上海白龙港污水处理厂 (以下简称白龙港厂) 处理规模为280万m³/d, 主要采用多模式A²/O生物处理工艺, 产生的污泥主要包括初沉污泥和剩余污泥。污泥厌氧消化系统处理规模为204 tDS/d, 2011年完成调试及试运行, 2012年投入正式运行。

　　 白龙港厂污泥消化采用单级中温厌氧消化工艺, 设计消化温度为35 ℃, 该系统由匀质池、消化池、沼气处理、沼气利用及加热系统组成, 工艺流程如图1所示。

　　 污泥消化池采用卵形结构, 共8座, 总容积为99 200 m³, 池体最大直径为25 m, 高度为44 m, 是国内处理规模最大的污泥厌氧消化系统。设计消化温度为35 ℃, 采用套管逆流的方式利用热水在池外对污泥进行加热。污泥停留时间为24.3 d, 污泥搅拌采用导流筒导流, 螺旋桨机械搅拌。

　　 沼气处理采用湿式脱硫和干式脱硫串联形式。湿式脱硫采用THIOPAQ生物脱硫塔系统, 用来去除沼气中的H₂S。沼气中的H₂S和CO₂在反应器中与碱液反应进而被从气体中脱除, 洗涤后的沼气排出洗涤塔, 废液中的硫酸盐在生物反应器中被转化为单质硫, 同时碱得到生物再生。干式脱硫脱硫剂采用氢氧化铁, 脱硫后的硫单质附着在脱硫剂表面, 脱硫剂需要定期更换。设计沼气中H₂S浓度为3 000～10 000 ppm, 脱硫后H₂S浓度<20 ppm。

　　 系统产生的沼气经脱硫后一部分进入热水锅炉房, 对消化生污泥进行池外加热;多余沼气进入干化处理系统, 为污泥干化提供热能。3台沼气热水锅炉, 为消化系统提供热能;3台导热油锅炉, 为干化系统提供热能。

　　 影响污泥厌氧消化的关键因素之一就是温度。由于产甲烷菌繁殖代谢速度较慢, 内部整个消化过程的速率由产甲烷阶段控制。甲烷细菌正常生存的温度范围较一般细菌宽, 一般在10～60 ℃。在55 ℃左右时, 消化效率最高, 消化时间最短;35 ℃左右时, 消化效率也较高, 消化时间约需20 d;此后随温度降低, 消化时间延长。高温消化的有机物降解率和产气产量会略高于中温消化, 但需要增加很多加热量, 因此白龙港厂消化采用中温厌氧消化, 温度维持在35 ℃。考虑到甲烷菌正常生存的温度范围虽然较宽, 但对温度的突变却反应敏感。当甲烷细菌在某温度下被驯化以后, 温度波动超过0.6 ℃即会影响消化效果, 温度波动超过1 ℃时产气量将急剧降低。因此, 在日常的生产运行过程中, 严格控制消化系统温度, 采用在线监控的方式, 温度控制在35 ℃, 上下浮动不超过±1 ℃。

　　 pH是消化系统运行是否正常的直观性判断指标之一。消化过程中, 水解和产酸阶段的速率超过产甲烷阶段, 会造成有机酸的积累, 使pH降低;产甲烷与产酸阶段速率接近时, 因无大量有机物累积, 消化液的pH则升高。2016～2017年的污泥厌氧消化池中pH变化规律见图2。

　　 从图2中可以看出, 2年的稳定运行中, 消化系统进泥的pH相对偏低, pH范围为6.1～6.6;进入厌氧消化系统后, 经过加热、污泥接种后进入厌氧消化池, 在产酸菌的作用下, 污泥中的碳水化合物和脂肪类容易分解的物质最先被降解, 降解过程中产生挥发性脂肪酸, 使消化液的pH降低, 由于污泥厌氧消化为连续运行, 且投配率为5%, 因此消化池中pH降低的过程占比很小, 在指标上无法体现;随后污泥中的蛋白质分解占优势, 蛋白质中含有氨, 分解之后会产生出较多的NH₃, 而NH₃在消化液中的存在形式为NH₄OH, 使系统酸化阶段产生的酸度得到中和;同时, 系统中甲烷菌也在进行着挥发性脂肪酸的分解, 因此, 在以上两者共同作用下, pH保持在中性偏碱性阶段, 系统中的产酸菌和甲烷菌自动保持平衡运行^[1]。如图2所示, 白龙港厂的消化系统中的pH基本保持在7～7.6, 酸碱平衡系统可自持, 无需外部添加, 表明消化系统运行正常, 不存在系统发生酸化的可能。

