厌氧消化技术的应用与发展

厌氧消化技术的应用与发展

0国内城市污泥处理的现状在城市污水处理厂的处理过程中，从最初沉积中产生的污泥和剩余污泥中不仅含有大量氮、磷、钾等养分和有机物质，还含有一定数量的致病性微生物、重金属和其他有害成分。因此，城市污泥的处理不充分，会导致污染和资源浪费。2006年我国污水年排放量已达536.8亿m3,污水处理率约20%,污泥产量约为3000万t/a(按含水率97%计)。按照我国城市污水处理厂的建设规划,2010年,我国城市污水的处理量和处理率将进一步增加,污泥年产量也将大幅度提高,可见我国污泥处理的形式十分严峻。在我国“十一五”有关污水处理设施的建设投资中污泥部分增长显著,约占总投资的16%。未来随着污泥处理处置的进一步完善,其投资力度必将进一步加大,因此寻求高效经济的污泥处理方法也日益引起重视。在众多的污泥处理方法中,厌氧消化由于其高效的能量回收和较低的环境影响是目前国际上应用最为广泛的污泥稳定化和资源化的处理方法。它可以使污泥中挥发性悬浮固体(VS)含量减少30%~50%,从而使污泥达到稳定,并有利于后续的脱水处理。经厌氧消化后的污泥中依然含有丰富的有机肥效成分,适用于土地利用,脱水后的消化污泥还可以作为发电厂或水泥厂的辅助燃料。在厌氧消化过程中产生的沼气可以用来发电以补充厌氧消化或污水厂内其他工艺用电需要。由此可见厌氧消化技术可以大大提高污泥综合利用的水平,在能源日益紧张,尤其是我国倡导节能减排的今天具有很强的现实意义。1污泥、厌氧和污泥消化1.1厌氧消化机理厌氧消化是利用兼性菌和厌氧菌进行厌氧生化反应,分解污泥中有机物质的一种污泥处理工艺。该过程是由多种微生物参与的复杂过程,目前对厌氧消化的原理较为全面的阐述为Bryant提出的三阶段理论和Zeikus提出的四种群理论。三阶段理论认为,整个厌氧消化过程分为水解酸化、产氢产乙酸和产甲烷三个阶段。有机物首先通过水解发酵细菌的作用生成挥发性脂肪酸、醇类和乳酸等,接着由产氢产乙酸菌的降解作用而被转化为乙酸、氢气和二氧化碳,然后再被产甲烷菌利用,最终为转化甲烷和二氧化碳。其中产氢产乙酸菌和产甲烷菌存在着互营共生的关系。四种群理论在三段理论基础上增加了第二阶段同型产乙酸菌,该菌群的代谢特点是能将氢气与二氧化碳合成为乙酸。但研究结果表明,这部分乙酸产量很少,一般可忽略不计。因此厌氧消化机理现阶段仍以三阶段理论阐述为主。根据厌氧消化过程中甲烷菌的适宜温度范围,污泥厌氧消化可以分为中温(30~36℃)和高温消化过程(50~53℃)。其中,高温消化具有消化速度快、处理负荷高、反应时间短和反应器容积小等优点。高温条件对有机物的降解和病原菌的杀灭非常有效,尤其当污泥进一步作土地利用时,高温处理更为必要。因此其在国外的应用实例不断增加,但在我国实际应用中,多采用中温消化,这是受我国经济发展水平所限,为了维持高温消化的温度,需要消耗更多能量,其运行成本要高于中温消化。根据厌氧消化的工艺运行形式,分为两相消化和两级消化。两相消化工艺设有两个单独的反应器,为产酸菌和产甲烷菌提供了各自的生存环境,能够降低在有机负荷过高的情况下挥发性有机酸积累对产甲烷菌活性的抑制,降低反应器中不稳定因素的影响,提高反应器的负荷和产气的效率。但在实际应用中由于两相消化系统需要更多的投资,运转维护也更为复杂,并没有表现出优越性,在欧洲固体垃圾厌氧消化中,两相消化所占的比重比单相消化要小得多。两级消化是为了节省污泥加温与搅拌所需能量,根据消化时间与产气量的关系而建立的运行方式。该方法把消化池设为两级,第一级消化池有加热、搅拌设备,污泥在该池内被降解后,送入第二级消化池。第二级消化池不设加热与搅拌设备,依靠余热继续消化。由于不搅拌,第二级消化池还兼有污泥浓缩的功能,并降低污泥含水率。目前国内外仍以两级厌氧消化运行为主。