高含固污泥高溫厭氧消化系統(tǒng)的工藝管控研究

收稿日期：2024-03-19

作者簡介：劉曉峰（1982—），男，四川瀘州人，碩士，工程師。研究方向：市政污泥處理處置。

摘要：厭氧消化是污泥處理的主流技術(shù)之一，其能夠?qū)⑽勰嘀械挠袡C(jī)碳轉(zhuǎn)化為甲烷。高溫高含固率厭氧消化工藝具有運(yùn)行效率高、負(fù)荷高、減少占地等優(yōu)勢，相比中溫低含固率厭氧消化工藝，其在管控上存在一些特定的技術(shù)要求。結(jié)合工程案例的運(yùn)行經(jīng)驗，對高溫高含固率厭氧消化工藝的管控進(jìn)行分析，從進(jìn)泥控制、工藝參數(shù)控制、運(yùn)行管理和安全維護(hù)等方面進(jìn)行全面梳理，為該工藝的穩(wěn)定運(yùn)行提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：污泥；厭氧消化；高溫；高含固率；工藝管控

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）05-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.05.047

Research on process control of high-temperature anaerobic digestion system for high-solid sludge

LIU Xiaofeng， CHEN Yun， ZHANG Hao

（Hunan Junxin Environmental Protection Co.， Ltd.， Changsha 410000， China）

Abstract： Anaerobic digestion is one of the mainstream technologies for sludge treatment， which can convert organic carbon in sludge into methane. The high-temperature and high-solid content anaerobic digestion process has advantages such as high operating efficiency， high load， and reduced land occupation， compared with the medium-temperature and low-solid content anaerobic digestion process， it has some specific technical requirements in terms of control. Based on the operational experience of engineering cases， an analysis is conducted on the control of the high-temperature and high-solid content anaerobic digestion process， and a comprehensive review is conducted from the aspects of sludge control， process parameter control， operation management， and safety maintenance， providing guidance for the stable operation of the process.

Keywords： sludge; anaerobic digestion; high temperature; high solid content; process control

生物發(fā)酵是污泥的一種重要處理途徑，其中厭氧消化作為生物處理的主要技術(shù)之一，具有回收碳資源、殺滅有害病原菌、改善污泥穩(wěn)定性等優(yōu)點。高溫高含固率厭氧消化工藝具有容積負(fù)荷高、占地面積小、處理效率高的特點，但與中溫低含固率厭氧消化工藝相比，其在工藝管控上有特定的技術(shù)要求。因此，如何保障高溫高含固率厭氧消化工藝在工程上的穩(wěn)定、高效運(yùn)行具有重要意義。以某城市污泥厭氧消化工程為例，項目設(shè)計處理規(guī)模為500 t/d（污泥含水率80%），采用“熱水解+高溫高含固率厭氧消化+板框脫水”的工藝路線，工藝流程如圖1所示。熱水解是高溫厭氧消化的預(yù)處理步驟，可以縮短水解酸化時間。其中，高溫厭氧消化系統(tǒng)運(yùn)行溫度為55 ℃，污泥停留時間為20 d，含固率為10%。根據(jù)項目近10年

的運(yùn)行經(jīng)驗，有必要從多個方面加強(qiáng)工藝管控。

1 來料控制

來料的性質(zhì)直接影響厭氧消化器的運(yùn)行效率和產(chǎn)氣率，含固率和有機(jī)質(zhì)為污泥的兩個主要指標(biāo)。污泥性質(zhì)與地域有關(guān)，其中南方污泥的有機(jī)質(zhì)含量普遍低于北方，這與污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)、氣候條件、污水管網(wǎng)建設(shè)差異性有關(guān)。呂豐錦等[1]對比分析廣州市和北京市各3座污水處理廠的污泥性質(zhì)，數(shù)據(jù)表明，北京市污泥有機(jī)質(zhì)含量平均值為65%，比廣州市污泥有機(jī)質(zhì)高出20%，同時廣州市有機(jī)質(zhì)中碳水化合物比例高、蛋白質(zhì)和脂類含量低，北京市則相反。

