太阳池辅热下污泥厌氧消化产沼气研究

吴志跃，张 敏，程芳琴，张国栋

（山西大学资源与环境工程研究所，国家环境保护煤炭废弃物资源化高效利用技术重点试验室，山西资源循环与生态环境创新基地，山西太原030006）

太阳池辅热下污泥厌氧消化产沼气研究

吴志跃，张 敏，程芳琴，张国栋

（山西大学资源与环境工程研究所，国家环境保护煤炭废弃物资源化高效利用技术重点试验室，山西资源循环与生态环境创新基地，山西太原030006）

沼气是污泥厌氧消化过程中最主要的产物，也是一种清洁的可再生能源，提高沼气产量可以有效改善农村和社区能源利用结构。利用太阳池对污泥厌氧消化供热，研究沼气累积产量、日产气量及沼气中甲烷含量变化情况。结果显示，耦合系统沼气累积产量已经达到了18 505 mL，是理论值的24.67%，日平均产气量为616.8 mL，沼气中CH4平均含量为58.13%；对照系统沼气累积产量为3 943 mL，是理论值的10.66%，日平均产气量131.4 mL，沼气中CH4平均含量为53.68%。表明太阳池可使污泥中有机物质得到有效降解，沼气产量是对照的4.69倍。

太阳池；污泥；厌氧消化；沼气

随着我国城镇化步伐的加快，到“十二五”末期，全国新增污水处理量接近5 000万m3/d。而污泥是污水处理过程中最主要的固体废弃物[1]，其产量占到了污水总量的0.5%～1.0%[2]，使得污泥的产量也相当巨大。目前，国内外对污泥的处理方式主要有排海、填埋、焚烧、堆肥等[3]。随着国家对环境保护力度的加大，陆续出台了相关的法规提高污泥处理的标准。污泥排海、填埋处理方法对环境危害较大，受到了严格限制；污泥焚烧也会造成一定程度的环境污染以及能源消耗，也不被提倡；而普通的堆肥方式不仅发酵周期较长、占用大量土地面积，而且不能满足严格的污泥农用要求。现在最广泛的污泥处理技术仍然是厌氧消化工艺，其不仅可以使污泥处理后的体积减少30%～50%，实现污泥的减量化，而且可以实现污泥的资源化，主要表现在产生沼气资源以及将发酵后的熟化污泥作为农田肥料[4]。

污泥厌氧消化是一个非常复杂的过程，在厌氧条件下，絮体内微生物将污泥中的可生物降解有机固体物转化为CH4和CO2等终产物。整个过程主要分为3个阶段：水解阶段，将不溶性的有机物和高分子化合物降解成水溶性有机物质，是厌氧消化的限速步骤；酸化阶段，将水解过程中形成的有机物质由产乙酸菌消化产生乙酸以及CO2和H2；产甲烷阶段，其发生在整个消化过程末端，在产甲烷菌作用下将乙酸、CO2和H2转化为甲烷。在温度较高的环境下可以促进细胞的裂解[5]，加快消化反应的速率，提高沼气产量。目前对怎样增加沼气产量的报道很多。Appels等[6]研究了分别在70，80，90℃条件下对污泥进行热预处理，结果表明，有机物得到了有效溶解，且温度越高、处理时间越长效果越好，当处理温度达到90℃、时间为60 min时，其产气量明显上升，是之前的20倍。Fdz-Polanco等[7]通过在30 W/mL的声能密度下对污泥预处理，使沼气量增加42%。徐霞等[8]在中温（35±1）℃和高温（55± 1）℃条件下，对生活垃圾和剩余污泥混合物进行厌氧消化，结果显示，在高温条件下化学需氧里（COD）和挥发性固体（VS）的去除率分别为73.22%，66.81%，比中温下分别提高了8.17，10.76百分点；而高温条件下日产沼气量比中温条件下提高了14.08%。Cavinato等[9]通过试验，每天改变反应器内的温度（从中温37℃到高温55℃）对污泥进行处理，结果显示，每千克挥发性固体（VS）的沼气产量从0.34 m3升到0.49 m3，每立方米体积的污泥产气速率从0.53 m3/d提高到0.78 m3/d，且能得到优质肥料。孟成林等[10]利用温室和太阳能热水器组合系统对污泥进行加温消化处理，实现了其高效稳定运行，表现出良好的增温保温效果，在春、夏、秋3季的温度分别提高了13.0～28.5，15.0～26.5和10.7～12.2℃，而其沼气累积量分别上升了176.1%，98.8%和109.9%。

