天津东郊污水处理厂污泥厌氧消化理论产沼气量研究.docx

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天津东郊污水处理厂污泥厌氧消化理论产沼气量研究

天津东郊污水处理厂污泥厌氧消化理论产沼气量研究

2010-4-22作者：

管理员来源:

中国环境技术网

1东郊污水处理厂污泥厌氧消化的工况和原理

　　一般来说，污水经处理后，产生的污泥经过沉淀浓缩后，进入消化池进行厌氧消化处理。

这种消化分为两个阶段，一是水解酸化阶段，二是产甲烷（CH4）阶段。

该厂对污泥厌氧消化处理是在中温（33℃），加热，沼气搅拌的条件下的二级消化。

设有一级消化池四座，二级消化池一座，组成的分离式消化系统。

从功能上来讲，一级消化池是在中温和沼气搅拌条件下进行上述两个阶段的厌氧消化。

二级消化池是不加温、不搅拌情况下进行消化、沉淀浓缩。

最后排出污泥。

整个厌氧消化的过程是在有控制的条件下，兼性菌和CH4菌相互作用下，使酸性分解和碱性分解保持平衡，消化污泥呈弱碱性，来达到污泥中有机物不断被分解，产生沼气的目的。

2有机物含量与产沼气量的关系

　　沼气的产生及其产量的多少，是通过污泥中有机物的分解来实现的。

总的来说，有机物含量越低，其分解率就越低。

其含量越高分解率就越高。

据《污泥处置》中介绍，莫开泊（Mocabe）和埃根菲尔德（Eckenfelder）发现：

新鲜污泥中有机物含量与其分解程度的关系。

见图1，当新鲜污泥中有机物含量由55%增加到80%时有机物的分解程度（消化率）由35%增加到85%。

由此可见，有机物的含量的差别与其消化率的差别是很悬殊的。

　　东郊污水厂处理的污水中工业废水占72%，生活污水占28%，所以其泥质的特点是有机物含量很低。

其平均值是51～53%（干泥）左右。

从图1中查得的消化率最多也只有31.5%。

由此可知，该厂单位体积的污泥产气量也不会高。

　　存在于污泥中的有机物大致可以分为三类：

碳水化合物，脂肪和蛋白质。

它们都可以在厌氧消化过程中被微生物所分解。

产生CH4和CO2。

据《污水、污泥处理》一书介绍，它们各自每1克可能分解后产气量大致情况见表1（根据逻迪格资料）。

从表中可看出。

脂肪的产气量最高，CH4含量也高，碳水化合物的产气量偏少，且CH4含量最低，而蛋白质的产气量最低而CH4的含量最高。

另一方面，三种有机物的各自分解速度来说，以碳水化合物最高，脂肪次之，蛋白质最低。

因此，应根据污泥中这三种有机物各自的含量和在消化过程中的分解速度及分解率（消化率）来综合分析污泥的产气量和CH4、CO2的含量。

表1每一克有机物分解后的产气量有机物名称产气量ml/gCH4含量%CH4产量ml/gCO2含量%CO2产量ml/g碳水化合物95脂肪400蛋白质04

　　就三种有机物各自的分解率来讲，虽然碳水化合物的分解速度最高，但是若其中的纤维素，木质素所占的比例偏高时，那么，其最终的分解率也不是很高。

尤其是以工业废水为主的污泥，具有高碳水化合物，低脂肪的特点，但是碳水化合物的分解率却低于脂肪的，有时甚至低于蛋白质的分解率。

这也是该厂污泥厌氧消化的特点。

对污泥在消化前后这三种有机物的化验检测，就可知道各自的含量及其分解率，进而进一步推算出产气量和CH4，CO2的含量。

3从有机物分解的情况来计算污泥的产沼气量

　　在污泥中的有机物分解后，产生的沼气中最主要的成分是CH4和CO2，虽然其中也含有O2，N2，H2S，NH3等气体，但在运行正常的情况下，它们的含量极少，所以在推算产气量时，只考虑CH4和CO2的含量。

