2011年我国污泥产量约2188万t，预估到2015年我国污泥产量将超过3000万t，已成为我国最紧迫的环境问题之一[1]. 其中接近70%的直接填埋，15%去向不明，存在突出的二次污染. 厌氧消化是一项广泛应用的污泥稳定化、 减量化、 无害化、 资源化技术，并且能够回收沼气. 欧盟地区50%以上污水厂均采用污泥厌氧消化[2]. 各国厌氧消化比例：比利时67%，丹麦50%，法国49%，德国64%，希腊97%，意大利56%，卢森堡81%，西班牙65%[3].
厌氧消化也是我国鼓励的主要污泥处理技术. 国家近年发布的《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南(试行)》、 《“十二五”期间污泥处置建议》和《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策(试行)》等均明确提出“大中型厂宜优先选用厌氧消化污泥处理工艺”、 “鼓励城镇污水处理厂采用污泥厌氧消化工艺”等. 但目前为止，全国仅50余家污水厂建有污泥厌氧消化设备，且40%左右停运[4]. 全国经过厌氧处理的污泥不足2%. 高含固率的污泥厌氧消化(简称高固消化，进泥含固率8%以上)是近年受到关注的污泥消化新技术[5, 6, 7, 8]. 与传统污泥厌氧消化(进泥含固率3%～5%)相比，单位投资可减少40%～50%[9]，又明显节省加热量，故经济优势明显. 另一方面，我国的污泥有机物含量明显低于欧美，也是厌氧技术推广难的原因之一. 考虑到污泥消化的速控步骤是污泥水解，而我国污泥有机物含量低的情况，提出了“热水解-高温厌氧消化”的高固污泥处理工艺. 该工艺的主要特点包括：①采用70℃热水解作为预处理来促进细胞溶解; ②采用高温厌氧消化来加快消化. 目前高固消化的研究还不够充分，尤其缺乏设计和实际运行经验. 本研究具有较好的参考价值. 1 材料与方法 1.1 工艺流程
本中试在广州市某水质净化厂进行，共持续9个多月. 中试的工艺流程见图 1. 进泥在水解罐中水解，之后用泵打入高温厌氧罐. 热水解罐和高温罐的有效容积分别为0.6 m3和2.0 m3，前者的反应温度为70℃±1℃，后者为55℃±1℃. 热水解的固体停留时间(solid retention time，SRT)为3 d.
图 1 工艺流程示意
1.2 接种污泥和处理的污泥
接种污泥为中温厌氧消化污泥，接种挥发性悬浮固体(volatile suspended solid，VSS)浓度为17.01 g ·L-1，有机物含量为57%. 试验所用进泥为污水厂的脱水剩余污泥配制，含固率为8%~9%，有机物含量为59.76%~69.94%，VSS为52.95~58.45 g ·L-1，SCOD为1268~3443 mg ·L-1，氨氮60~336 mg ·L-1. 该污水厂进水中工业废水约占70%左右. 1.3 有机物去除率
有机物去除率以VSS去除率表示，其计算是基于相同SRT下的稳定运行阶段的物料平衡得出：
式中，ηMB：平均VSS去除率，%; VSSF：平均进泥VSS浓度，g ·L-1; VSSP：平均出泥VSS浓度，g ·L-1. 1.4 测试方法
pH采用精密pH试纸测量，含水率、 VSS采用重量法测量，COD采用快速消解分光光度法(兰州连华环保科技有限公司，5B-1B)测量，碱度采用溴甲酚绿-甲基红指示剂滴定法测量，氨氮采用纳氏比色法测量，沼气含量采用甲烷测定仪(北京恒奥德仪器仪表有限公司，HA80-CH4)测量，沼气产量采用湿式流量计(长春汽车滤清器有限责任公司，LMF-1)测量. 2 结果与讨论
试验从2011年10月底持续至次年7月，时长近9个月. 2.1 热水解
试验期间，热水解进泥的平均VSS为55.78g ·L-1，出泥为44.87 g ·L-1，平均去除率为19.6%. SCOD由进泥的4565 mg ·L-1增加至19969 mg ·L-1，增加337.4%. 这些显示出热水解在溶解细胞方面有明显效果.
