高濃度城市污泥厭氧發酵產酸示范工程的啟動與運行 周光杰1，劉宏波1，肖航1，聶新宇2，張立2，陳宇2，劉和1 (1.江南大學環境與土木工程學院環境生物技術研究室，江蘇無錫214122；2.無錫市 高新

高濃度城市污泥厭氧發酵產酸示范工程的啟動與運行

周光杰¹，劉宏波1，肖航¹，聶新宇²，張立2，陳宇²，劉和¹

(1.江南大學環境與土木工程學院環境生物技術研究室，江蘇無錫214122；2.無錫市

高新水務公司，江蘇無錫214000)

摘要：為探索污泥厭氧發酵產揮發性脂肪酸（VFAs）的工藝特征和可行性，在無錫某污水處理廠建設了一個處理規模為3 m³/d（含水率為90%）的污泥產酸示范工程，對高濃度進泥條件下啟動和運行過程中的產酸特征以及技術經濟指標進行了研究。結果表明，平均進泥濃度為70 g/L時，經熱堿預處理后污泥平均SCOD濃度比處理前增加了8.2倍，最高值為36 553 mg/L，TSS降解率為25.5%，VSS降解率為39.3%。在每天進、排泥各3 m³的半連續運行狀態下，發酵罐中VFAs平均濃度為7.63 g/L，平均酸產率達330.25 mgCOD/gVSS。發酵液中SCOD的主要成分為VFAs，占57.90%，VFAs的主要成分為乙酸，占55.72%。污泥發酵液中TN、TP和氨氮的平均濃度依次為1 299.94、113.54、274.21mg/L，SCOD/N和SCOD/P的平均值分別為14.8和184.2，說明發酵液可作為污水強化生物脫氮除磷的外加碳源。根據示范工程得到的成本和收益參數進行預測，一個規模為100 m³/d的污泥厭氧發酵產酸工程的成本投入為292.9元/m³，收益為374.8元/m³。

隨著我國城市化進程的加快，城市污泥的產量逐年升高。據環保部統計，至“十二五”末期我國濕污泥產量（含水率為80%）將突破4 600×10⁴ t，污泥處理與處置技術的開發始終是國內外污泥處理領域的重要研究課題。

近年來，通過厭氧發酵將污泥有機質轉化為揮發性脂肪酸（VFAs），然后將VFAs用于化工原料或脫氮除磷的補充碳源受到越來越多研究者的關注。本課題組在長期研究的基礎上，在無錫某污水處理廠內建設了一個處理規模為3 m³/d的污泥產酸發酵示范工程，該工藝設計進泥濃度為10%，主要工藝單元包括污泥濃度調節、預處理、產酸發酵、調理、泥水分離、有機酸回用。為探索污泥厭氧發酵產VFAs的工藝特征和可行性，對高濃度進泥條件下啟動和運行過程中的產酸特征以及技術經濟指標進行了研究。

本研究目的是：①探究實際工程中熱堿預處理對污泥的破解和釋碳效果；②探究污泥厭氧發酵罐的啟動和運行過程中VFAs產量和產率；③評估污泥厭氧發酵產酸的技術經濟指標。以上基于工程規模下的研究結果將突破以往實驗室小試的局限，有助于探索污泥厭氧發酵產酸工程的控制工藝，同時也進一步驗證污泥厭氧發酵產酸工藝的可行性，對污泥發酵資源化利用具有重要的推動作用。

1 材料與方法

1.1 污泥來源及性質

城市污泥為無錫某污水處理廠的脫水污泥，初始污泥的相關指標見表1。

表1 城市污泥的基本性質

1.2 工藝規模及流程

城市污泥厭氧發酵產酸工藝流程如圖1所示，包括5個單元：污泥調漿、水解釋碳、厭氧發酵產酸、脫水調理和板框脫水。

圖1 污泥厭氧發酵工藝流程

工程設計每天處理90%的污泥3 m³，調漿罐、預處理罐、熱水罐、發酵罐、調理罐的體積分別為1.6、1.9、3.6、30、2.0 m³。污泥經污水處理廠帶式壓濾機脫水后（含水率約85%）進入調漿池，調節污泥濃度至7%；調漿后污泥進入預處理罐，在熱堿性條件下預處理，進行水解破壁釋碳；預處理后污泥進入厭氧發酵罐發酵生產VFAs，發酵罐通過水浴夾套進行控溫；發酵后污泥經調理罐調理后進入板框壓濾機壓濾脫水，實現發酵液與泥渣的分離。分離得到的有機酸發酵液進入污水處理系統作補充碳源以強化污水脫氮除磷效果。整個工程通過控制系統控制各單元的液位、預處理溫度、發酵溫度、攪拌轉速以及預處理和發酵pH值。