我们选取该厂有代表性的浓缩后进泥和一级消化池的出泥进行检测分析，泥质情况见表2-1。

表2-1东郊污水处理厂污泥消化前后的泥质情况

名　称

项　目

浓缩进泥消化污泥序号含水率%94.7996.651有机份%49.152.222干泥比重1.43971.40193湿泥比重1.01621.00974kg干泥的湿泥重量kg19..85075kg干泥的湿泥体积L（升）18..56396湿泥有机物含量　g/L25..66347干泥中碳水化合物百分含量%24.3426.978有机物中碳水化合物百分含量%49.5751.659湿泥中碳水化合物含量g/L12.2869.干泥中脂肪百分含量%5.053.9511有机物中脂肪百分含量%10.297.5612湿泥中脂肪百分含量g/L2.67491.干泥中蛋白质百分含量%19.7121.314有机物中蛋白质百分含量%40.1440.7915湿泥中蛋白质百分含量g/L10.43467.

　　其中序号8、11和14是干泥中碳水化合物、脂肪、蛋白质百分含量是委托天津市食品研究所检测的资料，序号10、13和16分别是这三种有机物的湿泥含量，序号7是湿泥中总有机物的含量。

　　经过对表2-1的资料的计算分析整理，得出该厂污泥中有机物三种成分各自的分解率和产气量及总的分解率、产气量的情况，见表2-2。

从表中b栏可以看出有机物中碳水化合物占49.27%；脂肪仅占10.29%，说明该厂污泥属于高碳水化合物低脂肪污泥。

　　从f栏中可以看出，脂肪的分解率最高占50.08%；碳水化合物的分解率最低，只有29.20%，甚至比蛋白质的还低，这说明分解速度快的碳水化合物，其分解率并不高，其原因，我们认为是其中不易被生物降解的木质纤维含量较高。

这反映出该厂污泥与生活污水为主的污泥在有机物分解上的差别。

　　g栏是对总有机物而言各自的分解率。

与f栏相反，虽然自身分解率最低的碳水化合物却是最高的。

而脂肪却变为最低的。

而总的有机物分解率为32.04%，比原设计指针30%高一些。

h栏的资料选自表1。

　　从i栏中可以看出在分解率为32.04%时，1克总有机物的产气量为266.13ml/g，及其各种成分的产气量。

而j拦则是被分解的1克总有机物中，各种成分的产气量以及合计的产气量830.62ml/g。

　　k栏则是1升湿污泥消化后三种成分各自理论产沼气量。

其合计6920.7ml/L则是污泥的产沼气量。

l拦则是三种成分各自产气量在总产气量的百分比。

从表2-2可以看出，该厂污泥消化所产生的沼气，从理论上来讲主要是由污泥的有机物中的碳水化合物和蛋白质提供的。

但是，脂肪的分解率最高，只是因为含量太少，所以产气量低。

这体现该厂污泥产气的特点。

　　关于污泥有机物的三种成分与沼气成分的情况，见表2-3。

从理论计算该厂所产的沼气中，61.26%是CH4，38.74%是CO2，CH4：

CO2=1.58：

1。

其中的CH4也是主要由碳水化合物和蛋白质提供的。

而CO2则主要是由碳水化合物提供的。

该厂沼气中的CO2含量高，其原因从理论上分析就是因其泥质是高碳水化合物低脂肪的特点所决定的。

而实际从该厂1996～1998年沼气成分检测数据看，CH4含量在65～70%左右。

比理论值高。

我们认为，污泥在厌氧消化的第一阶段（产酸阶段）中所产的中间产物中有相当一部分分子氢（H2），存在于气体和消化液中，H2能与CO2生成CH4，在《污泥处置》一书中提到：

