厌氧消化活性污泥的原理与可行性

1、厌氧消化活性污泥的原理与可行性摘要对于城市废水的处理，污泥处置是一个日渐重要的问题，污泥处置成本高达污水处理厂现有 运行成本的50%。尽管有不同的处理方法，厌氧消化法更有助于将有机物转化为沼气（60-70% 体积的甲烷，CH4），它可以减少最终污泥固体处置的数量，同时还消除了污泥中大部分的 病原生物，减少因残余腐败物而产生的臭气。厌氧消化优化了污水处理厂的成本，推进生态 里程，被认为是现代污水处理厂主要本质的一部分。沼气作为能源使用早就已经被广泛认可， 发展现有技术旨在提升能源品质，增强能源利用。本文回顾了厌氧消化的原理、工艺参数、 交互作用、设计方法、沼气利用、可行性问题、潜在的活泼物质影响以及最新的发展来降低 影响这些方面。在回顾厌氧消化的基本原理和技术之后，评估模型概念来显示占优势的参数。 水解作用被认为是复杂的消化过程的限速步骤。厌氧消化中的微生物学是复杂微妙的，设计 了许多细菌种群，每个种群都有自己最佳的工作条件。结果表明，这些种群非常敏感且很可 能受各种因素的抑制，例如pH，碱度，游离氨、氢、钠、钾、重金属、挥发性脂肪酸的浓 度等。为了加速消化，促进沼气产生，可以运用各种预

2、处理方法来改善限制速度的水解作用， 预处理是通过机械、热、化学、生物发法对原料采取干涉措施。所有预处理可使污泥细胞溶 解衰变，以此达到释放细胞内物质，溶解入水相，将难溶有机物转化为可生物降解物质，另 外通过去除CO2,H2S和集合过剩水分等适宜的技术来提升沼气形成。需要特别注意的问题是 污泥和沼气中可能存在的硅氧烷（SX）以及采取预防措施来降低污泥中SX的浓度。预防措 施包括过氧化反应或通过吸附作用或其他技术来去除沼气中的SX。文章最后提到一些涉及 关于厌氧消化厂的运行管理，维护检修的刊物。关键词厌氧消化；模型；沼气；活性污泥废物缩写词AD，厌氧消化；BOD，生化需氧量（5 日，20C） （mg O2/L）;BODL，流入污泥的最终生化需氧（mg O2/L）;CHP，热点联产；COD，生化需氧量（mg O2/L）;CSTR,连续搅拌反应器；DMDO,二甲基二氧杂环丙烷；DS,污泥中干固体含量（wt%）；EU,欧盟；HRT，水力停留时间（d）；IC50，50%抑制作用的浓度；LCFA，长链脂肪酸；MDS，污泥中的矿物干固体（wt%）； ODS，污泥中的有机干固体（wt%）； ORP,氧化

3、还原电位（mV）； pe,人口当量；POMS，过氧化硫酸盐；SBR，硫酸还原物；sCOD，可溶化学需氧量（mg O2/L）；SRT，固体保留时间；SRTdes,固体保留时间设计值，包括安全界限（d）；SX，硅氧烷；VFA，挥发性脂肪酸；VSS，挥发性固体悬浮颗粒；WAS，活性污泥废物；WWTP，废水处理厂；1.前言对于城市废水的处理，污泥处置是一个日渐重要的问题，污泥处置成本高达污水处理厂 （WWTP）现有运行成本的50%。城市污水处理厂产生的污泥是处理工艺中的物理、化学、 生物过程产生的副产品。在欧盟，日总量用干固体（DS）表示，人口当量为每人6090gDS， 也就是将近每年一千万吨干污泥。污泥必须经过处理以达到减少相应的体积，改善污泥品质，降低健康问题和障碍的目的。 这些处理可以达到以下3个效果。（i）减少未经处理污泥的含水量；（ii）将易腐败的有机物 转化为相对稳定的惰性有机或无机残渣；（iii）处置残渣达到规定标准。由于有关可接纳成 分的严格规定和焚烧许可增加成本，土地处理非常困难。污水处理厂的水经过预处理得到净化，可以去除5060%的悬浮物和3040%的BOD。 水（9799