1.2污泥厌氧消化技术目前,在整个欧洲共有超过36000座厌氧消化反应器,对污泥的处理量占欧洲总产泥量的40%~50%。根据美国环保局1998年的调查,厌氧消化是美国污水厂采用最普遍的污泥稳定方法,占60%。日本大多数污水处理厂也是采用厌氧消化来处理污泥,而且近年不断改进消化技术,如通过机械浓缩产生更高浓度污泥进行厌氧消化以及对搅拌技术和热效的改善等。另外,为了提高消化率,还在探讨热碱、超声波强化处理等预处理工艺对厌氧消化效果的改善等。早在20世纪80年代,发达国家的城镇污水处理厂污泥厌氧消化产生沼气转化的电能即可满足污水厂处理时所需电力的33%~100%。我国厌氧消化技术应用始于20世纪30年代,但直至70年代后期才开始较稳步地发展。其中农用沼气池普及速度较快,至今已有单池容积6~10m3的农村家用池570万个,容积在100m3以上的大中型沼气工程装置540多处,在获取能源、净化环境方面起到了很好作用。但是我国污水厂的污泥厌氧消化技术应用与发达国家相比差距较大。我国现有污水处理设施中,具有污泥稳定处理设施的不到25%,处理工艺和配套设施完善的不到10%。由于建设厌氧消化池并配套沼气发电设备加大了污水处理厂的投资和运行管理难度,因此一度污水处理厂都不建厌氧消化系统。但是随着国家政策和法规的不断完善,同时为缓解我国能源资源严重短缺的状况,污泥厌氧消化技术必将会得到进一步的发展。目前国内一些大型污水处理厂已建完善污泥厌氧消化与沼气发电设施。如北京高碑店污水处理厂(100万m3/d)污泥处理采用两级中温厌氧消化工艺,通过技术改造和工艺调整,最大限度地收集沼气用于发电。2004年的上半年,其沼气发电机组累计发电528万(kW·h),占全厂电量消耗的22.6%。天津纪庄子污水处理厂(52万m3/h)、东郊污水处理厂(40万m3/h)和咸阳路污水处理厂(45万m3/h)等也建有完善的污泥厌氧消化与沼气发电设施。但迄今为止,我国厌氧消化池的稳定运行和沼气利用等问题还有待进一步完善。2厌氧消化技术的研究进展自1868年Bechamp第一个提出甲烷的形成是微生物学过程以来,国际上众多的微生物学家与环境学家就一直在致力于厌氧消化技术的研究,并使其获得广泛的应用和长足的发展。以下主要就厌氧消化技术在改善工艺条件、采取预处理强化措施以及产能效果等方面进行深入分析。2.1改善工艺条件2.1.1稻秆中的污泥及其回用通常厌氧消化反应的理想碳氮比为10~20,而实际污水处理厂剩余污泥中碳氮比仅为4.60~5.04无法达到厌氧消化反应所需的理想碳氮比。因此可以考虑加入高碳氮比的秸秆、杂草、果蔬以及厨房垃圾等易腐有机废物来提高生物污泥的厌氧消化性质。1999年就有人研究稻秆的厌氧消化,但是由于稻秆所含营养物质并不能充分满足消化菌生长,单纯对稻秆进行厌氧消化的效果并不好。然而稻秆的碳氮比高达75,向剩余污泥中投加稻秆不但可以提高碳氮比,改善厌氧消化效果和处理后污泥肥效,同时也对稻秆中所含的能源进行了回收,使其变废为宝。日本长冈的Komatsu等,研究了将稻秆加入污泥对菌厌氧消化效果的影响。将稻秆按照1∶0.5加入污泥中,以提高污泥的碳氮比。由于稻秆主要成分为传统厌氧消化难于降解的木质纤维素,因此对于加入稻秆的污泥在消化前需要进行预处理。该研究分别采用中温和高温对污泥进行消化,并在污泥消化前对各泥样分别采用破碎预处理、破碎后用蒸馏水浸泡预处理、破碎后用水解酶浸泡预处理三种不同的方法,并对中温和高温两种情况下的消化效果进行了观察。研究发现:在两种消化过程中,水浸泡预处理和酶预处理能导致稻秆的总固体(TS)和挥发性固体(VS)含量明显降低。加入稻秆后,中温消化反应增加了66%~82%的甲烷产量,高温消化反应增加了37%~63%的甲烷产量。加入稻秆以后,溶解性COD在中温消化过程中提高6%~21%,而在高温消化过程中有59%~76%的升高。