[科普中国]-消化污泥

简介

污泥消化是利用微生物的代谢作用，使污泥中的有机物质稳定化。当污泥中的挥发性固体VSS含量降到40%以下时，即可认为已达到稳定化。污泥消化可以采用好氧处理工艺，也可以采用厌氧处理工艺。1

污泥耗氧消化是以耗氧的方式氧化污泥中的有机物质，并且减少污泥的质量和体积。操作污泥耗氧消化如同操作活性污泥系统，只要微生物环境维持稳定（如温度、pH、无毒性物质干扰），系统将能自我维持。

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。厌氧消化是使污泥实现“四化”的主要环节。首先，有机物被厌氧消化分解，可使污泥稳定化，使之不易腐败。其次，通过厌氧消化，大部分病原菌或蛐虫卵被杀灭或作为有机物被分解，使污泥无害化。第三，随着污泥被稳定化，将产生大量高热值的沼气，作为能源利用，使污泥资源化。另外，污泥经消化以后，其中的部分有机氮转化成了氨氮，提高了污泥的肥效。污泥的减量化虽然主要借浓缩和脱水，但有机物被厌氧分解，转化成沼气，这本身也是一种减量过程。

厌氧消化厌氧污泥消化过程主要包括两个阶段：酸化阶段和甲烷化阶段。固态有机物主要成分是天然高分子化合物，如淀粉、纤维素、油脂和蛋白质等，在无氧环境中降解为有机酸、醇、醛、水分子等液态产物和CO2、H2、NH3、H2S等气体分子，气体大多溶解在泥液中。该阶段的转化产物主要是有机酸，所以pH值迅速下降。低pH值有抑制细菌生长的作用，而NH3的溶解产物NH4OH有中和作用，经过长时间的酸化阶段，pH值回升后，进入气化阶段。气化阶段产生的气体主要是甲烷，因此也称该阶段为甲烷化阶段，与酸化阶段相应。该阶段的CO2也比较多，还有微量的H2S。也有学者研究认为厌氧污泥消化经历四个阶段：水解、酸化、乙酸化、甲烷化。

相关微生物①主要包括细菌、真菌和原生动物等。细菌包括纤维素分解菌、碳水化合物分解菌、蛋白质分解菌以及脂肪分解菌等。真菌包括毛霉、根霉、曲霉和共头霉等。原生动物包括鞭毛虫、纤毛虫和变形虫等。

②产氢产乙酸菌以及同型产乙酸菌。

③产甲烷菌，主要包括甲烷杆菌、甲烷球菌、甲烷八叠球菌和甲烷螺旋菌。

目的（1）减少污泥体积

减少污泥中可降的有机物含量，使污泥的体积减少。与消化前相比，消化污泥的体积一般可减少1/2～1/3。

（2）稳定污泥性质

减少污泥中可分解、易腐化物质的数量，使污泥性质稳定。

（3）提高污泥的脱水效果

未消化的污泥呈粘性胶状结构，不易脱水。消化过的污泥，胶体物质被气化、液化或分解，使污泥中的水分与固体易分离。

（4）利用产生的甲烷气体

污泥在消化过程中产生沼气，沼气中有用的甲烷气体约占2/3，可做为燃料用来发电、烧锅炉、驱动机械等。

（5）消除恶臭

污泥在厌氧消化过程，硫化氢分离出硫分子或与铁结合成为硫化铁，因此消化后的污泥不会再发出恶臭。

（6）提高污泥的卫生质量

污泥中含有很多有毒物质如细菌、病原微生物、寄生虫卵，极不卫生。污泥在消化过程中，产生的甲烷菌具有很强的抗菌作用，可杀死大部分病原菌以及其它有害微生物，使污泥卫生化。

工艺对磷系统的作用（1） 在好氧的状态下，微生物过量吸收污水中的磷，之后通过排除污泥将磷从系统中去除。污水中的一部分磷随着剩余污泥排出系统，而大部分含磷污泥与污水一起回流进入厌氧状态，在厌氧的不利状态下，活性污泥中的聚磷菌将体内的聚磷分解产生能量，一部分能量供给自身的生存，另一部分则供给聚磷菌主动吸收水体中的乙酸酐并将其转化为PHB储存在体内。在聚磷菌分解聚磷时，将磷释放到泥液中，这就时厌氧释磷。在好氧状态下，微生物将聚集在体内的PHB分解释放出大量能量，一部分供给自身的生长繁殖，一部分供给聚磷菌大量吸收泥液中的磷，这就是好氧吸磷。

