市政污泥与高浓度废弃物的厌氧共消化：一种生物质能源净产生的途径

Spyros G. Pavlostathis

(佐治亚理工学院土木与环境工程系，美国亚特兰大，GA 30332-0512)

市政污泥与高浓度废弃物的厌氧共消化：一种生物质能源净产生的途径

Spyros G. Pavlostathis

(佐治亚理工学院土木与环境工程系，美国亚特兰大，GA 30332-0512)

厌氧共消化是一种绿色、实用的回收废弃物中能源的技术。本文介绍了厌氧共消化技术的原理，并介绍了美国佐治亚州F. Wayne Hill水资源处理中心采用油脂废弃物（FOG）和含糖工业废水与市政污泥进行连续流厌氧共消化的实际应用案例。结果表明，厌氧共消化可显著提高甲烷产量达2倍以上，甲烷产量随着高浓度有机废弃物负荷率及厌氧消化反应器停留时间的延长而增加，且COD和VS降解率可保持在合理范围内，经济效益显著。

共消化；生物质能源；市政污泥

前言

生活污水中含有大量的水、能源和营养物质，人们越来越意识到生活污水中的大量资源若是能被有效利用将成为一笔巨大的财富，因此，如今生活污水处理技术的重点已经从污水的处理转移到了资源和能源的回收，污水处理厂的改良方向也朝着降低污水处理能耗和提高可再生能源产出的目标发展。

厌氧发酵不仅能够处理污水、污泥，还可以利用

其中的生物质产生能源。在中国的农村地区，人们常用生活污水、废弃物等发酵产生的沼气来为日常生活提供一部分能源[1,2]，这种传统技术与厌氧共消化技术的原理不谋而合[3]。厌氧消化技术发展至今已有150多年的历史，已是一种成熟的技术，大多数污水处理厂均选择厌氧发酵的方式作为生物能源的产能途径，用污水和污泥发酵来产生沼气。在美国，有一些污水处理厂会将产出的沼气与热电联产系统相结合，但热电联产系统需要足够大的进水流量，因此仅有不到10 %的污水处理厂采用了这种系统。由于认识到大部分市政污泥厌氧消化反应器运行负荷较低，现在越来越多的污水处理厂将市政污泥与高浓度有机废弃物共同发酵，来得到更大的能源产出和更高的运行效率。

1．厌氧共消化技术原理

有机物在微生物菌群的作用下经过发酵产生沼气是一个极其自然却又相当复杂的系列反应，如图1所示[4-6]。复杂的大分子有机物如多糖类物质、蛋白质和脂肪等首先经过水解、酸化菌群分解成小分子有机物，比如单糖、氨基酸、多肽及长链脂肪酸等。这些小分子有机物在产酸菌群的作用下分解为丁酸、丙酸和乙酸等短链脂肪酸及H2、CO2等气体，然后，在产氢产乙酸菌群的作用下进一步转化为乙酸及H2、CO2。H2和CO2也可能在氢利用产乙酸菌的作用下转化为乙酸。最终，H2、CO2和乙酸分别在两种不同的产甲烷菌的作用下产生甲烷。

市政污泥是污水处理厂在污水处理过程中的必然产物。未经恰当处理的污泥进入环境后，将给水体和大气带来二次污染，不但降低了污水处理厂的综合效益，而且对生态环境和人类的活动构成了严重的威胁。美国污水处理厂普遍采用厌氧消化工艺进行污泥处理，污泥进入消化池，经过20天左右的消化作用，约有50%的有机物被降解[7,8]。根据运行数据来看，初沉污泥在标准状态下的甲烷产量为175 – 263 m3@ STP/tonne COD fed，剩余活性污泥在标准状态下的甲烷产量为123 – 158 m3@ STP/tonne COD fed。初沉污泥与剩余污泥的甲烷产量平均比值约为1.6。

有机物发酵产生的沼气中甲烷的含量与发酵原料的有机组分密切相关。发酵原料中的有机物组分可以用基质中碳原子的平均氧化态来描述，其计算公式如下所示。

碳原子平均氧化态 (OS) = 4–1.5(COD/TOC)

在基质矿化完全、忽略微生物自身生长的情况下，有机物中碳原子的平均氧化态与产出沼气的甲烷含量关系如图2所示[9]。当原料中的碳原子均以无机形态存在时，产甲烷过程并不能发生，比如原料为尿素时，碳原子的平均氧化态为+4，产物即为100 %的CO2。随着原料中有机物含量的增加，即碳原子平均氧化态的降低，产物中的甲烷含量会逐渐升高。当发酵原料为碳水化合物、乙酸等时，理论上应产出50 %的CH4和50%的CO2。总体来说，符合CH4(%) = 100–12.5 (OS + 4)这一通式。

表1中列举了一些发酵原料的生物质生成量和气体产物的组分含量数据，与理论计算的结果基本一致。这一现象从原理上解释了将高浓度有机废弃物与市政污泥共同发酵能够提升消化过程产甲烷效率的原因，

为厌氧共消化技术提供了理论支持。厌氧共消化是一种非常绿色、实用的技术。利用污水处理厂的市政污泥与其他高浓度有机废弃物如餐厨垃圾、高浓度有机废水等进行共消化的过程后，可提升消化反应器运行效率，得到更多的生物质能源[10,11]。在设计厌氧共消化工艺时，应充分考虑发酵原料的毒性、所含病菌的类型和数量、生物可降解性以及是否易于操作等。

