（环境工程专业论文）城市污水处理厂沼气利用系统的运行管理研究.pdf

英文摘要 a b s t r a c t b a s e d o n t h e r e s e a r c h o f t h e i n fl u e n c e o f v a r i o u s c o n t r o l l in g f a c t o r s t o t h e s e w a g e s l u d g e d i g e s t i o n s y s t e m , t h e w o r k i n g s t a t u s o f t h e b e s t t e c h n iq u e c a n b e f o u n d o u t . a n d t h e n t h e m o r e l o g i c a l a n d e ff e c t i v e m e t h o d u s e d m e t h a n e c a n b e s u m m a r i z e d w i t h t h e a n a l y s i s o f t h e m e t h a n e - u t i l i z e d s y s t e m . t h e r e f o r e i t i s s a f e g u a r d e d t h a t t h e s e w a g e s l u d g e d i g e s t i o n s y s t e m w o r k r e li a b l y , t h e m e t h a n e e n e r g y i s re c l a i m e d m o r e e ff e c t i v e a n d t h e c o s t o f t h e e n t e r p r i s e i s r e d u c e d , w h i c h a ff o r d t h e a c a d e m i c f o u n d a t i o n t h a t t h e e n t e r p r i s e i s e ff e c t i v e i n o p e r a t i o n . a s t h e r e s e a r c h o b j e c t , t h e w o r k r u l e a n d o p t i m i z e d p r o j e c t o f t h e s e w a g e s l u d g e d i g e s t i o n s y s t e m a n d t h e m e t h a n e - u t i l i z e d s y s t e m a r e r e s e a r c h e d b y t h e p a p e r w h i c h o p e r a t e d o n t h e s e w a g e f a r m i n e a s t s u b u r b o f t i a n j i n . 玩t h e s e w a g e s l u d g e d i g e s t i o n s y s t e m , t h e on a n d t h e p o i s o n o u s t h i n g a r e o n t h e b a l a n c e d a n d l e s s i n fl u e n c i n g l e v e l ; t h e c o n t i n u o u s l y m i x i n g m e th o d w h o s e p u r p o s e i s b e s t i s a p p l i e d t o m i x t h e s e w a g e s l u d g e ; t h e r a t i o o f d e v o t i o n / p l a c e m e n t a n d t h e i n a c t i v e t u n e a r e a l l i n t h e o p t im a l d e s i g n e d a n d t h e a t r ic r a n g e ; t h e c o n t ro l in d e x e s s u c h a s t h e a c i d / a l k a l i d e g r e e a n d t h e p h v a l u e a r e r e l i a b l e t o a b e tt e r l e v e l . w h e n t h e t e m p e r a t u r e h a s l a r g e c h a n g e a b i li ty a n d i t c o m e t o b e s o m e re l a t i o n b e t w e e n t h e s e w a g e s l u d g