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曹冬梅1，劉坤2
(1.西南交通大學環境科學與工程學院、成都610031；2.成都市固體廢物衛生處置廠、成都610108)
摘要：系統地綜述了我國城市污泥處置與利用的現狀和趨勢，并重點討論了污泥厭氧消化產沼氣的可行性，介紹了提高消化速度的先進技術以及生物法沼氣脫硫技術。認為污泥厭氧消化產沼氣的資源化利用是符合我國國情的，并將成為我國污泥處置與利用的一種有效途徑。
隨著我國城市化進程的加快，城市污水處理率逐年提高，城市污水廠的污泥產生量也急劇增加。據估算[1]，目前我們城市污水處理廠年排放的污泥量(干重)大約為130萬t，而且年增長率大于10%，特別是在我國城市化水平較高的幾個城市與地區，污泥出路問題已經十分突出。如果城市污泥全部得到處理，則將產生污泥量(干重)840萬t，占我國總固體廢棄物的3.2%。
污泥是城市污水處理和廢水處理不可避免的副產物，含有大量的有機質和營養元素，能量巨大。另一方面，我國正面臨著巨大的能源與環境壓力，礦物能源和資源日益耗盡，開發并生產各種可再生能源，替代煤炭、石油和天然氣等化石燃料是世界今后解決能源緊缺的一種有效途徑。在德國，城市污水廠通過污泥沼氣發電，可滿足其自用電力的57%[2]。因此，利用污泥消化產沼氣發電不僅能夠解決污泥出路的問題，還使得污泥作為一種資源得到了利用。
1污泥常用處置方法
污泥是由有機殘片、細菌體、污泥顆粒、膠體等組成的極其復雜的非均質體。目前，國內外對污泥的處置及回用方法主要有以下幾種[3－5]：海洋處置、衛生填埋、污泥焚燒、污泥干化和熱處理、污泥農用、污泥消化產沼氣以及一些小范圍的污泥利用方法，包括污泥制磚、污泥制生化纖維板、污泥制陶粒等。
污泥的各種處置方法各有優缺點[3－8]。①投海已有多年歷史，但是生物固體產生量巨大，毒性和重金屬種類多，含量豐富，倒入海洋勢必造成嚴重的甚至是災難性后果。因此該方法近年來已被國際禁止。②衛生填埋對污泥的無毒無害化處理成本低，并可以增加城市建設用地。然而，城市污泥衛生填埋也存在許多問題，如填坑中的有害物質會通過雨水的浸蝕和滲漏作用污染地下水環境，填埋處理所需時間較長等。③污泥焚燒的優點是既解決了污泥的出路問題又充分地利用了污泥中的能源，而且污泥不需要作滅菌處理，缺點是成本較高，污泥中的重金屬隨著煙塵的擴散而污染空氣。④污泥農用可大量處置污泥，而且充分利用了污泥中的N、P、K等營養物質，但是因為人們對污泥農用的安全性存有疑慮，很大程度上限制了污泥農用。⑤污泥工業化利用由于產品銷路不暢，暫時還不可能成為污泥處置的一條主要途徑。⑥利用污泥消化產沼氣使污泥處理基本實現穩定化、無害化、減量化、資源化4個目標。一方面發酵后產生的沼氣可用于發電，是一種可再生能源；另一方面，剩余的熟污泥可根據其成分特點用于農業、燃料等行業。從沼氣發電的成本估算可知，沼氣發電是大中型污水廠的最佳方案，不但為處理廠解決了部分能源而且在經濟上具有很大的效益。
2污泥消化原理及影響因素
2.1厭氧消化的基本原理
厭氧消化就是在無氧的條件下，由兼性菌和專性厭氧菌(甲烷菌)降解有機物，分解的最終產物為二氧化碳和甲烷的過程。此過程非常復雜，當前較為公認的理論模式是將厭氧消化分為液化、產酸和產甲烷3個階段。
2.2影響污泥厭氧消化的因素[4，5，9，10]
污泥厭氧消化是一個系統過程，主要的影響因素有以下幾個：
(1)溫度。溫度對污泥的分解速率和產氣量有較大的影響，通常在實際工程中都采用中溫消化，因為所需的溫度越高，加熱生污泥至消化溫度所需的熱量也相應增大，消化池與環境的溫差大使熱損失越多。
(2)酸堿度。從發酵過程來看，酸性階段產乙酸，使污泥的pH值降低，堿性階段分解乙酸，使污泥的pH值升高，所以在正常的甲烷發酵過程中，無須隨時調節。為了產氣早、產量高，可以將啟動時的pH值調到7.5－7.8。
(3)攪拌。攪拌的目的是使室內各處溫度均勻，進入的原料與池內的熟料完全混合，底質與微生物完全接觸，防止發酵漿料分層，底部物料出現酸積累。
(4)營養與碳氮比。消化池的營養由投配污泥供給，營養配比中最重要的是C/N比。C/N比太高，細菌氮量不足，消化液緩沖能力降低；C/N比太低，含氮量過多，使有機物分解受到抑制。對于污泥消化處理來說，C/N為(10－20)∶1較合適。