众多研究表明，在污泥厌氧消化工艺中，有效降低化石能源消耗且增加沼气回收率是最主要的目的，不仅可以降低污泥处理成本，还可以有效地缓解农用能源紧张的局面。早在1986年就有研究提出了利用太阳能对沼气厂进行辅助加热来提高沼气产量[11]，特别是在冬季温度较低的情况下。太阳池正是一种可以吸收太阳能并将辐射能转化为热能的技术，可以实现热能的长期跨季节储存。

自从科学家Kalecsinsky提出了太阳池的设想之后[12-13]，经过100多年的发展，太阳池已经得到了广泛应用。通常太阳池由3个区域组成：上对流层（UCZ）、非对流层（NCZ）和下对流层（LCZ）。UCZ处于太阳池的最上层，其相对较薄且几乎由清水构成；NCZ处于UCZ和LCZ之间，其盐浓度相对于UCZ是逐渐增大的，同时也是LCZ的热绝缘层；LCZ处于太阳池的最底部，其盐浓度最大，且没有盐梯度。如果NCZ的浓度梯度足够大，将不会发生盐溶液对流，减少热量散失，使吸收的能量存储在LCZ中。由于水溶液不能作为红外光谱的介质，所以当太阳辐射在太阳池上时，只有部分可见光能通过UCZ的表层进入到底层，而另一部分可见光由于表层反射返回大气。由于水的导热性差，使得LCZ的能量散失主要是通过池体传导到周围环境，散失的这部分能量很少，所以，在长时间的太阳照射下LCZ的温度可以持续地升高，达到一定的值。Tundee等[14]在研究利用热交换器提取太阳池储热层热量的试验中，池底与表面的温差可以高达50～60℃。

本研究提出将污泥厌氧消化技术和太阳池技术相耦合，利用太阳池对消化系统供热，提高污泥的消化温度，从而增加污泥厌氧消化产沼气量及提高沼气中甲烷含量，实现在污泥常规处理过程中降低化石燃料和电能消耗的同时，增加高热值沼气的回收及有机肥料的生产，将有助于改善我国污水污泥处理行业的能源利用结构。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验中所用的污泥均取自太原市某大型污水处理厂，该厂的日处理污水能力为16.64万t，污水处理工艺为活性污泥法，污泥处理工艺为中温厌氧消化法。将取回的污泥静置24 h左右，虹吸掉污泥上层清液，置于4℃冰箱内冷藏备用，使用时间为30 d。剩余污泥样品的各指标列于表1。

表1 二沉池剩余污泥特性

1.2 试验装置

太阳池主要有2个部分：构筑物、盐梯度层。太阳池的主体是由混凝土构筑而成的深0.3 m、坡度为30°的倒四棱台的敞口式结构。为了提高其保温性能及避免盐水渗漏，在混凝土表层从下向上依次设计了5 cm厚的橡塑保温棉、0.3 mm薄钢板焊接而成的防渗层、防止钢板生锈的防锈漆、增加集热效果的黑色塑料薄膜。盐梯度层的铺设：下对流层为25%的盐水，厚度为0.2 m；非对流层由10%的盐水组成，层厚为5 cm；上对流层则布设了3～5 cm的淡水。图1为太阳池的结构示意图。

厌氧消化反应器是直径为0.2 m，高为0.2 m的空心圆柱体，材质为不锈钢。反应器示意图如图2所示。反应器上设有搅拌孔、集气孔、采样孔、测温孔、连续进样孔、连续出样孔，气样和泥样的传送装置均由橡胶管和玻璃管组装而成。搅拌装置采用骠马牌的JB90-D型的电动搅拌机，其功率为90 W，转速为100～1 400 r/min。