　　 VFA浓度的高低是判断消化系统是否存在酸化趋势或情况的指标。在正常运行时, 产酸菌和甲烷菌会自动保持平衡, VFA浓度随碱度而变化, 一般应在50～500 mg/L范围内, 而VFA升高时, 预示着运行可能出现了异常, 造成VFA积累, 消化系统处于酸化状态, 甲烷菌受到抑制, 产气情况受到影响, 消化系统的正常平衡被打破^[2]。2016～2017年的污泥厌氧消化池中VFA值变化规律见图3。

　　 从图3中可以看出, 2年的稳定运行中, 消化系统中VFA范围基本在110～300 mg/L, 标志着消化系统酸碱平衡的动态自持的状态。每天消化池中连续均匀的进泥, 新进污泥中的碳水化合物、类脂类化合物及蛋白质等有机物逐渐被分解, 主要以VFA的形式存在, 导致系统中的VFA会有增加;而当蛋白质被分解的同时, 也产生少量的NH₃, NH₃在消化液中以NH₄OH的形式存在, NH₄OH中和了部分VFA形成的酸度;同时, 由于系统中甲烷菌的存在, 甲烷菌也逐渐开始分解新产生的VFA, 产生沼气等产物, 因此系统中没有出现酸过度积累现象, 运行处于正常状态。

　　 碱度 (ALK) 是厌氧消化稳定运行的重要参数, 它的缓冲作用可以维持适宜的pH, 阻止厌氧消化的过度酸化现象。2016～2017年的污泥厌氧消化池中ALK值变化规律如图4所示。

　　 在正常运行时, 消化液的pH自动维持在6.5～7.5的近中性范围内, 此时, 碱度为1 000～5 000 mg/L (以CaCO₃计, 下同) ^[3]。消化系统中有诸多甲烷菌存在, 当甲烷菌分解有机物的同时, 系统中也产生部分CO₂ (碳酸) 和NH₃ (以NH₃和NH⁺₄的形式存在) , NH⁺₄一般以NH₄HCO₃存在, 因此, 系统中存在HCO^-₃/CO组成的缓冲溶液, 维持系统中的酸和碱达到平衡。从图4可见, 2年的运行中, 消化系统中ALK的范围为在2 600～4 200 mg/L, 在正常的范围内。从图4中还可以看出, 碱度变化的季节性特征较明显, 随着夏季的来临, 碱度逐渐降低;随后, 随着气温的升高, 碱度又逐渐增大。主要原因可能是夏季温度环境好, 污水处理中对有机物的降解更彻底, 遗留在污泥中的有机质含量较低, 在消化过程中产生的CO₂和NH₃的量相对较小;反之亦然。

　　 在生产运行过程中, 中温厌氧消化温度波动的上下幅度不超过±1 ℃。造成温度波动太大可能的原因为进泥量波动太大。此情况解决措施为:对于间歇进泥的, 应增加每天的进泥频次, 减小每次的进泥量, 使进泥均匀;对于连续进泥的, 应调整进泥的方式, 进泥量应保持均匀。如因外加热量控制不当所致, 如锅炉、热交换器、热量供应管路等应一一查询, 并及时对其修复, 加强加热系统控制调节。如因搅拌不均匀, 使热量在池内分布不均匀, 也会影响甲烷菌的活性, 降低消化效果。

　　 当运行过程中, 发现pH呈现下降趋势, 应及时进行调整, 对水力负荷、有机物投配负荷、搅拌、温度等进行分析, 及时采取措施进行调控;如果工艺调整不能挽回, 则应考虑向消化液内投入碱源, 补充碱度, 控制住pH下降并使之回升, 否则如果pH下降至6以下, 甲烷菌将全部失去活性, 消化系统处于酸 化状态, 须放空消化池重新培养或接种消化污泥进行系统恢复。

　　 在运行过程中, 发现VFA/ALK升高, 则应对系统进行分析;当VFA/ALK>0.3, 须采取措施进行调控。如果水力超负荷, 则应首先将进泥量调整至正常值, 并减少排泥量;如果进泥量没变, 而进泥中的有机物含量增加, 即有机物投配超负荷, 应减少进泥量, 如果是由于污水处理厂进水中有机物含量增加, 则应要求有关部门加强上游污染物管理;如果是搅拌系统故障, 应及时排故, 避免造成局部搅拌不到位而出现酸积累;如果温度波动太大, 则应坚持开启加热系统, 将温度控制在正常的范围。

　　 (1) 通过对白龙港污水处理厂污泥厌氧消化的生产运行指标的分析, 白龙港污水处理厂污泥厌氧消化系统运行稳定。

　　 (2) 温度、pH、碱度、VFA、进泥量等指标是污泥厌氧消化重要的运行指标, 应定期对其进行监测。

　　 (3) 日常运行中, 厌氧消化运行的关键性指标应控制在其正常范围内;当出现异常情况时, 应及时对其进行分析, 并采取措施对症下药, 及时将其恢复至正常范围内, 以免系统出现严重酸化而需重新培养。