污泥消化的设计原则-有机负荷、污泥泥龄和消化时间

6.3.1.1 污泥厌氧消化

（1）厌氧消化的原理

所谓厌氧消化指的是污泥中的有机成分在无氧的条件下和厌氧细菌发生作用，最终厌氧细菌将有机物质分解为甲烷和二氧化碳。这种污水处理方法较为经济，也是国际上常用的污泥处理方式之一。

厌氧消化主要分为以下三个阶段。

第一阶段，污泥中的有机物质经过水解和发酵的作用，促使碳水化合物、蛋白质、脂肪等转化为单糖、氨基酸以及甘油和二氧化碳等。这一阶段主要有细菌、原生动物和真菌参与了反应，故它们又被称为水解和发酵细菌。

第二阶段主要是第一阶段产物在产氢产乙酸菌的作用下发生转化。产氢产乙酸菌将第一阶段的产物转化为氢、二氧化碳和乙酸。这一阶段主要参与反应的微生物为产氢产乙酸菌和同类乙酸菌。

第三阶段主要是在两组性质不同的产甲烷菌的作用下，把氢、二氧化碳转化为甲烷或对乙酸脱羧产生甲烷发酵阶段，脂肪酸在专性厌氧菌-产甲烷的作用下转化为CH4和CO2。

其过程如图6-9所示。

（2）影响厌氧消化的因素

甲烷的发酵阶段是厌氧消化的中心环节，影响厌氧消化的因素如下。

①温度。根据甲烷菌对温度的适应程度，可将甲烷菌分为中温甲烷菌（30℃～36℃）和高温甲烷菌（50℃～53℃）。随两区间的温度上升，消化速度却下降。温度还影响消化的有机负荷、产气量和消化时间。

图6-9　有机物厌氧消化模式图

②生物固体停留时间（污泥龄）与负荷。有机物降解程度是污泥泥龄的函数，而不是进水有机物的函数。消化池的容积设计应按有机负荷、污泥泥龄和消化时间来设计。

③搅拌和混合。厌氧消化的原理是细菌体的内酶、外酶与底物接触反应，所以反应时必须混合均匀。常采用的搅拌方法有消化气循环搅拌法、混合搅拌法和泵加水射器搅拌法。

④营养和C/N（碳氮化）。微生物的生长所需要的营养物质由污泥提供。相关研究表明C/N在（10～20）∶1可保证正常的消化，如果C/N过高，氮源不足，pH容易下降；如果C/N过低，铵盐积累，抑制消化。

⑤氮的守恒和转化。在厌氧消化池中，保持氮的平衡是非常重要的。虽然所有的硝酸盐都被还原成氮气并存在于消化气中，但是氮仍然存在于系统中。由于细胞的增殖很少，只有很少的氮转化到细胞中去，大部分可生物降解的氮都转化为消化液中的NH3，所以消化液中的氮的浓度普遍高于进入消化池的原污泥。

⑥有毒物质。有毒物质对消化菌有着强烈的影响，表6-5列举了部分有毒物质对消化菌影响的毒阈浓度，一旦超过此浓度，消化菌的生存会受到强烈的抑制，甚至会被杀死。

表6-5　一些有毒物质的毒阈浓度

（3）厌氧消化的运行方式

消化池的运行方式主要有一级消化、多级消化（常用二级消化）和厌氧接触消化三种。

①一级消化。一级消化是指一般消化，常常是将几个同样的消化池并联起来，每个消化池各自单独完成全部的消化过程。其工艺特点为：采用新鲜污泥在投配池内预热和消化池内蒸汽直接加热相结合的方法加热污泥，以池内预热为主。采用沼气循环搅拌方式进行消化池搅拌。消化池产生的沼气供锅炉燃烧，锅炉产生蒸汽除用于消化池加热外，并入车间热网供生活用气。(www.xing528.com)

②二级消化。由于污泥中消化有机物分解程度为45%～55%，消化后不够稳定，并且熟污泥的含水率较新鲜污泥高，增大了后续处理的负荷。为了解决上述问题，可将消化一分为二，污泥在第一消化池中消化到一定程度后，再转入第二消化池，以便利用余热进一步消化有机物，这种运行方式为二级消化。

二级消化过程中，污泥消化在两个池子中完成，其中第一消化池有集气罩、加热搅拌设备，不排除上清液，消化时间为7～10d。第二消化池不加热、不搅拌，仅利用余热继续进行消化，消化温度约为20℃～26℃。由于第二消化池不搅拌，还可以起到污泥浓缩的作用。二级消化池的总容积大致等于一级消化池的容积，两级各占1/2，加热所需的热量及电耗都较省。

③厌氧接触消化。由于消化时间受甲烷细菌分解消化速度控制，因此如果用回流熟污泥的方法，可以增加消化池中甲烷细菌的数量和停留时间，相对降低挥发物和细菌数的比值，从而加快分解速度，这种运行方式叫作厌氧接触消化。厌氧接触消化系统中设有污泥均衡池、真空脱气器和熟污泥的回流设备。回流量为投配污泥量的1～3倍。采用这种方式运行，由于消化池中甲烷菌的数量增加，有机物的分解速度增大，消化时间可以缩短12～24h。

6.3.1.2 污泥好氧消化

污泥厌氧消化运行管理要求高，消化池需密闭，池容大，池数多，因此污泥量不大时可采用好氧消化，即在不投加其他底物条件下，对污泥进行较长时间曝气，使污泥中的微生物处于内源呼吸阶段进行自身氧化。但由于好氧消化需投加曝气设备，能耗大，因此多用于小型污水处理厂。

（1）好氧消化原理

污泥好氧消化处于内源呼吸阶段，细胞质反应为：

由反应式可以得出：氧化1kg细胞质需要约2kg氧。处理过程中由于pH降低，因此要调节碱度。池内的溶解氧不能低于2mg/L，并应使污泥保持悬浮状态，因此必须要有足够的搅拌强度。污泥含水率在95%左右，以便搅拌。

（2）好氧消化池的构造

好氧消化池在构造上和完全混合式活性污泥曝气池的构造十分类似，其构造图如图6-10所示。好氧消化池的主要部分为：①消化室，消化室的主要作用是进行污泥消化。②污泥分离室，污泥分离室的作用是回流污泥沉淀并排出上清液。③消化污泥排除管，是污泥排除的通道。④曝气系统，曝气系统由压缩空气管与中心导流筒组成，提供氧气并对污泥进行搅拌。

消化池底坡i不小于0.25，水深决定于鼓风机的风压，一般采用3～4m。

图6-10　好氧消化池的构造

（3）好氧消化池的设计

好氧消化池的设计参数见表6-6。

①以有机负荷S为参数计算V。

好氧消化池的容积计算式为：

式中，Q0为进入好氧消化池生污泥量，单位为m3/d；X0为污泥中原有生物可降解挥发性固体浓度，单位为g·VSS/L；S为有机负荷，单位为kg·VSS/（m3·d）。

表6-6　好氧消化池设计参数

②好氧消化空气量的计算。

好氧消化所需空气量满足两个方面的需要：其一满足细胞物质自身氧化需要，当活性污泥进行好氧消化时，自身氧化需气量为0.015～0.02m3/（min·m3），当初次沉淀污泥与活性污泥混合时，自身氧化需气量为0.025～0.03m3/（min·m3）；其二是满足搅拌混合需气量，当污泥为活性污泥时，需气量为0.02～0.04m3/（min·m3），当污泥为混合污泥时，需气量为不少于0.06m3/（min·m3）。由此可见，混合污泥的需气量大于活性污泥，因此在工程设计中，要计算好这一指标。