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污泥處理過程中的沼氣回收試驗

文檔作者：潘志勇，劉宇，曹仕興，薛飛文檔來源：上海齊耀動力技術(shù)有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年11月07日
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第3O卷第5期
2009年lO月
能源技術(shù)
ENERGY TECHNOLoGY
VoL 3O No．5
Oct． 2009
污泥處理過程中的沼氣回收試驗
潘志勇，劉宇，曹仕興，薛飛
(上海齊耀動力技術(shù)有限公司，上海201203)
摘要：通過對一套建設(shè)在實地的有效容積3O m3的污泥厭氧消化裝置進行的中試研究，分析
了在當(dāng)?shù)丨h(huán)境下當(dāng)?shù)匚勰嘞容^適宜的溫度、pH值、投配率以及產(chǎn)氣量的規(guī)律，同時也積累了
污泥接種和污泥厭氧消化啟動過程中的數(shù)據(jù)，與實驗室試驗相比這些結(jié)果更接近大規(guī)模運行的工
程項目實際情況，可以為后續(xù)開展大規(guī)模污泥厭氧消化處理提供與實際情況更為接近的數(shù)據(jù)支持，
為此類項目的投資決策提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：污泥；厭氧消化；中試；沼氣
中圖分類號：Q77 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1005—7439(2009)05-0276—04
Research on Energy Recovery from the Anaerobic Digestion of Sludge
PAN Zhi-yong。LIU Yu，CA0 Shbxing。XUEFei
(Shanghai MicroPowers Ltd．Co．shanghai 201203，China)
Abstract：The dates on anaerobic digestion of sludge are generally gotten in laboratory，which are used tO guide
engineering application，but they are not always effective in application practice because of size and environmental
condition． Various factors afecting anaerobic digestion of sludge- including temperature， pH value， sludge
component etc．were studied in the 30 ma test tank．At the salTle time，the rule of gas output was work OUt on the
process of sludge inoculation and start— up of anaerobic digestion． Those dates are usefu1 for future engineering
application and helpful in making decision on similarly item．
Keywords：sludge；anaerobic digestion；medial experiment；methan e
隨著我國城市化進程的發(fā)展城市污水處理量逐
年增加，近年來污水處理的副產(chǎn)物排水污泥已經(jīng)按
1O 9／5以上的年增長率迅速增加，2008年全國污水廠
排放的排水污泥量干重大約為130萬t_1]。大量未
經(jīng)處理的污泥堆積，已成為迫在眉睫需要解決的環(huán)
境問題之一。
目前，可以作為污泥處理的方法很多，包括衛(wèi)生
填埋、焚燒、制磚制水泥，以及厭氧消化制沼氣等L2]。
其中厭氧消化制沼氣不但可以解決污泥堆積帶來的
環(huán)境問題，還可以把污泥制取的沼氣作為一種可再
生能源加以利用，達(dá)到節(jié)能減排的目的。