高含固率厭氧消化系統(tǒng)運(yùn)行時，首先要控制污泥的含固率，使其保持穩(wěn)定。通過檢測原生污泥含固率和消化罐投料含固率，確保其符合厭氧消化的要求。項目進(jìn)廠原生污泥含固率為18%～22%，有機(jī)質(zhì)含量為35%～45%，原生污泥經(jīng)過漿化和熱水解預(yù)處理后，經(jīng)調(diào)節(jié)，投料含固率控制在10%～12%，溫度控制在55～58 ℃，冬季可調(diào)節(jié)至60 ℃左右，有機(jī)質(zhì)在罐內(nèi)降解，可適當(dāng)降低罐內(nèi)污泥含固率。中溫低含固率厭氧消化工藝通過加水稀釋，調(diào)節(jié)污泥溫度，但難以保證污泥含固率高，否則，換熱的投入很高，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差。

南方污泥有機(jī)質(zhì)含量低，可以與餐廚垃圾、高濃度有機(jī)廢水、有機(jī)固廢等進(jìn)行協(xié)同厭氧消化，調(diào)節(jié)泥質(zhì)碳氮比，提高消化系統(tǒng)運(yùn)行效率，這種協(xié)同方式在國內(nèi)有一些應(yīng)用案例。同時，個別污水處理廠污泥有機(jī)質(zhì)含量低（揮發(fā)性固體含量小于25%）。該類污泥進(jìn)入?yún)捬跸?，降解率低，易?dǎo)致罐體沉積。該類污泥超越消化罐，與消化后的污泥混合，然后進(jìn)入脫水工序，從綜合運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性來看是可行的。

2 溫度與pH監(jiān)控

溫度和pH是影響厭氧消化過程的兩個關(guān)鍵因素。高溫（55 ℃）和中溫（35 ℃）條件下，存在兩類產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)。從酶反應(yīng)動力學(xué)來看，溫度影響微生物代謝活動，系統(tǒng)溫度升高速率會逐漸加快，但是溫度偏離適宜值不利于酶的作用，進(jìn)而影響微生物活性。高溫厭氧消化應(yīng)確保厭氧消化器內(nèi)的溫度維持在55 ℃±1 ℃。徐霞等[2]通過試驗對比中溫（35 ℃±1 ℃）和高溫（55 ℃±1 ℃）條件下剩余污泥和生活垃圾厭氧消化的化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）去除率、揮發(fā)性固體（Volatile Solids，VS）降解率和產(chǎn)氣率等指標(biāo)，結(jié)果表明，相比中溫模式，高溫模式COD去除率提高8.17%，揮發(fā)性固體降解率提高10.76%，總產(chǎn)氣量提高13.27%。

作為另一個關(guān)鍵因素，系統(tǒng)pH影響產(chǎn)甲烷菌群的產(chǎn)物代謝能力和細(xì)菌活性。pH較低時，系統(tǒng)內(nèi)硫化氫和有機(jī)酸等含量會升高，pH較高時，游離氨濃度升高，均會對厭氧消化形成抑制。高溫厭氧消化應(yīng)確保系統(tǒng)pH穩(wěn)定保持在7.5～8.0。劉洪周等[3]研究指出，電化學(xué)厭氧消化中，產(chǎn)甲烷菌的適應(yīng)pH為7.14～8.20，活性最高的pH是7.8。

罐內(nèi)污泥溫度出現(xiàn)異常，低于工藝溫度（55 ℃±1 ℃）時，首先監(jiān)測消化罐內(nèi)上部和底部污泥溫度，判斷泥溫差異的原因是否為攪拌不均，隨后提高污泥溫度并實時監(jiān)測池內(nèi)泥溫變化。緊急情況時，可采用換熱器升溫的方式。當(dāng)池內(nèi)pH出現(xiàn)異常，pH＜7.5，厭氧處理系統(tǒng)揮發(fā)性脂肪酸（Volatile Fatty Acids，VFA）含量與堿度（Alkalinity，ALK）的比值大于0.5時，消化系統(tǒng)出現(xiàn)酸化現(xiàn)象。此時，系統(tǒng)有機(jī)酸類物質(zhì)轉(zhuǎn)化速率超過產(chǎn)甲烷菌群轉(zhuǎn)化能力，導(dǎo)致有機(jī)酸累積。排除其他操作因素后，降低進(jìn)料負(fù)荷，持續(xù)觀察pH和VFA/ALK變化趨勢。當(dāng)pH小于7.0且VFA/ALK＞1.0時，酸化現(xiàn)象嚴(yán)重。此時，產(chǎn)甲烷菌群的代謝能力受到嚴(yán)重影響，應(yīng)進(jìn)一步降低進(jìn)料負(fù)荷，條件允許下可暫停進(jìn)料。條件不允許時，在降低進(jìn)料的同時，加入堿液，提高污泥pH。指標(biāo)逐步恢復(fù)后，停止投加堿液，逐步恢復(fù)進(jìn)料負(fù)荷。