1.3 工程的啟動和運行

工程調試和正式運行主要包括三個階段：污泥裝罐、接種啟動和運行。污泥裝罐為期4 d，每天接入預處理后污泥3 m³，泵入污泥12 m³。污泥進罐前需進行預處理，預處理溫度為70 ℃,調節pH值為12處理2 h。接種啟動期為11 d，泵入1.5m³馴化后的污泥，然后繼續泵入污泥7.5 m³，最后進入啟動階段，在該階段不排泥，發酵溫度控制為(35±2) ℃，攪拌速率為48 r/min，pH值維持在10～11之間。啟動結束后開始半連續運行，歷時30 d。預處理和發酵條件不變，每天進泥3 m³、排泥3 m³。污泥停留時間為7 d。污泥發酵前需要接種種泥，種泥先進行馴化，歷時10 d，種泥馴化方法參見文獻。工程運行期間，定期對調漿罐、預處理罐和發酵罐取樣，并分析相關指標。

1.4 分析方法

揮發性脂肪酸：氣相色譜法；pH值：pH計；蛋白質：考馬斯亮藍法；多糖：苯酚—硫酸法；污泥含水率、TSS、VSS、SCOD、TN、TP、氨氮：國家標準方法。

2 結果與討論

2.1 污泥預處理效果

圖2為污泥在預處理罐中預處理前后SCOD濃度的變化。

圖2 半連續運行過程中污泥預處理前后SCOD濃度的變化

從圖2可以看出，調漿后的城市污泥初始SCOD濃度<5 000 mg/L，最小為1 726 mg/L，最大為4 442 mg/L。經過熱堿預處理后，SCOD的平均濃度為29 000 mg/L，較處理前增加了8.2倍，最大濃度達36 553 mg/L。這表明熱堿預處理能有效促進污泥中有機質的釋放。

預處理后的TSS和VSS濃度相比處理前都有所下降，平均TSS從處理前的70.8 g/L下降到52.7 g/L，平均VSS從43.3 g/L下降到26.3 g/L,分別下降了25.5%和39.3%。這進一步說明污泥中的有機質大量轉移到液相，成為較易被微生物利用的碳源。經過熱堿處理后城市污泥得到了初步的減量化。污泥的熱堿預處理主要機理是熱和堿的聯合作用，一方面促進污泥絮體中的胞外聚合物（EPS）溶解釋放到液相，另一方面促進細胞溶解，使得胞內的有機質釋放到液相中。

2.2 啟動和運行過程中的產酸效果

發酵罐中的VFAs濃度變化如圖3所示。

圖3 污泥發酵液中VFAs的濃度及產酸率

裝罐后第1天的VFAs濃度為1.13 g/L，第3天時上升到3.94 g/L，平均濃度為3.36 g/L，此后波動不大。第14天進入接種啟動期，VFAs濃度明顯升高，平均濃度達到6.37 g/L。第25天進入半連續運行期，每天進、排泥各3 m³。該階段的VFAs濃度有一定的波動，但總體維持在一個較高的水平，平均為7.63 g/L。從以上各運行階段的有機酸濃度變化情況看，總體呈現逐漸上升的過程，并在進入半連續運行期后基本保持穩定。從接入種泥后VFAs濃度迅速上升的趨勢可知，接入種泥對城市污泥厭氧發酵產酸起了明顯促進作用。

從有機酸產率的變化可知，產酸率最低是在第27天，為257.43 mgCOD/gVSS，最高是在第6天，為376.48 mgCOD/gVSS，平均產酸率為330.25 mgCOD/gVSS。馮延申在采用污泥固體停留時間為10 d、回流比為30%進行剩余污泥發酵產酸中試中，產酸率達到0.36 gVFAs/gVSS。由于其進泥濃度為11 g/L左右，有機酸濃度為350 mg/L左右。一般而言，低固體濃度有利于提高污泥的有機酸產率，但是過低的有機酸濃度不利于后續的回收和利用。本研究在工程規模條件下的有機酸產率略高于實驗室小試結果［7］，說明本工程各項工藝條件控制較為理想，達到了預期結果。

2.3 污泥發酵液的組成

發酵液中SCOD的主要成分為VFAs，占到了57.90%，蛋白質、多糖和其他物質分別占到9.82%、5.46%和26.82%。從VFAs的組成百分比來看，主要成分為乙酸，占到55.72%;其余有機酸按所占百分比大小排序為：異戊酸(10.83%)>異丁酸(10.53%)>丁酸(9.78%)>丙酸(7.46%)>戊酸(5.68%)。發酵液中SCOD和VFAs的組成決定了其作為碳源用于污水處理脫氮除磷的品質。SCOD中VFAs為主要成分說明城市污泥厭氧發酵液可以作為優質的碳源。有研究表明，以乙酸為主的混合酸作為碳源添加，可有效提升脫氮除磷效率。

