白龙港污泥中温厌氧消化快速启动研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 6 4 1009.51KB 83 页 15积分
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摘 要
本课题为上海市科学技术委员会科研计划项目课题“污泥安全处置及资源化关
键技术研究(09dz1204100)”之子课题“白龙港污泥厌氧消化工程优化运行研究
(09dz1204102)”中的部分研究内容。此项研究内容具有较高的推广和应用价值，
可为类似工程提供借鉴和示范。
本课题研究内容可分为三部分：第一部分内容为无接种污泥启动实验研究；
第二部分内容为无接种清水启动实验研究；第三部分内容为接种启动实验研究。
研究结果表明：(1) 在无接种污泥启动实验研究中，以恒定污泥投配率投加生
污泥的消化系统在第 35 天左右时达到稳定运行状态；以变污泥投配率投加生污泥
的消化系统在第 25 天左右时达到稳定运行状态。污泥中温厌氧消化系统的最佳启
动方式为以变污泥投配率投加生污泥的系统的启动方式，即在系统初始状态为原
污泥的条件下，厌氧消化 7天后，以 1%-2%-3%-4%-5%的变污泥投配率投加原污
泥直到系统成功启动。(2) 在无接种清水启动实验研究中，以恒定污泥投配率投加
生污泥的消化系统在第 40 天左右时达到稳定运行状态；以变污泥投配率投加生污
泥的消化系统在第 50 天左右时达到稳定运行状态。污泥中温厌氧消化系统的最佳
启动方式为以恒定污泥投配率投加生污泥的系统的启动方式，即在系统初始状态
为清水的条件下，以 5%的恒定污泥投配率投加原污泥直到系统成功启动。(3) 在
接种启动实验研究中，以成熟消化污泥作为接种物质的消化系统在第 19 天时达到
稳定运行状态；以牛粪作为接种物质的消化系统在第 28 天时达到稳定运行状态。
以成熟消化污泥作为接种物质的消化系统的启动方式较佳；牛粪与成熟的消化污
泥相比，成熟的消化污泥是启动消化系统的最佳接种物质，能够在较短的时间内
启动厌氧消化系统。(4) 与无接种清水启动实验得到的启动方式相比较，无接种污
泥启动实验得到的启动方式更能快速启动无污泥接种的厌氧消化系统。大型污水
处理厂厌氧消化系统的启动宜分为“两步走”：第一步采用无接种污泥启动实验研
究中推荐的启动方式对称启动两组消化系统，系统启动成功后会产生大量成熟的
消化污泥；第二步使用第一步成熟的消化污泥接种对称启动其他的消化系统，直
至所有的消化系统成功启动。采用此种启动方式，如果系统有 6组消化系统，那
么完全启动所有消化系统所用时间比以传统启动方式启动所用时间缩短至少 30%；
如果系统有 8组消化系统，那么完全启动所有消化系统所用时间比以传统方式启
动所用时间缩短至少 25%。
关键词: 污泥中温厌氧消化 污泥启动 清水启动 接种启动
ABSTRACT
This subject is a section of “Study of Optimization and Operation of Bailonggang
WWTP Sludge Anaerobic Digestion Project(09dz1204102)” which is the subtopic of
“Technical Study of Treatment of Safety and Recycle of Sludge(09dz1204100)” from
STCSM. The content is characterized of high promotional and applicable value,
providing an example for similar engineerings.
The main research content involved can be divided into three parts, whose first part
is study of start-up of test of sludge; whose second part is study of start-up of test of
effluent and whose third part is study of start-up of test of inoculation respectively.
The results obtained show that: (1) In the test of sludge, system characterized of
constant feeding rate achieves stable operation condition in the days of 35 while
system characterized of variational feeding rate in the days of 25.The optimium start-up
method of system characterized of variational feeding rate is that raw sludge is added in
the name of feeding rate from 1% to 5% after the sludge digested for 7 days under the
conditions that the initial state of system is full of raw sludge. (2) In the test of effluent,
system characterized of constant feeding rate achieves stable operation condition in the
days of 40 while system characterized of variational feeding rate in the days of 50. The
optimium start-up method of system characterized of constant feeding rate is that raw
sludge is added in the name of feeding rate at 5% under the conditions that the initial
state of system is full of effluent. (3) In the test of inoculation, system inoculated by
digested sludge achieves stable operation condition in the days of 19 while system
inoculated by dairy manure in the days of 28. The optimium start-up method is system
inoculated by digested sludge. Compared to dairy manure, the digested sludge is the
ideal inoculant, which can enable system to reach stable state in a relatively short period
of time. (4) System through sludge can achieve steady status faster than the one through
effluent. Two steps are available to enable system to reach stable state for large WWTP.