污水污泥通過厭氧消化制沼氣回收能源的處理
方法理論上已經(jīng)很成熟，通過制取沼氣可以得到一
基金項目：上海市2008年青年科技啟明星計劃項目
(08QB1402200)
· 276 ·
部分能源，但是污泥厭氧消化過程及厭氧消化后的
污泥后處理也需要耗費一定的能源。實驗室研究的
成果表明：將厭氧回收的沼氣用于后續(xù)的污泥處理
工藝，整個處理過程能源可以做到平衡不消耗額外
的能源L3]，但在實際項目中，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實驗室成果
的效果，其根本原因是因為實驗室研究的條件與實
際工程項目的運行條件存在較大差別。福州市污水
廠產(chǎn)生的污泥主要送到紅廟嶺垃圾填埋場進行傾
倒，與其他城市一樣，對填埋場的正常運營造成很大
的壓力。為了尋找大城市處理進場污泥的有效方
法，在上海市2008年青年科技啟明星計劃項目資助
下，課題組在福州紅廟嶺垃圾填埋場建立了一套
3O m3的中試污泥厭氧處理裝置。希望通過模擬的
運行方式，得到與實際情況更為接近的工程設(shè)計和
運行方法。本文將通過30 m。的污泥厭氧消化中試
裝置進行試驗，使得到的數(shù)據(jù)更接近工程實際情況，
潘志勇等：污泥處理過程中的沼氣回收試驗
目的是為厭氧裝置的運行和項目的投資決策提供技
術(shù)支持。
1 厭氧消化原理及影響因素
厭氧消化是一個非常復(fù)雜的過程：污泥在缺氧
的環(huán)境中，所含有機物被兼性菌和專性厭氧菌降解，
經(jīng)過水解和酸性發(fā)酵消化階段和乙酸脫羧堿性發(fā)酵
階段，最終分解為甲烷和二氧化碳為主要產(chǎn)物。當(dāng)
前較為公認(rèn)的理論模式為伯力特于1979年提出的
三階段理論：第一階段，有機物在水解與發(fā)酵細(xì)菌的
作用下，其中的碳水化合物、蛋白質(zhì)與脂肪經(jīng)過水解
和發(fā)酵轉(zhuǎn)化為單糖、氨基酸、脂肪酸、二氧化碳和氫
等；第二階段，是在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用下，把第一
階段的產(chǎn)物單糖、氨基酸、脂肪酸進一步轉(zhuǎn)化為氫、
二氧化碳和乙酸；第三階段，通過兩組生理物性上不
同的產(chǎn)甲烷菌的作用，將所產(chǎn)生的氫和二氧化碳轉(zhuǎn)
化為甲烷，或?qū)σ宜徇M行脫羧產(chǎn)生甲烷-4]。影響污
泥厭氧消化的主要因素是發(fā)酵溫度和酸度，以及污
泥的碳氮比、濃度和投配率等E 。
(1)溫度溫度是影響污泥消化的主要因素。
當(dāng)消化的溫度適宜時，細(xì)菌的活力高、有機物分解完
全、產(chǎn)氣量大。不同的厭氧菌種分解有機物的溫度也
不同，根據(jù)適宜分解溫度的不同污泥厭氧消化可分為
中溫消化(3o~38℃)和高溫消化(50～57℃)。其中
高溫消化所需加熱生污泥的熱量大，消化池與環(huán)境的
溫差大使得熱損失也大運行費用也高，穩(wěn)定性差，對
設(shè)備的結(jié)構(gòu)要求也高，因此高溫消化應(yīng)用受到限制。
中溫消化的產(chǎn)氣速率比較快，產(chǎn)氣量也比較大，而且
生成的浮渣也比較少、消化液與污泥的分離較容易，
因此工程項目大多采用中溫消化。
(2)pH值在厭氧消化過程中，污泥中的有機
物要先后經(jīng)過酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵，才能產(chǎn)生甲烷
和二氧化碳，污泥的pH值是隨著發(fā)酵的進程變化
的。其中酸性發(fā)酵過程產(chǎn)生乙酸，此過程最合適的
pH值為5．8；堿性發(fā)酵過程分解乙酸，最合適的pH
值為7．8。污泥厭氧消化過程中pH值隨進程而變
化，且具有自動調(diào)節(jié)的功能，因此無需過多干預(yù)。
(3)碳氮比厭氧消化池中，細(xì)菌的生長所需
營養(yǎng)由污泥提供，污泥中碳和氮是最重要的營養(yǎng)，它
們的配比直接影響到細(xì)菌的生長效果。例如碳氮比
太高，合成細(xì)胞的氮源就會不足，消化液的緩沖能力
低，pH值容易降低；碳氮比太低，含氮量過多，銨鹽
就容易積累，抑制有機物分解，pH值上升。
(4)污泥接種污泥消化過程需要兼性厭氧菌
和專性厭氧菌。如果污泥中厭氧菌數(shù)量多且菌種在
