《城镇污水处理厂污泥厌氧消化工艺设计与运行管理指南》.docx

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《城镇污水处理厂污泥厌氧消化工艺设计与运行管理指南》

城镇污水处理厂污泥厌氧消化

工艺设计与运行管理指南

1总则

1.0.1编制目的

为了深化对城镇污水处理厂污泥厌氧消化技术原理和工艺的理解，提升我国污泥厌氧消化的工艺设计和运行管理水平，在查阅国内外相关技术材料、调研国内相关工程的基础上，依据国家和行业相关法律法规和标准规范，编制本指南。

1.0.2适用范围

本指南适用于城镇污水处理厂污泥厌氧消化的工艺设计和运行管理。

2术语和定义

2.0.1污泥厌氧消化sludgeanaerobicdigestion

在无氧条件下，使污泥中的有机物生物降解和稳定的过程，该过程可产生沼气。

[T/CECS496-2017，术语2.1.1]

2.0.2消化时间digestiontime

污泥在消化池中的平均停留时间。

[GB50014-2006（2016年版），术语2.1.110]

2.0.3挥发性固体volatilesolids

污泥固体物质在600℃时所失去的重量，代表污泥中可通过生物降解的有机物含量水平。

[GB50014-2006（2016年版），术语2.1.111]

2.0.4挥发性固体容积负荷volumeloadingrateofvolatilesolids

单位时间内对单位消化池容积投入的原污泥中挥发性固体重量。

[GB50014-2006（2016年版），术语2.1.113]

2.0.5沼气biogas

污泥厌氧消化时有机物分解产生的气体，主要成分为甲烷和二氧化碳，并有少量的氢、氮和硫化氢等。

[T/CECS496-2017，术语2.1.9]

2.0.6沼液digestioneffluent

污泥厌氧消化后的上清液。

[T/CECS496-2017，术语2.1.10]

3污泥厌氧消化工艺

3.1原理与作用

3.1.1污泥厌氧消化及其优缺点

污泥厌氧消化是利用兼性菌和厌氧菌进行厌氧生化反应，分解有机物质，实现污泥减量化、稳定化和资源化的一种处理工艺。

污泥厌氧消化具有以下优点：

∙产生甲烷这一能源气体，除满足厌氧消化自身的能量需求外，多余的甲烷气体可以用来供热及发电，或是用作电机燃料；

∙由于挥发性固体在厌氧消化过程中转化为甲烷、二氧化碳和水，降低了固体总量。

约30%~40%的总固体被分解，40%~60%的挥发性固体被分解，考虑到远距离运输及最终污泥处置问题时，这一优点更为突出；

∙厌氧消化过程可削减污泥中的有机物，减少臭味，并杀死部分病原菌和寄生虫卵，消化后的污泥性能稳定，适宜进行土地利用。

污泥厌氧消化也存在一些缺点：

∙厌氧消化系统易受到非正常条件的干扰，要求相对较高的操作控制水平；

∙潜在安全问题，尤其是火灾和爆炸风险，对安全管理的要求较高；

∙厌氧消化污泥的脱水性能可能有所降低；

∙消化后产生的沼液含有较高浓度的COD、悬浮物及氮磷，沼液处理难度较大。

3.1.2污泥厌氧消化原理

厌氧消化是由多种微生物参与的、多阶段的复杂生化过程，至今有多种理论来对其进行阐释，包括两阶段理论、三阶段理论、四阶段理论和四种群理论等，目前公认的是Bryant提出的三阶段理论。

第一阶段，有机物在水解与发酵细菌的作用下，使碳水化合物、蛋白质与脂肪，经水解和发酵转化为单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油、CO2和H2等；

