污泥气

厌氧消化是由微生物经过一系列的生化过程，将复杂大分子有机物转化为小分子的CH₄、CO₂、水和氨氮的过程。厌氧消化主要由水解、酸化、产氢产乙酸和产CH₄四个阶段组成，其工艺模型如图1所示。

水解阶段：污泥中的蛋白、多糖、脂肪和核酸等复杂有机物，在蛋白水解菌、纤维素水解菌、淀粉水解菌和脂肪水解菌的作用下，水解产生氨基酸、单糖、甘油等末端产物。

酸化阶段：水解阶段产生的小分子有机物通过酸化菌的代谢作用，转化为有机酸、H₂和 CO₂。例如，氨基酸，一部分用于合成微生物细胞组织，另一部分则通过脱氨、脱羧反应，分解成SCFAs、硫化氢（H₂S）、氨气（NH₃）等；单糖常经过糖酵解（EMP），产生 SCFA、H₂和 CO₂等小分子物质；长链脂肪酸则通过 β-氧化途径形成乙酰-CoA 和乙酸。另外，水解产物可通过丁酸型发酵、丙酸型发酵、乙醇型发酵转化为丁酸、丙酸和乙醇等特征产物，以及乙酸、H₂、CO₂等共有产物。

产氢产乙酸阶段：在厌氧条件下，异养型发酵菌能够将酸化阶段产生的丙酸、丁酸、戊酸、乳酸和醇等，进一步转化为乙酸，同时释放 H₂和 CO₂。另外，同型产乙酸菌能够利用分子氢和 CO₂产生乙酸。

产 CH₄阶段：产甲烷菌利用产氢产乙酸阶段产生的小分子物质：H₂/CO₂、甲醇、甲酸、甲胺和乙酸等产生 CH₄。其产 CH₄途径主要有以下两种方式：（1）乙酸分解产生 CH₄和 CO₂；（2）CO₂和 H₂反应合成 CH₄和水。

污泥厌氧消化产生污泥气过程受许多因素影响，包括温度、pH值、碱度、基质营养比例、搅拌以及毒性抑制物质。由于污泥 C、N、P 等营养元素充分，基质营养比例影响较小。污泥厌氧消化过程中会释放大量的氨氮，污泥厌氧消化碱度通常较为充分。因此，对于污泥厌氧消化，温度、pH值、搅拌以及毒性抑制物质是影响其系统稳定性及产甲烷效率的主要因素。

污泥气温度

厌氧消化对温度有比较严格的要求。厌氧微生物可分为嗜冷、嗜温和嗜热三大类，因此，厌氧消化可分为低温厌氧、中温厌氧和高温厌氧消化。污泥厌氧消化通常选择中温厌氧消化（33~37℃）和高温厌氧消化（50~55℃）。 温度的波动会对不同类型的厌氧消化微生物活性产生明显的影响。通常，厌氧消化每天温度波动应不大于1℃。当温度波动达到2~3℃就可能对厌氧消化处理能力产生严重影响。温度突降后，产气量基本为0，VFA累积以及pH降低。

污泥气pH值

pH值是判断实际厌氧消化工艺运行是否正常的关键参数。厌氧消化过程中产酸菌的适宜 pH 范围为 5.0~6.5，产甲烷菌适宜范围为 6.5~7.8。虽然如此，大多数产酸菌和产甲烷菌能在pH为 5.0~8.5 范围内生长；在产酸菌与产甲烷菌共存的情况下，pH值适宜范围为 7.0-7.6。有机物在水解产酸阶段会被分解产生挥发性脂肪酸，同时，污泥中蛋白质的分解会生成氨氮以及碳酸盐。厌氧消化系统中，挥发性脂肪酸、氨氮、碳酸盐三者构成pH缓冲体系。

