影響污泥厭氧消化的因素探析及預處理技術介紹

導語

污泥是由多種微生物形成的菌膠團的集合體，含有大量極易腐敗的有機物，據統(tǒng)計，2015年我國污泥生成量已達到3015.9萬噸，預計到2020年將突破6000萬噸。污泥產量增長的同時亦帶來了嚴峻的環(huán)境污染壓力。因此如何減少污泥污染并且有效利用這類生物質能源對實現(xiàn)環(huán)境和經濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

一、污泥厭氧消化技術概述

目前污泥的主要處理處置工藝有厭氧消化、好氧堆肥、干化焚燒、石灰穩(wěn)定、深度脫水等。污泥處置技術雖然呈多樣化的形式，但大多是基于使污泥達到減量化、無害化和穩(wěn)定化的目的。因此，在達到這些目的同時，如何結合社會效益、經濟效益和環(huán)保效益最大化地利用污泥中的有機質，是今后污泥處理處置技術發(fā)展所需考慮的重點方向。

其中，污泥厭氧消化產沼氣作為污泥處置的重要技術，不僅能夠解決生成量見長的污泥所造成的環(huán)境問題，而且能夠緩解當前日益緊張的能源供需矛盾。早在“十一五”起，國家已提出厭氧發(fā)酵產沼氣作為污泥處理的重要工藝技術，并鼓勵廣泛推廣。

但是，污泥厭氧消化的投資高、處理技術較復雜、啟動和處理的時間長，特別是我國北方地區(qū)由于溫度低，對污泥厭氧消化系統(tǒng)的運行管理提出了更高的要求，因此一定程度上限制了污泥厭氧消化法的使用。因此如何充分發(fā)揮污泥厭氧消化的優(yōu)勢，解決污泥厭氧消化的問題，提高污泥消化速率，走污泥的資源化利用之路，是今后發(fā)展污泥厭氧消化處理的重中之重。

二、污泥厭氧消化的原理

污泥厭氧發(fā)酵產沼氣是指利用厭氧菌對污泥進行發(fā)酵，使污泥中富含的蛋白質、碳水化合物、脂類等大分子有機質逐級降解為甲烷、二氧化碳等小分子物質的過程。目前厭氧消化較為公認模式為三階段理論，第一階段為水解發(fā)酵階段，第二階段為產氫產乙酸階段，第三階段為產甲烷階段。

在第一階段，污泥中的一些結構復雜的有機物被分解成簡單的有機物，如一些脂類的物質會被轉化成脂肪酸和甘油，一些蛋白質分子會被轉化成氨基酸，一些纖維素類物質也會被水解成糖類等，然后產酸菌會通過厭氧發(fā)酵和氧化等過程把這些簡單的有機物進一步的轉化成醇類和脂肪酸類如甲酸、乙酸、丙酸等;

在第二階段，產氫產乙酸菌會把水解階段產生的中間產物，如醇類和丙酸、丁酸等脂肪酸類簡單有機物(甲烷、甲醇、乙酸除外)轉化乙酸和氫并且會有二氧化碳放出;

在第三階段，產甲烷菌會將前兩個階段產生的乙酸、氫氣及二氧化碳等小分子物質轉化為甲烷。

三、污泥厭氧消化的影響因素

一般而言，影響污泥厭氧消化的因素主要包括以下四點：

①溫度。溫度是厭氧發(fā)酵過程主要影響因素，適宜的溫度能使污泥中有機物充分分解，增加產氣量。根據溫度的高低可分為常溫消化(10-30℃)、中溫消化(30-35℃左右)和高溫消化(50-55℃左右)。目前的消化系統(tǒng)溫度一般在35℃左右，屬于中溫消化，在此溫度下，有機物的反應速率較快，產氣量比較多，產生的浮渣量比較少，且反應后污泥混合液固液容易分離。

②污泥底物營養(yǎng)組成。污泥底物營養(yǎng)主要表現(xiàn)在C/N比值，厭氧細菌所需要的營養(yǎng)物質是由投配污泥提供的，是衡量營養(yǎng)配比的最重要的指標，C/N太高，細菌所需要的氮含量不足，消化液的緩沖能力就會降低，pH值就會下降;C/N 太低 ，氮含量過多，pH值就會升高，從而抑制消化過程，且容易造成系統(tǒng)中氨氮濃度過高，出現(xiàn)氨中毒。

③pH值。水解過程與發(fā)酵菌及產氫產乙酸菌對pH值的適應范圍大致為5-6.5，而對產甲烷菌的pH值的適應范圍為6.6-7.5。如果超出厭氧微生物生長繁殖適宜的pH值范圍，進而影響微生物細胞內的生物化學過程。

④其他影響因素，如攪拌，其目的是使消化池內的新舊污泥混合均勻，同時避免污泥結殼，使消化產物及時分離，從而提高消化效率、增加產氣量。另外則是污泥齡與投配率則表現(xiàn)在污泥在消化池內的停留時間，投配率是指每天投入的新污泥占消化池有效體積的比例，投配率高，消化速度慢，則會造成產氣量下降，所以需根據基建面積和含水率適量投配。

四、污泥厭氧消化技術預處理方式

在污泥厭氧消化過程中，可以通過采用一定的預處理技術，例如破壞細胞結構，釋放有機質，促進污泥的水解速率，從而改善污泥厭氧消化性能，使污泥厭氧消化技術的經濟性和可用性不斷得到提高。

1高壓噴射預處理技術

利用高壓泵，循環(huán)噴射污泥至一個固定的碰撞盤上，在這個過程中產生的機械力可以將污泥當中微生物的細胞結構給予破壞，釋放細胞當中的物質，使污泥中蛋白質含量得到提高，促進水解。利用3MPa高壓噴射預處理的污泥，經過厭氧消化，污泥揮發(fā)性固體的去除率明顯獲得提高，可以達到13%-50%，這就說明利用高壓噴射方法可以促進污泥厭氧消化的進行。

2超聲波預處理技術

利用超聲波處理法、破碎細胞超聲波技術實施污泥的預處理。主要是破壞微生物細胞的細胞壁，可以釋放細胞的有機質，促進污泥水解和消化。通過實驗可以明確，利用低頻超聲波可以獲得最有效地機械力，超聲波處理污泥的時間要控制在30分鐘 以內，因為隨著處理時間的增加，污泥產氣量也會由此增加。超聲波技術不會產生污染，同時分解速度非?？?，可以在極短的時間內釋放細胞中的物質，但是固體水解效果卻比較差，此外各種液體參數和超聲波設備會直接影響到超聲波的作用，因此在大規(guī)模工程中仍舊無法普及應用。

3熱處理技術

熱處理法主要就是利用加熱的方式，使污泥當中部分細胞體受熱膨脹，最后破裂，釋放出蛋白質和膠質等，隨后在高溫影響下，通過受熱水解、溶化，形成氨氮、揮發(fā)酸、碳水化合物等，這樣可以促進污泥厭氧消化。通過大量的試驗，可以得知污泥水解熱處理最佳的溫度范圍為165℃-180℃。

4堿處理法

在常溫條件下，通過加堿的方式，促進污泥溶解自身一些纖維成分。利用堿液預處理，可以有效地溶解污泥中硝化纖維，轉化硝化纖維為有機碳化合物，具有可溶性特點?？傊?，利用堿處理法可以在增污泥中COD和VS的降解率，使其產氣量不斷增大，同時提高產氣中的甲烷含量，使污泥厭氧消化的周期不斷明顯縮短。

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編輯：王媛媛