提高有机物降解率和产气率的研究

付华平
天津市污水处理研究所

1 概论

　　从1906年起第一个双层沉淀池－殷霍夫池在德国诞生以来，污泥处理已有90多年的历史。由综合沉淀池消化发展成为分离沉淀厌氧消化，成功地进行污泥稳定化处理已有60多年的历史。欧美各国、日本等充分利用污泥厌氧消化产生沼气，并普遍推进热能和电能的综合回收，已有成熟的经验。
　　虽然近十年两相消化、好氧－厌氧两段消化、中温－高温双重消化以及厌氧消化床、污泥床等新工艺不断发展，但大多数仍处于小试阶段，达到生产规模的较少，在未见明显的整体效益以前不会全面推广使用。
　　我国自五、六十年代先后建设了污泥厌氧消化系统，经过多年实践经验的积累，使我国污泥消化技术得到进一步提高。但是，由于我国污水处理事业起步较晚，特别在污泥处理与处置技术的理论与实践上，迫切需要不断地研究充实和提高。

2 东郊污水处理厂污泥消化系统概况

　　该厂厌氧消化系统主要由浓缩池、消化池、沼气压缩机、污泥循环沼气搅拌器、换热器、热源等部分组成。其中消化池共有五座呈梅花形布置，一级消化池4座，二级消化池1座，中央为污泥消化控制室。
2.1污泥消化系统的特点：
　　·每座消化池的进泥、循环污泥、沼气搅拌均采用一对一形式各自独立自成系统。
　　·沼气压缩机置于消化池顶以上的控制室内，并从消化池集气罩中直接取气减少了管道长度及压力损失。
　　·消化池与控制室之间用封闭的管廊连接，缩短了各种管道的长度，减小水头损失及温度损失并解决了冬季防冻问题。
　　·设置安全阀及搅拌观察孔、底部人孔，增强消化池运转的安全性。
　　·强化自动控制体系，避免运行管理时的盲目性。
2.2 污泥消化系统主要设计工艺参数
　　·污泥浓缩池：进泥量1640m³/d(含水率97%),出泥量1230m³/d(含水率96%),停留时间30小时。
　　·消化池：投配率5%-8%，进泥浓度大于40g/l，进泥有机份含量大于55%，有机份降解率30%时单方污泥产沼气5.4m³，消化时间17-20天，消化温度35±2℃，搅拌强度1.0m³/m²/hr，一级消化池连续搅拌，二级消化池间歇搅拌，而且不加温。从消化池任意点投入锂元素，经过压缩气体搅拌30分钟后，全池锂元素已分布均匀。
2.3 污泥处理系统工艺流程图
　　污泥处理系统工艺流程见图1。

3 影响污泥消化的主要因素

3.1 温度
　　细菌的活动与温度有关，温度高低决定消化过程的快慢；温度高低对产气量也有一定影响。但实践表明，高温发酵的产气量只比中温发酵略有增加。高温发酵几乎能杀死全部病原菌和寄生虫卵，中温发酵则只能杀死其中的一部分。
3.2 酸碱度
　　甲烷细菌生长最适宜的PH范围约在6.8-7.2之间，如PH值低于6或高于8生长繁殖将大受影响。产酸细菌对酸碱度不及甲烷细菌敏感，其适宜的PH范围也较广，在4.5-8之间。在正常运行的消化池中挥发酸(以醋酸计)一般在200-800mg/l之间，如果超出2000mg/l，产气率将迅速下降，甚至停止产气。挥发酸本身不毒害甲烷菌，而PH值的降低则会抑制甲烷菌的生长。
3.3 污泥投配率
　　投配率是消化池运行管理的重要指标。投配率过高，消化池内有机酸可能积累，PH下降，污泥消化不完全，产气率降低；投配率过低，污泥消化较为完全，产气率也较高，但消化池容积大，利用率低，基建费用高。
3.4 搅拌
　　新鲜污泥投入消化池后，应该及时加以搅拌，使新、熟污泥充分接触，整个消化池内的温度、底物、甲烷细菌分布均匀，并能避免在消化池表面结成污泥壳，加速污泥气的释放。
3.5 碳氮比
　　污泥中有机物质的碳氮比(C/N)对消化过程也有影响。碳氮比过高，则组成细菌的氮量不足，污泥中HCO^-₃(以NH₄HCO₃形式存在)浓度低，缓冲能力差，PH值容易下降。如果碳氮比过低，即氮量过高，胺盐就会大量积累，PH值可上升到8以上，而抑制甲烷细菌的生长繁殖。
3.6 有毒物质
　　主要的有毒物质是重金属离子和某些阴离子，重金属离子对甲烷消化所起的抑制作用有两个方面：
　　·与酶结合，产生变性物质，使酶系统失去作用。
　　·重金属离子及其氢氧化物的凝集作用，使酶沉淀。

