污泥處置厭氧消化工程

　　污泥是污水、造紙等行業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的老大難問題，也是一個亟待解決的社會民生問題。污泥厭氧消化是利用兼性菌和厭氧菌的生化反應(yīng)，分解污泥有機(jī)物質(zhì)的一種方法。其工藝能夠?qū)⑽勰嘤袡C(jī)物穩(wěn)定化、資源化，在世界各地得到普遍推崇。通過厭氧消化，污泥中大部分的病原菌和蛔蟲卵被殺滅，部分有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成氨氮，有機(jī)物質(zhì)被消化分解，產(chǎn)生能量(甲烷);消化完全時(shí)，還可以消除惡臭。厭氧消化工藝操作比較方便穩(wěn)定、處理過程中排污泥量少，污泥生物穩(wěn)定性和脫水性也大為改善。本文在介紹污泥厭氧消化三段論的基礎(chǔ)上(水解階段、產(chǎn)酸階段、產(chǎn)甲烷階段)，對其生產(chǎn)過程的酸堿性、溫度、碳氮比等影響因素的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

　　1、污泥厭氧消化運(yùn)行階段

　　1.1 預(yù)處理及水解階段

　　微生物破壁和水解是污泥厭氧消化的限制因素之一。通過預(yù)處理，污泥中的碳水化合物、類脂化合物和蛋白質(zhì)等固態(tài)或膠態(tài)有機(jī)質(zhì)大分子，水解成細(xì)菌可吸收的溶解性物質(zhì)，水解過程還伴隨著少量的二氧化碳和氨氣，水解反應(yīng)式如下：

　　微生物細(xì)胞壁的破壁技術(shù)主要包括生化技術(shù)、物化破壁技術(shù)。生化技術(shù)包括利用高效厭氧水解菌水解和利用好氧或微氧嗜熱溶胞菌在較高溫對污泥強(qiáng)化水解兩類。物化破壁技術(shù)包括熱水解處理、超聲波處理、堿解處理、臭氧處理等。其中熱水解處理是將污泥在密閉容器加熱，使污泥絮體發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化的預(yù)處理過程，在實(shí)際生產(chǎn)中最為常見。研究結(jié)果表明，熱水解能改變污泥生物降解性能，特別是對溶解性碳水化合物、揮發(fā)性懸浮固體(VSS)的水解率有較大的影響，而對氨氮影響較小。超聲波預(yù)處理的研究主要集中在不同頻率、不同強(qiáng)度對污泥作用效果。王曉燕認(rèn)為，超聲處理能促進(jìn)生物酶強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸;曹秀芹等認(rèn)為作用時(shí)間對污泥破解效果的影響遠(yuǎn)大于聲能密度。徐慧敏等基于超聲聯(lián)合熱堿有效破解污泥有機(jī)質(zhì)研究表明，二者同步可以大幅度提高有機(jī)質(zhì)的破解，提高其生物可利用性。此外，石璞玉等臭氧預(yù)處理研究表明，臭氧投加量與污泥破壁效果呈現(xiàn)正相關(guān)，而超聲處理比臭氧處理對厭氧微生物起到更強(qiáng)的消減作用。

　　1.2 產(chǎn)酸階段

　　進(jìn)行水解的兼性菌完成水解后，將水解產(chǎn)物吸入，繼續(xù)進(jìn)行分解代謝，即為產(chǎn)酸階段。產(chǎn)酸階段主要依靠產(chǎn)酸菌發(fā)揮作用。產(chǎn)酸菌一般為兼性菌，也有少量絕對厭氧菌。產(chǎn)酸菌在污泥中大量存在且生長速率快，適應(yīng)的溫度范圍廣，能夠在高溫環(huán)境下存活。在厭氧消化過程中，產(chǎn)酸菌能夠?qū)⒎侨芙庑缘挠袡C(jī)物質(zhì)分解并轉(zhuǎn)化為簡單的溶解性物質(zhì)，代謝產(chǎn)物主要為揮發(fā)性脂肪酸、揮發(fā)醇及一些醛酮物質(zhì)。消化產(chǎn)物脂肪酸主要包括乙酸、丙酸和丁酸，占揮發(fā)性脂肪酸95%，其三種酸中以乙酸為主，占65%~75%;揮發(fā)醇主要為甲醇和乙醇。這些溶解性物質(zhì)能夠?yàn)楫a(chǎn)甲烷菌生長繁殖提供營養(yǎng)物質(zhì)。產(chǎn)酸菌能夠通過自身活動消除厭氧消化初期帶入的溶解氧，并且能夠裂解苯環(huán)、重金屬等對產(chǎn)甲烷菌有害的物質(zhì)(H2O2濃度較低時(shí)，兼性菌會分泌出一種分解H2O2的酶，將H2O2分解掉，而專性厭氧菌無此功能，這也是兼性菌和專性厭氧菌之間區(qū)別本質(zhì)所在)。

