在眾多的污泥處理處置方法中，厭氧消化由于具備回收潛在能量和降低環(huán)境危害的功能成為目前國際上應(yīng)用最為廣泛的污泥穩(wěn)定化和資源化的處理方法。

通過直接厭氧消化或預(yù)處理后厭氧消化，可以極大降低污泥中有機質(zhì)含量，使污泥穩(wěn)定、易于脫水，并適合作為有機肥用于土壤改良、園林綠化;產(chǎn)生的沼氣經(jīng)提純后可廣泛應(yīng)用于居民用氣、并網(wǎng)發(fā)電、車用氣體等，減少日益緊缺煤、石油、天然氣等有限資源的消耗。

我國典型城市污泥有機質(zhì)含量普遍偏低，大部分在30%~60% ，因此現(xiàn)階段主要采用衛(wèi)生填埋、焚燒、堆肥、資源化利用(如制水泥、磚等)污泥處置方式。

但是，隨著近年來國家環(huán)保部頒發(fā)的《污水處理廠污泥處理處置最佳可行技術(shù)導(dǎo)則》建議必要時將厭氧消化技術(shù)作為污泥處置首選工藝，同時國內(nèi)部分厭氧消化工程有所起色，厭氧消化正逐漸成為我國城市污泥處理處置技術(shù)的熱點研究對象。因此文章將針對我國典型城市污泥厭氧消化處理工藝進行分析與探討。

1 厭氧消化概述

1.1 技術(shù)簡介

1.1.1直接厭氧消化直接厭氧消化即傳統(tǒng)厭氧消化，通常不經(jīng)過任何前期處理而直接進行厭氧消化反應(yīng)的一種處理模式，多用于處理有機質(zhì)較高的人畜糞便、秸稈等有機廢物，后期也用于市政污泥處理，但通常適用于有機質(zhì)較高的污泥或摻有高有機質(zhì)廢物的混合污泥。

厭氧消化是利用兼性菌和厭氧菌進行厭氧生化反應(yīng)，分解污泥中有機物質(zhì)的一種污泥處理工藝。根據(jù)厭氧消化過程中甲烷菌的適宜溫度范圍，污泥厭氧消化可以分為中溫(35~40℃)和高溫消化過程(50~60 ℃)，高溫消化速度快、負荷高、容積小，國外較多使用，而我國受經(jīng)濟水平所限更多使用中溫消化。

根據(jù)厭氧消化的工藝運行形式，分為兩相消化(兩個反應(yīng)器)和兩級消化(一個反應(yīng)器兩環(huán)節(jié))，現(xiàn)階段國內(nèi)外仍以兩級厭氧消化運行為主。

1.1.2預(yù)處理+厭氧消化

由于傳統(tǒng)厭氧消化普遍存在消化速率低、停留時間長(20~30 d)、處理效率低(揮發(fā)性固體VS的去除率30%~40%)等不足，為改善這種現(xiàn)狀，近年來人們對污泥的預(yù)處理技術(shù)開展大量研究。

厭氧消化的過程一般包括水解、產(chǎn)酸發(fā)酵和產(chǎn)甲烷3個步驟，其中水解過程是限速步驟，水解過程將顆粒有機物變?yōu)榭扇芙庥袡C物，污泥預(yù)處理的目的是加速和提高水解效率。污泥的預(yù)處理方法包括加熱處理、熱化學(xué)處理、堿處理和超聲處理等。

污泥高溫預(yù)處理技術(shù)具有強化污泥降解、殺滅部分病原菌的功能，具有良好的應(yīng)用前景。

Hariklia等采用70℃高溫預(yù)處理研究發(fā)現(xiàn)，中溫厭氧消化產(chǎn)甲烷速率最高可達145%、甲烷產(chǎn)量提高20%~26%;Li等發(fā)現(xiàn)活性污泥的最佳熱處理條件是170 ℃加熱60 min，小試實驗結(jié)果表明經(jīng)熱解污泥只需5d停留時間COD去除率即可達到60%;Stuckey等發(fā)現(xiàn)活性污泥的最佳熱解溫度在175 ℃左右，溫度再高效果會出現(xiàn)下降。

但是高溫預(yù)處理技術(shù)能耗高、運行管理較復(fù)雜，有待進一步完善。

此外，林志高等、Cai等發(fā)現(xiàn)，在污泥中加入NaOH或Ca(OH)可以改善污泥的消化性能，通常污泥固體濃度為0.5%~2%，堿的用量為8~16g NaOH/100 TS;曹秀芹等在實驗室條件下研究得出：污泥經(jīng)超聲處理后，污泥絮體被分解，絮體尺寸變小，超聲波處理30 min，SCOD/TCOD提高3倍左右;英國COS Technik公司研發(fā)的Biogest Crown污泥降解系統(tǒng)是一種通過利用壓力差來溶解污泥的設(shè)備，可使污泥降解程度提高20%，產(chǎn)氣量提高30%，該反應(yīng)器處理污泥的濃度范圍為3%~8%。