e d i g e s t i o n e ff ec t a n d t h e h y d r o c a r b o n g e n e r a t i o n , t h e h y d r o c a r b o n g e n e r a t i o n o f th e s e w a g e s l u d g e i s i m p ro v e d c o n t i n u o u s l y w i t h t h e r a i s e o f t h e t e m p e r a t u r e . b u t a ft e r t h e t e m p e r a t u r e r e a c h s o m e l e v e l , i t w i l l b e i n c r e a s e d i n c o n s p ic u o u s l y o r b e r e d u c e i n d e e d . s o i t c a n b e t h e b e s t e ff e c t o n t h e s l u d g e t r e a t m e n t a n d th e h y d r o c a r b o n g e n e r a t i o n t h a t t h e t e m p e r a t u r e i s c o n t r o l l e d a b o u t 3 5 . t h e o p e r a t i o n m o d e w h i c h h o l d t h e m e t h a n e g e n e r a t o r o n a s s i s t a n t f u n c t i o n c a n fi t t h e t h e r m a l q u a n t i ty n e e d e d b y s e w a g e s l u d g e d i g e s t i o n i n t h e m e t h a n e 户 u t i l iz e d s y s te m , b u t t h e m e t h a n e u t i l i z a t i o n r a t i o a n d t h e g e n e r a t e e l e c t r i c i ty a r e i n t h e l o w l e v e l , w h i c h h a s m o re o p t i m i z e d s p a c e . a n d m o r e o v e r , t h e o p t i m i z e d o p e r a t i o n m o d e w h i c h h o l d s t h e m e t h a n e g e n e r a t o r o n t h e m a i n e q u i p m e n t a n d t h e m e t h a n e b o i l e r o n t h e a s s i s t a n t e q u i p m e n t w it h t h e l a c k o f h e a t c a n i m p ro v e t h e a v e r a g e m e t h a n e u t i l iz a t i o n r a t i o fr o m le s s t h a n 5 0 % t o m o r e t h a n 9 0 % . wit h t h e o p t i m i z a t i o n , t h e g e n e r a t e e l e c t r i c i ty a r e o n i n c r e a s e f r o m 1 ,4 0 0 , 0 0 0 k w h t o 8 , 8 5 0 , 0 0 0 k w h i n o n e y e a r . t h e s e m a k e th e m e t h a n e u t i l i z a t i o n m o re re a s o n a b l e a n d t h e e n e r g y c a l l b a c k m o r e e ff e c t i v e . b a s e d o n r e s e a r c h i n g t h e o p e r a t i o n r u l e o f t w o s y s t e m , t h e o p t i m i z e d o p e r a t i o n m o d e i s d e s i g n e d i n t e g r a l l y w h i c h n o t o n l y g u a r a n t e e t h e s e w a g e s l u d g e d i g e s t i o n r u n m o r e s t e a d i l