所有CH4菌能够氧化分子状态的氢，以代谢产物CO2作为电子受体，CO2+4H2→CH4+2H2O。

从该式可见4个分子H2和1个分子CO2产生一个分子的CH4气体。

　　在消化池内的沼气中CO2的含量占30%左右，而污泥消化在产酸阶段中生成的中间产物H2分子，几乎全部与CO2生成CH4。

而CO2还要富余很多，所以沼气中H2气含量极低，实际很难检测出。

这些由CO2转化为CH4的气体量，并未被列入理论产气量中。

所以理论计算的CH4含量偏低，而实测值偏高。

4以TOC含量推算产气量

　　研究在污泥的消化情况和产气量时，碳是一个最重要的元素。

在沼气中，最主要的成分是甲烷CH4和二氧化碳CO2。

CH4和CO2气体分子中的碳C，是来自污泥有机物中被分解的C，只要检定污泥有机碳TOC的含量，就可以大致推算出沼气的产量。

据《污水污泥处理》书中介绍，CH4气体容重为0.7168克/升，CO2气体容重为1.9769克/升。

　　1升CH4中，含有0.7168×12.012/16.042=0.5367克碳C

　　1升CO2含有1.9769×12.010/44.010=0.5395克碳C

　　单位体积沼气中含有m%的CH4和n%CO2

　　对于东郊污水处理厂的沼气中m为65～70n为35～30

表2—2污泥中各种成分的产气量有机物种类占干泥百分比%占总有机物百分比%消化前的量g消化后的量g被分解的量g各自的分解率%对总有机物而言分解率%各自理论产气量ml/g每克总有机物产气量ml/g被分解的有机物产气量mL各自的总产气量mL占总产气量的百分比%在总分解率中各自分解率所占比率%ab=a×100/49.91cde=c-df=e×100/cg=b×f/100hi=g×h/100j=i×100/32.04k=e×hL=j×100/822.85g×100/32.04碳水化合物24.3449.7512.86609.12323..2014..31356..642.9545.16脂肪5.2510.292.67491.33541..085..38200..424.1916.07蛋白质19.7140.1410.43467.20493..9512..44272..732.8638.77合计49.10100.0025..66358.3320--32.04--266.13830..7100.00100.00

表2-3污泥的成分与沼气的成分有机物种类占总产气量的百分比（%）沼气组分百分比（%）占总产沼气量的百分比（%）CH4总产气量（ml）CO2总产气量（ml）CH4CO2CH4CO2Lmn碳水化合物42..4821..31486.3脂肪24..457..6535.8蛋白质32..339..3659.4合计100～～61.2638..22681.5总计.7CH4:

CO2=1.58:

1

　　当Cg=0.5367×（65/100）+0.5395×（35/100）≈0.5377（克/升）

　　当Cg=0.5367×（70/100）+0.5395×（30/100）≈0.5375（克/升）

　　所以，1升沼气中，含碳C量的平均值约为0.538克/升。

由此推算，污泥中被分解1克TOC气化后的产气量为1.86升。

　　G=1/Cg=1/0.538≈1.86（升/克）

　　只要实测了污泥的含水率（或污泥浓度）、有机份和TOC的含量，再根据图1查出有机物分解率。

就可以在暂不考虑污泥质的其他情况下，计算出污泥的单位体积的理论产沼气量。

若实验室没检测TOC的含量，那么可以根据《污水污泥处理》一书中提出的：

在理论上“一般污泥的有机物中，大约含有53～55%的碳”，这一数值推算出每升污泥中的TOC的含量，进而推算出污泥的理论产沼气量来。

　　例如：

根据东郊污水处理厂1994～1998年五年来实验室对污泥泥质实测的平均结果，推算该厂污泥的理论产沼气量：

（五年期间没有检测TOC的数据）。

　　实测数据：

含水率：

95.01%、有机物：

53.57%。

　　推算结果：

湿泥比重：

1.0141，每kg干泥的湿泥体积：

19.9431升/kg

　　　　　　　湿泥有机物含量：

26.8614克/升

　　若按有机物含碳量为54%计算：

TOC=26.8614g/L×54%=14.5051g/L

　　查图1：

当有机物含碳量为53.57%时，分解率31.5%，

　　理论产气量

　　V=14.5051×（31.5/100）×1.86≈8.50升气/升湿泥

　　所以东郊污水处理厂的污泥单位体积的理论产沼气量为8.50升气/升湿泥。

分解1克有机物可约产生1升沼气。

　　以上所计算的产气量是根据污泥中有机物被分解后，其中减少的碳量，被认为是全部气化为CH4和CO2的气量。

虽然计算方便，可以不必考虑泥质的其它情况，但结果偏高，是一种极限产气量。

我们认为难以达到，因为有机碳减少的量，不可能全部被气化成沼气，其中有一部分构成新的细菌体，一部转化为无机碳，以盐的形式溶解于水中。

这些碳，最终并没有成为沼气中的碳。

但也包括在有机碳减少的量中。

所以实际的产气量不会达到以总有机碳TOC减少的量计算出的产气量。

5中温模拟厌氧消化实验情况

　　为了进一步研究东郊污水厂的污泥在厌氧消化过程中，分解单位重量，三种类型的有机物成分气体发生量和甲烷的比率，曾在污水处理研究所进行了中温（33℃）模拟厌氧消化实验。