　　也有學(xué)者認(rèn)為，污泥消化可以考慮將有機(jī)質(zhì)盡可能轉(zhuǎn)化為短鏈有機(jī)酸類(如乙酸)，再通過耦合系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為高附加值生物化學(xué)品，即將反應(yīng)控制在產(chǎn)酸階段，這樣不僅可使污泥獲得穩(wěn)定化、無害化處理，還可以尋求污泥資源化再利用的新途徑。

　　1.3 產(chǎn)甲烷階段

　　產(chǎn)甲烷率是污泥厭氧消化最大的瓶頸問題。一是產(chǎn)甲烷菌是專性厭氧菌，氧的存在能使其迅速失去活性。其機(jī)理是當(dāng)環(huán)境有氧存在時(shí)，氧氣能與產(chǎn)酸階段產(chǎn)生的氫氣迅速合成雙氧水，雙氧水是一種強(qiáng)氧化劑，其濃度較高時(shí)，對所有類型的細(xì)菌均具有殺傷作用。二是產(chǎn)甲烷菌繁殖速度慢，代謝活力不強(qiáng)，只能利用揮發(fā)性脂肪酸代謝成甲烷。因此產(chǎn)酸階段是產(chǎn)甲烷階段的前提，大部分甲烷菌將產(chǎn)酸階段產(chǎn)生的乙酸吸入胞內(nèi)進(jìn)行代謝。

　　為了提高產(chǎn)甲烷速率，國內(nèi)外科技工作者做了大量基礎(chǔ)性的研究與探討。孫龍研究表明，10%的含固率和5%的含固率產(chǎn)甲烷氣率和有機(jī)質(zhì)去除率類似，實(shí)際生產(chǎn)可以考慮設(shè)計(jì)較高含固率厭氧反應(yīng)器。此外，應(yīng)用新材料是研究熱點(diǎn)之一。Bigg等利用納米材料導(dǎo)電性，將其作為電子供體將二氧化碳還原成甲烷，提升產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)甲烷性;研究還發(fā)現(xiàn)0.1%的納米零價(jià)鐵的添加量，可以提高甲烷產(chǎn)量30.4%~40.4%。夏兆輝等認(rèn)為炭材料如生物炭、活性炭等具有比表面積大、導(dǎo)電性優(yōu)良等，可以促進(jìn)厭氧消化系統(tǒng)中電子傳遞，促進(jìn)二氧化碳還原成甲烷。

　　2、污泥厭氧消化的影響因素

　　2.1 酸堿度

　　酸堿度是污泥厭氧消化限速因子之一。厭氧消化整個過程，通常水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷三個階段同時(shí)存在，各種酸堿綜合作用，體現(xiàn)為消化液pH值。改變pH可以引起水解酸化過程中微生物種群和代謝途徑的劇烈變化。產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌均在特定pH值范圍才能發(fā)揮代謝作用，見表1。當(dāng)水解和產(chǎn)酸速率超過產(chǎn)甲烷階段，會造成有機(jī)酸的累積而抑制反應(yīng);產(chǎn)甲烷與產(chǎn)酸速率接近，則無大量有機(jī)酸累積，消化液的pH值升高。發(fā)酵產(chǎn)酸中間產(chǎn)物難以控制，產(chǎn)量不穩(wěn)定，但pH值可以作為綜合各個階段消化狀態(tài)的一個指標(biāo)。研究認(rèn)為，碳水化合物和蛋白質(zhì)的水解揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的產(chǎn)生量和產(chǎn)生速率在pH等于7條件時(shí)達(dá)到最大，以TOC和COD表示的水解效率高達(dá)80%以上。