4、% ）和分离物构成初沉污泥，分离物主要是有机物，也就是易腐败物。紧接着预处理的是一个生物步骤，有氧微生物去除剩余BOD （接近全部）和悬浮物。 通常氮（N）和磷（P）也同时被去除，虽然N更加具有针对性。二沉池出水达到排放标准， 底部污泥（含水量9899%）部分回流到生物池维持微生物要求浓度，部分排入污水处理厂 的污泥处理单元。预处理占主导，二沉池则结合进行深层处理。深层处理可以结合多种步骤，综合见表1。厌氧消化是大多处理工艺中很重要的一步。所有工艺都是由未经处理的污泥（主要的和次要的）产生1 - 2wt%DS。矿物干固体（MDS） 是 30 45 wt%。第一步因为重力作用、浮选或传送过滤使污泥层变厚。在这种条件下，污泥体 积可以减少为初始体积的1/3 .分离水可以循环使用，作为污水处理厂的进水。完成 了预处理，污泥就受一些生化稳定形式影响，厌氧消化法在将有机物转化为沼气（60-70% 体积的甲烷，CH4）这一方面起到了很大的作用，它可以减少最终污泥固体处置的数量，同 时还消除了污泥中大部分的病原生物，减少因残余腐败物而产生的臭气。这些原因使厌氧消化优化了污水处理厂的成本，被认为是现代

5、污水处理厂主要本质的一 部分。沼气作为能源使用早就已经被广泛认可。沼气得到来源主要是消化废水处理产生的污 泥，还有小部分来自发酵或固体废物和木质纤维素的气化（此过程有待进一步发展）。尽管 需要升级改造，在欧洲沼气已被认为是未来重要的能源。在欧洲，每年沼气产生的潜质被估计超过2000亿立方米。厌氧消化污泥使用密封罐。本质上来说所有有机物质都是可以被消化的，除了稳定的木 质材料，因为厌氧微生物不能降解木质素。沼气有很高的热值，并且它是可再生能源。显然， 尽可能多的产生沼气是有益的。尽管厌氧消化有许多优点，但是不可避免的还是存在一些局 限性。例如，（i）只有部分分解有机馏分；（ii）反应速率慢，消化器体积大，成本高；（iii） 过程中有很多抑制作用；（iv）上清液品质不佳；（v）存在其他气体成分例如二氧化碳（CO2）、 硫化氢（H2S）和过剩水分；（vi）沼气中可能存在硅氧烷，由于微晶硅的产生会对能源使用 （发电机、锅炉）造成严重危害；（vii）由于消化过程中有机馏分的显著减少，残余污泥中 的重金属和多种工业有机物”浓度持续增高，而矿物和不可降解成分并不受影响。污泥工艺流程图见图1.本文回顾

6、了污泥厌氧消化的原理、工艺参数、交互作用、设计方法、沼气利用、可行性 问题、潜在的活泼物质影响以及最新的发展来降低影响这些方面。第2节将回顾厌氧消化过程的基本原理和参量，包括过程描述，厌氧分解池类型（标速、 高速、二级、中温、高温），当下经验设计方法，普通工作参数和合成沼气产量。第3节介绍的AD过程的模拟和监测：模型可以暂时分为两类，简单稳态模型和复杂动 态模型。当定义了系统性能标准，稳态模型可以预测使系统设计达到合理精准度的工作参数。 将这些大概的设计和工作参数运用到复杂模型，来审查系统的动态运行状况，并适时微调设 计和工作参数。了解了占优势的参数，第4节关注了消化操作的局限性。厌氧消化中的微生物学是复杂 微妙的，设计了许多细菌种群，每个种群都有自己最佳的工作条件。结果表明，这些种群非 常敏感且很可能受各种因素的抑制，例如pH，碱度，游离氨、氢、钠、钾、重金属、挥发 性脂肪酸的浓度等。这些参数可能是一些或所有细菌种群的抑制因素，现代处理方法包括模 型中的抑制作用，调查系统运行状况以及控制进程。第5节说明了通过增强有限制性的水解作用来加速消化的新方法。介绍了机械、热、化 学、生物的干涉

7、方法等多种预处理。所有预处理可使污泥细胞溶解衰变，以此达到释放细胞 内物质，溶解入水相，将难溶有机物转化为可生物降解物质，这样使物质更容易被微生物获 得。由此可见，这些预处理工序促进了沼气的产生。此外，降解速率加快，消化器尺寸减小 而符合规定负荷，同时降低了成本要求。第6节着重是通过去除CO2,H2S和集合过剩水分等适宜的技术来提升沼气形成。特别关 注硅氧烷（SX）的问题，包括在污泥中的形成和情况，采取预防措施来降低污泥中SX的浓 度。预防措施包括过氧化反应或通过吸附作用或其他技术来去除沼气中的SX。第7节则是向读者推荐一些涉及关于厌氧消化厂的运行管理，维护检修的刊物。2.AD的基本原理和参数2.1 原理有机物的AD基本遵从以下几个步骤（见图2）：水解作用，酸化，形成乙酸，生成甲烷。 AD的生物状态参见专业文献。AD是一个需要严格缺氧（氧化还原电位（ORP）-200mV）的复杂工程，反应取决于调 和的复杂微生物团，将有机物主要转化为CO2和CH4。尽管是逐步进行，水解作用通常还 是会限制速率。水解作用降解不溶解有机物和高分子化合物如脂肪、多糖、蛋白质、核酸，变成可溶解 有机物质（如氨基

