污泥热处理及其强化污泥厌氧消化的研究进展

污泥热处理及其强化污泥厌氧消化的研究进展

李玥

李玥

天津创业环保集团股份有限公司天津300384

摘要：污水生物处理的广泛应用产生了大量剩余污泥，剩余污泥的处理与处置已成为污水处理厂面临的一个重大挑战.厌氧消化是一种常用的污泥处理方法，传统的污泥厌氧消化处理方式存在许多不足，而污泥热处理却能使之改善.城市污泥可经浓缩/厌氧消化/脱水后达到减量化和稳定化的目的，实现后续的农用，产生的可回收燃气（氢气、沼气等）可被综合利用。污泥厌氧消化产气不仅可以解决污泥的出路问题，还可实现污泥的资源化利用，具有很高的应用价值。

关键词：污泥热处理；强化污泥；厌氧消化；研究进展

引言

污泥的有机成分和厌氧消化设施的运行条件是影响污泥厌氧消化产甲烷效果的主要因素。在实际工程应用中各个污水处理厂的厌氧消化设施及设施的运行条件基本一致。但是，用于厌氧消化产甲烷的污泥来源及成分不同，因此造成不同污水处理厂消化池产甲烷效果差异显著。近年来国内外污泥热处理及其对污泥厌氧消化的影响等方面的研究进展，以期推动污泥热处理在国内的研究与应用。

1热水解处理

热水解处理工艺可以有效提高污泥的厌氧消化性能，提高后续厌氧消化系统的有机物去除率，增大甲烷的产气量，提高污泥的脱水性能。目前，常用的热水解处理温度范围为40℃～180℃，也有的温度范围为150℃～250℃。研究发现，采用180℃高温预处理污泥，甲烷产量成倍增长，但是温度过高时，水解生成的中间产物在一定程度上会抑制厌氧消化。污泥热水解不仅可以使污泥细胞溶解，污泥水解后形成的中间产物更适合作为微生物的生长基质。Rocher等研究发现，污泥在pH=10、温度60℃条件下水解处理20min，污泥细胞溶解和生物降解稳定，污泥产率是常规活性污泥法的38%～43%。王治军等通过测定生物化学甲烷势（BMP）考察热水解处理对污泥厌氧消化性能的影响，得到热水解处理最佳条件为温度170℃、30min，此条件下污泥厌氧消化总化学需氧量（TCOD）去除率达到56.78%，污泥中TCOD沼气产率提高到250mL/g，随着水解温度的升高，污泥的产气率和有机物去除率升高，在170℃时达到最大值，而水解时间对厌氧消化的影响在低温时比高温时更显著，但是热水解对沼气中的甲烷含量没有显著影响。MaviClimenta等对高温热处理剩余污泥进行了研究，采用可过滤挥发性固体（FVS）与总挥发性固体（TVS）的比值（FVS/TVS）考察热处理对污泥破解程度的影响，结果发现FVS/TVS随着处理温度和时间的增大而增大，同时还证实了与未经处理污泥相比较经热水解处理（T=134℃，t=90min），FVS/TVS增加（914±5）%，但是产气效果没有变化，而低温热处理污泥（T=70℃，t=9h），FVS/TVS增加（751±36）%，同时产气量增加50%。Y-.Y.Li等对热预处理活性污泥用于厌氧消化进行了研究，分别在温度范围62℃～175℃时间为15、30、60、90和120min对污泥进行热处理，经分析，污泥中的有机颗粒被分解为可溶性醣类、蛋白质、脂类或者转化为低分子量物质（如挥发性脂肪酸），经热处理后污泥的厌氧降解性和产气量升高，厌氧消化停留时间缩短了5d，最佳热处理条件为温度170℃、60min，在此条件下COD去除率超过60%，产气量为223～235mL/g•COD。综上，影响污泥热水解处理的因素中，温度和时间是首先要考虑的主要因素，随着温度的升高，污泥的水解速率和水解程度增大，厌氧消化性能提高，但温度过高时会对污泥厌氧消化的影响减弱，同时会有抑制水解物质的生成，因此热水解处理工艺研究方向是在尽量降低能耗的基础上确定前处理的最佳工艺参数。