1.2 國內(nèi)外發(fā)展歷程

1.2.1國外發(fā)展情況

目前在整個歐洲共有超過36 000座厭氧消化反應(yīng)器，對污泥的處理量占歐洲總產(chǎn)泥量的40%~50%。其中歐盟對厭氧消化技術(shù)最為推崇，厭氧消化也是該地區(qū)最為常見的處理方式，如表1所示。

德國每年產(chǎn)生污泥(干重)220萬t且大于5000 t的污水廠均設(shè)厭氧消化處理，英國和法國每年產(chǎn)生的污泥近120萬t和85萬t。

根據(jù)美國環(huán)保局1998年的調(diào)查，厭氧消化是美國污水廠采用最普遍的污泥穩(wěn)定方法，占60%。日本大多數(shù)污水處理廠也是采用厭氧消化來處理污泥，而且近年不斷改進消化技術(shù)，如通過機械濃縮產(chǎn)生更高濃度污泥進行厭氧消化以及對攪拌技術(shù)和熱效的改善等。

厭氧消化技術(shù)在發(fā)達國家應(yīng)用較為廣泛，除了有機質(zhì)含量(60%~80%)和分解率較高外，另一個重要原因就是沼氣利用途徑較為發(fā)達，其中沼氣發(fā)電更是受到廣泛重視和積極推廣，如美國的能源農(nóng)場、德國的可再生能源促進法的頒布、日本的陽光工程、荷蘭的綠色能源等，而且早在20世紀(jì)80年代，發(fā)達國家的城鎮(zhèn)污水處理廠污泥厭氧消化產(chǎn)生沼氣轉(zhuǎn)化的電能即可滿足污水廠處理時所需電力的33%~100%。

美國波士頓鹿島污水廠、馬里蘭州后河污水廠、華盛頓藍原高級污水廠等均對污泥采用“厭氧消化+熱電聯(lián)產(chǎn)”技術(shù)，取得重大的經(jīng)濟效益，其中馬里蘭州后河污水廠年產(chǎn)電力近300萬kW，相當(dāng)于該廠30%以上的基本電負荷。

1.2.2國內(nèi)發(fā)展情況

我國污泥厭氧消化技術(shù)起步較早，但技術(shù)應(yīng)用發(fā)展較慢，與發(fā)達國家相比差距較大。

目前建立污泥厭氧消化系統(tǒng)的污水處理廠數(shù)量并不多，僅在北京、上海、天津、重慶、青島、石家莊、鄭州、沈陽、南京、濟南、襄陽等城市的約50座大中型污水處理廠中建設(shè)了一批污泥消化設(shè)施，目前仍可使用的只有20余處(部分典型污泥厭氧消化項目如表2所示)，其中運行效果較為突出的有上海白龍港污泥厭氧消化工程、大連東泰夏家河污泥處理工程、青島麥島中溫厭氧消化工程、襄陽污泥綜合處置示范工程等，其它大部分未運行或中途停運。

究其原因，除了消化污泥土地利用政策和管理支撐力度不足、沼氣利用缺少激勵機制外，我國已建污水廠多采用低負荷處理工藝(泥質(zhì)有機質(zhì)含量低)也是重要影響因素。

2 我國城市污泥厭氧消化現(xiàn)狀分析

2.1 問題分析

污泥厭氧消化處理系統(tǒng)投資很高，在我國通常占污水廠總投資的1/3~1/2，據(jù)相關(guān)調(diào)查表明我國污水廠污泥厭氧消化系統(tǒng)建成未運行或停運的比例達到37.5%。其主要原因如下。

2.1.1泥質(zhì)分析方面

污泥泥質(zhì)直接決定著污泥厭氧消化的效果，不同污泥的消化性能存在較大的差異。

經(jīng)調(diào)查，多數(shù)污水廠設(shè)計前期及運行過程中并沒有對污水水質(zhì)以及泥質(zhì)進行詳細調(diào)研，通常產(chǎn)生后果：

(1)厭氧消化工程建設(shè)帶有盲目性，很多投資巨大的消化系統(tǒng)直接照搬國外技術(shù)，而沒有考慮自身泥質(zhì)含量與國外的差距，因此從開始便無法正常運行;

(2)多數(shù)污水廠無法明確污泥有機質(zhì)含量與分解率的關(guān)聯(lián)，故無法根據(jù)實際運行情況作出評價和改良。因而污水廠在上馬厭氧消化技術(shù)前有必要對進水水質(zhì)和泥質(zhì)做全面系統(tǒng)的考察和監(jiān)測。

