實測：熱水解工藝氣對污泥厭氧消化運行的影響
熱水解作為高級厭氧消化的預處理工序，其排放的廢氣——工藝氣，一般進入厭氧消化池進行處理。通過高安屯污泥處理中心項目運行實例，分析通入熱水解工藝氣的消化池與未通入熱水解工藝氣的消化池在有機物分解率、沼氣成分、污泥理化指標、沼氣產率等方面的差異，總結熱水解工藝氣對于厭氧消化運行的影響。針對生產運行實際，提出對于工藝氣處理的相關建議。
01 熱水解工藝氣的來源
高安屯項目中，采用蒸汽作為熱源提供熱水解反應所需溫度。蒸汽由蒸汽鍋爐提供，蒸汽鍋爐的燃料來自厭氧消化所產生的沼氣。在熱水解過程中，多余的蒸汽和反應、閃蒸階段排放的廢氣，首先用于預熱漿化階段的熱水解系統進泥。當漿化罐內污泥吸收廢氣飽和時，多余的氣體就作為廢氣，即工藝氣，排放到消化池進行再次處理。工藝氣排放系統如圖1所示。
02 熱水解工藝氣的測量
2.1 試驗基礎條件
實際生產中熱水解的漿化、反應、閃蒸環節均在密閉容器中進行，因此熱水解工藝氣的排放量取決于熱水解系統的處理泥量、閃蒸罐排泥泵的壓力和流量、反應罐和漿化罐的運行料位等。此外，由于熱水解的反應和閃蒸是采用序批的生產操作模式，所以工藝氣的排放壓力和流量是瞬時變化的，難以通過常規測定氣體流量的方法實施測量。
為間接測定熱水解工藝氣中有機物的量，通過設定蒸汽和稀釋水中有機份為零，則可建立物料平衡，即熱水解進泥的有機物總量（同“漿化罐進泥的有機物總量”）=熱水解排泥的有機物總量（同“消化池進泥中有機物總量”）+工藝氣中有機物總量。
試驗地點為高安屯項目現場。該項目熱水解采用康碧技術，消化池采用普拉克鋼制罐。消化運行溫度為40 ℃，設置機械攪拌。消化池進泥方式為底部進泥；排泥方式為頂部溢流排泥。消化后污泥進入板框脫水系統。現況熱水解系統運行2條生產線；運行一個系列（即B系列）消化池，該系列由4座消化池（5-8號消化池）組成。熱水解工藝氣通過單獨的管線，通入8號消化池泥位液面下1 m處。
試驗主要取樣為熱水解系統進泥、熱水解系統排泥、5號消化池排泥和8號消化池排泥。重點比較8號消化池與5號消化池的運行差異，即通入熱水解工藝氣的消化池與未通入熱水解工藝氣的消化池的差異。
2.2 試驗期間整體運行情況
試驗主要時間段為2019年1-2月。在試驗期間，熱水解排泥全部進入消化池。熱水解進泥含水率平均88.12%，進泥有機份平均68.54%；熱水解排泥（即消化池進泥）含水率平均92.72%，排泥有機份平均66.9%。其中，5號消化池排泥含水率平均95.17%，排泥有機分50.69%；8號消化池排泥含水率平均95.11%，排泥有機分為49.49%。
試驗期間，消化池進泥總量1 261 m³/d，其中5號消化池進泥量平均326 m³/d；8號消化池進泥量301 m³/d。消化系統沼氣產量為43 119 m³/d，其中5號消化池產氣量平均12 417 m³/d；8號消化池產氣量11 552 m³/d。
03 熱水解工藝氣對消化池的影響
3.1 工藝氣中的有機物量
圖2所示，污泥經熱水解后有機份明顯減少。由于熱水解是密閉系統，減少的有機份必然是進入到工藝氣排放系統。根據前述的物料平衡計算，在取樣時段內，工藝氣中的有機物量的平均值約為熱水解系統進泥有機物總量的29.6%（質量百分比），這部分有機物進入到8號消化池。因此，8號消化池與其他消化池相比，進入的有機物的量要較多。即8號消化池與5號消化池相比，除了進泥中的有機份外，8號消化池還額外多了工藝氣中有機份量。
3.2 工藝氣對厭氧消化的影響
3.2.1 有機物分解率
由圖3可知，8號消化池有機物分解率平均為56.8%；未考慮（或未包含）通入消化池中工藝氣的有機份時，8號消化池的有機物分解率為49.4%。5號消化池有機物分解率平均為48.9%。未考慮工藝氣中有機份時，8號消化池與5號消化池有機物分解率基本一致，但考慮到工藝氣中有機份時，8號消化池的有機物分解率高于5號消化池。
