2011年我國(guó)污泥產(chǎn)量約2188萬(wàn)t，預(yù)估到2015年我國(guó)污泥產(chǎn)量將超過(guò)3000萬(wàn)t，已成為我國(guó)最緊迫的環(huán)境問(wèn)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(xiàng)廣泛應(yīng)用的污泥穩(wěn)定化、 減量化、 無(wú)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(guó)厭氧消化比例：比利時(shí)67%，丹麥50%，法國(guó)49%，德國(guó)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(guó)鼓勵(lì)的主要污泥處理技術(shù). 國(guó)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(lì)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(guó)僅50余家污水廠建有污泥厭氧消化設(shè)備，且40%左右停運(yùn)[4]. 全國(guó)經(jīng)過(guò)厭氧處理的污泥不足2%. 高含固率的污泥厭氧消化(簡(jiǎn)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(jì)優(yōu)勢(shì)明顯. 另一方面，我國(guó)的污泥有機(jī)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(guó)污泥有機(jī)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(diǎn)包括：①采用70℃熱水解作為預(yù)處理來(lái)促進(jìn)細(xì)胞溶解; ②采用高溫厭氧消化來(lái)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(jì)和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn). 本研究具有較好的參考價(jià)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(gè)多月. 中試的工藝流程見(jiàn)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(shí)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(jī)物含量為57%. 試驗(yàn)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(jī)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(jī)物去除率

　　有機(jī)物去除率以VSS去除率表示，其計(jì)算是基于相同SRT下的穩(wěn)定運(yùn)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(cè)試方法

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

　　試驗(yàn)從2011年10月底持續(xù)至次年7月，時(shí)長(zhǎng)近9個(gè)月. 2.1 熱水解

　　試驗(yàn)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(shí)，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(jī)負(fù)荷(以COD計(jì))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(shí)，逐步減少葡萄糖的投加量，同時(shí)增加污泥量，經(jīng)過(guò)3周左右的時(shí)間，葡萄糖的投加量為零，至此啟動(dòng)結(jié)束. 啟動(dòng)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(dòng)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(yàn). 每個(gè)SRT試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果都是在反應(yīng)器完成一個(gè)完整的SRT運(yùn)行后，且穩(wěn)定運(yùn)行以后的平均值，結(jié)果如下. 2.2.1 有機(jī)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(shí)，VSS去除率分別為27.5%、 32.5%、 29.8%、 34.6%、 25.3%和42.3%，有機(jī)負(fù)荷(以VSS計(jì))分別為3.16、 2.36、 1.84、 1.58、 1.15、 1.18 kg ·(m3 ·d)-1. SRT為35 d時(shí)，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(jī)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(jī)物礦化的過(guò)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(jī)酸含量可很好地衡量污泥的穩(wěn)定化程度. 通常，有機(jī)物去除率越高，污泥穩(wěn)定化越好，而污泥有機(jī)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(píng)價(jià)污泥穩(wěn)定化程度. 大量工程運(yùn)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(shí)，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(shí)，消化污泥的VSS/SS超過(guò)50%，這主要是因?yàn)檫M(jìn)泥的有機(jī)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(píng)價(jià)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(shí)，甲烷產(chǎn)率(以CH4/VSSadd計(jì))變化不大，為0.20~0.24 m3 ·kg-1; 當(dāng)SRT為15 d、 20 d時(shí)，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(shí)，污泥有機(jī)物的消化還不夠徹底. 綜合甲烷產(chǎn)率以及前文的有機(jī)物去除率等結(jié)果，在實(shí)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(xiǎn)要明顯高于傳統(tǒng)污泥厭氧消化. Hashimoto[13]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)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(shí)，氨氮濃度2500 mg ·L-1的抑制就很明顯. 而對(duì)于經(jīng)過(guò)馴化的高溫厭氧反應(yīng)器，氨氮濃度達(dá)到4000 mg ·L-1時(shí)才會(huì)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(yàn)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(bào)道的氨氮抑制濃度4000 mg ·L-1[14, 15]. 2.3 總體運(yùn)行情況

　　工藝的總VSS去除率見(jiàn)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(shí)，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(shí)，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(duì)總VSS去除的貢獻(xiàn)見(jiàn)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(shí)，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(duì)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(duì)VSS去除的貢獻(xiàn)

　　2.4 與實(shí)際工程的對(duì)比

　　文獻(xiàn)報(bào)道的國(guó)外的大型污泥消化工程的運(yùn)行數(shù)據(jù)比較少，使用的經(jīng)典設(shè)計(jì)手冊(cè)可以反映工程的實(shí)際情況. 美國(guó)《污水處理廠設(shè)計(jì)手冊(cè)》中明確指出污泥厭氧消化的有機(jī)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(jì)) 和0.75~1.12 m3 ·kg-1[16](以沼氣/VSSrem計(jì)). 沼 氣中的甲烷含量一般為50%~70%，按平均60%計(jì)算，折算后的甲烷產(chǎn)率分別為0.30~0.45 m3 ·kg-1(以CH4/VSSadd計(jì))和0.45~0.67 m3 ·kg-1(以CH4/VSSrem計(jì)). 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(shí)，有機(jī)物去除率完全可以達(dá)到美國(guó)設(shè)計(jì)手冊(cè)的要求，但甲烷產(chǎn)率低于推薦值.

　　截止目前，我國(guó)建成并運(yùn)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(yàn)結(jié)果與國(guó)內(nèi)運(yùn)行良好的部分實(shí)際工程運(yùn)行對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表 1.

　　由于我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥的有機(jī)物含量普遍較低，已建成運(yùn)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(jì))[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(shí)間接近時(shí)，高含固率的污泥厭氧消化的有機(jī)物去除率與運(yùn)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(shí)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(yùn)行費(fèi)也未明顯增加. 這顯示出本工藝具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì).

　　表 1 中試與實(shí)際消化工程的對(duì)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(jī)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(guò)期食品，這些物料有機(jī)物含量高，產(chǎn)氣率也高. 夏家河廠采用了德國(guó)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(xiǎn)方面要明顯優(yōu)于中溫消化.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com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(jī)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(shí)，高固消化污泥含固率較高，反應(yīng)器小，投資較少，而運(yùn)行能耗未明顯增加，值得推廣. 從有機(jī)物去除率和沼氣產(chǎn)率來(lái)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(lái)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 王廣啟、曹知平、李中華、胡玉瑛、王凱軍、左劍惡)