2．厌氧共消化技术应用案例

美国佐治亚州Gwinnett县的F. Wayne Hill水资源处理中心采用市政污泥进行了厌氧共消化试验。该污水处理厂的处理能力为190,000 m3/d，建设有五个蛋形反应器。厌氧共消化试验的目标是通过市政混合污泥与高浓度有机废弃物混合共同发酵来提高甲烷的产量。由于CO2排放量的限制，在消化反应器的设计过程中，能量的最大化并不是最终的目标，另外也要考虑工厂设计方面的限制。

试验研究了重力脱水油脂废弃物（LES FOG）、工业废水（WriW）、市政混合污泥（Sludge-mix，初沉污泥与剩余污泥的TS比为40 : 60）、Publix超市溶气浮选产生的浮渣（Publix DAF）、餐厅撇油池的油脂废弃物废物（Grease trap） 等五种有机废弃物，样品分析的数据见表2。由表2可见，FOG和WriW的TS、VS含量及VS/TS明显比市政污泥高。此外，污泥中有机组分以粗蛋白为主，FOG主要有机成分为脂类，而WriW主要有机成分为碳水化合物。五种高浓度有机废弃物的容积负荷率和水力停留时间（HRT）与总有机负荷率（Total OLR）的关系如图3所示。根据图3的结果，Publix DAF和Grease trap的有机负荷较低，其中Publix DAF还有一定毒性，因此不宜作为与市政污泥厌氧共消化的基质。

试验最终选取FOG和工业废水（IndW），首先研究了这两种高浓度有机废弃物（2.25 g COD/L）与初沉污泥（PS）、剩余污泥（TWAS）及混合污泥（Sludge-mix） 等市政污泥（4.5 g COD/L）的最终可降解性，结果如图4所示。FOG和IndW的甲烷产量明显比市政污泥高，其VS降解率分别可达85%和64%，远远高于市政污泥的30% ～ 50%。FOG和IndW产生的沼气中甲烷含量分别为80.7%和72.7%，也远远高于市政污泥的35.2% ～ 49.2%。由此可见，两种有机废弃物中有机组分的差异对于VS的降解和甲烷的产生均有很大的影响。

在上述试验基础上，分别采用FOG、IndW与sludge-mix进行了连续流厌氧共消化的试验。试验共设置了4个厌氧反应器，在不同的试验条件下分别独立运行（如表3所示），试验结果如表4所示。结果表明，通过厌氧共消化，甲烷的产量至少能达到市政污泥的两倍，而且产生的沼气和甲烷非常接近甚至超过污水处理厂的能量需求值。同时，厌氧共消化使

COD和VS的降解率增加多达10.9%。并且厌氧共消化反应器的出水与普通市政污泥单独消化反应出水并无二致，也不会影响到厌氧消化污泥的脱水性能。根据以上结果，预计F. Wayne Hill水资源处理中心最初启动时（日处理量为114000 m3/d）每年可以节约300 000美元的成本，当达到最大设计运行负荷后，日处理量可达228000 m3/d，届时每年可节约的成本为700 000美元，经济效益显著。

3．结论

市政污泥与高浓度有机废弃物的厌氧共消化可提高甲烷产生量，甲烷的产量随着高浓度有机废弃物负荷率及厌氧消化反应器停留时间的延长而增加，且COD和VS降解率可保持在合理范围内。

厌氧共消化技术的应用需要从厌氧消化系统的整体运行情况及整个污水处理厂的限制条件等角度全面考虑。

采用高浓度有机废弃物与市政污泥混合发酵时，应对高浓度有机废弃物的潜在毒性、最终生物可降解性和产甲烷势等方面进行预筛选和评估，以避免增加系统的不确定性，从而真正实现污水厂生物质能源的净生成。

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Anaerobic Co-Digestion of Municipal Sludge and High-Strength Waste: A Path to Net Bioenergy Production

Spyros G. Pavlostathis
（School of Civil and Environmental Engineering，Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332-0512, USA）

Anaerobic digestion, traditionally considered as a sludge stabilization process, is now being viewed as a major source of bioenergy production at municipal WWTPs via the conversion of sludge (and wastewater) to methane. The realization that most municipal anaerobic digesters are underloaded has led to adoption of co-digestion of municipal sludge and high-strength waste to increase both energy production and digester effciency. The paper reviews the basic principles of the anaerobic conversion of organic material to methane with focus on the anaerobic digestion of municipal sludge. The results of bench-scale studies on the co-digestion of mixed municipal sludge, fat-oil-grease (FOG), and other high-strength waste in terms of both increased methane production and solids destruction was discussed, along with the potential for cost savings/revenue generation.

co-digestion; bioenergy; municipal sludge

X703

A

1674-6252（2014）05-0047-05

Spyros G. Pavlostathis是美国佐治亚理工大学环境工程终身教授，美国环境工程师学会认证环境工程师（BCEEM），国际水协会（IWA）和水环境联合会（WEF）首届会士（Fellow）。Dr. Pavlostathis是环境生物技术和生物工艺工程领域国际公认的知名专家，在受污染环境的生物修复、市政及工业污废水的处理、特别是生物处理工艺的动力学和模型研究等方面具有深厚造诣。目前已在Environmental Science & Technology，Environmental Microbiology，Water Research及Biotechnology and Bioengineering等国际知名刊物上发表SCI论文130余篇。Dr. Pavlostathis是厌氧领域具有权威并得到广泛引用的综述文章Kinetics of Anaerobic Treatment和厌氧消化1号模型（ADM1）的主要作者.