加入稻秆的污泥在消化过程中氨态氮浓度始终低于未加稻秆的污泥,且在采用浸泡预处理的中温消化中最低,比未加稻秆污泥氨氮含量低44%。另外通过脱水实验发现加入稻秆后污泥的脱水性能也得到了改善,加入稻秆后使经中温消化后脱水污泥的含水率从86%降到82%,经高温消化后脱水污泥的含水率由79%降到75%。我国是农业大国,每年都产生大量的稻秆等农业废弃物,因此如能和污水厂污泥厌氧消化有机结合,不但能改善厌氧消化效果,同时也避免农业废弃物对环境的影响。这在我国尤其具有特定意义。2.1.2半连续流厌氧消化反应器84的发酵工艺高温厌氧消化是污泥减量和病源菌去除的理想途径,该工艺在国外已经广泛应用了数十年,它可减少污水处理厂VS排放量的30%~40%,而且实验室小试研究更进一步证明了操作温度为50~55℃之间高温厌氧消化运行的稳定性,和利用该工艺将剩余污泥转化为生产安全稳定的农用肥料的可行性。在以往对高温厌氧消化的研究中所采用的温度多为50~55℃,并认为50℃时厌氧消化的产气量最高,在50℃以后随温度增加产气量不断下降;较少有针对55℃以上的情况进行研究。2007年,DO等分别在63℃和55℃两种温度下对半连续流厌氧消化反应器内的嗜热菌的处理效果进行比较。研究发现,在两个温度下大肠杆菌和粪大肠杆菌均达到99%的去除率,但当反应器在63℃运行时能更好地抑制病源体及沙门氏菌的活性。研究表明,采用63℃作为反应温度比采用55℃时甲烷的产量高11%,VS的降解高4.9%,消化污泥的脱水性高10%。Wilson等研究在49~57.5℃范围内的不同温度的厌氧消化效果,也发现在温度达到55℃以后,厌氧消化的产气量并非一直随温度的升高而降低。当温度达到57.5℃出现挥发性脂肪酸和氢气的累积,在反应温度低于55℃时则没有发现上述中间产物的累积。而且在57.7℃时甲烷产量最低,仅约为55℃时的甲烷产量30%。因此,温度对高温厌氧消化的影响机理,还有待进一步的研究。2.2污泥预处理方法污泥水解是厌氧消化反应的限速步骤,微生物对污泥的水解情况直接影响消化反应的效果。有效地进行污泥预处理可以提高水解反应效果,在加快消化反应进程的同时,最大限度地提高甲烷产量和污泥的降解程度。目前污泥预处理方法有很多,主要分为物理法(超声波预处理、高压喷射法、高温预处理法等)、化学法(臭氧预处理、加碱预处理等)和生物酶预处理法。其中化学方法和生物酶预处理法由于成本高和可能引入对厌氧消化反应起抑制作用的物质等原因,其实际应用远少于物理方法,而超声波、高压喷射法和高温预处理等物理方法由于成本相对低廉,均已经在实际应用或生产性实验中取得一定的效果。2.2.1超声预处理当一定强度的超声波作用于液体时,液体中产生空化现象,空化泡瞬间破裂产生高温、高压,并伴随高强的剪切力,从而使污泥絮体破碎及生物细胞破裂释放出胞内物质。利用超声波预处理污泥特别是强化厌氧消化的效果已经被广泛研究和证明。目前的研究热点多集中在不同频率、不同强度的超声波对污泥作用效果,以及对厌氧消化反应的影响。Tiehm等指出20~40kHz的超声频率是取得较强剪切力的最理想频率范围。曹秀芹等研究发现随着超声波作用时间和声能密度的增加,污泥的破解程度逐渐提高,但是作用时间对污泥破解效果的影响远大于声能密度。Bougrier等指出超声波作用可以有效减小絮体尺寸并且溶解微生物细胞,当超声波所释放的能量低于1000kJ/kgTS时超声作用主要减小污泥絮体尺寸,此时甲烷气体的产量并没有明显提高,而只有当进一步增加能量输入时才开始有微生物细胞溶解,从而使污泥的降解性能得到进一步提高,甲烷气体产量也随之增加。但当输入的能量高于7000KJ/kgTS时污泥的降解性和产气量则不再提高。以往大部分研究多局限于实验室内,但近年来随着sonixTM等新型超声设备的研发关于超声波应用实例的报道逐渐增多。在英国阿芬默思的污水处理厂,超声波预处理使剩余污泥处理量提高三倍,同时污泥产气量也提高了20%~30%。