4 实际运行情况的总结及分析

　　消化系统经过一段时间的培养驯化后，开始正式运行，运行情况良好。对94.6—94.12运行情况汇总分析如下：
　　·投泥量：1075（780-1440）m³/d
　　·进泥含水率：95.57（94.98-95.88）%
　　·进泥有机份：57.03（50.38-61.71）%
　　·进泥PH：6.95（6.59-7.39）
　　·消化温度：32.2（26.8-37.0）℃
　　·消化时间：36.5（30.8-41.7）天
　　·消化后污泥含水率：95.72（95.09-96.02）%
　　·消化后污泥有机份：46.49 (37.91-54.48)%
　　·有机物分解率：34.15（18.83-43.42）%
　　·投入的有机物量：27055（18756-35611）kg/d
　　·投配负荷：0.70 (0.51-0.89)kg/ m³池容 /d
　　·分解的有机物量：9219（4218-14812）kg/d
　　·产气量：6692（3134-10783）m³ /d
　　·产气率：6.17（3.91-7.75）m³气/ m³泥
　　·分解单位重量有机物产气量：0.726（0.687-0.756）m³/kg.vss
　　通过数理统计及相关分析，得出了投入的有机物量与产气量、温度与产气率、温度与有机分解率的相关曲线及数学关系式：
　　·设投入的有机物量为x kg/d，产气量为ym³ /d，
　　当温度为26.8—29.9℃时,y=-795.23+0.1966x，相关系数r=0.6889，项次n=7，相关性较差。

　　当温度为30.0—31.9℃时，y=2221.685+0.1374x，相关系数r=0.8243，项次n=6，相关曲线如图2所示：

　　当温度为32.0—37.0℃时，y=-398.749+0.3062x，相关系数r=0.9882，项次n=17，相关曲线如图3所示：

　　·设消化温度为x℃，产气率为ym³气/ m³泥，则y= x^2.037/197.24，相关系数r=0.961，项次n=11，相关曲线如图4所示：

　　 ·设消化温度为x℃，有机分解率为y%，则y= x^2.6838/339.3126，相关系数r=0.9825，项次n=11，相关曲线如图5所示：

5 污泥中温消化生产性试验

　　为了提高污泥中温消化有机物降解率和产沼率，得到东郊污水处理厂污泥消化池中温二级消化的最佳工艺参数，本研究在东郊污水处理厂开展了污泥消化池的中温消化生产性试验。
5.1 试验控制参数和试验方案设计
5.1.1 试验控制参数
　　·消化池温度
　　·进泥含水率，按多年实际运转经验，既保持较高的污泥浓度，又能满足投泥泵的正常工作要求本试验控制进泥含水率在94%—96%左右。
　　·消化池PH=6.7—7.5
　　·消化时间（投泥量）
　　·搅拌间隔
　　·投泥间隔
　　·污泥的酸碱度、碳氮比、重金属均保持原污泥特性。
5.1.2 试验方案设计
　　按照污泥消化温度、污泥投配率、沼气搅拌时间间隔、投泥间隔的不同，设计了4个生产性试验方案：
　　·方案一：污泥消化温度：28±2℃，投泥量480m^3/d，污泥消化时间20.83d，投配率4.8%，连续沼气搅拌，投泥间隔2hr（投0.5hr，停1.5hr）。
　　·方案二：污泥消化温度：28±2℃，投泥量420m^3/d，污泥消化时间23.83d，投配率4.2%，沼气搅拌：6小时搅拌一次，每次1.5hr，投泥间隔4hr（投1hr，停3.0hr）。
　　·方案三：污泥消化温度：28±2℃，投泥量420m³/d，污泥消化时间23.83d，投配率4.2%，连续沼气搅拌，投泥间隔2hr（投0.5hr，停1.5hr）。
　　·方案四：以设计参数运行，污泥消化温度：35±2℃，投泥量600m³/d，污泥消化时间16.7d，投配率6.0%，连续沼气搅拌；投泥间隔40min（投10min，停30min）。
5.2 污泥消化效果评价指标及计算方法
5.2.1 有机物分解率
　　g={1-[（100-a）b]/[（100-b）a]}×100%
　　　g：有机物分解率（%）
　　　a：消化前污泥有机份（%）
　　　b：消化后污泥有机份（%）
5.2.2 污泥消化产气率
　　包括投配单位体积污泥产气率和分解单位重量有机份产气率。
　　污泥投泥量计量方法为容积法，产气量以天津市第五机床厂生产的JLQ-100型罗茨气体流量计计量。
　　同时测定消化污泥的PH值、含水率、脂肪酸、总碱度、沼气组分、及大肠菌值、蛔虫卵诸项目。
5.3 试验结果
　　各个方案试验结果的平均值见表1、表2。

表1 方案编号 总 碱 度(mg/l) 脂 肪 酸(mg/l) pH 进泥 出泥 进泥 出泥 进泥 出泥 方案一 1317 1524 247 360 6.86 7.08 方案二 2933 3159 245 239 6.94 7.17 方案三 3133 3266 319 315 6.95 7.26 方案四 2539 2468 179 199 7.15 7.10

