1、城镇污水处理厂污泥厌氧消化工艺设计与运行管理指南城镇污水处理厂污泥厌氧消化工艺设计与运行管理指南（征求意见稿）中国计划出版社 年前 言根据中国工程建设标准化协会2018建标协字第15号文关于印发2018年第一批协会标准制订、修订计划的通知，制订本指南。污泥厌氧消化作为城镇污水处理厂污泥处理的主流技术之一，可高效、低耗地实现污泥的减量化、稳定化和资源化利用，也是目前国际上最常用的污泥处理方法之一。城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南（试行） （HJ-BAT-002）将污泥中温厌氧消化作为污泥处理污染防治最佳可行技术。城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策（试行）（建城2009
2、23号）中也鼓励城镇污水处理厂采用污泥厌氧消化工艺，产生的沼气综合利用。近年来，污泥厌氧消化技术研究和实践均取得了较大进展。根据我国国情和泥质特征，在污泥改性、处理效率和资源化产物品质提高、产物资源化利用等方面进行了诸多技术储备和工程应用，如高含固厌氧消化技术、基于水热预处理的高级厌氧消化技术、污泥与有机质协同厌氧消化技术等，在长沙、镇江、北京、襄阳等地形成了一批代表性示范工程。国内已发布的标准包括中国工程建设协会标准城镇污水处理厂污泥厌氧消化技术规程（T/CECS 496-2017）和国家标准大中型沼气工程技术规范（GB/T 51063-2014）等，规定了污泥厌氧消化在设计、施工、运行和管
3、理方面的核心技术要求。本指南旨在进一步深化对污泥厌氧消化技术原理和工艺过程的理解，协同已发布的技术规程，指导和规范我国污泥厌氧消化的工艺设计和运行管理。本指南编制过程中，梳理、借鉴了国内外相关技术文件，调查、研究了国内典型工程案例，总结、吸纳了国内外理论和实践认知。本指南的主要内容包括：总则、术语和定义、污泥厌氧消化工艺、污泥厌氧消化设计、污泥厌氧消化运行维护、厌氧消化产物特性及利用。本指南由中国工程建设标准化协会城市给水排水专业委员会归口管理，由上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司负责技术解释。请各单位在使用过程中，总结实践经验，提出意见和建议。主编单位：上海市政工程设计研究总院（集团）
4、有限公司参编单位：北京城市排水集团有限责任公司上海城投污水处理有限公司上海市城市排水有限公司同济大学上海交通大学主要起草人：中国工程建设标准化协会20 年 月 日1 总则1.0.1 编制目的为了深化对城镇污水处理厂污泥厌氧消化技术原理和工艺的理解，提升我国污泥厌氧消化的工艺设计和运行管理水平，在查阅国内外相关技术材料、调研国内相关工程的基础上，依据国家和行业相关法律法规和标准规范，编制本指南。1.0.2 适用范围本指南适用于城镇污水处理厂污泥厌氧消化的工艺设计和运行管理。2 术语和定义2.0.1 污泥厌氧消化 sludge anaerobic digestion在无氧条件下，使污泥中的有机物生
5、物降解和稳定的过程，该过程可产生沼气。T/CECS 496-2017，术语2.1.12.0.2 消化时间 digestion time污泥在消化池中的平均停留时间。GB 50014-2006（2016年版），术语2.1.1102.0.3 挥发性固体 volatile solids污泥固体物质在600时所失去的重量，代表污泥中可通过生物降解的有机物含量水平。GB 50014-2006（2016年版），术语2.1.1112.0.4 挥发性固体容积负荷 volume loading rate of volatile solids单位时间内对单位消化池容积投入的原污泥中挥发性固体重量。GB 50014