英国橘子郡的污水处理厂,超声波预处理使该厂厌氧消化的产气量提高了50%。此外,超声波预处理对污泥脱水性的报道,存在一定分歧。如Muller等在实验室研究发现,超声波作用后,消化污泥浓缩消耗的絮凝剂用量提高85%。而与此相反,橘子郡的污水处理厂在安装了超声波反应器后,其污泥脱水性能却增加了1.2%~2.6%。在瑞典Kavlinge的污水处理厂,经超声波预处理后,消化污泥脱水后的浓度从15%提高到了25%。浮沫一直是污泥厌氧消化工艺的一大问题。Sandino等研究发现低强度超声波预处理可以有效控制消化系统内的浮沫,但是当超声波强度增大随着污泥降解程度的增加,消化系统内的浮沫也随之增加。2.2.2污泥预处理的减少目前有多种设备利用高压喷射来使微生物细胞破壁。其中最早的大规模试验之一是2000年Nah等在30bar的压力下将浓度为1.4%~1.8%活性污泥喷射到碰撞盘上,处理后污泥的SCOD和TOC均增加了6倍,溶解性蛋白质提高了2.5倍,同时污泥的碱度和氮磷含量均提高了20%;而污泥中这些组分增加导致了污泥SS降低了5%。经该种方法预处理后,中温厌氧消化反应器的污泥停留时间从13天降为6天。Onyeche将上述试验中的碰撞盘改为碰撞环,设计出了一种新型的高压均化器。污泥经水泵以高压低速进入均化器,当污泥接触到碰撞环时,流速迅速提高压力迅速下降,使污泥形成紊流和局部的压力差,导致形成空化气泡。通过这种作用力污泥内微生物细胞壁被破坏,胞内物质释放出来。生产性试验表明,污泥预处理后,可以提高厌氧消化污泥降解量23%,同时提高产气量30%。由英国COSTechnik公司研发的BiogestCrown污泥降解系统是另外一种利用压力差来溶解污泥的设备。该设备利用快速的压力释放来分解微生物细胞。通常污泥要经过该反应器循环作用3次后进入厌氧消化系统。该设备可使污泥降解程度提高20%,产气量提高30%,该反应器处理污泥的浓度范围为3%~8%。2.2.3高温预处理对初始污泥和剩余污泥的影响污泥高温预处理技术具有强化污泥降解,同时杀灭部分病原菌的功能,具有良好的应用前景。由于采用较高的预处理温度会消耗大量能量且操作复杂,因此近年的研究多集中在100°C以下温度范围内的高温预处理。Hariklia等采用70°C高温预处理,对初沉污泥和剩余污泥的中温厌氧消化和高温厌氧消化的影响进行研究发现,高温预处理对初沉污泥的中温厌氧消化影响较小,但可以有效地提高初沉污泥高温厌氧消化的甲烷产量和产甲烷速率,其中甲烷产量最高可增加86%(预处理7天)和77%(预处理2天)。高温预处理对剩余污泥的中温厌氧消化产甲烷速率有很大提高,最高可达145%(预处理4天),甲烷产量也有20%~26%的提高;对剩余污泥高温厌氧消化产甲烷速率也有提高,最高为58%(预处理7天),但是对甲烷的产量影响较小。其研究结果表明,对污泥进行高温预处理的时间和预处理后应采用的厌氧消化温度应由初沉污泥和二沉污泥的混合比例来确定。2.3评价厌氧消化的工厂效果2.3.1中温消化与高温中温联合消化除传统的中温消化,厌氧消化工艺还有多种形式,如:高温消化、高温中温联合消化、两相消化等。相关研究表明这些工艺具有比中温消化更高的甲烷产量和更好的污泥稳定性,却忽略了甲烷产量仅仅是厌氧消化能量平衡中的一个方面。比如虽然两相消化法可以生产比中温消化法更多的甲烷气体,但是这种工艺的运行却需要消耗更多的能量,从能量产出减去能量消耗的总能量平衡的角度其产能效果要差于传统的中温消化。Puchajda等比较了污泥处理量为30t/d时中温消化、高温消化、高温中温联合消化三种工艺的产能。发现从能量平衡的角度高温消化并不优于中温消化,更多的挥发性固体分解量和甲烷产量并没有抵消高温消化反应本身比中温消化所消耗的更多的能量;高温中温联合消化由于两阶段间的