y , b u t a l s o u s e t h e m e t h a n e p r o d u c e d b y d i g e s t io n p r o c e s s m o r e a d e q u a t e l y a n d r e c l a im e n e r g y o n h i g h e r l e v e l . a s a re s u l t , i t e n s u re s t h e s t a b i l i z a t i o n o f t h e e n t e r p r i s e r e d u c t i o n o f t h e c o s t . a n d t h e k e y w o r d s : s e w a g e s l u d g e d i g e s t i o n ; m e t h a n e u t i l i z a t i o n ; i n fl u e n c e o f c o n t r o l l i n g f a c t o r ; m e t h a n e u t i l i z a t i o n r a t i o ; e n e r g y r e c l a im i n g 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电 子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务: 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电 子版; 在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名: a 刁 年犷月 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名: i a ,l 毗. 学位论文作者签名: 补 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本入在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中己 经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己 在文中以明确方式标明。 本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 承 石 ; - o7 年了月， 沪 日 第一章绪论 第一章 绪论 第一节研究目的和意义 在城市的社会经济活动中，每天都要消耗大量的水，用于工业、农业、商 业活动以 及市民的日 常生活。 水在使用过程中被带进了 洗涤剂、 燃料、溶液、 油脂和粪尿、各类无机物和有机物，细菌、 病毒等致病微生物， 毒性、酸碱性、 放射性和重金属类等物质，以致水的物理性质和化学性质明显变化，变成了污 水。 污水在城市发展的初期是通过城市污水收集系统收集排放到附近水体，经 过清洁水体的稀释和自 然净化功能变污为清， 成为人类可以循环利用的水资源。 但是，随着城市社会经济发展的规模越来越大，污水越来越多， 水质越来越复 杂，水体有限的自然净化功能已经不能适应城市水污染控制、水环境保护的需 求。 大量源源不断地排入水体和土壤的城市污水， 使水体和土壤受到严重污染， 破坏了原有的自 然生态， 使鱼虾匿迹，物种消失，河湖变成了 臭河死水，加剧 了 有限的水资源危机;使许多河、湖、地下水不能再作为饮用水源， 城市只好 花巨资去开发新水源; 使土壤里重金属和有毒物质富集，污染物通过食物链危 害人民的身体健康。水污染造成巨大的经济损失，水资源的短缺制约了城市社 会经济的可持续发展。 1 9 7 8 年我国提出了“ 环境保护是我国的基本国策” ， 之后国家相继颁布和修 订了 中华人民共和国环境保护法 、 中华人民 共和国水污染防治法 ， 制定了 中华人民共和国地面水环境质量标准 、 中华人民共和国污水综合排放标 准 、 中华人民共和国农田 灌溉水质标准 、 中华人民共和国 农用污泥中污染 物排放标准 ， 发布了 中国2 1 世纪议程 和 中国 环境保护活动计划 。 1 9 7 3 年，我国制定了 “ 全面规划、合理布局、综合利用、化害为利、依靠群众、大 家动手、 保护环境、 造福人民” 的环境保护工作方针。 1 9 9 6 年， 国家公布了1 9 9 5 年至2 0 1 0 年的 我国社会经济发展实施纲要 ， 提出了国家在水污染治理、水 环境保护工作中的具体任务与目 标。 在各级政府的努力下，特别是改革开放以来，我国城市污水治理，城市水 第一章绪论 环境保护工作取得了很大的成就。 到2 0 0 5 年为止， 在全国的6 4 3 座城市中， 已 经投入数千亿元资金建成了大中型城市污水处理厂5 0 0 0 余座， 其中包括像北京 市高碑店污水处理厂、天津市纪庄子污水处理厂、天津市东郊污水处理厂、 杭 州市七格污水处理厂等国内外知名的特大型城市污水处理、治理项目. 