（2） 影响生物除磷因素：

① DO：要取得较好的生物除磷效果，必须严格控制系统中的厌氧条件，要保证系统中既没有分子态氧，也没有氧化态氧，以保证除磷菌有效吸收有机物并释放磷。

② 一般硝酸盐的存在会影响除磷效果，但是当COD/TKN>10时，硝酸盐对生物除磷影响较小。

③ 泥龄：一般污泥泥龄较短的系统产生的剩余污泥较多，可以取得较好的除磷效果。

④ BOD负荷：BOD/TP=20是正常生物除磷的底限。

⑤ 温度和pH，一般有影响，但是影响不大。

微生物增长动力学四个假定

（1）反应器系统中指定种类微生物的所有个体都是相同的，事实上，由于所处生命周期阶段不同，每个微生物的生理状态都是不同的。

（2）随即现象可以忽略，即细胞之间的任何随机性差别都不予考虑。

（3）每个微生物功能组别（如，好氧异氧菌、自养菌等）中，所有的微生物都被看作属于同一个种类，且在一个微生物种类中不考虑其个体，因为我们关注的之微生物群整体。

（4）假设悬浮生长式反应器的反应是均匀进行的，尽管反应器中的微生物会处于不同的生长阶段。

设备螺旋桨式搅拌设备组成简单，操作容易，可以通过竖管向上或向下两个方向推动污泥，因此在固定污泥液面的前提下，能够有效地消除浮渣层。螺旋桨式搅拌器特别适用卵形或者带陡峭锥底的圆柱形消化池。运行简单，维修量少。但在池内的螺旋桨发生故障时，消化池需打开，消化系统要停止运行。螺旋桨式搅拌器的能力，一般情况下按照，在一天内将消化池全池完全搅拌一次的次数和完成搅拌一次的时间来选择。

悬挂喷嘴式沼气搅拌器，主要由悬挂在池顶部的沼气输送竖管和喷咀组成。搅拌器可以按需要在池内多点布置，并可分组运行。具有结构简单；设置和操作灵活；由于可分组搅拌，使所需要的搅拌强度较小；对池的适应性强；不受液面控制等优点。此类形的搅拌器适合于上述的各种池形，用在平底或底部锥形较缓的消化池中更显示出其优点。搅拌器的能力，一般情况下按照，一天内将消化池全池完全搅拌一次的次数及搅拌系统的组数和完成搅拌一次的时间来选择。

多根束管式沼气搅拌器主要由多根沼气输送管（束管）和沼气释放口组成。束管由消化池顶部的中间位置进入池中，延伸至池底部的释放口。此搅拌器的特点是构造简单，易操作。但容易堵塞，需在池顶各束管端头增设观察球及高压水冲洗装置。因沼气释放口的设置聚集在池底中部，适合于小直径且带陡峭锥底的池形。搅拌器的选型根据整池的容积选择。

底部多根吹管式沼气搅拌器底部多根吹管式沼气搅拌器主要由多根沼气输送管和沼气释放口组成。沼气输送管可从池顶部侧壁或池侧面进入，沿池底伸入到池中部与沼气释放口连接。与多根束管式沼气搅拌器类似，此方式搅拌器的特点是构造简单，易操作。但易堵塞；因沼气释放口的设置聚集在池底中部，适合于小直径且带陡峭锥底的池形搅拌器。搅拌器的选型根据整池的容积选择。

上述常用的四种搅拌形式中，除螺旋桨机械搅拌器外，另外三种均利用消化池运行中产生的沼气。沼气搅拌法的优点是：由于沼气的气泡迅速上升造成的湍流可提高混合质量；污泥可以在内部循环；通过在污泥表面形成的湍流防止浮渣形成；改善脱气效果；与消化池的形状和污泥的液位无关。但沼气搅拌系统的组成较复杂，一般由沼气压缩机、沼气喷射管及沼气循环管及附属的冷凝水排放、沼气过滤器等组成。其运行管理复杂。由于沼气具有易燃和易爆的特性，因此，沼气搅拌工艺对设备的安装，所使用管件的制造材料和安全措施有特殊的要求。对运行和操作要求严格。污泥厌氧消化处理在技术和投资上都是污泥处理工艺中重要的组成部分，污泥厌氧消化的工艺设计较复杂，需要考虑确定的因素很多。

VD工艺处理过程VD工艺是一个高效的高温好氧污泥消化过程，它与其它高温消化系统相比其不同之处在于将三个独立的功能区放在一个反应器进行。反应器的上部是一级反应区，包括一个同心循环管路和用于混合污泥循环的循环区。在一级反应区的下部为混合区，位于整个反应器的1/2深度处，空气由此处注入，通过空气的提升作用为内部的循环提供动力；反应器的底部为深度氧化区，底部能够提供杀死病菌如沙门氏菌和大肠杆菌等所需要的高温65℃及停留时间，从而保证污泥产品的质量。VD工艺的处理过程如下：

