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城市污泥厌氧消化产沼气资源化研究

摘要：系统地综述了我国城市污泥处置与利用的现状和趋势，并重点讨论了污泥厌氧消化产沼气的可行性，介绍了提高消化速度的先进技术以及生物法沼气脱硫技术。认为污泥厌氧消化产沼气的资源化利用是符合我国国情的，并将成为我国污泥处置与利用的一种有效途径。

随着我国城市化进程的加快，城市污水处理率逐年提高，城市污水厂的污泥产生量也急剧增加。据估算[1]，目前我们城市污水处理厂年排放的污泥量(干重)大约为130万t，而且年增长率大于10%，特别是在我国城市化水平较高的几个城市与地区，污泥出路问题已经十分突出。如果城市污泥全部得到处理，则将产生污泥量(干重)840万t，占我国总固体废弃物的3.2%。

污泥是城市污水处理和废水处理不可避免的副产物，含有大量的有机质和营养元素，能量巨大。另一方面，我国正面临着巨大的能源与环境压力，矿物能源和资源日益耗尽，开发并生产各种可再生能源，替代煤炭、石油和天然气等化石燃料是世界今后解决能源紧缺的一种有效途径。在德国，城市污水厂通过污泥沼气发电，可满足其自用电力的57%[2]。因此，利用污泥消化产沼气发电不仅能够解决污泥出路的问题，还使得污泥作为一种资源得到了利用。

1污泥常用处置方法

污泥是由有机残片、细菌体、污泥颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。目前，国内外对污泥的处置及回用方法主要有以下几种[3－5]：海洋处置、卫生填埋、污泥焚烧、污泥干化和热处理、污泥农用、污泥消化产沼气以及一些小范围的污泥利用方法，包括污泥制砖、污泥制生化纤维板、污泥制陶粒等。

污泥的各种处置方法各有优缺点[3－8]。①投海已有多年历史，但是生物固体产生量巨大，毒性和重金属种类多，含量丰富，倒入海洋势必造成严重的甚至是灾难性后果。因此该方法近年来已被国际禁止。②卫生填埋对污泥的无毒无害化处理成本低，并可以增加城市建设用地。然而，城市污泥卫生填埋也存在许多问题，如填坑中的有害物质会通过雨水的浸蚀和渗漏作用污染地下水环境，填埋处理所需时间较长等。③污泥焚烧的优点是既解决了污泥的出路问题又充分地利用了污泥中的能源，而且污泥不需要作灭菌处理，缺点是成本较高，污泥中的重金属随着烟尘的扩散而污染空气。④污泥农用可大量处置污泥，而且充分利用了污泥中的N、P、K等营养物质，但是因为人们对污泥农用的安全性存有疑虑，很大程度上限制了污泥农用。⑤污泥工业化利用由于产品销路不畅，暂时还不可能成为污泥处置的一条主要途径。⑥利用污泥消化产沼气使污泥处理基本实现稳定化、无害化、减量化、资源化4个目标。一方面发酵后产生的沼气可用于发电，是一种可再生能源；另一方面，剩余的熟污泥可根据其成分特点用于农业、燃料等行业。从沼气发电的成本估算可知，沼气发电是大中型污水厂的最佳方案，不但为处理厂解决了部分能源而且在经济上具有很大的效益。

2污泥消化原理及影响因素

2.1厌氧消化的基本原理

厌氧消化就是在无氧的条件下，由兼性菌和专性厌氧菌(甲烷菌)降解有机物，分解的最终产物为二氧化碳和甲烷的过程。此过程非常复杂，当前较为公认的理论模式是将厌氧消化分为液化、产酸和产甲烷3个阶段。

2.2影响污泥厌氧消化的因素[4，5，9，10]

污泥厌氧消化是一个系统过程，主要的影响因素有以下几个：

(1)温度。温度对污泥的分解速率和产气量有较大的影响，通常在实际工程中都采用中温消化，因为所需的温度越高，加热生污泥至消化温度所需的热量也相应增大，消化池与环境的温差大使热损失越多。

(2)酸碱度。从发酵过程来看，酸性阶段产乙酸，使污泥的pH值降低，碱性阶段分解乙酸，使污泥的pH值升高，所以在正常的甲烷发酵过程中，无须随时调节。为了产气早、产量高，可以将启动时的pH值调到7.5－7.8。

(3)搅拌。搅拌的目的是使室内各处温度均匀，进入的原料与池内的熟料完全混合，底质与微生物完全接触，防止发酵浆料分层，底部物料出现酸积累。

(4)营养与碳氮比。消化池的营养由投配污泥供给，营养配比中最重要的是C/N比。C/N比太高，细菌氮量不足，消化液缓冲能力降低；C/N比太低，含氮量过多，使有机物分解受到抑制。对于污泥消化处理来说，C/N为(10－20)∶1较合适。

(5)投配率。投配率系数是指每日加入消化池的新鲜污泥体积与消化池体积的比率。正常运行的消化池处于碱性发酵阶段，如果加入的生污泥过多，则酸的生成速率将大于酸的分解速率，挥发酸将在污泥中积累，破坏碱性发酵；但如果加入的生污泥过少，消化池的容积将增大，增加运行费用。因此，污泥的投配率应适当，一般在5%－12%。

(6)有毒物质。有毒物质主要包括重金属、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、NH4+、表面活性剂以及SO2-4、NO-3、NO-3等