3.2.2 沼氣成分
為進一步研究工藝氣的通入對于消化池沼氣成分的影響，在2019年2月19日-3月15日，單獨對4座消化池沼氣氣樣進行對比。
3.2.2.1 硫化氫含量
從圖4可知，5號消化池硫化氫含量平均0.002%（體積百分比），6號消化池硫化氫含量平均0.018%，7號消化池硫化氫含量平均0.002%，8號消化池硫化氫含量平均0.134%。8號消化池硫化氫含量明顯高于其他消化池。
一般在沼氣脫硫處理工藝中，通常將脫硫后沼氣中硫化氫含量小于0.01%作為脫硫標準。對照此標準分析，5號和7號消化池沼氣中硫化氫含量均符合標準；6號消化池除個別時間段內硫化氫較高外，部分時段內也符合標準，但8號消化池硫化氫含量全部超出標準。
針對消化池沼氣中硫化含量差異的原因進行分析，主要有兩方面因素影響。一是在生產中在消化池進泥中連鎖投加鐵鹽；二是工藝氣的通入可能影響沼氣中硫化氫含量。
實際運行中，投加的鐵鹽，其主要成分為三氯化鐵，有效成分≥38%（質量百分比），是通過藥泵與消化池進泥泵連鎖運行，即消化池進泥時，消化池進泥泵與鐵鹽投加藥泵同時連鎖啟動，即藥泵的瞬時流量與消化池進泥泵的瞬時流量之比，即為鐵鹽的投配率。在自控上可以實現藥泵的投加個數的調整。
在消化池氣樣測試期間，如圖5所示，8號消化池進泥量與其他3個消化池，尤其是與6號和7號消化池進泥量接近，雖然8號消化池的鐵鹽投配率更高（在同樣進泥流量的前提下， 8號消化池的鐵鹽瞬時投加采用2個藥泵，而5-7號消化池瞬時鐵鹽投加采用單泵），但8號消化池沼氣中硫化氫含量還是要高于其他消化池。
為進一步驗證在進泥中投加鐵鹽對于沼氣中硫化氫的去除效果，2019年3月3-15日，試驗增加5號消化池的鐵鹽投配率，即5號消化池和8號消化池采用同樣的鐵鹽投配率；但從消化池沼氣中硫化氫含量看，提升鐵鹽投配率，對于5號消化池去除硫化氫效果不明顯。說明5號消化池在原有投配率的基礎上，沼氣中硫化氫含量已經很少，過量投加效果不明顯。這說明，在一定的鐵鹽投配率下，消化池進泥中的硫化物和硫酸鹽已經能夠被固化到污泥中。在進泥中，過量投加鐵鹽基本上沒有效果。故8號消化池沼氣中的硫化氫，也排除來自進泥中硫化物和硫酸鹽的影響，只可能是來自工藝氣的影響。
3.2.2.2 甲烷含量
在測試取樣期間，在同樣的進泥泥質條件下， 5號消化池甲烷含量平均在671%；6號消化池甲烷含量平均在69.1%；7號消化池甲烷含量平均在69.7%。8號消化池的甲烷含量平均在61.9%。8號消化池沼氣中甲烷含量明顯低于其他消化池。如圖6所示。
3.3 消化池污泥理化指標
為查看8號消化池與其他消化池的差異，擬從消化池內污泥酸堿比、氨氮、TOC、COD和SCOD等理化指標來比較。
3.3.1 酸堿比
酸堿比為消化池內污泥脂肪酸與堿度的比值。選取2019年1~3月（春節期間除外）消化池污泥脂肪酸與堿度的比值進行分析， 5-8號消化池內酸堿比平均值如表1所示。
如圖7，4座消化池污泥酸堿比均在0.1～0.2。8號消化池內污泥的酸堿比與其他3座消化池沒有明顯差異。
3.3.2 氨氮
選取2019年1-3月（春節期間除外）消化池內氨氮進行對比。從圖8可知，8號消化池中氨氮平均值在3 069 mg/L，其氨氮含量與其他消化池沒有明顯差異。
3.3.3 TOC
分析污泥中TOC含量，如圖9所示。污泥經熱水解后，污泥中TOC明顯增加；經厭氧消化后，污泥中TOC明顯減少。試驗取樣期間，消化池進泥TOC為108 000~264 000 mg/kg；5號消化池排泥中TOC平均223 000 mg/kg；8號消化池排泥中TOC平均219 545 mg/kg。8號消化池與5號消化池內污泥TOC沒有明顯差異。
3.3.4 COD和SCOD
