付華平
天津市污水處理研究所

1 概論

　　從1906年起第一個雙層沉淀池－殷霍夫池在德國誕生以來，污泥處理已有90多年的歷史。由綜合沉淀池消化發展成為分離沉淀厭氧消化，成功地進行污泥穩定化處理已有60多年的歷史。歐美各國、日本等充分利用污泥厭氧消化產生沼氣，并普遍推進熱能和電能的綜合回收，已有成熟的經驗。
　　雖然近十年兩相消化、好氧－厭氧兩段消化、中溫－高溫雙重消化以及厭氧消化床、污泥床等新工藝不斷發展，但大多數仍處于小試階段，達到生產規模的較少，在未見明顯的整體效益以前不會全面推廣使用。
　　我國自五、六十年代先后建設了污泥厭氧消化系統，經過多年實踐經驗的積累，使我國污泥消化技術得到進一步提高。但是，由于我國污水處理事業起步較晚，特別在污泥處理與處置技術的理論與實踐上，迫切需要不斷地研究充實和提高。

2 東郊污水處理廠污泥消化系統概況

　　該廠厭氧消化系統主要由濃縮池、消化池、沼氣壓縮機、污泥循環沼氣攪拌器、換熱器、熱源等部分組成。其中消化池共有五座呈梅花形布置，一級消化池4座，二級消化池1座，中央為污泥消化控制室。
2.1污泥消化系統的特點：
　　·每座消化池的進泥、循環污泥、沼氣攪拌均采用一對一形式各自獨立自成系統。
　　·沼氣壓縮機置于消化池頂以上的控制室內，并從消化池集氣罩中直接取氣減少了管道長度及壓力損失。
　　·消化池與控制室之間用封閉的管廊連接，縮短了各種管道的長度，減小水頭損失及溫度損失并解決了冬季防凍問題。
　　·設置安全閥及攪拌觀察孔、底部人孔，增強消化池運轉的安全性。
　　·強化自動控制體系，避免運行管理時的盲目性。
2.2 污泥消化系統主要設計工藝參數
　　·污泥濃縮池：進泥量1640m³/d(含水率97%),出泥量1230m³/d(含水率96%),停留時間30小時。
　　·消化池：投配率5%-8%，進泥濃度大于40g/l，進泥有機份含量大于55%，有機份降解率30%時單方污泥產沼氣5.4m³，消化時間17-20天，消化溫度35±2℃，攪拌強度1.0m³/m²/hr，一級消化池連續攪拌，二級消化池間歇攪拌，而且不加溫。從消化池任意點投入鋰元素，經過壓縮氣體攪拌30分鐘后，全池鋰元素已分布均勻。
2.3 污泥處理系統工藝流程圖
　　污泥處理系統工藝流程見圖1。

3 影響污泥消化的主要因素

3.1 溫度
　　細菌的活動與溫度有關，溫度高低決定消化過程的快慢；溫度高低對產氣量也有一定影響。但實踐表明，高溫發酵的產氣量只比中溫發酵略有增加。高溫發酵幾乎能殺死全部病原菌和寄生蟲卵，中溫發酵則只能殺死其中的一部分。
3.2 酸堿度
　　甲烷細菌生長最適宜的PH范圍約在6.8-7.2之間，如PH值低于6或高于8生長繁殖將大受影響。產酸細菌對酸堿度不及甲烷細菌敏感，其適宜的PH范圍也較廣，在4.5-8之間。在正常運行的消化池中揮發酸(以醋酸計)一般在200-800mg/l之間，如果超出2000mg/l，產氣率將迅速下降，甚至停止產氣。揮發酸本身不毒害甲烷菌，而PH值的降低則會抑制甲烷菌的生長。
3.3 污泥投配率
　　投配率是消化池運行管理的重要指標。投配率過高，消化池內有機酸可能積累，PH下降，污泥消化不完全，產氣率降低；投配率過低，污泥消化較為完全，產氣率也較高，但消化池容積大，利用率低，基建費用高。
3.4 攪拌
　　新鮮污泥投入消化池后，應該及時加以攪拌，使新、熟污泥充分接觸，整個消化池內的溫度、底物、甲烷細菌分布均勻，并能避免在消化池表面結成污泥殼，加速污泥氣的釋放。
3.5 碳氮比
　　污泥中有機物質的碳氮比(C/N)對消化過程也有影響。碳氮比過高，則組成細菌的氮量不足，污泥中HCO^-₃(以NH₄HCO₃形式存在)濃度低，緩沖能力差，PH值容易下降。如果碳氮比過低，即氮量過高，胺鹽就會大量積累，PH值可上升到8以上，而抑制甲烷細菌的生長繁殖。
3.6 有毒物質
　　主要的有毒物質是重金屬離子和某些陰離子，重金屬離子對甲烷消化所起的抑制作用有兩個方面：
　　·與酶結合，產生變性物質，使酶系統失去作用。
　　·重金屬離子及其氫氧化物的凝集作用，使酶沉淀。