污泥气搅拌

在实际污泥厌氧消化工艺运行中，搅拌对微生物活性的影响尤为重要。搅拌可以使消化罐内污泥浓度、pH值、微生物等保持均匀，避免消化罐内部分物质累积，表层污泥结壳等。实现消化池进泥与消化池内的消化液充分混合，从而实现消化池进泥与池内微生物接触充分，利于反应进行；通过搅拌可以实现热量的均匀分布；可以减少消化池内浮渣在表层结壳；搅拌充分还可以减少消化池底部砂的积累；还有利于沼气从消化污泥中释放到气相空间，利于气液分离等。微生物降解有机物产甲烷过程，传质效率对物质的转化影响非常重要。

污泥气毒性抑制物质

许多物质可以对厌氧消化过程产生毒性抑制作用，包括氨氮、重金属、硫化物、有机酸等。对于污泥厌氧消化，硫化物以及氨氮的抑制比较常见。硫化物是硫酸盐还原作用的终产物，不仅会导致沼气中产生 H₂S，更重要的是会对产甲烷菌产生一定的抑制作用，影响厌氧消化的效率。一旦H₂S穿透微生物细胞壁，将对细胞蛋白质构成破坏。 2100433B

污泥气是污泥在厌氧消化处理过程中产生的气体物质。伴随城市污水厂的兴建 , 大量城市污泥产生。由于浓缩 /厌氧消化 /脱水工艺能同时实现污泥减量化和稳定化, 且伴有可回收的燃气 (甲烷 )产生 , 最终污泥可作为农肥回用 ,故得到广泛应用。

污泥消化产生气体中约65%~70%为甲烷 （体积），热值在 22400～35800KJ/Nm³，为回收这部分能源，污泥消化产生的污泥气利用有以下途径：首先用来作为污泥消化加热所需的能源，多余的污泥气用来带动沼气鼓风机，其次用来带动沼气发电机。

湿污泥加热模式对热解产物的影响

将含水率84%的污泥原样分别在两种加热模式下进行热解:①室温作为起始温度,在10℃·min的升温速率下加热至1000℃,并保温30min;②当炉温升至500℃时,将污泥迅速送入反应区,并在平均升温速率为10℃·min的情况下加热至1000℃,保温30min.一般而言,当温度达到150℃左右时,污泥中的挥发份开始析出(Cabaleroetal., 1997;甘义群, 2005),故模式1从150℃开始, 每隔100℃收集2min气体作气相色谱分析;而在模式2 作用下,样品推入炉中反应即刻发生,为详细了解气体组分的变化, 故该模式下是每隔50℃收集2min气体.当温度升至1000℃后,间隔10min收集同样时间的气体以比较气相产物组成的变化(1000℃测定了0、10、20、30min的数据).加热模式对不同温度段产生的热解气体组分的影响 .在模式1 条件下,当温度升至1000℃时才有H2生成,而CO则是在热解温度达到650℃时出现大幅增长;在模式2条件下,当热解温度为850℃时, H2体积分数已经达到11%,并在后续反应中保持平稳上升趋势, 与此同时, CO的体积分数也随着温度的升高逐渐从2%增至26%,且模式2中各温度段所生成的其他气体比率明显比模式1 作用下产生的气体比率高.综合考虑, 将温度升至设定温度后再将物料送入反应区的加热模式2有利于得到富含H₂、CO和CH₄的高品质可燃气体.这是由于在模式1条件下,污泥经历了较长的反应时间,且能量供给过程较为平缓, 挥发份在析出并分解的初期所产生的重质烃等中间产物会由载气带出高温区间,经冷凝形成焦油和少量气体, 令样品挥发份及中间产物含量降低, 使得后续裂解所得的气体量减少;而模式2中,脱水污泥在经历了初始热解阶段后,产生的大分子碳氢化合物迅速发生二次裂解,生成大量H2、CO、CH4等小分子气体, 使得相同温度段下的可燃气体积比率显著增大,令燃气品质得到提高.因此, 在以回收富氢燃气为目的的高温热解过程中,宜采用当炉温升至设定温度后再投入物料的加热模式.