6、-2006（2016年版），术语2.1.1132.0.5 沼气 biogas污泥厌氧消化时有机物分解产生的气体，主要成分为甲烷和二氧化碳，并有少量的氢、氮和硫化氢等。T/CECS 496-2017，术语2.1.92.0.6 沼液 digestion effluent污泥厌氧消化后的上清液。T/CECS 496-2017，术语2.1.103 污泥厌氧消化工艺3.1 原理与作用3.1.1 污泥厌氧消化及其优缺点污泥厌氧消化是利用兼性菌和厌氧菌进行厌氧生化反应，分解有机物质，实现污泥减量化、稳定化和资源化的一种处理工艺。污泥厌氧消化具有以下优点： 产生甲烷这一能源气体，除满足厌氧消化自身的能量需求外
7、，多余的甲烷气体可以用来供热及发电，或是用作电机燃料； 由于挥发性固体在厌氧消化过程中转化为甲烷、二氧化碳和水，降低了固体总量。约30%40%的总固体被分解，40%60%的挥发性固体被分解，考虑到远距离运输及最终污泥处置问题时，这一优点更为突出； 厌氧消化过程可削减污泥中的有机物，减少臭味，并杀死部分病原菌和寄生虫卵，消化后的污泥性能稳定，适宜进行土地利用。污泥厌氧消化也存在一些缺点： 厌氧消化系统易受到非正常条件的干扰，要求相对较高的操作控制水平； 潜在安全问题，尤其是火灾和爆炸风险，对安全管理的要求较高； 厌氧消化污泥的脱水性能可能有所降低； 消化后产生的沼液含有较高浓度的COD、悬浮物及
8、氮磷，沼液处理难度较大。3.1.2 污泥厌氧消化原理厌氧消化是由多种微生物参与的、多阶段的复杂生化过程，至今有多种理论来对其进行阐释，包括两阶段理论、三阶段理论、四阶段理论和四种群理论等，目前公认的是Bryant提出的三阶段理论。第一阶段，有机物在水解与发酵细菌的作用下，使碳水化合物、蛋白质与脂肪，经水解和发酵转化为单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油、CO2和H2等；第二阶段，在产氢产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物转化成H2、CO2和乙酸。第三阶段，通过两组生理特性不同的产甲烷菌作用，将H2和CO2转化为CH4或对乙酸脱羧产生CH4。产甲烷阶段产生的能量绝大部分用于维持细菌生存，只有很少能量用于合成
9、新细菌，故细胞的增殖很少。在厌氧消化过程中，由乙酸形成的CH4约占总量的2/3，由CO2还原形成的CH4约占总量的1/3。三阶段厌氧消化的模式如图所示。图3.1-1 有机物厌氧消化模式3.2 工艺类型3.2.1 按消化温度分类污泥厌氧消化工艺按照消化温度可分为中温或高温消化。中温厌氧消化温度维持在352，固体停留时间应大于20d；高温厌氧消化温度控制在552，停留时间可缩短至1015d。与中温厌氧消化相比，高温厌氧消化具有以下优势： 固体负荷率更高，挥发性固体降解率更高； 有效杀灭各种病原菌和寄生虫卵； 高温有助于抑制浮渣和泡沫形成； 产品具有更好的脱水性能。高温厌氧消化的限制性表现在以下方面
10、： 嗜热细菌对温度的快速变化更为敏感，高温厌氧消化的操作要求更高； 能耗较高，运行费用较高。对于采用高温热水解等预处理的厌氧消化工艺，由于预处理出泥温度较高，采用高温厌氧消化可减少热损失。对于具体项目，应通过技术经济比较确定采用中温或高温厌氧消化工艺。3.2.2 按消化级数分类污泥厌氧消化工艺按照消化级数分可为单级或两级消化。单级厌氧消化是指污泥在同一个厌氧消化池中完成整个厌氧消化过程。两级厌氧消化将整个消化过程分为两级，第一级消化池加热、搅拌和收集沼气；第二级消化池不加热不搅拌，利用第一级消化后的余热继续消化，其主要功能是浓缩污泥和排除上清液。两级厌氧消化池的容积比应根据其运行操作方式，通过