4 實際運行情況的總結及分析

　　消化系統經過一段時間的培養馴化后，開始正式運行，運行情況良好。對94.6—94.12運行情況匯總分析如下：
　　·投泥量：1075（780-1440）m³/d
　　·進泥含水率：95.57（94.98-95.88）%
　　·進泥有機份：57.03（50.38-61.71）%
　　·進泥PH：6.95（6.59-7.39）
　　·消化溫度：32.2（26.8-37.0）℃
　　·消化時間：36.5（30.8-41.7）天
　　·消化后污泥含水率：95.72（95.09-96.02）%
　　·消化后污泥有機份：46.49 (37.91-54.48)%
　　·有機物分解率：34.15（18.83-43.42）%
　　·投入的有機物量：27055（18756-35611）kg/d
　　·投配負荷：0.70 (0.51-0.89)kg/ m³池容 /d
　　·分解的有機物量：9219（4218-14812）kg/d
　　·產氣量：6692（3134-10783）m³ /d
　　·產氣率：6.17（3.91-7.75）m³氣/ m³泥
　　·分解單位重量有機物產氣量：0.726（0.687-0.756）m³/kg.vss
　　通過數理統計及相關分析，得出了投入的有機物量與產氣量、溫度與產氣率、溫度與有機分解率的相關曲線及數學關系式：
　　·設投入的有機物量為x kg/d，產氣量為ym³ /d，
　　當溫度為26.8—29.9℃時,y=-795.23+0.1966x，相關系數r=0.6889，項次n=7，相關性較差。