2.1.2系統(tǒng)運行管理方面

(1)污泥厭氧消化工藝操作復(fù)雜，運行管理難度大。整個工藝涉及到污泥厭氧消化、沼氣收集和利用等多個環(huán)節(jié)，對多工種技術(shù)水平和配合協(xié)調(diào)能力要求高，且關(guān)鍵設(shè)備大多精密度較高或來自于國外，自控和維修相對比較復(fù)雜昂貴，因此對運行管理水平要求較高。

(2)運行費用不足。由于我國現(xiàn)階段仍處于污水處理設(shè)施運營由政府負擔(dān)向市場經(jīng)濟機制過渡的階段，部分污水廠的運行費用不能保證整個系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，加之厭氧運行初期沼氣量少、回報率低，所以往往污泥處理設(shè)施被擱置。

(3)存在消防隱患。沼氣是一種易燃易爆氣體，安全儲存要求較高，當(dāng)部分污水廠靠近居民區(qū)時，消防安全問題成為最大隱患。

2.1.3政策指引方面

盡管近年來我國政府出臺了較多的關(guān)于污泥處理處置的技術(shù)指南或規(guī)程，但受制于早期建廠時所形成的“重水輕泥”的傳統(tǒng)思維及自身運營成本的考量，再加上冒然采用污泥厭氧消化等新技術(shù)需要承擔(dān)巨大生產(chǎn)風(fēng)險(如早期產(chǎn)氣不穩(wěn)定導(dǎo)致沼氣收益不足以抵消其運行費用)等因素，大部分污水廠仍習(xí)慣于采用“污泥濃縮-外運處理”的老辦法。

因而需要政府通過逐步提高污水處理費的征收水平、財政上給予適當(dāng)補貼或減免沼氣發(fā)電或并入城市煤氣管網(wǎng)的稅收等方式落實污泥處理處置費用，使污水廠扭轉(zhuǎn)虧損局面并進入良性循環(huán)。

2.2 成功案例解析

2.2.1大連東泰夏家河污泥處理廠

大連夏家河污泥處理廠項目引進德國利浦公司的高濃度厭氧消化技術(shù)，于2009年4月29日~2010年4月30日共處理污泥及其它可降解有機廢物65000 t，其中包括工業(yè)類似污泥8 380 t、糞便130 t、餐飲垃圾90 t及海關(guān)查沒食品50 t。產(chǎn)沼氣394萬m3、外售天然氣110萬m3;產(chǎn)沼渣2.5萬t，外售腐殖土1.5萬t。

計算可知該廠污泥產(chǎn)氣率高達60.6 m3沼氣/t濕泥，遠遠高于傳統(tǒng)厭氧消化產(chǎn)氣率。而城市污泥與工業(yè)類似污泥混合有機質(zhì)含量約40%~60%，由此可知在污泥中添加少量有機質(zhì)含量較高的餐廚、糞便等有機廢物將極大提高污泥厭氧消化效率。

2.2.2襄陽污泥處理廠

襄陽污泥處理廠采用高溫?zé)崴忸A(yù)處理和厭氧消化工藝技術(shù)，每天處理100 t堆積污泥(有機質(zhì)含量35%~45%)和200 t污水廠污泥(有機質(zhì)含量40%~60%)，每天產(chǎn)生沼氣約16 500 m3、一部分用于自身污泥加熱系統(tǒng)，其余沼氣經(jīng)提純后制作車用CNG。

計算可知，該廠污泥產(chǎn)氣率可達到55 m3沼氣/t濕泥，在有機質(zhì)含量相對較低的情況下已屬不易。而高溫?zé)崴忸A(yù)處理的目的是利用高溫高壓使污泥結(jié)構(gòu)和性狀發(fā)生變化以提高其生物可降解性。因此，高溫?zé)崴庖彩翘岣呶勰鄥捬跸囊粋€重要技術(shù)手段。

2.3 應(yīng)用啟示

鑒于國內(nèi)城市污泥有機質(zhì)較低的現(xiàn)狀，結(jié)合以上成功案例，厭氧消化工藝可參考以下技術(shù)路線：

(1)通過向污泥中摻加部分餐廚、糞便等有機垃圾以提高污泥整體有機質(zhì)含量及營養(yǎng)比值，從而得到較高的消化效率，但需政府大力支持及統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，難度較大;

(2)由于污泥固體的生物可降解性低(30%~50%)，污泥固體細胞分解和胞內(nèi)生物分子水解是厭氧消化的限速步驟，因此提高厭氧消化效率的一個主要途徑是促進污泥細胞的分解、增強其生物可降解性，常用技術(shù)包括熱水解、機械破碎、超聲波破碎、酶處理及酸、堿處理。