11、技术经济比较确定，一般为2:14:1。在不延长总消化时间的前提下，两级厌氧消化对有机固体的分解率并无提高。一般由于第二级的静置沉降和不加热，提高了厌氧消化污泥的浓度，减少了污泥脱水的规模和投资，但随着污泥脱水技术的发展，厌氧消化污泥浓度对脱水设施影响减小，污泥厌氧消化多采用单级。3.2.3 按消化相数分类污泥厌氧消化工艺按照消化相数可分为单相或两相消化。非产甲烷菌种类繁多，生长快，对环境条件变化不太敏感；产甲烷菌则恰好相反，专一性很强，对环境条件要求苛刻，繁殖缓慢。单相厌氧消化是指包括水解、酸化、产甲烷等反应均在一个反应器中完成。两相厌氧消化是将产酸和产甲烷两个阶段分离在两个串联反应器中，使非
12、产甲烷菌和产甲烷菌各自在最佳环境条件下生长的厌氧消化工艺，这样不仅有利于充分发挥其各自的活性，而且提高了处理效果，达到了提高容积负荷率、减小反应器容积、增加运行稳定性的目的。但两相厌氧因相分离会导致操作复杂，且酸化阶段会产生高浓度的硫化氢。3.2.4 按固体浓度分类污泥厌氧消化工艺按照消化固体浓度可分为常规浓度或高含固浓度消化。常规浓度厌氧消化的进料含固率一般为3%5%，处理对象为浓缩污泥。常规浓度厌氧消化启动较简单，但过高的含水率大大增加了处理设备的占地面积，提高了投资成本，且有机负荷相对较低，产气率不高，使得能量回收率低。高含固厌氧消化的进料含固率一般为8%12%。高含固浓度厌氧消化处理负
13、荷高，所需反应器容积大大减小，保温能量需求降低，工程效益显著提高。对于收集污水处理厂污泥集中处理的厌氧消化工程，采用高含固厌氧消化工艺，有助于减少稀释水的用量。3.2.5 厌氧消化工艺发展1、高含固厌氧消化工艺高含固厌氧消化工艺在提高单位体积处理量和产能效率方面具有显著的优势，近年来新建的污泥厌氧消化工程大多采用高含固厌氧消化工艺。高含固厌氧消化系统的组成及工艺流程如图3.2-1所示。各污水处理厂含水率80%的脱水污泥经浆化调质后进入厌氧消化系统，当依托其中一个污水厂建设时，该厂的剩余污泥可直接泵送至浆化池。图3.2-1 高含固厌氧消化工艺流程图2、基于高温热水解预处理的高含固厌氧消化工艺高温
14、热水解预处理工艺采用高温、高压对污泥进行热水解与闪蒸处理，使污泥中的胞外聚合物和大分子有机物发生水解、并破解污泥中微生物的细胞壁。高温热水解预处理对于改善污泥厌氧消化性能的作用体现在： 增加悬浮性颗粒污泥的可溶性。由于溶解性物质较颗粒性污泥易降解，热水解预处理增加了厌氧消化的有机物降解率和产气量； 降低污泥的粘滞性。在相同的含固率和温度条件下，热水解后污泥的粘滞性仅为热水解前的1/10，改善物料的流动性； 改善污泥的卫生性能。高温高压反应条件和较长的反应时间，能杀灭污泥中的病原菌等有害微生物，有利于厌氧消化后沼渣的资源化利用。另一方面，尽管在热水解预处理后厌氧消化的沼气产量提高，但产生的沼气大
15、多要用于热水解工艺本身，沼气收益相对较小。基于高温热水解预处理的高含固厌氧消化系统的组成及工艺流程如图3.2-2所示。热水解预处理主要包括预热浆化、热水解反应和闪蒸泄压三个阶段，具体包括：预热阶段：待处理污泥和闪蒸蒸汽混合，使污泥温度升高至80-100；反应阶段：预热污泥和来自蒸汽锅炉的高温蒸汽混合后，温度达到150-170、压力5-6 bar，反应时间保持20-30min；闪蒸阶段：通过泄压，压力从5-6 bar降至1 bar，蒸汽释放到前端进行污泥预热。图3.2-2 基于高温热水解预处理的高含固厌氧消化工艺流程图3、协同厌氧消化工艺协同厌氧消化是指两种或两种以上物料混合后共同进行厌氧处理，