1、空气通过进流管进入混合区上部，由于水体中的气泡和溶解氧形成一个垂直方向密度梯度，从而导致整个一级反应区实现循环。

2、在这个循环建立并稳定后，将空气进入点移到混合区的下部，未处理的污泥则通过进流管进入反应器中并进行循环，其进流管在进气口上方。

3、由于高的水位压力，根据亨利定律，从面保证水中的高的氧气传递速率和混合液中具有很高的溶解氧，从而有效保证一级反应区和深度氧化区所需要的溶解氧。

4、反应器内循环的混合液体当到达反应器顶部的接触池时，混合液中含有废气的气泡将释放出来，释放出来的废气进入生化过滤器过滤后排放，去掉这些气体对于系统的运行是非常重要的。

5、混合区中比例很小的一部分从混合区进入下部深度氧化区，在这个区域内溶解氧含量极高，停留时间较长，污泥中剩余有机成分全在此处被高度氧化，同时所含的溶气也有利于后续产物池内的固液分离。在此过程中最关键和最重要的特点是在这个过程中随着有机物的氧化，污泥温度不断升高，并利用周围良好的保温环境使反应器内的温度得到稳定并维持在一定水平（65摄氏度）。

6、消化后污泥以极快的速度（2m/s）被抽到位于地表的分离池，由于速度很快从而保证不会在反应器的内部产生沉淀情况，同时在污泥向地表的流动过程中，由于快速的减压，形成了充分充氧的低密度的絮体。使其在分离池中产生浮选作用，顶部被浮选出来的污泥其浓度将达到含泥率10%。底部的液体则回到水处理系统中。

7、污泥经脱水后可得到含固率大于30%的便于运输的泥饼肥料。

技术优点1、总投资比传统工艺省；

2、占地少，本系统结构非常紧凑，占地面积小；

3、处理效果好。在处理过程中，能在四日的停留时间内使挥发性固体减少40%-50%。经处理后的出厂污泥可达到美国EPA中A级标准。污泥经脱水后，可以直接用作土壤肥料，彻底解决污泥的最终处置问题；

4、运行费用为传统高温好氧消化的一半以下，去除每千克可挥发固体是动力需求为1.4kw.h；

5、对消化后的污泥，只需要加少量的有机絮凝剂进行污泥脱水可使污泥含水率降至65－70%，这样可以降低运输和处理费用。

6、环境影响小，采用VD污泥处理工艺，异味气体和挥发性有机物的排放量很低，同时较低的空气需要量及独特的设计可以减少泡沫的产生；

7、在气候非常恶劣的地方，或为了同周边环境相协调时，可以将该系统设置于封闭的建筑物之内；

8、维修管理方便，并可以通过自动控制，实现无人值守；

9、使用价格不高的热交换器，即可实现过程的热量回收（收回的热量可用来采暖），而不需要象厌氧消化那样配置价格昂贵的气体净化装置和专用锅炉。

消化污泥处理消化污泥是污水处理的最终产物，它必须对环境不产生有害污染。自从污水处理以来，已经实践过的方法是在农业污泥的利用上。如果比较其污水污泥的成分和厩肥的成分，很清楚，由于污泥可作为土壤的有机成分，并作为肥料，成为植物所需的营养元素，所以，它能够被人们大量利用。

因此，污水污泥已经是农业生产上所需要的，污水污泥是一种潜在的再循环营养源，下述数据充分说明了这个问题(Kreft，1983)。1981年，年产达35000万m3的污水污泥，相当于30000t磷和40000—50000t氮，以人工肥料价值计算，等于220000万马克(DM)。而且，有机物质含量达800000t，以泥炭价值计算，相当于360000万马克。当有人考虑到我们可利用的磷源非常有限，而且耕作土壤由于有机成分的缺乏而受到威胁时，那么，很明显，农业利用污水污泥是一项有意义的事情，而不仅仅只限于经济上的原因。

然而，污泥的农业利用也有需要考虑的问题，对大污水厂来说，污水污泥的日产量大，大田处理所要求的面积大，转移距离远，通常运输困难阻碍了这种处理方法的推广利用。也有成功经验，下萨斯韦班德联邦污水处理厂在1982年把381000m3的污泥施入农田。这说明了即使大量的污水污泥，只要适当安排，也能采用此法处理掉。大型污水厂广泛地采用新技术解决这些难题，使得污水污泥和石灰混合，或和铁盐有机絮凝剂等混合，机械脱水，填埋处理或在焚化炉中燃烧。这些方法当然还会产生少量的脱水污泥，再行最终处理。但这些方法也具有负作用，诸如，气体排放使得污染物散失，有毒物质随气体净化装置的洗涤液重新循环到污水厂，以及弃置的污物侵占农田等。

除过污泥量的争议外，对于农业使用污泥来说，其污水污泥的性质也起着很大的作用。特别要进一步考虑三个方面的问题。首先是弄清楚所供给的污泥的成分，第二是卫生学障碍，第三是污泥有毒物质的含量。2