The first step is to start up two anaerobic digesters through raw sludge symmetrically,
utilizing the recommended method in the test of sludge; and the second step is to start
up other digesters applying the digested sludge produced from the first step. Compared
to the conventional start-up method, the time for the start-up of anaerobic digestion
system can be shorted by at least 30% if the WWTP has 6 groups of sludge mesophilic
anaerobic digestion system; And the time for the start-up of anaerobic digestion system
can be shorted by at least 25% if the WWTP has 8 groups of sludge mesophilic
anaerobic digestion system.
Keywords: sludge mesophilic anaerobic digestion, test of sludge, test of
effluent, test of inoculation
I
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .................................................................................................................... 1
§1.1 课题来源与背景 ............................................................................................. 1
§1.1.1 课题来源 .............................................................................................. 1
§1.1.2 课题研究背景 ...................................................................................... 1
§1.2 污泥厌氧消化技术 ......................................................................................... 3
§1.2.1 污泥常温厌氧消化 .............................................................................. 4
§1.2.2 污泥中温厌氧消化 .............................................................................. 4
§1.2.3 污泥高温厌氧消化 ............................................................................... 4
§1.3 污泥中温厌氧消化技术 ................................................................................. 5
§1.3.1 技术发展与应用现状 .......................................................................... 5
§1.3.2 污泥厌氧消化技术研究 ...................................................................... 6
§1.3.3 厌氧消化影响因素研究 ...................................................................... 8
§1.4 课题研究内容和意义 ................................................................................... 16
§1.4.1 课题研究内容 .................................................................................... 16
§1.4.2 课题研究意义 .................................................................................... 16
§1.5 课题研究关键技术与创新点 ....................................................................... 17
§1.5.1 课题研究关键技术 ............................................................................ 17
§1.5.2 课题研究创新点 ................................................................................ 17
第二章 无接种污泥启动实验研究 .............................................................................. 19
§2.1 实验装置与实验方法 ................................................................................... 19
§2.1.1 实验装置 ............................................................................................ 19
§2.1.2 实验用泥 ............................................................................................ 20
§2.1.3 实验设计方案 .................................................................................... 20
§2.1.4 实验检测指标与方法 ........................................................................ 20
§2.2 无接种污泥启动实验各指标变化 ............................................................... 21
§2.2.1 pH 值变化规律 ................................................................................... 21
§2.2.2 ORP 变化规律 .................................................................................... 22
§2.2.3 VFA 及其各组份变化规律................................................................. 23
§2.2.4 ALK 变化规律 .................................................................................... 26
§2.2.5 VFA/ALK 变化规律 ........................................................................... 26
II
§2.2.6 MLSS 变化规律 .................................................................................. 27
§2.2.7 MLVSS 变化规律 ............................................................................... 28
§2.2.8 产气率变化规律 ................................................................................ 29