2.4 污泥發酵過程中氮和磷的釋放

發酵過程中污泥發酵液TN、TP和氨氮濃度的變化如圖4所示。裝罐期TN、TP和氨氮的平均濃度分別為759.08、432.74、243.15mg/L;進入接種啟動期后三者的平均濃度依次變為1 316.69、137.77、357.69 mg/L;半連續運行期三者的平均濃度依次為1299.94、113.54、274.21 mg/L。由于污泥預處理時，熱堿條件會促進TN、TP釋放到液相中，因此，發酵過程中污泥的TN、TP含量不會大幅升高。因此接種啟動期以及隨后運行期TN、TP濃度的大幅升高是由于種泥的接入所導致。隨著運行期的持續進泥和排泥，種泥接種帶入的氮、磷逐漸被稀釋并最終回歸到預處理時的水平。COD/N和COD/P值一般作為衡量替代碳源強化生物脫氮除磷能力的標準，對于生物脫氮過程COD/N值一般要高于4，生物除磷系統的COD/P值范圍為8～15。本研究中運行期的發酵液SCOD/N平均值為14.8，SCOD/P平均值為184.2，均遠高于該標準。另外，污泥發酵液在泥水分離過程中，由于絮凝劑的加入，對氮和磷有80%左右的去除率，因此SCOD/N和SCOD/P值會進一步提高，即該發酵液完全可以作為強化生物脫氮除磷的替代碳源。

圖4 發酵液中TN、TP、氨氮的濃度

2.5 工程技術經濟分析

工程的具體成本和效益分析如表2所示。

表2 污泥發酵產酸工程成本效益分析

為了衡算城市污泥產酸發酵工藝的經濟效益，對本示范工程得到的關鍵參數(如有機酸轉化率、水耗、電耗以及藥耗等)進行綜合分析。假定污泥發酵產酸工程日處理污泥量為100 m³（含水率為80%）。

在以上計算中，100 m³、80%含水率的污泥含有干泥20 000 kg，如VSS含量按60%計，則含有機質為12000 kg。根據本研究結果，污泥厭氧發酵中有機質的降解率按53.3%、VSS產酸轉化率按0.311 gVFAs/gVSS計，則100 m3污泥可以產生VFAs約1 996.6kg。由于發酵液中有機酸濃度高，不需要提取，可直接回流至污水處理池中作為補充碳源，因此不需要考慮提取成本。VFAs的市場價格按6 520 元/t計，則1 m³污泥的收益為124.8元。本工程實際運行過程中工業燒堿和PAM的消耗量分別為0.190 kg/kgTSS和1.5 g/kgTSS。那么，1 m³污泥消耗燒堿和PAM的量分別是38 kg和0.3 kg，工業燒堿和PAM的市場價格分別為1 000和26 000元/t，則1 m³污泥消耗的藥劑費為45.8元。配備兩個工作人員，每人工資為4 000元/月。設備折舊按固定資產投入為4 000萬元、折舊期為10年計，則設備折舊費為110 元/m³。污泥經過高干脫水后含水率從80%降低到60%，體積減半，處置費用為125元/m³。綜合上述，污泥通過厭氧發酵產酸的凈收益為81.9 元/m³，每年凈收益為298.9萬元。

3 結論

① 污泥經預處理后平均SCOD增加了8.2倍，最大濃度達36553 mg/L，說明熱堿預處理能有效促進污泥中有機質的釋放。

② 接種種泥對污泥厭氧發酵產酸起著重要作用，半連續運行過程中，VFAs的平均濃度達7.63 g/L，平均產酸率為330.25 mgCOD/gVSS，比接種前提高了127%。

③ 污泥發酵液中VFAs占57.90%，VFAs中乙酸占55.72%，說明發酵液品質較好，平均氮、磷雖然分別達到1 299.94 mg/L和113.54 mg/L，但其SCOD/N和SCOD/P值分別為14.8和184.2，經脫水后，不會影響其作為碳源添加的負擔。

④ 當污泥工程放大至處理量為100 m³/d時，產生的凈效益為81.9元/m³，每年凈收益為298.9萬元。

（本文發表于《中國給水排水》雜志2015年第15期“論述與研究”欄目）

微信掃一掃

獲得更多內容


http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NDc3NjQ4OA==&mid=211280088&idx=1&sn=41ebecd2898b7c8ad7003818fbcf51f8&scene=5#rd