太阳池与厌氧消化耦合装置就是将厌氧反应器置于太阳池内（图3）。采用热传递的方式将太阳池下对流层中的热量通过反应器传给污泥。取样、进样口连接传输泵，集气孔连接集气系统。

1.3 试验方法

1.3.1 污泥前处理 在污泥消化前，将冷藏的污泥样品用孔隙较大的滤网将其中的大固体不溶有机物过滤掉，防止其影响产沼气效果及各指标测量准确性。

1.3.2 太阳池对厌氧消化反应器辅热试验 在2个相同的反应器内分别注入预处理后的污泥5 L，密封。将其中一个反应器放入太阳池内，由于设计的罐体高度和下对流层层厚相近，有利于反应器获得更高、更稳定的热量来维持污泥的厌氧消化。调整反应器位置并固定，搅拌速率设置为50 r/min，搅拌时间设定为每小时运行40 min。将产气孔与集气装置用塑胶软管连接，温度探头固定并深入反应器内，进样孔与传送泵连接。装置固定好后，试漏，最后将配制好的25%，10%的NaCl溶液通过布水器从下到上以100 mL/min的速率缓慢逐层布入水池。而在对照试验中，将反应器的各项设置参数与耦合试验中反应器相同，不同条件的是将其置于环境温度下，没有对其进行额外能量的供应。

1.4 测定项目及方法

温度采用温度记录仪测定；沼气量采用排水集气法测定；总化学需氧量（TCOD）[15]采用重铬酸钾法测定；沼气组分分析采用气相色谱法进行。

2 结果与分析

2.1 2个系统温度变化情况

从图4可以看出，耦合系统反应器内的污泥温度与对照反应器内有明显的差异。由于耦合系统内有太阳池的辅热，使得其反应温度在第1天迅速升高，在52 h后温度升至45℃，68 h后升至50℃，然后其温度基本稳定在（51.58±1.46）℃（24 h内的温度波动范围为0.1～3.5℃），且最高温达到了54.1℃，而在第10～12天，第17～20天出现了连续阴雨天气，使耦合系统内温度出现一定的降温，但随着天气好转温度升至正常水平。对照反应器内温度直接受环境温度影响，造成昼夜温差波动较大，波动幅度为3～10℃，基本保持在19～35℃。试验结果表明，太阳池与厌氧消化反应器耦合可以为污泥消化提供较高的反应温度条件，即使在晚上也能保持较高的消化温度，有利于提高微生物酶活性，特别对于产甲烷化阶段，可加速沼气的生成。

2.2 TCOD降解率对比从图5可以看出，2组试验中TCOD质量浓度均出现了明显的下降趋势。但耦合系统的污泥流出样的TCOD质量浓度下降更多，从初始的（30 090± 994）mg/L下降到了（14 878±446）mg/L，降解率达到了50.55%±3.19%，在运行的第0～12天，其TCOD降解的速率最高，为1 010.17 mg/（L·d），12 d以后降解速率逐渐趋于缓慢，TCOD的平均降解速率为588.23 mg/（L·d）。而对照系统内温度不稳定，使得敏感性微生物数量受到抑制，导致污泥的水解过程受阻，TCOD质量浓度从初始的（30 090±994）mg/L下降到（22 730±824）mg/L，整个过程中TCOD降解率只有24.46%±2.45%，是耦合系统TCOD降解率的48.39%，平均降解速率为（245.33±1.83）mg/（L·d）。结果表明，与对照反应器相比，耦合反应器内温度高且波动范围较小，污泥中微生物表现更活跃，胞外降解酶、水解酶等酶的活性更高，使消化各阶段的反应速率加快，提高了TCOD降解率。而TCOD浓度的高效降解更有利于作为农田肥料使用。