　　當溫度為30.0—31.9℃時，y=2221.685+0.1374x，相關系數r=0.8243，項次n=6，相關曲線如圖2所示：

　　當溫度為32.0—37.0℃時，y=-398.749+0.3062x，相關系數r=0.9882，項次n=17，相關曲線如圖3所示：

　　·設消化溫度為x℃，產氣率為ym³氣/ m³泥，則y= x^2.037/197.24，相關系數r=0.961，項次n=11，相關曲線如圖4所示：

　　 ·設消化溫度為x℃，有機分解率為y%，則y= x^2.6838/339.3126，相關系數r=0.9825，項次n=11，相關曲線如圖5所示：

5 污泥中溫消化生產性試驗

　　為了提高污泥中溫消化有機物降解率和產沼率，得到東郊污水處理廠污泥消化池中溫二級消化的最佳工藝參數，本研究在東郊污水處理廠開展了污泥消化池的中溫消化生產性試驗。
5.1 試驗控制參數和試驗方案設計
5.1.1 試驗控制參數
　　·消化池溫度
　　·進泥含水率，按多年實際運轉經驗，既保持較高的污泥濃度，又能滿足投泥泵的正常工作要求本試驗控制進泥含水率在94%—96%左右。
　　·消化池PH=6.7—7.5
　　·消化時間（投泥量）
　　·攪拌間隔
　　·投泥間隔
　　·污泥的酸堿度、碳氮比、重金屬均保持原污泥特性。
5.1.2 試驗方案設計
　　按照污泥消化溫度、污泥投配率、沼氣攪拌時間間隔、投泥間隔的不同，設計了4個生產性試驗方案：
　　·方案一：污泥消化溫度：28±2℃，投泥量480m^3/d，污泥消化時間20.83d，投配率4.8%，連續沼氣攪拌，投泥間隔2hr（投0.5hr，停1.5hr）。
　　·方案二：污泥消化溫度：28±2℃，投泥量420m^3/d，污泥消化時間23.83d，投配率4.2%，沼氣攪拌：6小時攪拌一次，每次1.5hr，投泥間隔4hr（投1hr，停3.0hr）。
　　·方案三：污泥消化溫度：28±2℃，投泥量420m³/d，污泥消化時間23.83d，投配率4.2%，連續沼氣攪拌，投泥間隔2hr（投0.5hr，停1.5hr）。
　　·方案四：以設計參數運行，污泥消化溫度：35±2℃，投泥量600m³/d，污泥消化時間16.7d，投配率6.0%，連續沼氣攪拌；投泥間隔40min（投10min，停30min）。
5.2 污泥消化效果評價指標及計算方法
5.2.1 有機物分解率
　　g={1-[（100-a）b]/[（100-b）a]}×100%
　　　g：有機物分解率（%）
　　　a：消化前污泥有機份（%）
　　　b：消化后污泥有機份（%）
5.2.2 污泥消化產氣率
　　包括投配單位體積污泥產氣率和分解單位重量有機份產氣率。
　　污泥投泥量計量方法為容積法，產氣量以天津市第五機床廠生產的JLQ-100型羅茨氣體流量計計量。
　　同時測定消化污泥的PH值、含水率、脂肪酸、總堿度、沼氣組分、及大腸菌值、蛔蟲卵諸項目。
5.3 試驗結果
　　各個方案試驗結果的平均值見表1、表2。

表1 方案編號 總 堿 度(mg/l) 脂 肪 酸(mg/l) pH 進泥 出泥 進泥 出泥 進泥 出泥 方案一 1317 1524 247 360 6.86 7.08 方案二 2933 3159 245 239 6.94 7.17 方案三 3133 3266 319 315 6.95 7.26 方案四 2539 2468 179 199 7.15 7.10

表2 方案

編號 含水率 有機份 投配VSS 分解VSS

（Kg/d） 產氣量

（m³/d） 產氣率

（m³/m³） 分解單位重量VSS產氣量

（m³/kg） 進泥
(%) 出泥
(%) 進泥
(%) 出泥
（%） 分解率
（%） 總量
（kg/d） 方案一 94.80 95.39 54.42 48.24 22.07 13654 3018 2227 4.64 0.738 方案二 95.18 96.19 54.35 48.48 20.97 11045 2323 1705 4.06 0.736 方案三 94.92 96.38 54.54 47.97 23.15 11640 2694 2006 4.78 0.743 方案四 95.61 96.21 55.54 43.84 37.50 14627 5479 4077 6.80 0.744