第二阶段，在产氢产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物转化成H2、CO2和乙酸。

第三阶段，通过两组生理特性不同的产甲烷菌作用，将H2和CO2转化为CH4或对乙酸脱羧产生CH4。

产甲烷阶段产生的能量绝大部分用于维持细菌生存，只有很少能量用于合成新细菌，故细胞的增殖很少。

在厌氧消化过程中，由乙酸形成的CH4约占总量的2/3，由CO2还原形成的CH4约占总量的1/3。

三阶段厌氧消化的模式如图所示。

图3.1-1有机物厌氧消化模式

3.2工艺类型

3.2.1按消化温度分类

污泥厌氧消化工艺按照消化温度可分为中温或高温消化。

中温厌氧消化温度维持在35℃±2℃，固体停留时间应大于20d；高温厌氧消化温度控制在55℃±2℃，停留时间可缩短至10~15d。

与中温厌氧消化相比，高温厌氧消化具有以下优势：

∙固体负荷率更高，挥发性固体降解率更高；

∙有效杀灭各种病原菌和寄生虫卵；

∙高温有助于抑制浮渣和泡沫形成；

∙产品具有更好的脱水性能。

高温厌氧消化的限制性表现在以下方面：

∙嗜热细菌对温度的快速变化更为敏感，高温厌氧消化的操作要求更高；

∙能耗较高，运行费用较高。

对于采用高温热水解等预处理的厌氧消化工艺，由于预处理出泥温度较高，采用高温厌氧消化可减少热损失。

对于具体项目，应通过技术经济比较确定采用中温或高温厌氧消化工艺。

3.2.2按消化级数分类

污泥厌氧消化工艺按照消化级数分可为单级或两级消化。

单级厌氧消化是指污泥在同一个厌氧消化池中完成整个厌氧消化过程。

两级厌氧消化将整个消化过程分为两级，第一级消化池加热、搅拌和收集沼气；第二级消化池不加热不搅拌，利用第一级消化后的余热继续消化，其主要功能是浓缩污泥和排除上清液。

两级厌氧消化池的容积比应根据其运行操作方式，通过技术经济比较确定，一般为2:

1~4:

1。

在不延长总消化时间的前提下，两级厌氧消化对有机固体的分解率并无提高。

一般由于第二级的静置沉降和不加热，提高了厌氧消化污泥的浓度，减少了污泥脱水的规模和投资，但随着污泥脱水技术的发展，厌氧消化污泥浓度对脱水设施影响减小，污泥厌氧消化多采用单级。

3.2.3按消化相数分类

污泥厌氧消化工艺按照消化相数可分为单相或两相消化。

非产甲烷菌种类繁多，生长快，对环境条件变化不太敏感；产甲烷菌则恰好相反，专一性很强，对环境条件要求苛刻，繁殖缓慢。

单相厌氧消化是指包括水解、酸化、产甲烷等反应均在一个反应器中完成。

两相厌氧消化是将产酸和产甲烷两个阶段分离在两个串联反应器中，使非产甲烷菌和产甲烷菌各自在最佳环境条件下生长的厌氧消化工艺，这样不仅有利于充分发挥其各自的活性，而且提高了处理效果，达到了提高容积负荷率、减小反应器容积、增加运行稳定性的目的。

