浅谈剩余污泥资源化 利用— 以碳源 回用 为例

朱凤霞

清远市供排水处理中心

摘要：我国城镇污水处理厂普遍面临碳源不足的问题，在生物脱氮除磷工艺中需投加额外的碳源做以补充，这在一定程度上增加了污水处理厂运行负担。同时，大量生活污水处理后所产生的剩余污泥处理及处置问题仍未得到有效解决。且随着污水总氮和氨氮排放要求的提高，生物法脱氮除磷工艺的普遍应用，需要更为经济有效的污水及污泥处理处置方法。在生活污水脱单除磷系统中以剩余污泥水解酸化上清液作为低碳氮比的生活污水补充碳源，可有效缓解污水处理厂运营成本压力，同时实现剩余污泥的减量化和资源化。

关键词：水解酸化、污泥预处理、补充碳源、生物脱氮除磷

引言

生物法脱氮除磷因其经济有效的优点而被广泛的应用于我国城镇生活污水处理工艺中。我国城镇污水处理配套设施在不断完善，但部分地区污水管网漏损率仍较高，特别是在雨水较多的南方城市，雨污分流不够彻底，地下水渗漏的现象仍然存在，导致城镇污水处理厂进水负荷远低于设计值，不利于脱氮除磷工艺的运行，通常需要外加碳源(如乙酸、甲醇、葡萄糖等)。而投加外碳源会大大增加污水处理厂运行费用^[1]。同时，随着我国城镇生活污水收集与处理量逐年增加，处理工艺和设备不断改进，处理效果显著提升，但是随之而来的剩余污泥处理与处置问题仍未得到有效解决。污水厂产生的污泥量约占处理水量的0.3-0.5%左右(以含水率97%计)^[2]。大量的剩余污泥处理与处置费用在污水厂运行成本中所占的比例越来越大。因此利用剩余污泥在厌氧水解酸化阶段产生含高浓度碳源的上清液作为生物脱单除磷系统的补充碳源，一方面解决了污水处理进水碳源不足的问题，另一方面也实现了剩余污泥的资源化利用，一定程度上解决了剩余污泥的处理和处置问题。

二、污泥水解酸化原理

2.1 污泥厌氧消化理论

厌氧消化具有处理费用较低、有机物产出率高等优点，最终实现污泥稳定化。污泥厌氧消化是利用兼性及厌氧菌进行厌氧生化反应，分解污泥有机质，使之达到减量化和稳定化。消化产物可作为有机肥或者脱水后制作砖^[3]。污泥厌氧消化是目前较为常用的生物处理方式。无氧条件下，剩余污泥通过厌氧微生物将大的有机物分子分解为小分子有机物，如乙酸、丙酸、丁酸和乙醇等，最终分解为 CH₄、CO₂、H₂S 等气体。水解发酵阶段是在水解发酵菌的作用下，将污泥中的碳水化合物、蛋白质、脂肪水解发酵为单糖和氨基酸、脂肪酸等，释放出二氧化碳和氢气。产氢产乙酸阶段是在产氢产乙酸菌的作用下，将第一阶段的产物继续转化为氢气、二氧化碳和乙酸。

2.2 污泥水解酸化机理

污泥的水解酸化就是在厌氧条件下，控制厌氧发酵条件，通过水解、酸化菌作用将污泥有机质转化为挥发性脂肪酸等优质有机酸碳源。含有高浓度有机酸的污泥水解酸化液可作为补充碳源回用于生物脱单除磷系统，降低污水处理厂碳源投加成本，实现污泥资源化利用。污泥有机质的提取主要分为水解和酸化两个阶段：

第一阶段是水解阶段。在污水生物处理中，水解过程是指有机物通过细胞外水解酶的作用，将复杂的非溶解性的高分子聚合物转化为简单的溶解性单体或者二聚体的过程^[4]。污泥中高分子非溶解性有机物以胶体或悬浮固态存在，无法被细菌直接利用。污泥水解过程较为缓慢，因此是大分子有机物降解的限制因素。需通过污泥预处理对有机高分子聚合物进行破胞处理，释放有机质。

第二阶段是发酵产酸阶段。是指水解阶段产生的小分子化合物在微生物细胞内转化为以挥发性脂肪酸为主的末端产物^[5]。若能够将污泥厌氧消化过程控制在水解酸化阶段，则可以利用污泥水解酸化菌分解产生的挥发性脂肪酸作为污水生物脱氮除磷的碳源。水解酸化阶段与产甲烷阶段是由水解酸化菌与产甲烷菌两大类微生物来控制的，两类微生物具有不同的生理特性。通过改变控制条件来有效抑制产甲烷菌，而对产酸菌代谢影响不大，即可实现大量产酸，实现污泥的资源化与减量化。