作為研究最多的污泥預(yù)處理技術(shù)，高溫?zé)崴庥捎诰邆涓咝У乃庑省⒘己玫臏缇粜Ч俺渥愕哪芰縼碓吹葍?yōu)勢，成為新型厭氧消化工藝重要組成而得到廣泛推崇。而對于我國典型城市污水廠而言，污泥有機質(zhì)含量普遍偏低是一個固有事實，污泥處理處置走向市場化也是一個必然趨勢，因而通過預(yù)處理提高厭氧降解率以實現(xiàn)資源利潤最大化就顯得尤為重要。

3 “高溫預(yù)處理+厭氧消化”工藝經(jīng)濟性探討

目前國內(nèi)污泥厭氧消化工程多采用“中溫厭氧消化+熱電聯(lián)產(chǎn)”工藝，一則可以發(fā)電用于廠內(nèi)生產(chǎn)節(jié)能或并網(wǎng)產(chǎn)生效益，二則也能利用發(fā)電余熱保溫提高厭氧消化效率。

根據(jù)國外相關(guān)工程經(jīng)驗，高溫?zé)崴庾鳛橐粋€行之有效的預(yù)處理方法應(yīng)用較多，故嘗試將該工藝改進為“高溫?zé)崴?中溫厭氧消化+熱電聯(lián)產(chǎn)”，其中一部分沼氣用于鍋爐熱水解供熱，剩余用作發(fā)電，發(fā)電余熱再回補于鍋爐。文章以南方某污水廠污泥為例進行“熱電聯(lián)產(chǎn)”能量衡算。

假設(shè)條件：

污泥(含水率80%、有機質(zhì)含量50%)處理速率1t/h，沼氣(CH4含量60~65%)產(chǎn)量約為50 m3/h，沼氣發(fā)電能力1.6~1.9度/m3沼氣(計算取1.6)，發(fā)電機組發(fā)電效率26%~33%(計算取30%)，1 t污泥熱水解需約210kg高溫水蒸氣(沼氣鍋爐供給)，沼氣能量2.3×104 kJ/m3。設(shè)當(dāng)x m3用于發(fā)電、(50-x) m3用于沼氣鍋爐時，能量剛好達到最佳平衡，計算過程如下。

沼氣鍋爐連續(xù)運行需求熱量(常溫水為25 ℃，鍋爐熱效率為80%)：Q總={210×[4.2× 75+(2767.1-419.1)]+20×4.2×75}/0.8=7.07×105 kJ/h

沼氣燃燒提供熱量：Q1=(50-x)×2.3×104=2.3×104(50-x)kJ/h

發(fā)電可利用余熱：(1)煙氣可利用熱量占總熱量24%~30%(取27%)，Q余1=2.3×104x×27%=6.20×103x kJ/h(進鍋爐);(2)冷卻水可利用熱量占總熱量20%，Q余2 =2.3×104x×20%=4.6×103x kJ/h(進到230 kg鍋爐補充水)，提升溫度△t=4.6×103x/(230×4.2)=4.76x(當(dāng)常溫水為25 ℃時，△t≤65℃)。

Q總= Q1+ Q余1 +Q余2

7.07×105=2.3×104(50-x) +6.2×103x+4.6×103x

x=36.3≈36 m3

校驗：當(dāng)x=36 m3時，△t=171>65 ℃，故可知Q余2 僅有一部分熱量可用，即為將常溫水加熱至90℃的熱量Q余2 (可用) =230×4.2×(90-25)=6.28×104kJ/h，重新列計算式如下。

7.07×105=2.3×104(50-x) +6.2×103x+6.28×104

故校正后，x=30 m3

綜上所述，每處理1t有機質(zhì)含量50%的濕污泥(80%含水率)，可產(chǎn)生50 m3沼氣，其中20 m3及部分發(fā)電余熱用于高溫?zé)崴夤幔?0 m3用于發(fā)電產(chǎn)出，電能產(chǎn)出率60%。由此可知“高溫預(yù)處理+厭氧消化”工藝經(jīng)濟效益明顯，可作為我國典型城市污泥處置與利用的一種有效途徑。

4 總結(jié)與展望

厭氧消化是能真正實現(xiàn)污泥“減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化”的技術(shù)手段之一，但我國目前尚處于摸索階段，大部分工藝及設(shè)備均由國外引進，實際應(yīng)用中仍存在著較多問題，如一次性投資高、技術(shù)復(fù)雜、大部分設(shè)備依賴進口、關(guān)鍵設(shè)備故障率高等。因此，加快厭氧消化工藝本土化及設(shè)備國產(chǎn)化發(fā)展進程將是我國未來一段時間亟需解決的難題。