湿污泥温度对热解产物的影响

在100℃·min的升温速率下,热解终温对含水率84%污泥热解后产物产率分布及气相产物热值的影响如表2 所示.从表2中可以看出,当温度从700℃升至1000℃时,气相产物产率得到明显提高,液相和固相产物的产率则相应降低,且液相产物产率的降低幅度明显高于固相产物,说明气体的增加主要来自液相组分即焦油的二次裂解.另外, 随着温度的升高,热解气体的热值与其产率的变化趋势一致,从12624kJ·m提高至14248kJ·m,说明温度的提高有利于得到高热值的可燃气体.其中, CO和H2的组成对后续制氢工艺有较大作用.由图3可知, 当温度从700℃提高到1000℃时, H2体积分数从11%增加到30%.这是因为当温度升高时,热解所提供的能量得到相应增大,一方面令污泥中有机物料的C— H键在该能量作用下迅速断裂,生成H2;另一方面, 高温下水蒸气气化反应也有利于H2的生成.另外,气体组分中CO 体积分数由15%增长为32%;CO H2体积分数从31.7%增加为61.8%, H2与CO体积比则从0.56增至0.91;CO2体积分数虽然在700 ～800℃的阶段减小,但温度继续升高后CO2体积分数又有所增加; CH4产量的变化趋势较为平缓;而C2H4、C2H6和C3H8组分比率则出现相应降低.这是因为在高温下,脱水污泥中固有的大量水分迅速转化为高温水蒸气, 并和热解产物如C、CH4等发生如下吸热反应。

湿污泥升温速率对热解产物的影响

不同升温速率对含水率为84%的污泥在1000℃下热解的影响.当热解升温速率从22℃· min提高到100℃·min时, 气态产物产量由31.9%升至36%, 液态产物产量则由57.8%下降到53.9%,固态产物产量变化不大.这说明在高温条件下提高污泥热解的升温速率有利于液态产物的二次裂解和气态产物的生成.这主要是因为气体和焦油的产率在很大程度上是由挥发分的一次裂解和焦油的二次裂解反应决定的,提高升温速率可使物料在较短时间内达到设定温度,令挥发分在高温环境下的停留时间增加,促进二次裂解的进行, 使得燃气产率提高,焦油产率下降.另外, 在一定的热解时间内, 低升温速率可延长物料在低温区的停留时间, 促进脱水和炭化反应, 导致炭产率增加.由于本实验中的热解温度高达1000℃,物料在反应区内也经历了足够长的停留时间,反应较为完全, 改变升温速率对其影响不大,故所得气体的热值无明显变化趋势.2100433B

分散性污泥传统计算公式

分散性污泥的传统计算方式可参考化粪池污泥的计算方式，化粪池污泥量公式 ：

分散性污泥粪污总量估算

根据人均每日的定额污泥量，粪便与生活污水合流时为a=0.7L/人·d 。

全国人口为N=13.6亿，每年产生的新鲜粪污量，W=N·T·a/1000，约为含水率b=95%的粪污3.4748亿立方。粪污消化浓缩后的含水率为c=90%，污泥缩减系数K=0.8，经过浓缩和消化后，13.6亿人口每年形成的含水率90%的分散性污泥约为1.39亿立方。

按照化粪池污泥计算公式，全国每年的分散性污泥总量约为含水率90%的污泥1.39亿立方。

随着我国城市化进程的加快, 污水处理率逐年提高,污泥产量也随之急剧增加,一般而言,污水处理流程中产生的污泥通常含有 95%的水分, 为减少体积、降低运输成本及便于后续处理,一般都会采用真空过滤法、压滤法 、离心法和压带法对污泥进行机械脱水 .然而处理后的脱水污泥含水率仍高达 70% ～ 80%, 这部分水分只能通过热干燥的方式去除, 而正是该过程增加了污泥处理处置的成本 .热解法作为城市污水污泥焚烧处理的替代技术,因其经济性好、二次污染小、热解产物利用价值高等优点受到了广泛关注.同时, 我国城市污泥中有机物含量和热值日渐增高,也使其具备了热处理的潜力.目前,通过对干污泥及其他生物质进行中高温热解来回收能源的工艺已成为国外研究如何处置固体废弃物的重点, 而国内在该领域的研究仍处于起步阶段, 尤其是针对含水率高达80%左右的脱水污泥进行高温热解的研究还鲜见报道.