热水解的去除率与进泥的VSS/SS有一定关系，当VSS/SS在50.0%～59.9%范围内，平均为57.1%时，热水解的平均VSS去除率为13.3%，而VSS/SS在60%以上，则差异不明显，VSS/SS为60%～64.9%、 65.0%～69.9%和70%以上的污泥热水解的平均VSS去除率分别为20.50%、 21.20%和17.63%. 2.2 高温厌氧消化
2011年10月底，用接种污泥直接将高温厌氧罐充满，然后每天按有机负荷(以COD计)2 kg ·(m3 ·d)-1投加葡萄糖，促进厌氧细菌的活性恢复. 当沼气产量达到理论值70%~80%时，逐步减少葡萄糖的投加量，同时增加污泥量，经过3周左右的时间，葡萄糖的投加量为零，至此启动结束. 启动期间，污泥的SRT为20 d，pH维持在7.0左右，进泥的VSS为12.86 g ·L-1，VSS/SS为52.43%.
待反应器启动结束后，将进泥的含固率提高到8%~9%，依次进行了厌氧SRT分别为40 d、 35 d、 25 d、 20 d、 15 d的试验. 每个SRT试验的测试结果都是在反应器完成一个完整的SRT运行后，且稳定运行以后的平均值，结果如下. 2.2.1 有机物去除率
当高温厌氧消化的SRT为15 d、 20 d、 25 d、 30 d、 35 d和40 d时，VSS去除率分别为27.5%、 32.5%、 29.8%、 34.6%、 25.3%和42.3%，有机负荷(以VSS计)分别为3.16、 2.36、 1.84、 1.58、 1.15、 1.18 kg ·(m3 ·d)-1. SRT为35 d时，去除率较低. 在这期间，污水厂的剩余污泥的VSS/SS由70%左右下降至50%左右. 污泥性质不稳定可能是去除率较低的主要原因.
图 2 高温厌氧消化的有机物去除率与SRT
2.2.2 VSS/SS
稳定化是污泥处理的重要目标之一. 王凯军等[10]指出，污泥稳定化是有机物矿化的过程. 朱英等[11]推荐VSS去除率、 不稳定物质去除率、 腐殖质含量和植物毒性等作为污泥稳定化指标，而朱明权等[12]认为厌氧消化后污泥的有机酸含量可很好地衡量污泥的稳定化程度. 通常，有机物去除率越高，污泥稳定化越好，而污泥有机物含量(VSS/SS)越高，污泥就越不稳定，因此可以采用VSS去除率和消化污泥的VSS/SS评价污泥稳定化程度. 大量工程运行数据表明，稳定程度较好的污泥VSS去除率在40%以上，VSS/SS多在45%±5%.
当高温厌氧消化的SRT为15 d、 20 d、 25 d、 30 d、 35 d和40 d时，高温消化污泥的VSS/SS分别为47.49%、 57.98%、 54.00%、 47.15%、 52.93%和55.70%. SRT为20 d、 25 d、 35 d和40 d时，消化污泥的VSS/SS超过50%，这主要是因为进泥的有机物含量较高导致的. 由图 3可知，消化污泥的VSS/SS与进泥的VSS/SS是相关的. 拟合结果表明，线性相关系数R2达到0.9168.
图 3 高温消化污泥VSS/SS与SRT的关系
2.2.3 甲烷产率
甲烷产率是评价厌氧消化回收能源的重要指标. 由图 4可知，当SRT为25~40 d时，甲烷产率(以CH4/VSSadd计)变化不大，为0.20~0.24 m3 ·kg-1; 当SRT为15 d、 20 d时，甲烷产率下降，为0.12 m3 ·kg-1、 0.17 m3 ·kg-1. 这表明当SRT在20 d以下时，污泥有机物的消化还不够彻底. 综合甲烷产率以及前文的有机物去除率等结果，在实际工程中，本工艺的高温厌氧消化的SRT可取25 d.
图 4 甲烷产率
2.2.4 氨氮
氨氮是厌氧反应的抑制物质之一，而高固污泥消化的氨氮抑制风险要明显高于传统污泥厌氧消化. Hashimoto[13]研究发现，对于未经驯化的中温和高温厌氧反应器，当pH约为7.2时，氨氮浓度2500 mg ·L-1的抑制就很明显. 而对于经过驯化的高温厌氧反应器，氨氮浓度达到4000 mg ·L-1时才会产生抑制. Angelidaki等[14]也认为4000 mg ·L-1是氨氮抑制现象发生的临界值. 在试验中，进泥的平均氨氮为284mg ·L-1，厌氧的氨氮浓度平均为983 mg ·L-1，低于文献报道的氨氮抑制浓度4000 mg ·L-1[14, 15]. 2.3 总体运行情况
工艺的总VSS去除率见图 5. 从中可知，当高温厌氧消化的SRT为15 d、 20 d、 25 d、 30 d、 35 d和40 d时，总VSS去除率分别为39.07%、 42.22%、 42.69%、 45.31%、 44.70%和47.87%，总去除率(ηMB)与SRT线性正相关(式2)，相关系数达到0.9153. 厌氧消化的SRT在20 d以上时，总VSS去除率在40%以上，完全满足《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)》中污泥稳定的要求.