(5)投配率。投配率系數是指每日加入消化池的新鮮污泥體積與消化池體積的比率。正常運行的消化池處于堿性發酵階段，如果加入的生污泥過多，則酸的生成速率將大于酸的分解速率，揮發酸將在污泥中積累，破壞堿性發酵；但如果加入的生污泥過少，消化池的容積將增大，增加運行費用。因此，污泥的投配率應適當，一般在5%－12%。
(6)有毒物質。有毒物質主要包括重金屬、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、NH4+、表面活性劑以及SO2-4、NO-3、NO-3等，它們對甲烷細菌有抑制作用。
3沼氣發電技術
沼氣發電的過程是一個能量轉換的過程，在發動機的汽缸中沼氣被點燃，燃燒放熱，化學能轉化為氣體的熱能和壓能，氣體的壓能推動活塞，帶動發動機轉動，壓能轉化為動能，發動機通過軸帶動發電機發電，動能轉化為電能；氣體的熱能一部分傳給缸套水，一部分在廢氣熱回收裝置中傳給循環水，剩余部分則散失損失了。沼氣的燃燒熱只有25%－30%能作為沼氣發電機利用，其余的70%中有30%傳給水套中的熱水，30%被煙道氣帶走，10%散失損失[8]。
3.1國外沼氣發電現狀
沼氣發電在發達國家已受到廣泛重視和積極推廣，如美國的能源農場，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。生物質能發電并網在西歐(德國、丹麥、奧地利、芬蘭、法國、瑞典等)一些國家的能源總量的比例為10%左右，預計本世紀末將增加到25%。另外，沼氣發電設備方面，德國、丹麥、奧地利、美國的純燃沼氣發電機組比較先進，氣耗率≤0.5m3/(kW·h)(沼氣熱值≥25MJ/m3)。我國在“九五”、“十五”期間研制出20600kW純燃沼氣發電機組系列產品，氣耗率0.6－0.8m3/(kW·h)(沼氣熱值≥21MJ/m3)，其性價比有較大的優勢，適合我國經濟發展狀況[11]。
3.2國內沼氣發電現狀
目前，天津市紀莊子污水廠和北京高碑店污水廠就是采用比較完善的污泥厭氧消化處理系統，產生的沼氣用于沼氣攪拌和發電，沼氣發動機的熱水作為消化污泥加熱的熱源，實現了熱聯供電和資源的綜合利用。
高碑店污水處理廠是北京最大的污水處理廠，日處理污水能力為100萬m3，日處理污泥4000m3，該廠通過技術改造和調整工藝，最大限度地收集沼氣，每天沼氣發電量已經可以保持在3×104kW·h左右。年發電量有望突破107kW·h，相當于5000戶家庭1年的用電量。
4污泥厭氧消化產沼氣工藝
污泥厭氧消化產沼氣工藝流程如圖1。
4.1厭氧消化產沼氣的優化技術
早在20世紀80年代，國外就有研究者[12，13]指出，水解是厭氧消化的限制步驟，污泥細胞壁的結構對胞內易降解物質的水解有抑制作用，所以，污泥消化產氣往往需要較長的時間發酵。以下兩種方法在一定程度上能夠加快水解、產氣速度，提高產氣量。
4.1.1污泥的超聲波預處理
用超聲波技術處理污泥，就是利用其在液體中產生的“空穴”作用，形成極端的物理和力學條件，將微生物細胞壁擊破，同時釋放出酶，酶使其余未被擊破的微生物細胞失去對污泥罐中發酵環境的適應能力，迅速成為厭氧微生物的營養物而被消耗，大大加速發酵過程，提高沼氣產量。需要進行超聲處理的只是其中的一小股污泥，一般取剩余污泥的30%左右。從運行成本的角度考慮，也不必將其中的微生物細胞全部擊破，而只是一小部分，因為被擊破的微生物細胞釋放出的酶等物質可以使整個水解過程加速[6]。
此項技術在我國還處于研究階段，沒有工程實例。國外有研究表明，使用超聲波(3.6kW，31kHz，64s)預處理污泥，污泥中溶解性化學需氧量(SCOD)由630mg/L上升到2270mg/L，而且可以使污泥消化的停留時間縮短至8d[14]。
在20kHz下，0.12W/cm3的超聲波處理4h將可溶性COD占總COD的比值(SCOD/TCOD)從36%提高到89%，可溶性N的比值從34%提高到42%，基本取代了污泥水解過程，從而縮短污泥厭氧發酵時間并提高了污泥可生化性[15]。