§2.2.9 CH4含量变化规律 .............................................................................. 30
§2.2.10 CO2含量变化规律 ............................................................................ 31
§2.2.11 H2S含量变化规律 ............................................................................ 32
§2.3 本章小结 ....................................................................................................... 33
第三章 无接种清水启动实验研究 .............................................................................. 36
§3.1 实验装置与实验方法 ................................................................................... 36
§3.1.1 实验装置 ............................................................................................ 36
§3.1.2 实验用泥 ............................................................................................ 36
§3.1.3 实验设计方案 .................................................................................... 37
§3.1.4 实验检测项目与方法 ........................................................................ 37
§3.2 无接种清水启动实验各指标变化 ............................................................... 37
§3.2.1 pH 值变化规律 ................................................................................... 37
§3.2.2 ORP 变化规律 .................................................................................... 38
§3.2.3 VFA 及其各组份变化规律................................................................. 39
§3.2.4 ALK 变化规律 .................................................................................... 41
§3.2.5 VFA/ALK 变化规律 ........................................................................... 42
§3.2.6 MLSS 变化规律 .................................................................................. 43
§3.2.7 MLVSS 变化规律 ............................................................................... 44
§3.2.8 产气率变化规律 ................................................................................ 45
§3.2.9 CH4含量变化规律 .............................................................................. 46
§3.2.10 CO2含量变化规律 ............................................................................ 46
§3.2.11 H2S含量变化规律 ............................................................................ 47
§3.3 本章小结 ....................................................................................................... 48
第四章 接种启动实验研究 .......................................................................................... 51
§4.1 实验装置与实验方法 ................................................................................... 51
§4.1.1 实验装置 ............................................................................................ 51
§4.1.2 实验用泥 ............................................................................................ 51
§4.1.3 实验设计方案 .................................................................................... 53
§4.1.4 实验检测项目与方法 ........................................................................ 53
§4.2 接种启动实验各指标变化 ........................................................................... 53
III
§4.2.1 pH 值变化规律 ................................................................................... 53
§4.2.2 ORP 变化规律 .................................................................................... 54
§4.2.3 VFA 及其各组份变化规律................................................................. 55
§4.2.4 ALK 变化规律 .................................................................................... 57
§4.2.5 VFA/ALK 变化规律 ........................................................................... 58
§4.2.6 MLSS 变化规律 .................................................................................. 59
§4.2.7 MLVSS 变化规律 ............................................................................... 59
§4.2.8 产气率变化规律 ................................................................................ 60
§4.2.9 CH4含量变化规律 .............................................................................. 61
§4.2.10 CO2含量变化规律 ............................................................................ 62
