有限責(zé)任公司，LMF-1)測量. 2 結(jié)果與討論

　　試驗從2011年10月底持續(xù)至次年7月，時長近9個月. 2.1 熱水解

　　試驗期間，熱水解進(jìn)泥的平均VSS為55.78g ·L-1，出泥為44.87 g ·L-1，平均去除率為19.6%. SCOD由進(jìn)泥的4565 mg ·L-1增加至19969 mg ·L-1，增加337.4%. 這些顯示出熱水解在溶解細(xì)胞方面有明顯效果.

　　熱水解的去除率與進(jìn)泥的VSS/SS有一定關(guān)系，當(dāng)VSS/SS在50.0%～59.9%范圍內(nèi)，平均為57.1%時，熱水解的平均VSS去除率為13.3%，而VSS/SS在60%以上，則差異不明顯，VSS/SS為60%～64.9%、 65.0%～69.9%和70%以上的污泥熱水解的平均VSS去除率分別為20.50%、 21.20%和17.63%. 2.2 高溫厭氧消化

　　2011年10月底，用接種污泥直接將高溫厭氧罐充滿，然后每天按有機負(fù)荷(以COD計)2 kg ·(m3 ·d)-1投加葡萄糖，促進(jìn)厭氧細(xì)菌的活性恢復(fù). 當(dāng)沼氣產(chǎn)量達(dá)到理論值70%~80%時，逐步減少葡萄糖的投加量，同時增加污泥量，經(jīng)過3周左右的時間，葡萄糖的投加量為零，至此啟動結(jié)束. 啟動期間，污泥的SRT為20 d，pH維持在7.0左右，進(jìn)泥的VSS為12.86 g ·L-1，VSS/SS為52.43%.

　　待反應(yīng)器啟動結(jié)束后，將進(jìn)泥的含固率提高到8%~9%，依次進(jìn)行了厭氧SRT分別為40 d、 35 d、 25 d、 20 d、 15 d的試驗. 每個SRT試驗的測試結(jié)果都是在反應(yīng)器完成一個完整的SRT運行后，且穩(wěn)定運行以后的平均值，結(jié)果如下. 2.2.1 有機物去除率

　　當(dāng)高溫厭氧消化的SRT為15 d、 20 d、 25 d、 30 d、 35 d和40 d時，VSS去除率分別為27.5%、 32.5%、 29.8%、 34.6%、 25.3%和42.3%，有機負(fù)荷(以VSS計)分別為3.16、 2.36、 1.84、 1.58、 1.15、 1.18 kg ·(m3 ·d)-1. SRT為35 d時，去除率較低. 在這期間，污水廠的剩余污泥的VSS/SS由70%左右下降至50%左右. 污泥性質(zhì)不穩(wěn)定可能是去除率較低的主要原因.

　　圖 2 高溫厭氧消化的有機物去除率與SRT

　　2.2.2 VSS/SS

　　穩(wěn)定化是污泥處理的重要目標(biāo)之一. 王凱軍等[10]指出，污泥穩(wěn)定化是有機物礦化的過程. 朱英等[11]推薦VSS去除率、 不穩(wěn)定物質(zhì)去除率、 腐殖質(zhì)含量和植物毒性等作為污泥穩(wěn)定化指標(biāo)，而朱明權(quán)等[12]認(rèn)為厭氧消化后污泥的有機酸含量可很好地衡量污泥的穩(wěn)定化程度. 通常，有機物去除率越高，污泥穩(wěn)定化越好，而污泥有機物含量(VSS/SS)越高，污泥就越不穩(wěn)定，因此可以采用VSS去除率和消化污泥的VSS/SS評價污泥穩(wěn)定化程度. 大量工程運行數(shù)據(jù)表明，穩(wěn)定程度較好的污泥VSS去除率在40%以上，VSS/SS多在45%±5%.

