污泥厭氧消化

污泥厭氧消化是指污泥在無氧條件下，由兼性菌和厭氧細菌將污泥中的可生物降解的有機物分解CH₄、CO₂、H₂O和H₂S的消化技術。它可以去除廢物中30%～50%的有機物並使之穩定化，是污泥減量化、穩定化的常用手段之一，是大型污水廠最為經濟的污泥處理方法。

基本介紹

• 中文名：污泥厭氧消化
• 外文名：anaerobic digestion of sludge
• 條件：無氧條件
• 相關微生物：產甲烷菌，產氫、產酸細菌等
• 套用：大型污水廠最經濟的污泥處理方法
• 工藝類型：一級消化、二級消化等

污泥厭氧消化是對有機污泥進行穩定處理的最常用的方法，可以處理有機物含量較高的污泥。有機物被厭氧分解，隨著污泥的穩定化，產生大量的高熱值的沼氣作為能源利用，使污泥資源化。適用於大型污水處理廠(站)的污泥處理方法。

機理

污泥厭氧消化是一個多階段的複雜過程，目前，對厭氧消化的生化過程有兩段理論、三段理論和四段理論。其中三段理論指需要經過三個階段，即水解、酸化階段，乙酸化階段，甲烷化階段。各階段之間既相互聯繫又相互影響，各個階段都有各自特色微生物群體。

水解酸化階段

一般水解過程發生在污泥厭氧消化初始階段，污泥中的非水溶性高分子有機物，如碳水化合物、蛋白質、脂肪、纖維素等在微生物水解酶的作用下水解成溶解性的物質。水解後的物質在兼性菌和厭氧菌的作用下，轉化成短鏈脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸等，還有乙醇、二氧化碳。

乙酸化階段

水解階段產生的簡單可溶性有機物在產氫和產酸細菌的作用下，進一步分解成揮發性脂肪酸（如丙酸、乙酸、丁酸、長鏈脂肪酸）醇、酮、醛、二氧化碳和氫氣等。該過程中乙酸菌和甲烷菌是共生的。

甲烷化階段

甲烷化階段發生在污泥厭氧消化後期，在這一過程中，甲烷菌將乙酸（CH₃COOH）和H₂、CO₂分別轉化為甲烷， 如下：

2CH₃COOH→2CH₄↑+ 2CO₂↑

4H₂+CO₂→CH₄+ 2H₂O

在整個厭氧消化過程中，由乙酸產生的甲烷約占總量的2/3，由CO₂和H₂轉化的甲烷約占總量的1/3。

影響因素

溫度

在污泥厭氧消化過程中，溫度對有機物負荷和產氣量有明顯影響。根據微生物對溫度的適應性，可將污泥厭氧消化分為中溫（一般30~36℃）厭氧消化和高溫（一般50~55℃）厭氧消化。研究表明，在污泥厭氧消化過程中，溫度發生±3℃變化時，就會抑制污泥消化速度；溫度發生±5℃變化時，就會突然停止產氣，使有機酸發生大量積累而破壞厭氧消化。

酸鹼度

研究表明，污泥厭氧消化系統中，各種細菌在適應的酸鹼度 範圍內，只允許在中性附近波動。微生物對pH的變化非常敏感。水解與發酵菌及產氫、產乙酸菌適應的pH範圍為5.0~6.5，甲烷菌適應的pH範圍為6.6~7.5。如果水解酸化和乙酸化過程的反應速度超過甲烷化過程速度，pH就會降低，從而影響產甲烷菌的生活環境，進而影響污泥厭氧消化效果，然而，由於消化液的緩衝作用，在一定範圍內避免這種情況的發生。

消化液是污泥厭氧消化過程血紅有機物分解而產生的，其中含有除了CO₂和NH₃外，還有以NH₄NCO₃形態的NH₄⁺，HCO₃^-和H₂CO₃形成緩衝體系，平衡小範圍的酸鹼波動。如下：

H⁺ + HCO₃^- →H₂CO₃

有毒物質濃度

在污泥厭氧消化中，每一種所謂有毒物質是具有促進還是抑制甲烷菌生長的作用，關鍵在於它們的毒閾濃度。低於毒閾濃度，對甲烷菌生長有促進作用；在毒閾濃度範圍內，有中等抑制作用，隨濃度逐漸增加，甲烷菌可被馴化；超過毒閾上限。則對微生物生長具有強烈的抑制作用。

工藝類型

厭氧消化可分為人工消化法與自然消化法。

在人工消化法中，根據池蓋構造的不同，又分為定容式(固定蓋)消化池和動容式(浮動蓋)消化池。

按容量大小可分為小型消化池(1500～2500 m3)、中型消化池(2500～5000 m3)、大型消化池(5000～10000 m3)。

按消化溫度的不同又可分為低溫消化(低於20℃)、中溫消化(30～36℃)和高溫消化(45～55℃)三種形式。

按消化池的效率不同可分為常規消化和高效消化。

按運行方式可分為一級消化、二級消化。

1．一級消化

傳統一級消化池構造原理

一級消化指在一個消化裝置內完成消化全過程，這種消化池內一般不設攪拌設備，因而池內污泥有分層現象，僅一部分池容積起到對有機物的分解作用，池底部容積主要用於儲存和濃縮熟污泥。由於微生物不能與有機物充分接觸，消化速率很低，消化時間很長，一般為30～60 d。因此一級消化工藝僅適用於小型裝置，目前已很少套用。

2．二級消化

二級消化指將消化池一分為二，污泥先在第一級消化池中(設有加溫、攪拌裝置，並有集氣罩收集沼氣)進行消化，經過7～12 d旺盛的消化反應後，排出的污泥送人第二級消化池。

二級消化池構造原理

第二級消化池中不設加溫和攪拌裝置，依靠來自一級消化池污泥的餘熱繼續消化污泥，消化溫度為20---26℃，產氣量約占總產氣量的20%，可收集或不收集，由於不攪拌，第二級消化池兼有濃縮功能。二級消化是對一級消化的改善，由於中溫消化的前8 d里產生的沼氣量約占總產氣量的80%，在一級消化中，污泥中溫消化有機物的分解程度為45%～55%，消化污泥排入乾化廠後將繼續分解，產生的污泥氣體逸人大氣，既污染環境又損失熱量，而二級消化則可以很好地解決此類問題。因此採用二級消化是比較合理的。