消化過程中產(chǎn)生的有害代謝產(chǎn)物較少，消化效果就
比較好。為了有利接種和培養(yǎng)消化菌，部分污泥先
要堆漚成為接種污泥。接種污泥在消化罐中的填
充，每1 m3消化罐容積的泥漿固體含量一般不低于
lO ，并且總填充量不大于反應(yīng)器容積60 。
(5)投配率投配率即每日投加新鮮污泥體積
占消化池有效容積的百分比，是影響污泥厭氧消化
效果的重要因素之一。投配率增大，有機物的分解
比例小，產(chǎn)氣量下降；投配率小，有機物分解程度高，
產(chǎn)氣量增加，但是處理同量污泥所需的消化池體積
大，基建費用高。根據(jù)經(jīng)驗中溫消化的投配率以
5 ～8 為宜，相應(yīng)的消化時間為12~20 d。
2 中試方案
2．1 中試設(shè)備
中試設(shè)備中的測定儀器和試驗設(shè)備包括紅外污
泥水分分析儀(用于分析污泥水分含量，同時也就得
到了污泥的含固率)、馬弗爐(配合分析天平，可測定
污泥中的揮發(fā)份含量)、氧彈熱值測量儀(用于測量
污泥的熱值)，另外還有便攜式PH值測量儀、甲烷
分析儀和用來分析水中COD和氨、氮含量的水質(zhì)
分析儀[63。中試裝置和工藝流程如圖1，消化裝置
規(guī)模較大，與實驗室裝置相比更接近工程項目實際
使用的設(shè)備。試驗裝置可以分為調(diào)漿、厭氧消化罐、
沼液收集和沼氣收集4個部分，中試和測定工作按
照這4個部分分步進行，其中厭氧消化罐是核心
部分。
2．2 中試過程
中試前的準(zhǔn)備工作，包括厭氧菌的培養(yǎng)、調(diào)漿和
進料。
(1)厭氧茵的培養(yǎng)準(zhǔn)備生牛糞、污泥和少量
營養(yǎng)劑，將其分層堆放，并用塑料布包裹堆漚7天左
右。中試開始時，將培養(yǎng)好的混合物從厭氧罐的人
孔處送到罐底，鋪設(shè)均勻。
(2)調(diào)漿要求按照固體的質(zhì)量含量(TS濃
度)3 調(diào)漿，為此必須根據(jù)泥樣測定得到的TS濃
度折算出每次調(diào)漿需要加入的污泥質(zhì)量，然后按照
1％o的質(zhì)量比投入營養(yǎng)劑，最后加入適量的調(diào)配水并
通過機械方式攪拌均勻。
(3)進料把經(jīng)過調(diào)漿的污泥送到厭氧罐，每
天加注4次，分3天將厭氧罐注滿，同時對污泥的性
潘志勇等：污泥處理過程中的沼氣回收試驗
圖1 沼氣中試工程工藝流程
質(zhì)進行測試。
厭氧罐注滿后7天為運行的啟動階段，每天補
入一定量的料液(TS濃度約3 )，起到攪拌作用。
7天啟動階段過后試驗進入正常運行階段，在運行
階段連續(xù)檢測厭氧罐的溫度、壓力和產(chǎn)氣量，并從厭
氧罐的3個采樣口取樣，測定罐中的PH值以及氨、
氮和COD的含量。
3 中試數(shù)據(jù)分析
圖2為中試時甲烷產(chǎn)量、溫度和pH值的記錄。
圖3為前一天8：3O到第二天8：3O的24 h的產(chǎn)氣
量。圖4為24 h產(chǎn)氣量對應(yīng)的甲烷濃度的曲線。
圖5為從厭氧罐中部、底部和頂部清液采樣的的試
樣，所含COD值隨時間變化的測定結(jié)果。
器詈譽 弓 獸答系g 苫一葛 蠹
0 — 0 一一0 一一0 __ 0 0 0 — 0 — 0 0
甲烷日產(chǎn)量
圖2 溫度pH值與對應(yīng)產(chǎn)生甲烷量
從圖2可以看到，溫度是影響消化的主要因素
之一。溫度高的點相應(yīng)的甲烷日產(chǎn)氣量也高。試驗
過程中溫度的變化范圍為23~30℃，溫度升高甲烷
的產(chǎn)量增加，反之減少。
運行過程中pH值變化范圍為6．79～7．35，如
圖2所示，穩(wěn)定性比較好。通過污泥COD去除率和
產(chǎn)生的沼氣量判斷，厭氧過程能夠?qū)崿F(xiàn)自身調(diào)節(jié)，不
· 278 ·
2 3 4 5 6 7 8 9 l0lI l2I314l5l6171 8l9 20
日期
圖3 日產(chǎn)氣量變化曲線
00}
，．
一
。 毫= 毒黃q 垂 1q 囊q 未 穹
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1O l1 l2 13 l4 l5 l6 l7
采樣日期
圖5 COD隨時間的變化
必投加藥劑。
圖3所示為日產(chǎn)氣量的變化。正常連續(xù)加料情