在一个15升密闭的容器中，放入10升该厂的浓缩污泥，进行9天的消化实验。

消化前后的泥质情况见表3-1。

根据该表所列的检测数字，计算出三种有机物在消化过程中各自的分解率和产气量。

见表3-2。

其中合计一栏是污泥中三种成分总的情况。

可以看出该厂污泥有机物干泥含量为49.91%，19天有机物的分解率为32.72%的产气量是269.24ml/g（vss）。

被分解的有机物产气量822.85ml/g：

10升湿污泥的产气量71350.6ml/10L（7.135m3/m3泥）。

既为中温模拟实验的理论产气量。

表3-1中温模拟实验污泥消化前后泥质情况（实验周期：

19天、投泥量：

10升）

名称

项　目

浓缩进泥消化污泥序号含水率%94.9695.561有机份（干泥）%49.9140.162湿泥有机物含量　g/10L265.02178.313干泥中碳水化合物含量%25.2620.424有机物中碳水化合物含量%50.6150.855湿泥中碳水化合物含量g/10L134.1390.686干泥中脂肪含量%5.263.587有机物中脂肪含量%10.548.918湿泥中脂肪含量g/10L27.9315.99干泥中蛋白质含量%19.3916.1610有机物中蛋白质含量%38.8540.2411湿泥中蛋白质含量g/10L102.9671.7512

　　在表3-2中，非常清楚看出污泥中有机物的三种成分各自的含量分解率，单位重量中的产气量，单位湿泥体积中的产气量，以及所产气量在总产气量中的百分比的情况。

使我们能够知道该厂污泥的泥质。

污泥消化产气的特点。

例如：

从该表中可以看出有机物中的脂肪自身的分解率最高，但是应为含量最少，所以对总有机物而言的分解率最少。

单位重量有机物所产气量中占的比例也最小。

碳水化合物自身的分解率不高但是因其含量高，所以在单位重量有机物产气量和单位体积产气量中所占比例都是最高的。

　　从表3-3中可以看出污泥中有机物三种成分与沼气成分的情况。

从合计一栏看出所产沼气中，CH4占60.26%，CO2占38.74%。

CH4：

CO2=1.52：

1。

沼气中的CH4主要是由碳水化合物和蛋白质提供的，CO2则主要是由碳水化合物提供。

6理论产气量与实际产气情况

　　如果将表3的三个表与表2的三个表相对比较。

其计算方法都相同；本质上没有差别，只是污泥中有机物含量，及其三种成分的含量有些差别。

各自的分解率的差别导致理论产沼气量有些差别。

这些差别并不大。

都可以对实际运行管理有所帮助。

所不同的是表3是反映的是污泥静态厌氧分解产气的情况，而表2则是污泥动态的情况，即在消化池中，每天都要投污，排泥，排气等，情况较为复杂，不如静态实验稳定。

　　该厂污泥厌氧消化设计情况为：

消化池容积10000m3，投配率5～8%，挥发分（有机物）含量55%，降解（分解率）30%时产气率5.4m3气/m3泥，消化时间17～20天，每座消化池投泥量500～600m3/日。

根据该厂1994年资料，由于处理的水量不足，使消化池低负荷运行，平均投泥量为224m3/日，消化时间延长，平均产气量6.8m3气/m3泥。

高于设计指标，接近理论产气量6.92m3气/m3泥～7.14m3气/m3泥。

　　应该指出的是：

用于计算理论产气量的实测污泥的有机含量低于设计治标55%。

若能达到此值那么有机物分解率将达到35%左右，其产气率将有可能超过8m3气/m3泥。

　　现将东郊污水处理厂污泥分解率推算的产气量和沼气成分与欧美各国部分污水厂的情况（选自《污水污泥处理》一书）比较见表4，可以看出该厂的消化污泥的有机物分解率很低，所以单位重量的有机物产气量也很低。