§4.2.11 H2S含量变化规律 ............................................................................ 63
§4.3 本章小结 ....................................................................................................... 64
第五章 结论 .................................................................................................................. 67
符号表 ............................................................................................................................ 69
参考文献 ........................................................................................................................ 71
在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得的成果 ............................................ 78
致 谢 .............................................................................................................................. 79
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题来源与背景
§1.1.1 课题来源
本课题为上海市科学技术委员会科研计划项目课题“污泥安全处置及资源化
关键技术研究(09dz1204100)”之子课题“白龙港污泥厌氧消化工程优化运行研究”
中部分研究内容。主要以上海白龙港城市污水处理厂污水污泥中温厌氧消化工程
的快速调试启动为依托，研究了污泥氧消化系统快速启动的方法与策略。该研究
成果不仅可指导白龙港城市污水处理厂污泥厌氧消化快速启动，而且还可为国内
同类工程提供借鉴与示范，促进国家“十二五”规化节能减排目标的实现。
§1.1.2 课题研究背景
城市污水处理厂浓缩污泥含固率通常为3%～5%，有机物所占比例为58%～
76%[1]。由于对公众健康和环境的潜在危害，浓缩污泥必须得到适当的处理与处置。
浓缩污泥不仅具有良好的可生化性，而且是甲烷发酵的理想物质[2]。作为典型的污
泥稳定化处理工艺，污泥中温厌氧消化被世界各国广泛应用。污泥中温厌氧消化
具有以下特点：污泥中有机物降解率可达到40%～60%；产生的生物气可作为新能
源利用；厌氧消化污泥的脱水性能显著改善；消化污泥的臭味明显降低；消化污
泥经脱水处理后可作为良好的有机肥料[3]。
上海白龙港城市污水处理厂位于浦东新区合庆乡东侧长江岸边，总占地面积
为120 hm2，主要服务区域包括市中心区、闵行区和浦东新区。白龙港城市污水处
理厂近期规划设计规模为200万m3/d，其中2004年建成的一级强化除磷工艺处理规
模为120万m3/d，2010年升级改造建成的A-A-O工艺处理规模为80万m3/d；远期规
划处理规模将达到345万m3/d，远期污水处理量占上海市污水产生总量的1/2左右。
白龙港城市污水处理厂污水处理工艺流程图如图1-1所示。
上海白龙港城市污水处理厂属于特大型污水处理厂，同时是世界上最大的污
水处理厂之一。目前该厂每天产生的污泥量占到上海市污泥总产生量的三分之一
左右。由于污泥产量巨大，根据规划拟首先采用厌氧消化进行处理，并将污泥厌
氧消化回收的部分能源用于污泥的干化。由于污泥厌氧消化是在各种厌氧微生物
和兼性微生物的作用下将污泥中的有机物如蛋白质、脂肪、碳水化合物等进行降
解的过程，其结果是污泥体积的减少和污泥厌氧上清液的产生。白龙港城市污水
处理厂污泥处理工艺流程图如图 1-2 所示。
白龙港污泥中温厌氧消化快速启动研究
2
图1-1 污水处理工艺流程图
图1-2 污泥处理工艺流程图
较高的污泥产量对厌氧消化工艺的快速启动和运行管理均提出了很高的要求。
运用科学的技术手段，对厌氧消化系统的启动、运行和管理进行优化，使污泥厌
氧消化系统在较短时间内顺利成功启动和污泥减量达到最大化，对于缓解后续的
污泥处理与处置压力和节约污泥处理与处置费用至关重要。
厌氧消化系统的启动是污泥厌氧消化技术的首要环节，因为其影响到污泥后
续处理工艺的稳定运行。厌氧系统成功启动依赖于众多因素，如接种污泥的来源
和性质、有机负荷、污泥负荷、消化池的池型、启动策略等。在没有污泥厌氧消
化运行经验的条件下，这些因素尤为重要[2]。
厌氧消化系统中各种微生物繁殖速度很慢，产甲烷菌对环境条件要求较高，
初期培养较困难，若要快速启动厌氧消化系统，一般需投加总容积 10%～30%的成
熟消化污泥，因为成熟的消化污泥含有大量的产酸菌和产甲烷菌。无污泥接种的
厌氧消化系统的启动时间更长，国内曾有工程历时(6～10)个月才成功启动。对于
某些特大型城市污水处理厂如上海市白龙港城市污水处理厂，由于所需接种污泥
量大、运输距离远、运输费用昂贵，所以开始采用接种启动是行不通的。因此对
无接种污泥的厌氧消化快速启动策略进行研究对指导厌氧消化系统快速启动和维
剩余污泥 污泥
浓缩
池
污泥
浓缩
机房
匀
质
池
进泥
泵房
热交
换器
蛋形
消化
系统
储
泥
池
脱水
机房
干化
机房
沼气柜
沼气
锅炉房
污泥
浓缩池
化学污泥
初沉污泥
除磷
设施
干化泥
外运
脱水泥外运
出水至污水处理区
污水 格栅间 沉砂池 初沉池 缺氧池 厌氧池 好氧池 二沉池
鼓风
机房
高效
沉淀池
加药间 硫酸铝
紫外线
消毒
泵房
高位井
储泥池
污泥稳定
处理设施
排入长江
第一章 绪论
3
持厌氧消化系统的正常运行具有十分重要的意义。
到目前为止，许多有关污泥厌氧消化的理论和工程经验都来自于欧美等发达
国家。国内对污泥厌氧消化的研究不仅起步较晚，而且至今仍停留在探索阶段。
国内至今没有形成一套适合我国国情的污泥厌氧消化正常运行的指标体系。然而
由于我国与西方欧美国家在生活习惯、气候条件、地理位置、人文因素等方面的
不同，这就迫切需要根据国内污泥厌氧消化的实际运行状况形成适合我国国情的
污泥厌氧消化正常运行指标体系，以期为国内同类工程提供借鉴指导和技术支掌，
填补国内相关领域的空白。
§1.2 污泥厌氧消化技术
污泥是污水处理厂在污水处理过程中产生的副产物。随着我国经济社会迅猛发
展和城市化进程的不断推进,污水产量不断增加,同时也产生了大量的污泥。厌氧
消化是一种十分有效的污泥稳定化处理工艺，能够同时实现污泥无害化、减量化
和资源化的处理目标。
城市污水污泥厌氧消化是一项极其复杂的生物处理技术，主要包括四个步骤：
第一步骤为水解过程：即把污泥中的有机物如碳水化合物、蛋白质、脂肪等在水
解细菌胞外酶作用下变成溶解性物质如单糖、多糖、氨基酸、甘油、脂肪酸、二
氧化碳和氢气；第二步骤为酸化过程：即把第一阶段产生的物质转化成挥发性有
机酸；第三步骤为乙酸化过程：即把挥发性有机酸如丙酸、异丁酸、正丁酸、异
戊酸、正戊酸、己酸等转化成乙酸。各物质转化如下：
丙酸转化：CH3CH2COOH + 2H2O → CH3COOH + 3H2 + CO2
戊酸转化：CH3CH2CH2CH2COOH + 2H2O → CH3CH2COOH + CH3COOH + H2
乙醇转化：CH3CH2OH + H2O → CH3COOH + H2
第四步骤为产甲烷过程；即把乙酸、氢气和二氧化碳转化成甲烷[1]。这一过程通过
两种生理机制不同的产甲烷菌作用，一种产甲烷菌将乙酸氧化还原为甲烷，这部
分甲烷占甲烷总量的 2/3 左右；另一种产甲烷菌将二氧化碳和氢气合成甲烷，这部
分甲烷占甲烷总量的 1/3 左右。转化过程如下：
第一种作用机制：2CH3COOH → 2CH4 + 2CO2；
第二种作用机制：4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O；
污水污泥厌氧消化原理模式图如图 1-3 所示。
摘要：

摘要本课题为上海市科学技术委员会科研计划项目课题“污泥安全处置及资源化关键技术研究(09dz1204100)”之子课题“白龙港污泥厌氧消化工程优化运行研究(09dz1204102)”中的部分研究内容。此项研究内容具有较高的推广和应用价值，可为类似工程提供借鉴和示范。本课题研究内容可分为三部分：第一部分内容为无接种污泥启动实验研究；第二部分内容为无接种清水启动实验研究；第三部分内容为接种启动实验研究。研究结果表明：(1)在无接种污泥启动实验研究中，以恒定污泥投配率投加生污泥的消化系统在第35天左右时达到稳定运行状态；以变污泥投配率投加生污泥的消化系统在第25天左右时达到稳定运行状态。污泥中温厌氧...

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