在城市污水处理过程中，无时无刻不在产生着大量的污泥。正是这些污泥 的不断产生，才使污染物和污水分离，从而完成污水的净化。所产生的污泥含 有大量的病源菌、 寄生虫( 卵 ， 铜、 锌、 铬、 汞等重金属， 盐类以及多氯联苯、 放射性元素等有毒有害物。这些物质对环境和人类以及动物健康有可能造成较 大的危害。如果不予以有效地处理和处置， 仍然会污染环境，使污水处理厂的 功能不能完全发挥。 为了能够更好的发挥污水处理厂污水治理功能。如何处理好污水处理过程 中产生的大量污泥，做到污泥的减量化、稳定化、无害化、资源化就显得尤为 重要。 在目 前我国的大、中型污水处理厂普遍采用的污泥处置过程主要由 污泥 浓缩、污泥厌氧消化、污泥脱水来构成。 其中，污泥厌氧消化是城市污水处理过程中污泥处置的重要环节。污泥厌 氧消化的主要产物就是沼气，沼气的直排将造成空气污染或产生爆炸危险。同 时，沼气是一种具有较高热值的可燃气体，主要成分是甲 烷，约占 所产生的各 种气体的6 0 % - -8 0 %。 每立方米纯甲 烷的发热最为3 4 0 0 0 千焦， 每立方米沼气的 发热量约为2 0 8 0 0 - 2 3 6 0 0 千焦。 沼气被人们开发利用己有几十年的历史了，沼气利用作为治理污染的一种 途径，既治 理了 污染， 又获得了 能源，一举多利。 符合用新能源来替代常规能 源，改善用能环境， 确保国民 经济可持续发展的能源发展思路。 沼气在污水处理厂内的利用主要是作为动力燃料，通过沼气发动机和沼气 锅炉加以利用。沼气发动机有两种具体的利用形式。一种是驱动发电机发电， 供给厂内 使用或送入电网;另一种是直接驱动鼓风机或污水提升泵，以 便节省 能 源。沼气发动机所产生的 余热和沼气锅炉燃烧所产生的 热量均能用于污泥加 热，来满足污泥厌氧消化所需要的热量。 沼气利用系统运行所产生的热能、电能、动能不仅能够保证污泥厌氧消化 工艺的正常、高效运行，又能为污水处理厂提供一定数量的动力能源，降低运 行成本。 建设部颁布的 关于加快市政公用行业市场化进程的意见 ， 首次以文件的 第一章绪论 形式确定了允许外资、 民间资本同时进入， 共同竞争全国市政公用行业， 此外， 在我国加入w r o 后，公用事业也是对外开放的领域，目 前国际上三大水务巨头 已 经在国内投资数十亿美元。 国内一些城市纷纷将原来分散多头管理的城市供、 排水整合组建大型水务集团， 与在中国水务市场的洋水务展开竞争。 天津创业环保股份有限公司 ( 以 下简称创业环保) 创立于2 0 0 0 年年底， 是中国目 前唯一一家在a , h 股资本市场中以污水处理为主营业务的上市公司。 其流通股票在上海证券交易所和香港联合交易所交易。公司拥有雄厚的资本实 力和技术储备:截止到2 0 0 5 年9 月3 0日，总资产达到4 3 . 0 6 亿人民币，挣资 产达到2 2 . 4 7 亿人民币。 拥有将近2 0 年的运营经验。 目 前公司在天津市区拥有 四座污水处理厂，天津中心城区的日污水处理能力1 4 9 万立方米。公司通过控 股子公司积极开发第二水资源，开辟中水回用市场，已经建成一座日 生产能力 5万立方米的中水回用工程。2 0 0 2年 1 1月公司通过 i s 0 9 0 0 1 , i s 0 1 4 0 0 1 , o h s a s 1 8 0 0 1 及i m s 整合认证， 2 0 0 3 年9 月公司 通过国家环境保护总局评审， 获 得环保设施运营资质。创业环保面临巨大的机遇与挑战。 创业环保必须占有更大的市场份额，才能在竞争激烈的水务市场中立住 脚。 2 0 0 3 年公司成功收购了贵阳小河污水处理厂， 2 0 0 4 年进入湖北赤壁水务市 场， 2 0 0 5 年又成功开发了云南曲 靖、浙江杭州、 湖北洪湖、 江苏宝应以及安徽 阜阳的水务市场。目 前， 创业环保在外阜项目的日 污水处理总能力已 经达到了 1 1 2 . 5 万立方米。 如此巨 大的污水处理能力， 随之而来的就是大量的污泥需要处理。 如何提 高污泥处理工艺管理水平，尤其是利用好污泥消化所产生的沼气能 源，为污泥 厌氧消化提供热能保证和动力能源，降低运营成本，为全面提高污泥处理工艺 运行和沼气能源利用的水平提供理论支持。 因此，对于沼气利用系统的应用和运行管理的研究， 在城市污水处理厂的 运行管理过程中有着一定的实际意义。 第二节目 前国内、外研究动态 通常，国内、外关于沼气利用的应用的文献大部分只是对于沼气的收集、 净化、储存、计量和安全装置进行介绍。对于主要的使用设备，如沼气锅炉和 沼气发动机只是提及名称和作用。 第一童绪论 目 前，国际上沼气利用主要方式和发展方向是沼气发电。沼气发电在发达 国家已受到广泛重视和积极推广，如美国的能源农场、德国的可再生能源促进 法的颁布、 日 本的阳光工程、 荷兰的绿色能源等。 生物质能发电并网在西欧( 德 国、丹麦、奥地利、芬兰、法国、瑞典等)一些国家的能源总量的比 例为2 5 % 左右。沼气发电设备方面，德国、丹麦、奥地利、美国的纯燃沼气发电 机组比 较先 进， 气耗率:9 d . 5 m 3 / k w h( 沼 气热值 t2 5 m j / m 3 ) . 