3 停留時間管理

停留時間是影響厭氧消化效率的另一因素。在連續(xù)流完全混合式厭氧反應(yīng)器中，水力停留時間與污泥停留時間相等，有機(jī)負(fù)荷率與進(jìn)料濃度正相關(guān)，與污泥停留時間負(fù)相關(guān)。污泥停留時間過短，將影響系統(tǒng)的菌群豐度，造成有機(jī)負(fù)荷率過高。要確保原料在厭氧消化器內(nèi)有一定的停留時間，以便微生物充分分解有機(jī)物。一般來說，厭氧消化系統(tǒng)的污泥停留時間為20 d左右。

在厭氧消化系統(tǒng)運(yùn)行過程中，進(jìn)料有機(jī)物含量季節(jié)性升高較多，可能導(dǎo)致單位產(chǎn)氣率降低、揮發(fā)性固體去除率降低和pH下降等異常情況?？蓽p少進(jìn)泥量，延長污泥停留時間，降低有機(jī)負(fù)荷。當(dāng)各項數(shù)據(jù)恢復(fù)正常時，逐漸提高進(jìn)泥負(fù)荷。李蘊(yùn)潔等[4]開展有機(jī)垃圾厭氧消化試驗，4個連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器保持不同的進(jìn)料濃度（12%、16%、18%和20%）和停留時間（30 d、40 d、45 d和50 d），有機(jī)負(fù)荷保持一致，為3.6 g/（L·d）。結(jié)果表明，進(jìn)料濃度提高時，可延長污泥停留時間，保持有機(jī)負(fù)荷率不變，使厭氧消化系統(tǒng)保持穩(wěn)定。

4 攪拌及循環(huán)管理

攪拌是確保厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵要素?？梢宰屧显趨捬跸鲀?nèi)均勻分布，提高微生物與原料接觸的機(jī)會，提升傳熱傳質(zhì)效率，確保產(chǎn)生的沼氣維持氣壓平衡。孫志堅[5]研究指出，特定的攪拌條件可以實現(xiàn)較好的產(chǎn)氣效果，間歇攪拌15 min/h，累計產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)甲烷量分別為664.40 mL/g VS和366.43 mL/g VS。

在業(yè)內(nèi)項目應(yīng)用中，一般采用兩種攪拌方式，一種是機(jī)械槳葉攪拌，另一種是沼氣攪拌。對于高含固率的大型厭氧消化罐體，可采用沼氣攪拌+循環(huán)泵循環(huán)的組合方式，能耗較少，效果較優(yōu)。其中，沼氣攪拌采用沼氣壓縮機(jī)驅(qū)動罐內(nèi)的多根從池頂延伸至池底的柔性沼氣支管，通過沼氣的物理循環(huán)帶動池底污泥不斷上升至池面，達(dá)到污泥攪拌效果，而循環(huán)泵循環(huán)由安裝于池底的循環(huán)泵抽吸池底污泥至池面，防止泥沙沉底，達(dá)到兩者協(xié)同的效果。

本項目中，單個厭氧消化罐容積為10 000 m3，采用6組均勻環(huán)形布設(shè)的沼氣管（內(nèi)圈2組、外圈4組），每組配備4根支管、2臺沼氣壓縮機(jī)，由控制單元進(jìn)行定時切換，實現(xiàn)對角攪拌。配備1臺流量200 m3/h的循環(huán)泵，2 d周期實現(xiàn)罐內(nèi)污泥全部循環(huán)一次。先進(jìn)行旋流除砂，再向消化罐投料，避免消化池沉積的風(fēng)險。

5 微生物群落分析

應(yīng)定期監(jiān)測厭氧消化罐內(nèi)的微生物種群，了解微生物的活性和多樣性，明確它們對原料的分解效率。可以對污泥進(jìn)行高通量測序，確定其中微生物群落的分布和豐度是否正常，如果發(fā)現(xiàn)微生物種群出現(xiàn)異常，應(yīng)及時采取措施調(diào)整。張含等[6]通過高通量測序方法分析污泥厭氧消化系統(tǒng)的微生物群落結(jié)構(gòu)，熱水解預(yù)處理后進(jìn)行消化處理，消化罐內(nèi)的陰溝單胞菌門、厚壁菌門、同力菌門和綠彎菌門為優(yōu)勢菌群，總相對豐度大于60%。