16、不同物料混合后进行共消化对提高消化系统本身的性能，以及提高整体的经济性都有积极作用。在提高消化系统本身的性能方面，其优势主要体现在：提高了系统的碳氮比，有利于厌氧消化系统的高效运行；餐厨垃圾和污泥协同互补，降低了氨氮和重金属离子等抑制物的浓度，缓冲能力得到提升，提高了厌氧消化系统的运行稳定性。而在提高整体经济性方面，协同厌氧消化的优势体现在：不同的废弃物共享处理设施，减少废弃物处理分支流程；便于进行集中式规模化处理，发挥规模效应，降低运行成本。目前与城市污泥进行协同厌氧消化的物料一般为餐厨垃圾，如镇江市餐厨废弃物及生活污泥协同处理工程、襄阳市有机废弃物综合处理中心等。此外，动物粪便以及一些工业
17、有机废弃物也可作为污泥的协同消化物料。污泥与餐厨垃圾协同厌氧消化系统的组成及工艺流程如图3.2-3所示。污泥的热水解预处理为可选单元。餐厨垃圾的预处理主要包括粗分、精分制浆、除砂除渣和加热提油四个步骤，如采用一体化源头分选打浆车收运，浆料进入厂内后可仅进行提油处理。图3.2-3 污泥与餐厨垃圾协同厌氧消化工艺流程图4 污泥厌氧消化设计4.1 工艺设计4.1.1 进料要求污水预处理过程的除砂、除渣效果将直接影响污泥厌氧消化运行效果，应通过格栅和沉砂池的优化运行，尽量减少污泥中的砂粒和纤维等物质，尤其是粒径大于0.2mm的砂粒和长度大于40mm的纤维，实现对管道、阀门、泵体和厌氧消化池的保护，消除
18、或减轻堵塞、缠绕、磨损、沉积等现象。可采用的设备包括污泥研磨机、污泥筛分机等。厌氧消化反应的理想C/N比为1020，就不同类型的污泥来说，我国污水厂初沉污泥的C/N比为（9.4010.35）:1，剩余污泥为（4.605.04）:1，混合污泥为（6.807.50）:1。初沉污泥有机物含量高、气体产量大，比较适合厌氧消化，混合污泥次之，因此有初次沉淀池系统的污水厂，剩余污泥宜和初沉污泥合并进行厌氧消化处理。当有条件时，污泥可和餐厨垃圾等有机废弃物进行协同厌氧消化，C/N比低的污泥与C/N比高的有机物混合后，使厌氧菌获得了较佳的C/N比条件，进一步提高厌氧消化处理效率。4.1.2 设计参数1、消化温
19、度消化温度是厌氧消化设计和能量平衡的重要工艺参数，对有机物负荷和产气量有明显影响。根据微生物对温度的适应性，可将污泥厌氧消化分为中温（一般3038）厌氧消化和高温（一般5057）厌氧消化。大多数的厌氧消化系统设计成中温范围（352），一些系统设计成高温范围（552），当采用高温热水解预处理时，实际厌氧消化温度也可能介于两者之间。相对于消化温度的选择，维持消化池内操作温度恒定更为重要。这是由于细菌（特别是产甲烷菌）对温度变化很敏感，温度变化大于1/d就会对消化过程产生严重影响。因此，温度波动应控制在1/d以内。2、消化时间在厌氧消化过程中，微生物需要一定的时间来对有机物进行消化降解，消化时间一般
20、作为确定反应池容积的设计参数。在没有污泥回流或者上清液排出的厌氧消化系统中，固体停留时间（SRT）等同于水力停留时间（HRT）。停留时间和厌氧消化三段反应（水解、产酸、产甲烷）的程度是直接相关的：增加SRT即增加反应深度；减小SRT即减小反应深度。每一反应都对应一个最小SRT，如果SRT小于这一最小值，微生物就不能保证足够的增长速度并大量流失，以那些微生物为媒介的反应也会终止，消化过程中断。对于中温厌氧消化过程，最短的SRT需要10d，一般取2030d，高温厌氧消化SRT一般取1015d。确定消化时间时，必须考虑最高峰的负荷。3、挥发性固体容积负荷挥发性固体容积负荷是确定反应池容积的另一重要参