现在，国内的沼气利用方式也不再是简单的燃烧取热。 沼气发电研发有2 0 多年的历史， 特别是“ 九丑， 、“ 十五” 期间有一批科研单位、院校和企业先后从 事了沼气发电 技术的研究及沼气发电设备的开发. 在这一领域中， 形成了科研、 技术骨干队伍，建立了相应的科研、生产基地，积累了较多的成功和失败的经 验， 为沼气发电技术的应用研究及沼气发电设备质量再上一个台阶奠定了基础， 国内污水处理厂的沼气利用方式主要是以沼气发电为主，沼气锅炉燃烧相 辅助。沼气发电机组的余热和沼气锅炉燃烧的热量用于污泥加热保证庆氧消化 工艺的高效运行。 对污泥厌氧消化后所产的沼气进行收集、 储存用于沼气发电。 但是，对于污水处理厂内沼气利用成套设备的系统性研究较少。有的文献 只是 注重污泥厌 氧消化工艺的原理、 模式、 运行参数、 控制方式等进行探讨。 部分文献只是单纯的介绍沼气锅炉、沼气发动机等沼气利用设备的工作原理、 设备构造、操作方式等。对于沼气利用系统和污泥厌氧消化工艺二者运行之间 的相互影响的研究较少。 第三节 研究内容和研究方法 通过对城市污水处理厂污泥厌氧消化工艺原理和沼气利用系统工作原理以 及在国、内外应用的情况、效果进行研究， 收集、整理、分析沼气利用系统在 污水处理厂应用过程中的运行数据，探讨沼气利用系统和污泥厌氧消化工艺二 者的相互关系和作用。 首先，收集、整理、研究关于污泥厌氧消化系统的文献，分析污泥厌氧消 化的工艺原理、 运行控制方式、影响因素及作用。收集、 整理关于沼气利用系 统的文章， 研究沼气利用系统的工作原理， 组成部分， 主要设备的构造、 工作 原理、运行操作方式。 然后，收集、整理国内典型的污泥厌氧消化系统和沼气利用系统的运行情 第一章绪论 况，各种运行参数。研究、分析这两套系统的运行管理规律。 最后，研究厌氧消化系统的稳定运转条件，分析沼气利用现状和能量回收 情况，并总结两套系统的运行特点，提出更加合理的沼气利用优化方式。 以上研究方案中，关于污泥厌氧消化系统和沼气利用系统的文献可以通过 专业杂志和经典书籍进行收集、整理、分析、 研究.国内 污水处理厂污泥厌氧 消化系统和沼气利用系统应用比 较成熟的企业有北京高碑店污水处理厂和天津 东郊污水处理厂，可以 在天津东郊污水处理厂进行两套系统的运行情况和参数 的收集、整理、分析。而且，数据真实，具有典型性和代表性。通过分析研究 设计的优化改造方案可以在天津东郊污水处理厂进行实验，能够及时跟踪优化 方案的实施情况和各种参数的变化进一步分析研究改造后方案的运行效果，进 行不断的调整改进，并最终提出在污水处理厂具有实际意义的综合管理运行方 案。 第二章污泥厌氧消化产气的基本理论 第二章 污泥厌氧消化产气的基本理论 污泥的消化处理是稳定污泥的有效方法.消化后的污泥可作农业或其它方 面的利用，生产的污泥气作为能源或化工原料，化害为利。 污泥厌氧消化按照不同的条件有着不同的分类方法: 按作用的细菌种类不同可分为:厌氧消化法和好氧消化法。 厌氧消化法，即污泥中的有机物质在无氧的条件下被甲 烷细菌分解成甲烷 与二氧化碳。厌氧消化法的主要处理对象是初次沉淀污泥，腐质污泥， 剩余活 性污 泥以 及高 浓度的 生产污水 ( 如屠宰 场 污水、 酒 精加 工厂污 水、 食品 厂污 水 及 成分复杂的石油化工污水等) 特别对于处理那些生化需氧量极高， 在缺氧的情况下易于分解的生产污水， 非常有效。因此厌氧消化是污泥处理的基本方法。 厌氧消化法的主要处理构筑物有消化池、 双层沉淀池、化粪池及农村的沼 气池。 好氧消化法，即对活性污泥进行长时间的曝气， 使细菌体进行内 源代谢。 主要处理构筑物为好氧消化池。 按消化条件可分为:人工消化与自 然消化。在人工消化中，根据池型构造 不同， 又可 分为定 容式 ( 固 定盖 式) 及动 容式 ( 浮 动盖式 ) 消 化 池。 按消化温度可分为:低温、中温与高温消化。 按运行方式可分为:一级消化、二级消化、厌氧接触消化法及厌氧滤池。 第一节厌氛消化的机理 厌氧消化是利用兼性菌和厌氧菌进行厌氧生化反应，分解污泥中有机物质 的一种污泥处理工艺。厌氧消化是使污泥实现 “ 四化”的主要环节。首先， 有 机物被厌氧消化分解， 可使污泥稳定化， 使之不易腐败。 其次， 通过厌氧消化， 大部分病源菌和蛔虫卵被杀灭或作为有机物被分解，使污泥无害化。第三，随 着污泥被稳定化，将产生大量高热值的沼气，作为能源利用，使污泥资源化。 另外， 污泥经过消化后， 其中的部分有机氮转化成了氨氮， 提高了 污泥的肥效。 第二章污泥厌氧消化产气的基本理论 污泥的减量化虽然主要借浓缩和脱水，但有机物被厌氧分解，转化成沼气，这 本身也是一种减量过程。 将有机物质厌氧消化产生沼气，是一个有多种细菌参与的多阶段生化反应 过程，每一反应阶段都以某类细菌为主，其产物供下一阶段的细菌利用。解释 厌氧消化机理的理论有二段论、 三段论和四 段论， 为叙述方便， 介绍三段论f 0 第一阶段:水解阶段。 污泥中的有机物成分很复杂， 主要包括碳水化合物( 主要为淀粉和纤维素) 、 类脂化合物 ( 主要为脂肪)和蛋白 质。以上物质在污泥液中基本都以固态或胶 态存在，细菌无法将其直接吸收至体内。