5.4 試驗結果分析
　　從方案1和方案3試驗結果看出：消化時間越長越好，但在消化溫度、攪拌和投泥間隔相同時，消化時間從20.8天增加到23.8天，平均有機分解率只從22.07%增加到23.15%，產氣率從4.64m³/m³增加到4.78 m³/m³ 。
　　·從方案2和方案3試驗結果看出：連續攪拌優于間歇攪拌，投泥間隔越短越好，在消化溫度和消化時間相同時，有機分解率從間歇攪拌的20.97%增加到連續攪拌的23.15%，產氣率從4.06m³/m³增加到4.78 m³/m³。
　　·方案4試驗結果與其它方案比較，可以看出：溫度是決定消化效果的主要因素。當溫度控制在35±2℃時，雖然停留時間減少到了16.7天，但在連續攪拌，投泥間隔30分鐘下，有機分解率增加到了37.50%，產氣率增加到了6.80m³/m³。
5.5 生產性試驗結果與東郊污水廠實際運轉效果的比較
　　在最佳工藝條件下，消化池的平均有機分解率為37.50%，平均產氣率為6.80m³/m³。而通過前面總結的東郊污水處理廠消化池的運行結果，得出了溫度與有機分解率、溫度與產氣率、投入有機物量與產氣量的關系式，將試驗的溫度35℃、平均投入的有機物量14627kg/d代入關系式可得：
　　·有機分解率為41.06%（試驗結果為37.50%）
　　·產氣率為7.08 m³/m³（試驗結果為6.80m³/d）
　　·產氣量為4080 m³/d（試驗結果為4077m³/d）
　　將試驗結果與實際運行結果比較可以看出：兩者結果比較接近，所產生得差別可能由于試驗階段與實際運行階段泥質有所不同造成的。

6 污泥消化運行最佳條件及效率參數

6.1 最佳運行條件
　　總結東郊污水處理廠實際運行經驗和生產性試驗,提出污泥消化池穩定運行的最佳運行條件：
　　pH：6.5-7.5；
　　含水率：94.8-96.5%；
　　消化溫度：35±2℃；
　　消化時間：16.7天以上；
　　有機投配負荷：0.7-1.7kg/m³/d；
　　沼氣攪拌：管束式連續沼氣攪拌，攪拌強度：1m³/m² /hr。
6.2 效率參數
　　在上述運行參數條件下正常運行，污泥消化池運行效率參數：
　　產氣率：5.59-7.96m³氣/m³泥分解單位重量有機物產氣量：0.734-0.762m³/kg.vss（達到了理論產沼量的89—92%）
　　有機分解率：35.59-39.13%
　　沼氣組成： 甲烷含量達70.34-72.73%

7 東郊污水處理廠污泥產氣量、有機分解率、沼氣組分與國內外污水廠的比較

　　東郊污水廠污泥產氣量、有機分解率、沼氣組分與歐美各國一些處理廠及紀莊子污水廠的比較，見表3。

表3 東郊污水處理廠與國內外情況對比表 污泥種類 污水處理廠名稱 投入的
有機物
產氣量
(ml/g) 有機物
分解率
(%) 分解1g有機物產氣量
(ml/g)

沼氣成份
(%) CH₄ CO₂ 沉淀后的生活污水污泥
（英霍夫雙層沉淀池） 巴登—巴登(西德) 483 76.5 631 61.8 37.1 阿麥斯夫特(荷蘭) 340 53.3 638 埃森-弗羅豪森(西德) 442 68.0 650 69.4 30.6 舊金山（美國） 500 67.0 746 63.0 33.0 巴爾的摩（美國） 400 45.5 880 65.0 32.5 柏林（西德） 383 30.6 1250 73.7 17.7 50%工業廢水沉淀污泥 杜塞爾多夫（西德） 254 46.8 542 69.0 27.0 含有工業廢水的城市污水污泥 海爾布隆（西德） 136 24.4 558 60.0 35.0 50%工業廢水的城市污水污泥 溫尼伯（加拿大） 335 49.0 720 66.8 32.7 含有工業廢水的城市污水污泥 華盛頓（美國） 574 59.5 965 62.0 34.0 72%工業廢水的城市污水污泥 天津東郊 247 34.2 726 61.3 38.7 60%工業廢水的城市污水污泥 天津紀莊子 212 35.0 1.022 60.1 25.4

　　由表3可以看出：以工業廢水為主的污水污泥的有機物分解率和投入有機物產氣量以及被分解的有機物產氣量都偏低，沼氣中CH₄含量也偏低。東郊污水廠的污泥是含工業廢水最多的污水污泥，其有機物的分解率較低，產氣量也較低，但是被分解的有機物產氣量比較高。