21、数。挥发性固体容积负荷过低会造成消化池容积较大，产气量不足以供给维持消化池温度所必需的能量，建设和运行费用均较高；挥发性固体容积负荷的上限则一般由有毒物质积累速率、氨或甲烷形成的冲击负荷决定。4、厌氧消化池有效容积厌氧消化池的总有效容积，应根据厌氧消化时间或挥发性固体容积负荷计算，并将两个参数的计算结果互相校核，保证消化池设计合理，运行可靠。厌氧消化池有效容积的计算公式如下： （4.1-1） （4.1-2）式中：V消化池总有效容积（m3）；Q0每日投入消化池的原污泥量（m3/d）；td消化时间（d）；WS每日投入消化池的原污泥中挥发性固体重量（kgVSS/d）；LV消化池挥发性固体容积负荷kg
22、VSS/（m3d）。5、挥发性固体去除率厌氧消化通过去除挥发性固体以达到污泥稳定的目的。挥发性固体去除率是指通过厌氧消化，污泥中的有机物被降解去除的百分比，可按下式计算： （4.1-3）式中：VSR挥发性固体去除率（%）；Qi进料污泥体积流量（m3/d）；Qd出料污泥体积流量（m3/d）；i进料混合液污泥浓度（kg/m3）；d出料混合液污泥浓度（kg/m3）；i进料污泥有机物含量（干基），（%）；d出料污泥有机物含量（干基），（%）。根据调查资料，我国现有的厌氧消化池设计有机固体分解率在30%50%，实际运行基本达到40%。现行国家标准城镇污水处理厂污染物排放标准GB 18918第4.3.1条
23、提出的污泥稳定化控制指标为：采用厌氧消化时，有机物降解率40%；室外排水设计规范GB 50014规定，污泥消化后挥发性固体去除率应大于40%；根据美国EPA PART503规定，污泥厌氧消化后可挥发性固体降解率大于38%，若未达到该要求，则继续通过实验室试验进行判定。6、沼气产率沼气产率因消化池内的不同有机物而存在差异。表4.1-1列出了几种基质的具体产气率。典型的市政污泥的沼气产率一般为0.751.10Nm3/kg VSS去除。表4.1-1 典型基质产气率基质去除单位质量基质的产气量m3/kg甲烷含量，%脂肪1.2-1.662-72浮渣0.9-1.070-75油脂1.168粗纤维0.845-
24、50蛋白质0.7737、典型工艺设计参数常规浓度厌氧消化工艺的设计参数如下： 多级消化池的第一级或者单级消化池的消化温度宜为33C38C； 消化时间宜为20d30d； 挥发性固体容积负荷取值：重力浓缩后的污泥宜为0.6kgVSS/（m3d） 1.5kgVSS/（m3d）；机械浓缩后的污泥不应大于2.3kgVSS/（m3d）。我国部分常规浓度厌氧消化工程设计参数如表4.1-2所示。表4.1-2 部分常规浓度厌氧消化工程主要设计参数参数青岛麦岛上海白龙港郑州王新庄北京小红门处理量（t DS/d）4820466132.5消化池类型圆柱形卵形圆柱形卵形单池有效容积（m3）127001240010000
25、12300消化池数量（座）2845一级消化SRT（d）2024.31820二级消化SRT（d）6进泥含固率（%）3.8-4553.2消化温度（C）35353535污泥气日产量（万m3）1.444.4523污泥气产率（m3/m3）0.590.450.50.49搅拌强度（W/m3）0.94.73高含固厌氧消化工艺的设计参数如下： 消化池温度宜为33C38C； 污泥含水率宜为90%92%； 消化时间宜为20d30d； 挥发性固体容积负荷取值宜为1.6kgVSS/（m3d）3.5kgVSS/（m3d）。我国已相继建成了大连夏家河、郑州马头岗、长沙黑糜峰、浙江宁海县城北和湖北襄阳等多个高含固污泥厌氧消化