三、污泥预处理及厌氧发酵产酸

4.1 污泥预处理

针对初沉污泥或剩余污泥进行发酵预处理，国内外学者已作了一些研究。通过加热预处理、热-碱预处理、超声波-臭氧氧化等预处理方式提高污泥破胞率，释放有机碳。有关污泥预处理的研究概况如表 1所示

表 1 国内外污泥预处理方法的研究概况一览表

预处理方法	考察因素	最佳条件	预处理结果
碱	p H，处理时间，污泥浓度	pH:13；处 理 时间:48h	VS 去除率:48.01%；TS去除率：40.40%
热-碱	p H 和温度	pH：11；温度 90℃处理时间：10h	VSS 去除率约 46%
热，化学，热- 化学	pH，温度和 HRT	pH：10，温度： 170℃；处理时间：30min	COD 去除率：71%； TS 去除率：59%
酶、机械和热	温度，酶和高压	（600Pa）热处理（121℃）	-
超声波，热和臭氧氧化	温度和臭氧剂量 热处理	（170℃）	COD 和 TS 溶 解 性 40-45%
湿法氧化	不同化学试剂	催化剂：Cu2+催化剂：H2O2	TOC 提高：75%；沉淀 固体去除率：80%
超声波和γ射线	温度和 HRT	温度：35℃；HRT：10d	可溶解性有机物浓度显 著提高

4.2污泥水解酸化及产酸强化

污泥厌氧发酵与所有的化学反应和生物化学反应一样，都受到温度、污泥停留时间、pH、C/N等因的影响^[6]。水解与发酵细菌对温度的适应性很强，在低温(10-30ºC)、中温(30-40ºC)、高温(50-60ºC)环境中都可以很好的生存。然而，较高的温度有利于水解发酵过程中有机物质的溶解和中间产物挥发性有机酸的生成。一般而言，水解发酵细菌及产氢产乙酸菌对 pH 的适应范围大致为 5-6.5，而产甲烷菌对 pH 的适应范围在 6.6-7.5 之间，即只允许在中性附近波动，如果 pH >8 或过低 pH<6，产甲烷作用就会受到抑制^[7]。通常，在连续运行且无污泥回流的污泥厌氧发酵装置内，水力停留时间实际上就是污泥的停留时间^[8]。

五、小结

污泥处置是世界范围内关注的环境问题。污泥如果处理不当而随意排入环境, 不仅会造成资源和能源的浪费, 而且有可能产生二次污染, 危害人身健康。且随着污水排放中氮磷等物质的排放标准日益严格，实现城市生活污水脱氮除磷经济最优化仍存在一系列的问题。剩余污泥中富含大量的有机质，通过污泥预处理技术及污泥厌氧发酵将可生化性有机质充分释放，用作为好氧脱氮除磷系统的补充碳源，实现资源的最优利用，，达到剩余污泥的资源化和减量化。

总之, 污泥的资源化利用及高效脱氮除磷在今后相当长的一段时间内将是我国污泥及污水处理的主要发展方向, 今后应加强宏观管理, 研究和推广经济上合理、技术上切实可行的实用技术, 从而实现资源的永续利用, 走可持续发展的道路。

参考文献

1[] P.Elefsiniotis, G.Wareham, M.O.Smith. Use of volatile fatty acids from an acid-phase digester

for denitrification[J]. Journal of biotechnology, 2004, 114:280-297.

2[] 苑宏英. 基于酸碱调节的剩余污泥水解酸化及其机理研究 [D].上海：同济大学，2006.

3[] 田强, 张同辉, 张洪成. 城市污水处理厂污泥制砖项目实践[J]. 中国给水排水, 2014(24):108-110.

4[] 张文哲,陈静,刘玉,肖本益.中温和高温厌氧消化的比较[J].化工展,2018,37(12):4853-4861.

5[] 丁雷,祁佩时,赵一先.水解酸化工艺效果评价体系研究[J].环境工程,2012,30(06):65-68.

6[] A. Khalid, M. Arshad, M. Anjum, et al. The anaerobic digestion of solid organic waste[J]. Waste Management. 2011, 31 (8): 1737-1744.

7[] U.C. Emine, O. Seba, D. O. Tas, et al. Influence of pH and temperature on soluble substrate generation with primarysludge fermentation [J]. Bioresource Technology. 2009, 100(1):380-386.

8[] 胡纪萃.废水厌氧生物处理理论与技术 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社 .2002:65-90.