6 其他抑制因素控制

污泥中的硫（有機(jī)硫、硫化物、硫酸鹽）在消化罐內(nèi)通過微生物水解、還原等作用轉(zhuǎn)化為H2S，而過高的H2S含量對系統(tǒng)產(chǎn)甲烷菌形成抑制。特殊情況下，H2S濃度極高時，可以添加少量的鐵氧化物、鐵離子等，降低H2S含量，將硫化物轉(zhuǎn)化為不溶性的硫化鐵沉積于污泥中。氨氮含量高導(dǎo)致游離氮濃度較高，對微生物產(chǎn)生毒性，對系統(tǒng)構(gòu)成氨抑制。當(dāng)氨氮含量超過5 000 mg/L時，隨著氨氮含量的升高，產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量逐步下降。

部分生活污水處理廠污泥混入工業(yè)污水產(chǎn)生的污泥或其他特殊污泥，污泥重金屬和有毒有害有機(jī)物含量可能超過正常值，將對產(chǎn)甲烷微生物產(chǎn)生毒害作用。中水回用方面，如果使用污泥脫水濾液作為厭氧消化的稀釋水，脫水藥劑的種類將影響稀釋水的pH、氨氮等，在超過正常值下將對厭氧消化產(chǎn)生抑制作用。

7 安全與維護(hù)

除上述內(nèi)容外，工藝管控還包括安全與維護(hù)。為了確保厭氧消化器的安全運(yùn)行，定期進(jìn)行檢查和維護(hù)，及時處理潛在問題，防止故障和事故的發(fā)生。項目進(jìn)出料數(shù)據(jù)如表1所示。

7.1 落實防中毒

原生污泥及消化污泥存放過程中會產(chǎn)生氨氣、硫化氫等有毒有害氣體，尤其是儲罐、池體等密封區(qū)域，濃度更高。料倉車間、污泥消化車間和儲泥池等區(qū)域應(yīng)保持負(fù)壓抽風(fēng)，達(dá)到工業(yè)建筑物抽風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)。同時，安裝氨、硫化氫報警儀并定期檢查，當(dāng)有毒有害氣體泄漏時，及時報警。

7.2 防泄漏和爆炸

厭氧消化產(chǎn)生的沼氣既是一種能源，也是一種需要安全防范的氣體。在沼氣壓縮機(jī)房、沼氣儲存囊、鍋爐房及發(fā)電車間等涉及沼氣的區(qū)域安裝甲烷濃度報警儀。同時，嚴(yán)格執(zhí)行禁火規(guī)定和動火安全防護(hù)距離規(guī)定，定期開展沼氣管線泄漏檢測。

7.3 防止泡沫和浮渣過多

在消化罐內(nèi)，因發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣源源不斷上升至池面，污泥含有有機(jī)物、雜質(zhì)等，池面將產(chǎn)生較多的泡沫和浮渣。泡沫和浮渣較多，阻礙沼氣溢出，可能會造成沼氣壓力急劇上升、污泥溢出等事故。因此，首先對進(jìn)泥進(jìn)行篩選，避免夾帶大塊雜質(zhì)。應(yīng)在料倉污泥管線上安裝雜質(zhì)過濾器，過濾孔徑一般選擇20～30 mm，前后壓差超過1 MPa時，要清理過濾器。另外，要定期檢查消化罐頂部的安全水封，使破封壓力符合設(shè)計值。對罐內(nèi)攪拌系統(tǒng)進(jìn)行定期維護(hù)和保養(yǎng)，并針對設(shè)備故障及停電等情況制定應(yīng)對預(yù)案。

8 結(jié)論

與傳統(tǒng)污泥厭氧消化項目相比，本項目運(yùn)行期間，污泥含固率一直維持在10%±1%，遠(yuǎn)高于業(yè)內(nèi)普遍采用的含固率（4%～6%），未出現(xiàn)沉積清罐的情況。同時，在進(jìn)料有機(jī)質(zhì)含量偏低（揮發(fā)性固體含量35%～45%）且污泥單一進(jìn)料的情況下，仍實現(xiàn)可觀的污泥降解率。高溫高含固率厭氧消化工藝的管控涉及多個方面，包括來料、溫度、pH、停留時間、攪拌、微生物種群以及安全與維護(hù)等。綜合實施上述管控措施，可以確保厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實現(xiàn)有機(jī)廢棄物的高效處理和資源化利用。

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