2.3 沼气累积量对比

经过不同条件下对污泥消化处理后，沼气的累积量变化如图6所示。由图6可知，在有太阳池辅助作用下的反应器比对照组内沼气累积量多，且差距明显，二者的总产气量分别为18 505，3 943 mL，前者是后者的4.69倍。在整个运行过程中，耦合反应器中产生的沼气净积累量始终高于独立反应器内的产气量。从耦合系统沼气累积量的变化趋势可以将其分为4个阶段：在开始运行后的0～4 d，耦合系统内产气速率为1 070～1 890 mL/d，属于快速增长阶段；在运行的5～13 d产气速率有所减缓，产气速率为750～1470mL/d；14d～23d产气速率为170～655 mL/d；23 d以后的产气速率为0～150 mL/d。运行到第13天的沼气累积量为14 370 mL，达到了总产气量的77.65%，而到第23天的累积量已经达到了总产气量的97.35%。耦合系统在第4，13，23天的沼气累积量分别为同期对照系统沼气累积量的9.10，6.29，4.89倍。而耦合反应器内之所以产生了更多的沼气，最可能是由于在太阳池辅热作用下厌氧反应器内拥有更适宜的厌氧消化环境，使得有机物水解更彻底，为产甲烷菌生产沼气提供了更优异的环境。

2.4 理论产气量和试验值对比

理论沼气量是指全部的含碳有机物全部转化为CH4和CO2，沼气中的其他成分很少，估算时可忽略。而实际试验中还会有部分水蒸气以及H2S，NH3等。根据产沼气量和COD去除量的关系，每去除1 kg的COD会产生0.5 m3的沼气[16]，可以估算出耦合系统和对照系统内污泥的理论产气量分别为7.5，3.7 L。图7显示了2个系统内试验产气量与理论产气量的对比，对照系统和耦合系统中的试验产气量分别占理论产气量的10.66%，24.67%。可能原因为污泥的消化性能较差，有机物真实降解率远低于理论值，与戴前进等[17]研究结果相吻合。

2.5 日产气量变化

2个系统内的沼气日产量变化如图8所示。在整个消化过程中，耦合系统内沼气的日产量先迅速增大后逐渐减小，到运行末期日产量接近于0。而对照系统内的沼气日产量的波动幅度很大，出现了2个峰值，平均日产量与耦合系统相比具有较大的差距。

在厌氧消化的前5 d，耦合系统内沼气日产量从260 mL迅速上升，第5天达到峰值（1 890 mL），第5天产气量是最初产气量的7.27倍，增长率为326 mL/d。说明在这个阶段，耦合系统内较高的反应温度起到了关键作用，加速了有机物质的水解，给产甲烷菌提供了充足的底物。运行5 d后日产气量开始下降，在5～20 d下降速率比较快，20 d达到114 mL/d，20 d后下降逐渐变慢，下降速率仅为18 mL/d。主要是由于污泥停留时间增加，不利于产酸菌的活动，相反却利于产甲烷菌数量的增加，但水解酸化产生的小分子有机物减少，使得沼气减产。有研究表明，产甲烷菌对突然的温度变化非常敏感[18]，温度的剧烈变化会影响沼气的产量。而对照系统内的温度变化幅度较大，对沼气生成产生强烈的抑制作用[19]，其日产气量的峰值出现在消化反应的第7天，达到了498 mL。由于对照系统受环境温度影响比较大，在整个周期中阴雨天气使得反应温度出现较大的波动，甚至出现了2次不产气的情况。

2.6 沼气中甲烷成分分析

由图9可知，2个系统的沼气中CH4含量整体呈上升趋势，而且耦合系统内的CH4含量始终比对照系统内的高。耦合系统所产沼气中CH4的含量在第21天达到峰值，为60.7%，之后沼气中CH4含量变化不大。而对照系统内沼气中CH4含量并未达到峰值。分析其原因，可能为后期的产甲烷菌数量更多更活跃，产生了更多的CH4，而耦合系统内出现了小分子物质的浓度不再增长并开始逐渐降低，已经不能满足产甲烷菌的需求，相反，对照系统内的小分子有机物仍在生成，可以满足该系统内产甲烷菌的需求。