热水解和高温厌氧消化对总VSS去除的贡献见图 6. 由图可知，当高温厌氧消化的SRT为15 d、 20 d、 25 d、 30 d、 35 d和40 d时，热水解的贡献比例分别为51.92%、 46.45%、 63.52%、 44.77%、 60.66%和42.68%，而厌氧消化的贡献比例分别为48.08%、 53.55%、 36.48%、 55.23%、 39.34%和57.32%，表明热水解和高温厌氧消化去除VSS的贡献大致相当. 尽管热水解的SRT只有3 d，仅占总SRT的6.98%~16.67%，但对总VSS去除率的贡献明显.
图 5 总VSS去除率
图 6 热水解和高温厌氧消化对VSS去除的贡献
2.4 与实际工程的对比
文献报道的国外的大型污泥消化工程的运行数据比较少，使用的经典设计手册可以反映工程的实际情况. 美国《污水处理厂设计手册》中明确指出污泥厌氧消化的有机物去除率应在38%以上，沼气产率的范围为0.5~0.75 m3 ·kg-1(以沼气/VSSadd计) 和0.75~1.12 m3 ·kg-1[16](以沼气/VSSrem计). 沼 气中的甲烷含量一般为50%~70%，按平均60%计算，折算后的甲烷产率分别为0.30~0.45 m3 ·kg-1(以CH4/VSSadd计)和0.45~0.67 m3 ·kg-1(以CH4/VSSrem计). 中试研究结果表明，热水解-高温厌氧消化工艺处理高含固率的剩余污泥时，有机物去除率完全可以达到美国设计手册的要求，但甲烷产率低于推荐值.
截止目前，我国建成并运行良好的污泥厌氧消化设施主要有大连东泰夏家河污泥处理厂、 北京小红门污水处理厂污泥消化工程、 青岛麦岛污水处理厂污泥消化工程、 上海白龙港污水处理厂污泥处理处置工程和郑州王新庄污水处理厂污泥消化工程等. 本中试的试验结果与国内运行良好的部分实际工程运行对比结果见表 1.
由于我国城镇污水处理厂污泥的有机物含量普遍较低，已建成运行的污泥厌氧消化设施，甲烷产率大多为0.18~0.24 m3 ·kg-1(以CH4/VSSadd计)[17]，因此本工艺的甲烷产率要优于一般的消化工程. 由表 1可知，当停留时间接近时，高含固率的污泥厌氧消化的有机物去除率与运行良好传统的污泥厌氧消化工程(含固率3%~5%)相当. 由于高固消化与相同停留时间的传统消化相比，反应器的容积要缩小50%左右，加热的污泥体积缩小40%~60%，抵消了大部分高温多耗的能量，因此运行费也未明显增加. 这显示出本工艺具有明显的经济优势.
表 1 中试与实际消化工程的对比
与同为高固消化的大连夏家河污泥处理厂相比，本中试的有机物去除率和甲烷产率基本相同. 夏家河污泥处理厂的进料除了城市污泥外，还有部分过期食品，这些物料有机物含量高，产气率也高. 夏家河厂采用了德国技术.
本工艺采用了70℃热水解和高温消化，在降低污泥的卫生风险方面要明显优于中温消化.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。
3 结论
中试结果表明，含固率8%~9%的剩余污泥进行“热水解(70℃)-高温厌氧消化(55℃)”具有较好的有机物去除效果和污泥稳定化效果，能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)》的要求. 与此同时，高固消化污泥含固率较高，反应器小，投资较少，而运行能耗未明显增加，值得推广. 从有机物去除率和沼气产率来综合考虑，推荐的参数为：热水解SRT=3 d，高温厌氧消化的SRT=25 d.(来源及作者：清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点实验室 王广启、曹知平、李中华、胡玉瑛、王凯军、左剑恶)