表2 方案

编号 含水率 有机份 投配VSS 分解VSS

（Kg/d） 产气量

（m³/d） 产气率

（m³/m³） 分解单位重量VSS产气量

（m³/kg） 进泥
(%) 出泥
(%) 进泥
(%) 出泥
（%） 分解率
（%） 总量
（kg/d） 方案一 94.80 95.39 54.42 48.24 22.07 13654 3018 2227 4.64 0.738 方案二 95.18 96.19 54.35 48.48 20.97 11045 2323 1705 4.06 0.736 方案三 94.92 96.38 54.54 47.97 23.15 11640 2694 2006 4.78 0.743 方案四 95.61 96.21 55.54 43.84 37.50 14627 5479 4077 6.80 0.744

5.4 试验结果分析
　　从方案1和方案3试验结果看出：消化时间越长越好，但在消化温度、搅拌和投泥间隔相同时，消化时间从20.8天增加到23.8天，平均有机分解率只从22.07%增加到23.15%，产气率从4.64m³/m³增加到4.78 m³/m³ 。
　　·从方案2和方案3试验结果看出：连续搅拌优于间歇搅拌，投泥间隔越短越好，在消化温度和消化时间相同时，有机分解率从间歇搅拌的20.97%增加到连续搅拌的23.15%，产气率从4.06m³/m³增加到4.78 m³/m³。
　　·方案4试验结果与其它方案比较，可以看出：温度是决定消化效果的主要因素。当温度控制在35±2℃时，虽然停留时间减少到了16.7天，但在连续搅拌，投泥间隔30分钟下，有机分解率增加到了37.50%，产气率增加到了6.80m³/m³。
5.5 生产性试验结果与东郊污水厂实际运转效果的比较
　　在最佳工艺条件下，消化池的平均有机分解率为37.50%，平均产气率为6.80m³/m³。而通过前面总结的东郊污水处理厂消化池的运行结果，得出了温度与有机分解率、温度与产气率、投入有机物量与产气量的关系式，将试验的温度35℃、平均投入的有机物量14627kg/d代入关系式可得：
　　·有机分解率为41.06%（试验结果为37.50%）
　　·产气率为7.08 m³/m³（试验结果为6.80m³/d）
　　·产气量为4080 m³/d（试验结果为4077m³/d）
　　将试验结果与实际运行结果比较可以看出：两者结果比较接近，所产生得差别可能由于试验阶段与实际运行阶段泥质有所不同造成的。

6 污泥消化运行最佳条件及效率参数

6.1 最佳运行条件
　　总结东郊污水处理厂实际运行经验和生产性试验,提出污泥消化池稳定运行的最佳运行条件：
　　pH：6.5-7.5；
　　含水率：94.8-96.5%；
　　消化温度：35±2℃；
　　消化时间：16.7天以上；
　　有机投配负荷：0.7-1.7kg/m³/d；
　　沼气搅拌：管束式连续沼气搅拌，搅拌强度：1m³/m² /hr。
6.2 效率参数
　　在上述运行参数条件下正常运行，污泥消化池运行效率参数：
　　产气率：5.59-7.96m³气/m³泥分解单位重量有机物产气量：0.734-0.762m³/kg.vss（达到了理论产沼量的89—92%）
　　有机分解率：35.59-39.13%
　　沼气组成： 甲烷含量达70.34-72.73%

7 东郊污水处理厂污泥产气量、有机分解率、沼气组分与国内外污水厂的比较

　　东郊污水厂污泥产气量、有机分解率、沼气组分与欧美各国一些处理厂及纪庄子污水厂的比较，见表3。

表3 东郊污水处理厂与国内外情况对比表 污泥种类 污水处理厂名称 投入的
有机物
产气量
(ml/g) 有机物
分解率
(%) 分解1g有机物产气量
(ml/g)

沼气成份
(%) CH₄ CO₂ 沉淀后的生活污水污泥
（英霍夫双层沉淀池） 巴登—巴登(西德) 483 76.5 631 61.8 37.1 阿麦斯夫特(荷兰) 340 53.3 638 埃森-弗罗豪森(西德) 442 68.0 650 69.4 30.6 旧金山（美国） 500 67.0 746 63.0 33.0 巴尔的摩（美国） 400 45.5 880 65.0 32.5 柏林（西德） 383 30.6 1250 73.7 17.7 50%工业废水沉淀污泥 杜塞尔多夫（西德） 254 46.8 542 69.0 27.0 含有工业废水的城市污水污泥 海尔布隆（西德） 136 24.4 558 60.0 35.0 50%工业废水的城市污水污泥 温尼伯（加拿大） 335 49.0 720 66.8 32.7 含有工业废水的城市污水污泥 华盛顿（美国） 574 59.5 965 62.0 34.0 72%工业废水的城市污水污泥 天津东郊 247 34.2 726 61.3 38.7 60%工业废水的城市污水污泥 天津纪庄子 212 35.0 1.022 60.1 25.4

　　由表3可以看出：以工业废水为主的污水污泥的有机物分解率和投入有机物产气量以及被分解的有机物产气量都偏低，沼气中CH₄含量也偏低。东郊污水厂的污泥是含工业废水最多的污水污泥，其有机物的分解率较低，产气量也较低，但是被分解的有机物产气量比较高。