但两相厌氧因相分离会导致操作复杂，且酸化阶段会产生高浓度的硫化氢。

3.2.4按固体浓度分类

污泥厌氧消化工艺按照消化固体浓度可分为常规浓度或高含固浓度消化。

常规浓度厌氧消化的进料含固率一般为3%~5%，处理对象为浓缩污泥。

常规浓度厌氧消化启动较简单，但过高的含水率大大增加了处理设备的占地面积，提高了投资成本，且有机负荷相对较低，产气率不高，使得能量回收率低。

高含固厌氧消化的进料含固率一般为8%~12%。

高含固浓度厌氧消化处理负荷高，所需反应器容积大大减小，保温能量需求降低，工程效益显著提高。

对于收集污水处理厂污泥集中处理的厌氧消化工程，采用高含固厌氧消化工艺，有助于减少稀释水的用量。

3.2.5厌氧消化工艺发展

1、高含固厌氧消化工艺

高含固厌氧消化工艺在提高单位体积处理量和产能效率方面具有显著的优势，近年来新建的污泥厌氧消化工程大多采用高含固厌氧消化工艺。

高含固厌氧消化系统的组成及工艺流程如图3.2-1所示。

各污水处理厂含水率80%的脱水污泥经浆化调质后进入厌氧消化系统，当依托其中一个污水厂建设时，该厂的剩余污泥可直接泵送至浆化池。

图3.2-1高含固厌氧消化工艺流程图

2、基于高温热水解预处理的高含固厌氧消化工艺

高温热水解预处理工艺采用高温、高压对污泥进行热水解与闪蒸处理，使污泥中的胞外聚合物和大分子有机物发生水解、并破解污泥中微生物的细胞壁。

高温热水解预处理对于改善污泥厌氧消化性能的作用体现在：

∙增加悬浮性颗粒污泥的可溶性。

由于溶解性物质较颗粒性污泥易降解，热水解预处理增加了厌氧消化的有机物降解率和产气量；

∙降低污泥的粘滞性。

在相同的含固率和温度条件下，热水解后污泥的粘滞性仅为热水解前的1/10，改善物料的流动性；

∙改善污泥的卫生性能。

高温高压反应条件和较长的反应时间，能杀灭污泥中的病原菌等有害微生物，有利于厌氧消化后沼渣的资源化利用。

另一方面，尽管在热水解预处理后厌氧消化的沼气产量提高，但产生的沼气大多要用于热水解工艺本身，沼气收益相对较小。

基于高温热水解预处理的高含固厌氧消化系统的组成及工艺流程如图3.2-2所示。

热水解预处理主要包括预热浆化、热水解反应和闪蒸泄压三个阶段，具体包括：

预热阶段：

待处理污泥和闪蒸蒸汽混合，使污泥温度升高至80-100℃；反应阶段：

预热污泥和来自蒸汽锅炉的高温蒸汽混合后，温度达到150-170℃、压力5-6bar，反应时间保持20-30min；闪蒸阶段：

通过泄压，压力从5-6bar降至1bar，蒸汽释放到前端进行污泥预热。

图3.2-2基于高温热水解预处理的高含固厌氧消化工艺流程图

3、协同厌氧消化工艺

协同厌氧消化是指两种或两种以上物料混合后共同进行厌氧处理，不同物料混合后进行共消化对提高消化系统本身的性能，以及提高整体的经济性都有积极作用。

在提高消化系统本身的性能方面，其优势主要体现在：

提高了系统的碳氮比，有利于厌氧消化系统的高效运行；餐厨垃圾和污泥协同互补，降低了氨氮和重金属离子等抑制物的浓度，缓冲能力得到提升，提高了厌氧消化系统的运行稳定性。

而在提高整体经济性方面，协同厌氧消化的优势体现在：

不同的废弃物共享处理设施，减少废弃物处理分支流程；便于进行集中式规模化处理，发挥规模效应，降低运行成本。

目前与城市污泥进行协同厌氧消化的物料一般为餐厨垃圾，如镇江市餐厨废弃物及生活污泥协同处理工程、襄阳市有机废弃物综合处理中心等。

此外，动物粪便以及一些工业有机废弃物也可作为污泥的协同消化物料。

污泥与餐厨垃圾协同厌氧消化系统的组成及工艺流程如图3.2-3所示。

污泥的热水解预处理为可选单元。

餐厨垃圾的预处理主要包括粗分、精分制浆、除砂除渣和加热提油四个步骤，如采用一体化源头分选打浆车收运，浆料进入厂内后可仅进行提油处理。

图3.2-3污泥与餐厨垃圾协同厌氧消化工艺流程图

4污泥厌氧消化设计

4.1工艺设计

4.1.1进料要求

污水预处理过程的除砂、除渣效果将直接影响污泥厌氧消化运行效果，应通过格栅和沉砂池的优化运行，尽量减少污泥中的砂粒和纤维等物质，尤其是粒径大于0.2mm的砂粒和长度大于40mm的纤维，实现对管道、阀门、泵体和厌氧消化池的保护，消除或减轻堵塞、缠绕、磨损、沉积等现象。

可采用的设备包括污泥研磨机、污泥筛分机等。

厌氧消化反应的理想C/N比为10~20，就不同类型的污泥来说，我国污水厂初沉污泥的C/N比为（9.40~10.35）:

1，剩余污泥为（4.60~5.04）:

1，混合污泥为（6.80~7.50）:

1。

初沉污泥有机物含量高、气体产量大，比较适合厌氧消化，混合污泥次之，因此有初次沉淀池系统的污水厂，剩余污泥宜和初沉污泥合并进行厌氧消化处理。

当有条件时，污泥可和餐厨垃圾等有机废弃物进行协同厌氧消化，C/N比低的污泥与C/N比高的有机物混合后，使厌氧菌获得了较佳的C/N比条件，进一步提高厌氧消化处理效率。

4.1.2设计参数

1、消化温度

消化温度是厌氧消化设计和能量平衡的重要工艺参数，对有机物负荷和产气量有明显影响。

根据微生物对温度的适应性，可将污泥厌氧消化分为中温（一般30~38℃）厌氧消化和高温（一般50~57℃）厌氧消化。

大多数的厌氧消化系统设计成中温范围（35℃±2℃），一些系统设计成高温范围（55℃±2℃），当采用高温热水解预处理时，实际厌氧消化温度也可能介于两者之间。

相对于消化温度的选择，维持消化池内操作温度恒定更为重要。

这是由于细菌（特别是产甲烷菌）对温度变化很敏感，温度变化大于1℃/d就会对消化过程产生严重影响。

因此，温度波动应控制在1℃/d以内。

2、消化时间

在厌