測試期間COD變化趨勢如圖10所示。經熱水解后污泥中COD明顯增加，經厭氧消化后的污泥COD明顯減少。5號消化池COD去除率為16.9%～45.1%；8號消化池COD去除率為16.0%～47.1%；這2座消化池COD去除率與王治軍等試驗熱水解后污泥厭氧消化COD去除率566%相比要略低。分析存在的差異，主要是本試驗取自生產現場測試數據；另一方面，本試驗生產裝置熱水解溫度為165 ℃，低于王治軍等試驗裝置溫度170 ℃，且本生產試驗中熱水解前后的污泥COD含量要高。
為進一步比較熱水解前后及消化前后COD變化，測試污泥中SCOD變化，如圖11所示。可知5號消化池和8號消化池SCOD去除率均超過60%；8號消化池SCOD去除率要高于5號消化池，能達到79.5%。
3.4 沼氣產率
引入沼氣產率的概念，即每立方米消化池進泥所產生的沼氣量，單位為“m³沼氣/ m³”進泥，來比較消化池的沼氣產量。
由圖12可知，在2019年1-2月內，5號消化池沼氣產率為38.3 m³沼氣/ m³進泥；6號消化池為30.1 m³沼氣/ m³進泥；7號消化池為31 m³沼氣/ m³進泥；8號消化池為38.6 m³沼氣/ m³進泥。8號消化池沼氣產率與5號消化池基本持平，要略高于其他消化池。這與圖3所示的有機物分解率的趨勢一致，即5號消化池與8號消化池，在未考慮工藝氣中有機份的情況下，兩者污泥中有機物分解率一致，沼氣產率也一致。這也說明，8號消化池中工藝氣帶來的有機物對于消化池沼氣產量的貢獻有限，即工藝氣采用現況通入厭氧消化的處理方式，其降解工藝氣中有機物的能力有限。
將沼氣產率折算為去除單位公斤有機物的甲烷產量，則5號消化池沼氣產率為1.055 m³甲烷/ kgVS；8號消化池沼氣產氣產率為0.969 m³甲烷/ kgVS。與文獻高固污泥中溫厭氧消化沼氣產率0.8～1.1 m³甲烷/ kgVS基本一致。這表明，現況4座消化池運行狀況良好。8號消化池的運行未受到工藝氣通入的影響。
04 存在的問題及對策
4.1 工藝氣中有機物的回收
污泥經熱水解后，污泥中有機份部分會被帶到工藝氣中，這部分量大致在29.6%（質量百分比），雖然因熱水解生產線時序不同，這部分量的數值可能浮動，但對于這部分有機物的利用是非常重要。現況是采用漿化罐作為一級系統回收廢氣，建議在可行的情況下，采用多級廢氣回收，盡可能的將反應和閃蒸環節的廢氣吸收到污泥中，減少廢氣的排放量，進而減少排放到廢氣中的有機物量，盡可能的將這部分有機物融入消化池進泥中，這樣能夠增加消化池進泥中的有機負荷。
4.2 投加鐵鹽脫硫方式的改進
現況采用在消化池進泥中連鎖投加鐵鹽，進行沼氣脫硫。從測試期間的數據看，這種脫硫方式，對于未通入工藝氣的消化池效果較好，但對于通入工藝氣的消化池，其效果不明顯。建議繼續增加8號消化池的瞬時鐵鹽投配率，繼續驗證在進泥中鐵鹽對于通入工藝氣消化池的硫化氫去除效果。
4.3 工藝氣中有機份的降解
從前述消化池有機物分解率與產氣率看，通入工藝氣的消化池，其沼氣產率與未通入工藝氣的消化池，差異不大；但通入工藝氣的消化池，沼氣中甲烷的含量較低。即工藝氣中的有機份，在現況的厭氧消化池中，未能得到有效降解和利用。建議在可能的情況下，對于工藝氣的處理，需考慮改進現況處理方式，加大對工藝的吸收以便能利用生物方式降解工藝中的有機物。
05 結論
經熱水解預處理后，污泥中部分有機份會通過工藝氣進入消化池內。應對熱水解工藝氣問題引起重視。
通入工藝氣的消化池，其沼氣產率、污泥酸堿比與未通入工藝氣的消化池相差不多；但其沼氣中硫化氫含量較高；沼氣中甲烷含量略低。
現況在消化池進泥中投加鐵鹽去除硫化氫的方式，對于未通入工藝氣的消化池，效果較好；對于通入工藝氣的消化池，去除硫化氫的效果有限，需進一步進行驗證。
熱水解工藝氣對于消化池的運行，無明顯影響；且熱水解工藝氣帶來的有機物，在現況消化池內，沒有得到明顯降解。
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