3 结论

本研究利用太阳池作为污泥厌氧反应器的供热体进行试验，并与对照厌氧消化反应器消化效果进行对比，清晰地反映出对照系统内剩余活性污泥的厌氧消化效率很低，这与Appels等人的研究结果相符。相反地，温度较高且较稳定的耦合系统内的厌氧消化效率比较高，剩余污泥得到较充分水解并将易溶性有机碳转化为沼气。

本研究结果表明，在太阳池的辅热作用下，耦合系统内污泥的温度基本稳定在（51.58±1.46）℃。而对照系统内的温度波动较大，变化范围为19～35℃。表明耦合系统内具有更佳的温度条件。

耦合系统内反应器和独立反应器分别在高温和环境温度下进行了污泥消化反应。污泥TCOD浓度的变化以及产气量的情况直观地表明了污泥消化的效果。耦合系统在运行到第30天的出泥样TCOD的降解率为50.55%±3.19%，而对应的独立系统内的降解率仅有26.88%±3.45%，差距明显。

耦合系统和对照系统在沼气累积量方面有明显差距，总产气量分别为18 505，3 943 mL，分别是理论产气量的24.67%，10.66%，且耦合系统产气量是对照系统的4.69倍，说明耦合系统所处的高温且稳定的反应条件更有利于污泥水解、产甲烷阶段的反应。

在厌氧消化的前5 d，耦合系统内沼气日产量从260 mL迅速上升1 890 mL，第5天的沼气产量是最初的7.27倍。5 d后日产气量开始下降，在5～20 d下降速率比较快，下降速率为114 mL/d，20 d后下降逐渐变慢，下降速率为18 mL/d，日平均产气量为616.8 mL。而对照系统内的温度变化幅度较大，在消化反应的第7天，达到峰值498 mL，日平均产气量为131.4 mL，是耦合系统的20.3%。由于对照系统受环境温度影响较大，在整个周期中阴雨天气使得反应温度出现较大的波动，甚至出现了2次不产气的情况，耦合系统则几乎不受影响。

随着反应的进行，2个系统所产沼气中的CH4含量均呈上升趋势，而且耦合系统内的CH4含量始终比对照系统内的高。耦合系统内沼气中的CH4含量从前期的51.3%上升到后期的60.7%。而对照系统内沼气中 CH4含量从初期的 46.2%上升到56.8%，二者CH4含量的平均值分别为58.13%，53.68%。

这种耦合的工艺方式可以在农村借鉴推广，利用太阳池为沼气池或污泥厌氧消化池辅热，以提高沼气产量、延长沼气利用时间，从而改善农村或者社区的能源结构。

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《山西农业科学》编辑部

Study on Biogas Generation from Anaerobic Sludge Digestion with a Solar Pond

WU Zhi-yue，ZHANG Min，CHENG Fang-qin，ZHANG Guo-dong
（State Environmental Protection Key Laboratory on Efficient Resource-utilization Techniques of Coal Waste，Shanxi Innovation Hub of Resource Recycling and Ecological Engineering，Institute of Resources and Environment Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

Biogas is the most important product in anaerobic sludge digestion process,and is a clean and renewable energy. Improving the biogas production is effectively changing the energy structure in rural and community.This paper studied to provid the energy to sludge in anaerobic digestion reactor with a solar pond,the biogas cumulative production,daily specific biogas yields and the methane content in biogas.The results showed that the biogas cumulative production of the coupling system and the control system were 18 505,3 943 mL,respectively.It was accountable that 24.67%and 10.66%of theoretic specific biogas generation,respectively.The average daily specific biogas yields of the coupling system and the control system were 616.8,131.4 mL,respectively.The average CH4content in biogas of the two systems were 58.13%and 53.68%,respectively.It indicated that using the solar pond in anaerobic sludge digestion had been effectively degradation of sludge organic matter,and the biogas preduction was 4.69 times of the control.

solar pond;sludge;anaerobic digestion;biogas

X703.3

A

1002-2481（2016）05-0629-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.05.15

2016-03-20

国家国际科技合作专项（2012DFA91500）；国家自然科学基金青年科学基金项目（51408350）

吴志跃（1990-），男，山西长治人，在读硕士，研究方向：污泥厌氧消化处理。程芳琴为通信作者。