污泥發酵時間與超聲波處理時間對沼氣產率也有很大影響，有研究表明在15d的發酵時間下，超聲波預處理2h可以提高沼氣產量61%，而在12d發酵時，幾乎沒有變化[16]。而超聲波處理40min比10min的處理提高沼氣產量59%[17]。值得注意的是有機物釋放通常滯后于菌膠團的破壞，因此超聲波促進污泥脫水所需時間很短，而促進污泥發酵通常需要較高的超聲波強度(>0.3W/cm3)和較長的處理時間(>10min)。據估算[7]，在我國如果使用超聲波污泥處理設備，沼氣發電滿足自用電力的比例可達到37%。此外，根據Yoon等人的研究，通過處理剩余污泥并將之回流到生物池，有可能實現污泥的零排放[18]，但是該研究目前還處在實驗室階段，沒有工程實例。
4.1.2臭氧增加產氣量
臭氧是一種十分活躍的強氧化物質，能破壞污泥的細胞壁，使細胞壁中的易降解物質釋放出來，并且能夠將難降解的大分子物質分解成易降解的小分子物質，從而提高了水解速率，促進污泥厭氧消化。
比利時的M.Weemaes等人[19]對消化罐進泥采用臭氧預處理，泥樣為初沉池污泥和剩余污泥的混合物，臭氧投加量(O3/COD)為0.1g/g，最終，污泥的產氣量為未經臭氧處理的污泥的1.8倍，產氣速率為未經臭氧處理的污泥的2.2倍。
在我國，利用臭氧降解污泥處于初步研究階段，沒有工業化應用。王琳等人研究表明[20]，在相同臭氧投量下，通入低濃度臭氧可增加臭氧與污泥的接觸反應時間，提高污泥分解的效果；綜合考慮系統的效率和經濟性，O3/SS為0.1g/g是最佳投量點。上海市城市排水有限公司與奧地利VATECHWABAG公司合作，采用臭氧與厭氧消化組合工藝進行了實驗室小試試驗，結果如下：當臭氧投量O3/DS為0.06g/g，有機物平均降解率從不加臭氧的45%提高至65%，沼氣產量增加了30%40%[5]。所以，在污泥厭氧消化工藝中適當的結合臭氧氧化技術，是一種非常有前景的污泥處理工藝。
4.2沼氣脫硫
在沼氣產生的過程中伴隨著H2S氣體的產生，H2S氣體不僅對人的身體健康有很大的危害，對管道、儀表及設備還具有很強的腐蝕性。因此，必須采取措施進行沼氣脫硫。可以用于沼氣脫硫的方法有兩種，即生物法和物化法。以往物化法廣泛地用于硫化氫的去除中，且累積了豐富的經驗，但卻存在著運行費用高、投資大、產生二次污染等缺點。生物法以其設備簡單、能耗低、產生二次污染少，尤其適合處理低濃度氣態污染物的特點受到人們的廣泛重視。
根據生物處理反應器中使用的介質性質不同，生物法主要分為生物洗滌和生物過濾兩種方式。早在1941年，M.Pruss等人便在德國取得了生物過濾去除H2S氣體的專利。
20世紀80年代在德國、日本、荷蘭等國家有相當數量工業規模的各類生物凈化裝置投入使用[21]。目前，許多發達國家如日本、德國、美國、荷蘭等對生物脫硫技術和設備的開發已經商品化。2004年5月，宜興協聯熱電有限公司引進了帕克公司的生物脫硫技術并率先用于沼氣脫硫，將沼氣的硫化氫含量從14g/Nm降到200μg/m3，為沼氣的綜合利用提供了技術保證。
我國這方面的研究才剛起步，方士等人[22]利用反應塔外曝氣、介質循環供氧處理沼氣中的H2S，結果表明：當進氣H2S質量濃度為1.1g/m3，進氣量為0.34L/min時，去除率可達98.6%；當進氣H2S質量濃度為2.44g/m3，進氣量為0.17L/min時，去除率為100%。系統運行的最佳酸度為pH1.92.0，尾氣中殘留氧的濃度不超過0.56g/m3，遠遠低于國家標準，且具有較強的抗沖擊負荷能力。此外，國內許多高校如：同濟大學、昆明理工大學、河北科技大學等對生物脫硫做了大量的實驗室研究，惡臭氣體生物凈化的發展也為生物法沼氣脫硫提供了依據，為該方法的應用開辟了廣闊的空間。
5結語
隨著《可再生能源法》的實施，生物質能源的開發和利用受到國家的鼓勵。污泥是一種有價值的資源，利用其消化產沼氣，既解決了污泥出路問題，又開發了新的能源，這是可持續發展的體現。
在我國，利用超聲波及臭氧預處理污泥還是比較新的技術，經國外的實踐證明，它們對污泥消化速率的加快、沼氣產量的增加以及剩余污泥的減量化都有很大的幫助。此外，利用生物法沼氣脫硫在我國也是一門新興的學科，它以其設備簡單、能耗低、產生二次污染少的特點受到了越來越多人的關注。因此，這幾種技術勢必會隨著污泥沼氣工程的發展而迅速發展起來的。結合我國國情及各個城市污水廠的實際情況來看，污泥厭氧消化產沼氣在我國有巨大的發展潛力，它實現了污泥減量化、穩定化、無害化和資源化的統一。
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