但一些兼性细菌可以向体外分泌胞外 酶，将以上大分子的固态和胶态物质水解成细菌可吸收的溶解性物质，产物如 下: 纤维素或淀粉水解产生葡萄搪 脂肪水解产生甘油和脂肪酸 蛋白 质水解产生氨基酸和脂肪酸 另外，水解过程中还伴随有少量c 0 2 和n h : 产生。 第二阶段:产酸阶段。 进行水解的兼性菌完成水解以后，可将水解产物吸入胞内，继续进行分解 代谢。代谢产物主要为挥发性脂肪酸、挥发醇及一些醛酮物质。挥发性脂肪酸 通常只少于6 个碳原子的直链低级脂肪酸， 但消化液中的脂肪酸则主要为乙酸、 丙酸和丁酸，三种酸占挥发脂肪酸总量的 9 5 % 以上。三种酸中，其中又以乙酸 ( 醋酸)为主，占总量的 6 5 了 5 % 。挥发醇主要为甲醇和乙醇。另外，在该阶 段内还产生一些c 0 a . n 凡 、 h 2 s 及h 2 -能够进行水解和酸性消化的细菌，种类很 多，目 前己分离出5 0 多种， 这些细菌统称为产酸菌。 产酸菌一般都为兼性菌， 在有氧条件下也能存活，并进行生化反应，只是反应产物不同。也发现一些产 酸菌属于绝对厌氧菌，但数量较少，在该阶段不起主要作用。 第三阶段:产甲烷阶段。 在该阶段，起主要作用的为甲烷细菌。顾名思义，甲 烷细菌能产生甲 烷。 但由于该类细菌繁殖速度慢， 代谢活力不强，只能利用挥发性脂肪酸这样一些 易于降解物质进行代谢，产生甲 烷。挥发性脂肪酸是产酸阶段的主要产物，因 此产酸阶段是产甲 烷阶段的前提。大部分甲 烷细菌将产酸阶段产生的乙酸吸入 胞内进行代谢，产生甲烷 ( c h , ) ，也有少量甲烷细菌能将 h z 和 c o ， 直接还原为 第二章污泥厌氧消 化产气的墓本理论 c h , 。 甲 烷细菌为专性厌氧菌， 氧的存在能使之中毒， 并失去活性。 主要原因是， 当环境中有氧存在时，0 , 能与酸性消化阶段产生的 h , 迅速合成为过氧化氢 ( h 0 1 ) - h z 0 2 是一种强氧化剂， 在其浓度较高时， 对所有类型的细菌均有杀伤作 用。 由于酸性消化阶段产h , 量不可能很大， 因而消化液中h 2 0 , 浓度不高。 在h a 浓度较低时，兼性菌会分泌出一种分解h z0 2 的酶，将 h z 0 z 分解掉， 使之失去氧 化能力， 而专性厌氧菌无此功能， 这就是兼性菌和厌氧菌之间区别的本质所在。 甲烷细菌虽在自 然界普遍存在， 但其种类并不多。目 前仅发现包括2 种球菌、 2 种八叠球菌和6 种杆菌在内的十几种甲 烷细菌。 以上三阶段即为所谓的三段论。关于厌氧消化机理的二段论解释，是将水 解阶段合并到产酸阶段，将厌氧消化分成酸性消化和碱性消化两大阶段。四段 论是将酸性消化阶段分成三个阶段，分别为水解阶段、产酸阶段和酸性衰退阶 段。 二段论、 三段论和四段论相互之间并不矛盾，它们只是从不同角度对厌氧 消化过程进行了描述，并对其中的变化规律进行了解释。厌氧消化全过程可直 观地用图2 . 1 表示。 . 叹 /又一 声 ， 厂一 i l .性交 化 .性场 盛 .性宜遨 l 口性 . 反应过.水翻产. . 产甲 翻 . 润化 用盈.性 肠化 . 性 日 化 反 主应 井 产 钧 位 粉 竺 叶. . .- o 娜 砚 . 舫 - 些 神甘 . - 口 呻乙 . 口 白 段 - 丝 与红 基 . ， j 山 -丝 巴 呻饿 图2 . 1厌氧消化过程示意图 第二章 污泥厌氧消化产气的基本理论 在初次投泥试运行或间歇运行的消化池内，水解、 产酸和产甲 烷三个阶段 首尾相接， 依次进行， 各阶段之间基本上互不干扰。 产酸菌和产甲 烷菌对p h 的 敏感程度差别很大， 如表2 . 1 所示， 产甲 烷菌对p h 的 波动要比 产酸菌敏感得多。 表2 . 1 产酸菌和产甲烷菌所要求的比范围 p h范围 产酸菌 产甲烷菌 存活范围 5 . 0 -9 . 0 6 . 0 - 8 - 0 正常代谢范围高效代谢范围 6 . 0 -8 . 0 6 . 4 -7 . 8 6 . 0 -8 . 0 6 . 8 - 7 . 4 因 此， 控制p h 值时， 主要应满足产甲 烷菌的需要， 一般应将消化液的p h 控制在6 . 8 -7 . 4 的近于中性的范围内。 从理论上讲， 由 于进泥量的周期性变化 及其它环境因素的变化，产酸速率和产甲烷速率会经常性地处于波动状态，而 二者的步调又很难一致，因而消化液的p h 也很难稳定在6 . 8 -7 . 4 的近中性范 围内。但实践证明，绝大部分处理厂的消化系统，在正常运行时并不需要经常 性地人工调整p h ，消 化液p h 能自 动地保持在6 . 5 -7 . 5 的范围内。 除p h 外， 影响消 化的另一个重要因素是污泥的 温度。 由于产甲 烷菌繁殖代 谢速度较慢，内部整个消化过程的速率由 产甲烷阶段控制。甲 烷细菌正常生存 的温度范围较一般细菌宽， 一般在1 0 - 6 0 之间。当温度低于1 0 时， 它虽仍 能存活，但代谢将基本停止。甲 烷细菌从活性整体上看，随温度升高而增大， 但局部有波动。 在保证有机物分解率在 3 5 - 4 0 % 之间， 将消化控制在不同温度 下进行，可得到所需消化时间与温度之间的变化关系，如图2 . 2 所示。 ，卜; 行 一 和洲加 (p)侧吸 加为功匆的 时间 幻 匆的 图2 . 2 温度与消化时间的关系 第二幸污泥厌氧消化产气的 基本理论 在5 5 0 c 左右，消化效率最高，消化时间仅需1 5 d ，甚至更短;3 5 0 c 左右， 消化效率也较高， 消化时间约需 2 0 d ; 此后随温度降低， 消化时间延长。一般 认为， 在4 5 左右， 产甲 烷菌的活性会部分地受到抑制， 因而消化温度一般不 控制在3 8 - 4 9 0c 之间。 按照消化温度的不同，消化常分为三类:高温消化、中 温消化和常温消化。中温消化的温度可在2 9 3 8 0 c ， 常采用3 5 0 c c高温消化温 度可在5 0 -5 6 0 c ， 常采用5 5 0c ;常温消化一般不加热，不控制消化温度， 因而 消化温度处于波动状态， 常在1 5 - 2 5 0 c 之间。 常温消化要达到一定的消化效果 需要很长的停留时间，池容将很大，因此实际中很少采用。高温消化的有机物 分解率和沼气产量会略高于中温消化，但需要增加很多加热量，一般认为得不 偿失，因而采用也不多。但应注意到，高温消化对污泥的无害化效果远高于中 温消化。当污泥的卫生指标有较高要求时，高温消化仍具有优势。实际中普遍 采用的是中温消化，常控制在 3 5 0 c 。甲烷细菌正常生存的温度范围虽然较宽， 但对温度的突变却反应很敏感。当甲烷细菌在某温度下被驯化以后，温度波动 超过0 . 6 0 c 即会影响消化效果， 温度波动超过1 时产气量将急剧降低。 高温甲 烷细菌比中温甲烷细菌还要敏感。中温消化，常采用二级消化池，称为中温二 级消化。设计及运行中一般只考虑第一级消化池的消化效果，二级消化池常用 于以下几个目的: 作为消化污泥的储存池，缓冲污泥量和脱水污泥量之间的不平衡。 作为一级消化池的备用池。当一消容量不足时，二消也作一消用。 作为消化污泥浓缩池， 进行浓缩分离， 提高消化污泥浓度， 减少污泥调 质的加药量。 作为消化种污泥的储存池。 某座一消池检修之后重新启动时， 可直接将 二消污泥注入，为其接种。 由于二级消化池内不加热，也不搅拌，因此基本不再有沼气产生。一些处 理厂采用后浓缩池代替二级消化池，理由是二级消化池浓缩分离效果不佳， 分 离出的上清液水质极差。 甲 烷菌是一类很脆弱的细菌， 很多物质都能使其中毒，降 低其代谢活性. 重金属对甲烷菌的抑制或致毒浓度如表2 . 2 所示。 第二章 污泥厌氧消化产气的基本理论 表22 重金属对甲烷菌的致毒含量 ( % ) 重金属离子铜i福i 锌i 铁 重 金 属 在 干 污 泥 中 的 含 量1 0 . 9 3 1 . 0 8 0 . 9 7 】 9 . 5 6 1 一些轻金属在一定浓度下对甲烷菌也有抑制或毒害作用， 表2 . 3 轻金 属对甲 烷菌的致毒浓度 ( m g / l ) 致毒浓度激发浓度中等抑制浓度严重抑制浓度 c a z1 0 0 - 2 0 02 5 0 0 - 4 5 0 08 0 0 0 m g 7 5 - 1 5 01 0 0 0 - 1 5 0 03 0 0 0 k +2 0 0 - 4 0 02 5 0 0 - - 4 5 0 01 2 0 0 0 n 1 0 0 . 2 0 03 5 0 0 - 5 5 0 0 8 0 0 0 氨在1 5 0 0 m g / l ( 以n 计) 之下， 对甲 烷菌有利， 因它能与c 0 2 成生n h 4 h c o 其缓冲作用: n h , 浓度在1 5 0 0 -3 0 0 0 m g / l ( 以n 计) 之间时， 能 抑制甲 烷菌的活 性，降 低甲 烷产量; n h , 浓度在3 0 0 0 m g / l 之上时，则直接导致甲 烷菌中 毒， 停 止甲 烷的产生。 n h , 毒性的大小具体与 p h 有关系，当消化液p h 较高时， n h , 以 n h , h , 0 形式存在比 例较多， 毒性大; 反之， 当p h 较低时， n h ， 在消化液中主要 以m+ 形式存在，毒性稍小 些。当州在中性附近时， s r 的浓度超过2 0 0 m g / l , 也将导致甲烷菌中毒。以上各种毒物的两种或数种当共存于同一消化液时，有 时会互相将部分毒性抵消。 例如，s z _ 与重金属共存时，可生成不溶性的重金属 硫化物，使其毒性抵消;当钠钾离子共存时，两者的毒性会有所降低。以上浓 度值是指致毒物质突然增加时的致毒浓度。如果致毒物质在消化污泥中慢慢积 累， 浓度逐渐增加，则在以 上浓度值时可能会由 于甲烷细菌被驯化而发挥不了 毒性。 除了p h , 温度、毒物等因素对消化效果影响外， 污泥投配率负荷、 加热、 搅拌等具体操作，也必然影响消化效果。 第二节 污泥厌氧消化的影响因素 由 上面介绍的污泥厌氧消化基本原理可以看出， 厌氧消化的影响因素主要 有六个【4 ) 第二章 污泥厌氧消化产气的基本理论 2 . 2 . 1 温度 温度对污泥的分解速率和产气量都有较大的影响。当温度为 5 - 1 5 时消 化时间需3 -4 个月; 当温度为3 0 3 5 时消化时间需2 0 - 3 0 天; 当 温度为5 5 - 6 5 时消化时间需1 0 天。