2.热处理对污泥厌氧消化的改善及其影响因素

2.1热处理对污泥厌氧消化的强化作用

由于污泥中大部分有机物为微生物细胞物质，这导致污泥的水解酸化缓慢，因此，水解酸化阶段被认为是污泥厌氧消化的限速阶段.污泥水解酸化缓慢的主要原因是污泥中的有机物大部分为微生物细胞物质，这些物质为细胞壁所包裹，细胞壁中聚多糖束和缩氨酸交联在一起，这种交联结构使污泥微生物的细胞壁在厌氧消化过程中破碎和溶解缓慢.热处理能够部分破坏污泥微生物的细胞壁，将原来为微生物细胞壁所包裹的有机物释放到胞外的水环境中，使原来的不溶性颗粒有机物转化为溶解性有机物，缩短或减少污泥厌氧消化过程中的污泥微生物细胞壁水解这一过程，从而加速了污泥的水解酸化，缩短了污泥在厌氧消化反应器中的停留时间，减小了厌氧消化反应器的体积，并可提高厌氧消化过程中污泥的沼气或甲烷产量，强化和改善污泥厌氧消化的效率。另外，与污泥直接好氧或厌氧消化相比，污泥热处理能提高污泥微生物的降解速率，改善污泥脱水性能，并具有消毒效果.

2.2热处理强化污泥厌氧消化的影响因素分析

影响热处理强化污泥厌氧消化的因素很多，影响污泥热处理效果的因素对热处理强化污泥厌氧消化效果均有影响，这些因素包括热处理条件（如温度、时间、处理方式）和污泥性质（如污泥浓度、污泥种类）等（表1）.

表1不同因素对热处理强化污泥厌氧消化的影响

不同热处理条件（温度和时间等）对污泥性质的影响不一样，造成对热处理污泥厌氧消化的影响也不一样（表1）.Hiraoka等（1985）在研究低温（100℃以下）热处理对污泥厌氧消化的影响时发现，诸如60℃和80℃的低温处理能将污泥厌氧消化的产气量提高30%，但是低温处理要求的处理时间较长.Elbing等（1999）发现，经135℃预处理后的污泥，在厌氧消化后，其挥发性固形物的去除效果分别提高了135%（停留时间为12d）和235%（停留时间为15d）.Haug等（1978）研究发现，100℃热处理仅能使污泥甲烷产量提高14%，而175℃热处理却能提高60%～70%，并能减少臭气的产生.Li等（1992）研究了热处理对厌氧消化中剩余活性污泥降解特性的影响，实验所采用温度为62～175℃，处理时间为15～120min不等.当在70℃下处理30min时，污泥的溶解率达55%.在开始30min中，污泥的溶解即可达到平衡，处理时间延长到60min时，污泥厌氧消化时甲烷产量却没有明显增加.挪威公司Cambi开发了一种以热水解为特征的污泥处理系统：污泥经180℃处理30min后，30%～70%的固体发生溶解.该公司称该热水解过程能将其后厌氧消化的沼气产量提高1.5倍（与传统工艺相比），且剩余物干燥后的体积也减少50%以上（Keppetal.，2000）.

3.结束语

污泥热处理需要特殊设备，尤其是高温热处理时，并且污泥热处理有一定能耗.在以后的研究中，应该在污泥热处理的机理，减少降解物质的生成和提高有机物的释放效率等方面进一步深入研究.同时，注重研究高效的污泥热处理工艺或热处理与其它处理方式的结合，开发低耗的污泥热处理方法和设备.另外，面对我国日益严峻的污泥处理和处置形势。

参考文献：

[1]戴晓虎．我国城镇污泥处理处置现状及思考［J］．给水排水，2012，38（2）：1-5.

[2]李琳．污泥厌氧消化技术发展应用现状及趋势［J］．中国环保产业，2013（8）：57-60.

[3]吴静，姜洁，周红明，等．我国城市污水厂污泥厌氧消化系统的运行现状［J］．中国给水排水，2008，24（22）.