8、酸、脂肪酸）。第二步，由水解作用形成的成分通过酸化进一步分解。酸 化菌（发酵菌）连同氨（NH3）、CO2、H2S和其他副产品产生VFA。AD的第三阶段是酸化作用，高浓度有机酸和乙醇在产醋酸菌作用下进一步消化，主要 产生乙酸，CO2和H2。这个转化过程很大程度上受到混和气体中H2分压的影响。产甲烷过程最后阶段通过两种产甲烷菌作用：第一种菌分解醋酸生成甲烷和二氧化碳， 第二种菌将氢作为给电子体，二氧化碳作为受体产生甲烷。2.2影响因素在厌氧环境中，多种重要的因素会影响消化过程不同阶段的速率，也就是pH，碱度， 温度和停留时间。2.2.1 pH，碱度和挥发酸每个生物种群都有不同的最适酸碱度。产甲烷菌对pH值极其敏感，最适宜的pH范围 是6.5-7.2。促进发酵的微生物体没有那么敏感，pH值范围相对较宽：4.0-8.5。较酸性情 况下的产物是乙酸和铬酸，当pH为8.0的时候产物只要是乙酸和丙酸。厌氧消化产生的VFA用来减低pH值。产甲烷菌活动来抑制pH的下降，同时以产生二 氧化碳、氨、碳酸氢盐的形式来提升碱度。系统的pH值受气相中CO2浓度和液相中HCO3- 碱性的影响。如果气态CO2浓度保持

9、不变，增加HCO3-会增大消化器中的pH。尽管与等级 相比，比率的稳定性至关重要，保持缓冲能力为70 meq CaCOg/L，或碳酸氢盐/VFA的摩尔 比率至少为1.4： 1可以维持稳定的，具有缓冲能力的消化反应。2.2.2温度温度对消化的基底成分的物理化学性质有着很大的影响。它还影响厌氧消化器中微生物 体的生长速率，新陈代谢和种群动态。乙酸营养型产甲烷菌是对温度升高最敏感的种群。丙 酸盐和丁酸盐的降解对温度高于70C也十分敏感。此外，温度对消化器中H2的分压也有显 著影响，之后会影响互养代谢动力学。根据动力学，吸能反应有利于温度升高，例如丙酸盐 分解成CO2,H2，而放能反应（如氯营养产甲烷作用）不适应高温。温度升高有多个好处。包括加速有机化合物的溶解，加快生物化学反应速率，加速病原 体（嗜温性的）的死亡。但是，高温情况（嗜温性的）有阻碍作用：增加游离氨的分解，对微生物有抑制作用； 而VFA的pKa增大使反应更受抑制作用影响。相比中温消化，控制温度对高温消化是个敏感 的问题。急剧或频繁的温度波动对细菌，尤其是产甲烷菌的影响很大，所以保持稳定的工作温度很重要。程序故障会导致温度变化超过1C/天，但是应该避免温度变化多余0.6/天。2.2.3固体和水力停留时间固体停留时间（SRT）是固体在消化器中的平均时间，水力停留时间是液体污泥在消化池 中停留的平均时间。消化过程后面的步骤直接就是SRT。SRT值的下降减弱反应的程度，反 之亦然。随着每次污泥的排出，一部分细菌种群也被排走，这就意味着细胞生长要达到能够 填补被排走细胞的量，以确保反应稳定和避免程序故障。在实验室模拟获得停留时间对故障效率的影响以及（半）CSTR反应其中产气量和停留 时间的关系如下。（i）稳定的消化反应停留时间应多于5天，冲刷产甲烷菌是VFA的浓度增 大；（ii） VFA的浓度在SRT值为58天时较高，化合物尤其是脂肪的不完整分解；（iii） 稳定消化过程在810天之后，VFA浓度低，脂肪开始分解；（iv） 1

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