　　當(dāng)高溫厭氧消化的SRT為15 d、 20 d、 25 d、 30 d、 35 d和40 d時，高溫消化污泥的VSS/SS分別為47.49%、 57.98%、 54.00%、 47.15%、 52.93%和55.70%. SRT為20 d、 25 d、 35 d和40 d時，消化污泥的VSS/SS超過50%，這主要是因為進(jìn)泥的有機物含量較高導(dǎo)致的. 由圖 3可知，消化污泥的VSS/SS與進(jìn)泥的VSS/SS是相關(guān)的. 擬合結(jié)果表明，線性相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.9168.

　　圖 3 高溫消化污泥VSS/SS與SRT的關(guān)系

　　2.2.3 甲烷產(chǎn)率

　　甲烷產(chǎn)率是評價厭氧消化回收能源的重要指標(biāo). 由圖 4可知，當(dāng)SRT為25~40 d時，甲烷產(chǎn)率(以CH4/VSSadd計)變化不大，為0.20~0.24 m3 ·kg-1; 當(dāng)SRT為15 d、 20 d時，甲烷產(chǎn)率下降，為0.12 m3 ·kg-1、 0.17 m3 ·kg-1. 這表明當(dāng)SRT在20 d以下時，污泥有機物的消化還不夠徹底. 綜合甲烷產(chǎn)率以及前文的有機物去除率等結(jié)果，在實際工程中，本工藝的高溫厭氧消化的SRT可取25 d.

　　圖 4 甲烷產(chǎn)率

　　2.2.4 氨氮

　　氨氮是厭氧反應(yīng)的抑制物質(zhì)之一，而高固污泥消化的氨氮抑制風(fēng)險要明顯高于傳統(tǒng)污泥厭氧消化. Hashimoto[13]研究發(fā)現(xiàn)，對于未經(jīng)馴化的中溫和高溫厭氧反應(yīng)器，當(dāng)pH約為7.2時，氨氮濃度2500 mg ·L-1的抑制就很明顯. 而對于經(jīng)過馴化的高溫厭氧反應(yīng)器，氨氮濃度達(dá)到4000 mg ·L-1時才會產(chǎn)生抑制. Angelidaki等[14]也認(rèn)為4000 mg ·L-1是氨氮抑制現(xiàn)象發(fā)生的臨界值. 在試驗中，進(jìn)泥的平均氨氮為284mg ·L-1，厭氧的氨氮濃度平均為983 mg ·L-1，低于文獻(xiàn)報道的氨氮抑制濃度4000 mg ·L-1[14, 15]. 2.3 總體運行情況

　　工藝的總VSS去除率見圖 5. 從中可知，當(dāng)高溫厭氧消化的SRT為15 d、 20 d、 25 d、 30 d、 35 d和40 d時，總VSS去除率分別為39.07%、 42.22%、 42.69%、 45.31%、 44.70%和47.87%，總?cè)コ?ηMB)與SRT線性正相關(guān)(式2)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9153. 厭氧消化的SRT在20 d以上時，總VSS去除率在40%以上，完全滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918-2002)》中污泥穩(wěn)定的要求.

　　熱水解和高溫厭氧消化對總VSS去除的貢獻(xiàn)見圖 6. 由圖可知，當(dāng)高溫厭氧消化的SRT為15 d、 20 d、 25 d、 30 d、 35 d和40 d時，熱水解的貢獻(xiàn)比例分別為51.92%、 46.45%、 63.52%、 44.77%、 60.66%和42.68%，而厭氧消化的貢獻(xiàn)比例分別為48.08%、 53.55%、 36.48%、 55.23%、 39.34%和57.32%，表明熱水解和高溫厭氧消化去除VSS的貢獻(xiàn)大致相當(dāng). 盡管熱水解的SRT只有3 d，僅占總SRT的6.98%~16.67%，但對總VSS去除率的貢獻(xiàn)明顯.