26、处理设施，部分高含固厌氧消化工程的设计参数如表4.1-3所示。表4.1-3 部分高含固厌氧消化工程主要设计参数参数大连夏家河郑州马头岗长沙黑糜峰处理量（t DS/d）120160100浓缩方式脱水污泥稀释至含固率10%剩余污泥+化学污泥先重力浓缩至98%，后与初沉污泥混合共同机械浓缩至90%脱水污泥热水解预处理至含固率10%-12%单池有效容积（m3）2230220010000消化池数量（座）12162消化SRT（d）222220进泥含固率（%）10%10%10%消化温度（C）3535-3753-55挥发性固体容积负荷kgVSS/(m3d)2.47（VS/TS按照0.55计算）2.47（VS/
27、TS按照0.55计算）2.75污泥气日产量（万m3）2.7632容积污泥气产率（m3/m3）1.030.841.0搅拌方式机械搅拌搅拌器+循环泵污泥气机械搅拌强度（W/m3）19.720+8.4以高温热水解作为预处理时，设计参数如下： 厌氧消化池温度宜为37C42C； 污泥含水率宜为88%92%； 消化时间宜为15d20d； 挥发性固体容积负荷宜为2.8kgVSS/（m3d）5kgVSS/（m3d）。4.2 物料预处理4.2.1 污泥热水解污泥热水解工艺包括预热、反应和闪蒸三个阶段，具体步骤如下： 待处理污泥和闪蒸蒸汽混合，使污泥温度升高至80-100； 预热污泥和新鲜蒸汽充分混合，混合后的污
28、泥温度达到150-170，送至热水解反应罐； 热水解反应罐的反应时间为20-30min，通常采用多个反应罐，按既定程序连续运行，每个反应罐依次完成进泥、反应、卸泥的过程； 热水解污泥在缓冲罐中通过泄压完成“闪蒸”过程，压力从5-6 bar降至1 bar，“闪蒸”过程中，污泥中所含的细胞膜破裂，细胞物质溶出，其他微粒物质也被打碎； 出泥温度较高，不能直接进入厌氧罐，通过换热器对污泥降温处理； 废气由热水解污泥“闪蒸”过程中产生的可凝和不可凝气体组成，从预热罐中抽取废气送至废气处理系统，水蒸气在废气处理系统中冷凝，不可凝气体可通过水射器注入厌氧消化池进行处理。以预热温度97、反应温度170、闪蒸后
29、温度102为例，说明污泥热水解的主要计算步骤如下：（1）污泥温度升高至预热温度所需的热量 （4.2-1）式中：Q1进泥温度升高到预热温度的耗热量，J/d；Ws每天的进泥量，kg/d；Cp污泥比热，4200J/kg；97预热温度，；T1进料温度，。（2）与待处理污泥混合的闪蒸蒸汽量 （4.2-2）式中：与进泥混合的闪蒸蒸汽量，kg/d；2677522102蒸汽含热量，J/kg；40618597水含热量，J/kg。（3）反应罐的新鲜蒸汽需求量 （4.2-3）式中：反应罐的新鲜蒸汽需求量，kg/d；717199170水含热量，J/kg；40618597水含热量，J/kg；2754077通入蒸汽含热量（假定0.6MPa，按实际取值），J/kg。4.2.2 餐厨预处理餐厨垃圾的预处理流程见图3.2-3，采用逐级分离的工艺，去除餐厨垃圾中的各类杂物。通过粗分、精分制浆两级预处理工艺，最大化地将瓷盘、玻璃瓶、金属物质、贝壳、骨头等硬性物质和塑料、餐巾等轻物质有效分离出来，避免对后续设备造成磨损和堵塞。除砂除渣工艺用于减少有机浆料中无机物含量和轻薄纤维物质的含量。由于我国餐厨垃圾的油脂含量较高，会抑制厌氧消化，且不利于沼渣的资源化利用，因此一般还需提油处理。上述预处理工艺也可采用一体化源头分选打浆车实现，可减轻厂内压力，改善厂区环境，浆料进入厂内后仅进行提油，提取的毛油可用于制造机械润