但是被分解的有机物的单位产气量还是比较高的。

沼气中的CH4含量较低。

表3-2污泥中各种成分的产气量有机物种类占干泥百分比

%占总有机物百分比%消化前的量g消化后的量g被分解的量g各自的分解率%对总有机物而言分解率%各自理论产气量ml/g每克总有机物产气量ml/g被分解的有机物产气量mL各自的总产气量mL占总产气量的百分比%在总分解率中各自分解率所占比率%ab=a×/4991cde=c-df=e×100/cg=b×f/100hi=g×h/100j=i×100/32.72k=e×hL=j×100/822.85g×100/32.72碳水化合物25.2650.61134.1390.6643.4732.4116..56395..348.1250.12脂肪5.2610.5427.9315.9012.0343.074..75173..521.0813.88蛋白质19.3938.85102.9671.7531.2130.3111..93253..830.8036.00合计49.91100.00265.02178.3186.71--32.72--269.24822..6100.00100.00

表3-3污泥的成分与沼气的成分有机物种类占总产气量的百分比%沼气组分百分比%占总产沼气量的百分比%CH4总产气量mLCO2总产气量mLCH4CO2CH4CO2Lmn碳水化合物48..0624...6脂肪21..336..54812蛋白质30..878.6371.8合计100～～60.2639...4总计10071350.6CH4:

CO2=1.52:

1

表4与欧美各国部分污水厂的情况比较污泥种类污水处理厂名称每克有机物产气量ml/g有机物分解率%被分解的有机物产气量ml/g沼气成分%CH4CO2沉淀后的生活污水污泥巴登-巴登（西德）48376..837.1阿麦斯福特（荷兰）34053.3638埃森-弗罗豪森（西德）.430.6英霍夫双层沉淀池旧金山（美国）3巴尔的摩（美国）40045..5柏林（西德）38330..717.750%工业废水沉淀污泥杜塞尔多夫（西德）25446.含工业废水的生活污水污泥海尔布隆（西德）13624.%工业废水的生活污水污泥温尼伯（加拿大）.832.7含工业废水的生活污水污泥华盛顿（美国）57459.%工业废水的生活污水污泥天津东郊26632.04830.6261.338.760%工业废水的生活污水污泥天津纪庄子60.135.4

7结论

（1）泥质：

干泥有机物含量49.91%；最高可达55%，湿泥有机物含量26.5g/L左右在有机物的三种成分中，碳水化合物含量最高达到50.61%，其次是蛋白质，最低是脂肪占10%左右。

该厂污泥属于高碳水化合物低脂肪的污泥。

（2）在现有的条件下有机物的分解率达32.72%。

当有机物含量达55%，其分解率可能达到35%左右。

分解量最多的是碳水化合物，最少的是脂肪，自身分解率最高的是脂肪。

　　（3）理论产沼气量：

每克有机物产气量269.24ml/g，被分解的有机物：

822.85ml/g。

其中占总产气量的78.92%是由碳水化合物和蛋白质提供，而在有机物中含量10.54%的脂肪所产气量却占总产气量的21.08%。

　　湿泥产气量：

7.135m3气/m3泥，极限产气量8.50m3气/m3泥。

　　注：

在进行污泥厌氧消化的理论产沼气量的研究期间，并没有取到有机份含量达55%污泥样品，也没有在这种有机份含量的情况下三种成分的比例和分解情况的检测分析资料。

所以没有推算当有机物含量在55%时的产沼气量。

只是看到该厂历年检测数据中有有机份含量≥55%的记录。

根据图1可查得消化率（分解率）≥35%，那么其湿泥产沼气量有可能超过8m3气/m3泥以上。

但是在目前的泥质和该厂工况条件下，这样的产气量只是愿望，将来随着城市的发展，该厂上游居民的增加生活水平的提高，会使泥质有所改变，有机份的增加，尤其其中的脂肪含量的提高，以及该厂工况条件的改善，产沼气量将会达到8m3气/m3泥的。

　　（4）沼气的成分：

从理论上推算，该厂所产的沼气中CH4含量60.26%；CO2含量39.74%。

CH4：

CO2=1.52：

1。

　　CH4主要由碳水化合物和蛋白质提供。

CO2主要是由碳水化合物提供。

　　若将CO2和H2生成的CH4考虑进去，则沼气中CH4含量可达62%左右。