　　圖 5 總VSS去除率

　　圖 6 熱水解和高溫厭氧消化對VSS去除的貢獻(xiàn)

　　2.4 與實際工程的對比

　　文獻(xiàn)報道的國外的大型污泥消化工程的運行數(shù)據(jù)比較少，使用的經(jīng)典設(shè)計手冊可以反映工程的實際情況. 美國《污水處理廠設(shè)計手冊》中明確指出污泥厭氧消化的有機物去除率應(yīng)在38%以上，沼氣產(chǎn)率的范圍為0.5~0.75 m3 ·kg-1(以沼氣/VSSadd計) 和0.75~1.12 m3 ·kg-1[16](以沼氣/VSSrem計). 沼 氣中的甲烷含量一般為50%~70%，按平均60%計算，折算后的甲烷產(chǎn)率分別為0.30~0.45 m3 ·kg-1(以CH4/VSSadd計)和0.45~0.67 m3 ·kg-1(以CH4/VSSrem計). 中試研究結(jié)果表明，熱水解-高溫厭氧消化工藝處理高含固率的剩余污泥時，有機物去除率完全可以達(dá)到美國設(shè)計手冊的要求，但甲烷產(chǎn)率低于推薦值.

　　截止目前，我國建成并運行良好的污泥厭氧消化設(shè)施主要有大連東泰夏家河污泥處理廠、 北京小紅門污水處理廠污泥消化工程、 青島麥島污水處理廠污泥消化工程、 上海白龍港污水處理廠污泥處理處置工程和鄭州王新莊污水處理廠污泥消化工程等. 本中試的試驗結(jié)果與國內(nèi)運行良好的部分實際工程運行對比結(jié)果見表 1.

　　由于我國城鎮(zhèn)污水處理廠污泥的有機物含量普遍較低，已建成運行的污泥厭氧消化設(shè)施，甲烷產(chǎn)率大多為0.18~0.24 m3 ·kg-1(以CH4/VSSadd計)[17]，因此本工藝的甲烷產(chǎn)率要優(yōu)于一般的消化工程. 由表 1可知，當(dāng)停留時間接近時，高含固率的污泥厭氧消化的有機物去除率與運行良好傳統(tǒng)的污泥厭氧消化工程(含固率3%~5%)相當(dāng). 由于高固消化與相同停留時間的傳統(tǒng)消化相比，反應(yīng)器的容積要縮小50%左右，加熱的污泥體積縮小40%~60%，抵消了大部分高溫多耗的能量，因此運行費也未明顯增加. 這顯示出本工藝具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢.

　　表 1 中試與實際消化工程的對比

　　與同為高固消化的大連夏家河污泥處理廠相比，本中試的有機物去除率和甲烷產(chǎn)率基本相同. 夏家河污泥處理廠的進(jìn)料除了城市污泥外，還有部分過期食品，這些物料有機物含量高，產(chǎn)氣率也高. 夏家河廠采用了德國技術(shù).

　　本工藝采用了70℃熱水解和高溫消化，在降低污泥的衛(wèi)生風(fēng)險方面要明顯優(yōu)于中溫消化.具體參見 污水處理技術(shù)資料或污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。

?　　3 結(jié)論

　　中試結(jié)果表明，含固率8%~9%的剩余污泥進(jìn)行“熱水解(70℃)-高溫厭氧消化(55℃)”具有較好的有機物去除效果和污泥穩(wěn)定化效果，能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918-2002)》的要求. 與此同時，高固消化污泥含固率較高，反應(yīng)器小，投資較少，而運行能耗未明顯增加，值得推廣. 從有機物去除率和沼氣產(chǎn)率來綜合考慮，推薦的參數(shù)為：熱水解SRT=3 d，高溫厭氧消化的SRT=25 d.(來源及作者：清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境模擬與污染控制國家重點實驗室 王廣啟、曹知平、李中華、胡玉瑛、王凱軍、左劍惡)