当 温度为1 0 0c , 2 0 0 c , 3 0 时， 每千克干物质的产气 量分别为0 . 4 5 , 0 . 6 1 , 0 . 7 6 m 3 , 提高温度对分解速率的加快和产气量的提高都有好处， 但也不是越高越好 提高温度就意味着提高热能的损耗，加大运行费用，而且当 温度提高到一 定程度时， 产气量也就不再增大了。 另外， 当 温度高于7 0 0 c 时， 细菌将被杀灭， 当 然也就不能进行消化了。 综合考虑上述情况，人们通常采用中温消化，也就 是保持温度在3 0 - 3 5 0 c , 22 . 2 酸碱度 从发酵过程来看， 酸性阶段产生乙酸， 使污泥的p h 值降低， 酸性增大， 对 于产甲 烷菌有明显的抑制作用。 碱性阶段分解乙酸， 使污泥的p h 值升高， 碱性 增大， 但碱性阶段慢于酸性阶段。 因此， 需要对酸性阶段产生的酸进行中和。 一 般情况下污泥中的碳酸盐和碳酸所具有的缓冲容量就足以 进行缓冲了 ( 碱度在 1 0 0 - 1 5 0 度即 可，以c a o 计) 。 特殊情况时可以 投加石灰或碳酸钠， 石灰的投 加量不宜过多，过多易产生沉淀。 有人建议将消化分在两个容器中进行，以获得较好的工艺控制并增加其稳 定性，即两相消化法。但也有人认为酸性发酵产生产甲 烷菌所需的营养， 碱性 发酵产生产酸菌所需的痕量营养， 两个过程互相依赖，相辅相承，因此两相消 化不可能比一相消化更优越。通常设计采用一相消化。 2 . 2 . 3 污泥投配率与固体停留时间 投配率是指每日 加入消化池的新鲜污泥体积与消化池体积的比率，以百分 数计“ ， 。 投配率大，有机物分解程度减少，产气量下降，所需消化池容积小:投配 率少，污泥中有机物分解程度提高，产气量增加，但所需的消化池容积大，基 建费用增加。 对己建成的消化池， 如投配率过大时， 池内有机酸将会大量积累， 第二章污泥厌氧消化产气的 基本理论 p h 值和池温降 低，甲 烷细菌生长受到 抑制， 可能 破坏消化正常进行。 中温消化 的新鲜污泥投配率以6 -8 %为好。 在设计时新鲜污泥投配率可在5 - 1 2 % 之间 选用，要求产气最多，采用下限;如以处理污泥为主，则可采用上限。 2 . 2 . 4 搅拌 搅拌可以缩短消化时间，并在一定程度上提高产气量。在早期的消化容器 中不设搅拌装置，污泥在容器中分为两层，微生物不能与有机物充分接触。 这 种容器虽可以使污泥的含水率减小，但消化时间长，容器容积大。此外产酸菌 往往集中在上面的浮渣层， 产甲 烷菌集中在下面的污泥层，两个阶段被分割开 来，减小了有机物的分解速率，所以，以 后的消化容器多设搅拌装置。搅拌的 方法有机械搅拌和气体搅拌两种。 由于带搅拌的消化池为混合型反应池，排出的污泥中往往混有生污泥，所 以设计中常设一个二级消化池以处理这些未消化的有机物。 池中不设加热装置， 可以对其中的生污泥进行消化，同时还可以对污泥进行浓缩，相当于一个沉淀 浓缩池。 2 . 2 . 5 碳氮比 碳氮比过高，则意味着氮的含量相对不足，使组成细菌细胞的氨量不足， 且污泥中的h c o ; ( 以n h , h c 0 3 形式存在) 浓度低， 缓冲能力差; 如果碳氮比 过低， 则胺盐大量累积，使州值超过8 ，破坏厌氧消化.通常设计采用1 0 : 1 -2 0 : 1 0 2 . 2 . 6 有毒物质 重金属离子与有机物 ( 如铬离子、 苯、酚等) 对微生物有毒害作用， 从而 抑制消化作用。 第三节 厌氧消化系统 污泥厌氧消化系统由 消化池、 加热系统、 搅拌系统、 进排泥系统及集气系 统组成。 第二章污泥厌氧消化产气的基本理论 消化池按容积是否可变，分为定容式和动容式两类。动容式消化池适于小 型处理厂的污泥消化，国外采用较多。 它按照池体形状，可分为细高柱锥型、 不 . 国内目前普遍采用的为定容式消化池。 粗矮柱锥型以及卵型，分别如图2 . 3 所 拓岛及 粗兮璧 图2 . 3 消化池的形状 消化池的进泥与排泥形式有多种，包括上部进泥下部直排、上部进泥下部 溢流排泥、下部进泥上部溢流排泥等形式，分别如图2 . 4 所示. 上进 下宜排 上进下滋魔括下进上幽流排 图2 . 4 消化池的形式 这三种方式， 国内 处理厂都有采用， 有的处理厂还同时设有三种排泥方式， 可任意选择，并进口溢流排泥器。 从运行管理的角度看，第二种即上部进泥下 部溢流排泥方式较佳。 消化池内需要保持良 好混合搅拌。常用的混合搅拌方式一般有三大类:机 械搅拌、水利循环搅拌和沼气搅拌。 机械搅拌是在消化池内装设搅拌桨或搅拌 涡轮，如图2 . 5 所示。 第二章污泥厌氧消化产气的 基本理论 .翻 饭 的鹉 板 图2 . 5 消化池机械搅拌示意图 水利循环搅拌在消化池内设导流筒，在筒内安装螺旋推进器，使污泥在池 内实现循环，如图2 . 6 所示. 他内俘 旅式 图2 . 6 水力循环搅拌示意图 沼气搅拌是将消化池气相的部分沼气抽出，经压缩后再通回池内对污泥进 行搅拌。沼气搅拌有自由释放和限制性释放两种形式，如图2 . 7 所示。 自 由 释 放式限刹性睁旅式 图2 . 7 沼气搅拌示意图 第二章 污泥厌氧消化产气的纂本理论 常用的空压设备有罗茨鼓风机、滑片式压缩机和