況下，產(chǎn)氣量比較穩(wěn)定。后期出于驗證的目的，停止
2 8 6 4 2 L 8 6 4 2 O
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潘志勇等：污泥處理過程中的沼氣回收試驗
加料一天，導(dǎo)致產(chǎn)氣量波動比較大。因此，連續(xù)加料
是保證產(chǎn)氣穩(wěn)定的必要條件。
產(chǎn)氣量和氣體組成是厭氧消化的重要指標(biāo)。圖
4表明本次中試沼氣中甲烷的濃度比較高，但產(chǎn)氣
量略低。由pH值分析可知，一些大分子物質(zhì)在酸
性發(fā)酵過程中沒能被充分的降解，導(dǎo)致COD去除
率偏低。另外，攪拌也是影響產(chǎn)氣量的重要因素之
一
，內(nèi)循環(huán)攪拌時，產(chǎn)氣量明顯的增加。
從圖5中可以看出，清液和中部的C0D去除效
果比較好，COD去除率為5O％～65 。底部COD
值的劇烈變化也體現(xiàn)了攪拌的效果。
4 中試過程中發(fā)現(xiàn)的問題
與實驗室裝置相比中試裝置更接近工程設(shè)備，
因此中試的結(jié)果包括運行參數(shù)和效果對工程項目的
設(shè)計更有參考價值，特別是中試還能暴露一些項目
在實際運行時可能出現(xiàn)的問題，這些問題在實驗室
的試驗中是無法發(fā)現(xiàn)的。
(1)污泥的攪拌問題為了讓污泥在厭氧罐中
發(fā)酵良好，必須充分?jǐn)嚢韫拗械娜课勰?。蛋形?
氧罐雖然有利于污泥攪拌，但是費用比較高，受經(jīng)費
限制本次中試裝置采用比較簡單的圓柱罐。圓柱形
厭氧罐帶來的問題就是存在攪拌死角，因此需要增
加攪拌次數(shù)。
(2)投配率投配率是影響污泥厭氧消化最重
要的因素之一。投配率過大厭氧罐中的有機物太
多，在厭氧消化過程中容易發(fā)生酸化，易導(dǎo)致系統(tǒng)無
法連續(xù)運行，且COD降解也比較困難；投配率過
小，有機物分解比較充分，產(chǎn)氣中甲烷的濃度也比較
高，但是因為罐中的有機物不夠多產(chǎn)氣量過低。
(3)有機物負(fù)荷率有機物負(fù)荷率是指單位厭
氧罐體積每天加入污泥中有機物的總量。有機物負(fù)
荷率是否適中將直接影響消化罐對COD去除率的
高低，負(fù)荷過大將直接造成消化罐酸化。
(4)管路堵塞污泥輸送過程容易發(fā)生管路堵
塞問題，應(yīng)該適當(dāng)?shù)脑龃蠊苈返耐◤胶驮黾訖z測堵
塞的設(shè)備。
5 總結(jié)
在福州紅廟嶺垃圾填埋場實地進行的污泥厭氧
消化中試，由于試驗的規(guī)模比較接近工程應(yīng)用項目，
且中試的對象和環(huán)境與工程應(yīng)用項目相同，其結(jié)果
應(yīng)當(dāng)可以指導(dǎo)工程項目的設(shè)計或者評估。中試還暴
露了工程項目運行時可能出現(xiàn)的一些問題，而這些
問題在實驗室研究時往往被忽略或者根本無法預(yù)
料，也對工程項目的設(shè)計、設(shè)備制造和運行工藝的確
定提供了參考依據(jù)。總之該中試工作是成功的，所
得結(jié)果對實際應(yīng)用的設(shè)計和運行工作很有意義。
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(上接第275頁)
進擾動觀測法和增量電導(dǎo)法，利用模型這兩種算法
和一般的恒定電壓法進行了最大功率點跟蹤的仿
真。通過光照突變時跟蹤過程仿真結(jié)果的比較，可
以認(rèn)為改進后的擾動觀測法和增量電導(dǎo)法對光照突
變的響應(yīng)都比較理想，其中改進的擾動觀測法雖然
在理論上比增量電導(dǎo)法略微差些，但是算法相對簡
單更容易實現(xiàn)，可以推薦作為三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系
統(tǒng)的逆變器最大功率跟蹤點首選控制算法。特別是
本文采用了三相并網(wǎng)運行光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模
型，得到的結(jié)論更適合作為實際應(yīng)用參考。
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