　　2.2 溫度

　　厭氧消化根據(jù)消化溫度差異，可以分為高溫消化(50℃以上)、中溫消化(30~36℃)、常溫消化三種方式。當(dāng)溫度在55~60℃左右時(shí)，消化效率最高，厭氧消化也比較穩(wěn)定，消化時(shí)間僅需要10d左右。從微生物活性來說，產(chǎn)甲烷菌正常生存的溫度范圍10~60℃，其活性隨著溫度升高而增大。當(dāng)溫度低于10℃，雖能存活，但代謝將基本停止;當(dāng)溫度超過70℃活性降低。

　　國內(nèi)污泥厭氧消化早期多集中于中溫條件，高溫消化被認(rèn)為需要消耗更大能量。張辰研究認(rèn)為，高溫厭氧消化對VS和COD具有更高的去除率，提供更多的產(chǎn)甲烷基質(zhì)和沼氣量。無論高溫或中溫消化均會導(dǎo)致污泥脫水性能變差，且高溫消化污泥的毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)高于中溫消化污泥。對病原菌的殺滅方面研究發(fā)現(xiàn)，中溫厭氧消化糞大腸菌群數(shù)較少，小于2×106MPN/g，高溫厭氧消化滿足小于1000MPN/g，說明高溫厭氧消化殘?jiān)谱鞣柿细踩煽?。為保持消化池?nèi)的溫度適中，必須進(jìn)行加熱升溫。厭氧消化池的常用加熱方式包括：在消化池外熱交換器預(yù)熱、用蒸汽直接在消化池內(nèi)加熱、在消化池內(nèi)部安裝熱水加熱盤管三種。

　　2.3 營養(yǎng)與碳氮比

　　合成細(xì)胞所需要的碳源具有雙重任務(wù)。一是作為反應(yīng)過程的能源，二是合成新細(xì)胞。合成細(xì)胞的C/N比約為5∶1，要求C/N比約為(10~20)∶1。如果氮量不足，則消化液緩沖能力低，pH容易降低。反之，pH可能上升，銨鹽容易累積，會抑制消化過程。孫洪偉等認(rèn)為，碳氮比C/N對胞外聚合物(EPS)及其組分具有顯著影響。當(dāng)C/N由0升高至15，EPS和緊密結(jié)合型胞外聚合物(TB-EPS)含量逐漸升高，而松散型胞外聚合物(LB-EPS)含量逐漸降低。此外，C/N增大導(dǎo)致毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)和污泥比阻(SRF)值顯著增大，污泥的脫水性能變差。實(shí)際生產(chǎn)中，污泥碳氮比較低，易產(chǎn)生氨抑制，污泥單獨(dú)厭氧消化存在產(chǎn)氣量低、系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題。利用果蔬、廚房垃圾等易腐有機(jī)廢物與污泥共消化可以提高甲烷產(chǎn)率與單位處理效率。

　　2.4 其他

　　攪拌，厭氧消化池存在分層現(xiàn)象，透過攪拌可以消除分層，增加污泥與微生物的接觸，使進(jìn)泥與原有原料充分接觸，加快消化速度。實(shí)際生產(chǎn)多采用間歇攪拌方式或多級攪拌方式。由于產(chǎn)甲烷菌的增殖較慢，對環(huán)境變化敏感，生物固體停留時(shí)間(污泥齡)也是厭氧消化的影響因素之一。污泥池中的硝酸鹽將被還原成氮?dú)?，由于?xì)胞增殖很少，很少氮轉(zhuǎn)化為細(xì)胞，大部分轉(zhuǎn)化為消化液中的氨，氮平衡也是重要的影響因素。另外，重金屬及胺類等有毒物質(zhì)也是影響因素。

　　3、結(jié)論與展望

　　污泥處置需考慮的因素包括產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、土地資源、城市化程度等。我國污泥處置仍然以土地填埋和土地利用為主。污泥厭氧消化是國際上應(yīng)用最廣泛的污泥中有機(jī)物穩(wěn)定化和資源化方法，能夠?qū)⑽勰嘤袡C(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量(能源)，生產(chǎn)過程的排泥量少，消化副產(chǎn)物是一種很好的土壤調(diào)理劑或有機(jī)基質(zhì)。也必然是我國未來污泥處置的主流之一。(來源：廣東華揚(yáng)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?