1、伴隨著我國制糖等輕化工業(yè)和市政污水處理能力逐年攀升，活性污泥法產(chǎn)生的污泥處理處置已成為完善污水處理工藝鏈條的關鍵環(huán)節(jié)。厭氧消化是污泥減量化、穩(wěn)定化和資源化的可行性技術選擇，我國污泥有機質普遍偏低的特點引發(fā)了污泥厭氧消化技術推廣的兩個難題:首先，污泥降解穩(wěn)定化周期受制于水解速率，難以提高厭氧消化系統(tǒng)效率;其次，低有機質污泥的產(chǎn)甲烷潛力有限，減低了污泥處理及沼氣綜合利用的經(jīng)濟性。本研究針對上述問題提出了污泥熱水解預處理和餐廚垃圾協(xié)同厭氧消化

2、的解決方案。
　　污泥熱水解預處理通過高溫促進污泥絮體解離、胞內(nèi)有機質釋放和水解，消除有機固體顆粒胞外水解的限速障礙，形成大量易降解有機質提高了后續(xù)厭氧消化的甲烷產(chǎn)量和產(chǎn)甲烷動力學速率。餐廚垃圾易降解和高產(chǎn)甲烷潛力的特點可以提升污泥厭氧消化系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)量，改善污泥處理系統(tǒng)的能量平衡。
　　本研究首先考察熱水解條件（溫度和時間）對污泥累計甲烷產(chǎn)量和產(chǎn)甲烷動力學的影響，證實了熱水解溫度是決定污泥厭氧可生化性的關鍵參數(shù)，最佳條件為

3、165℃和30min;且熱水解溫度是決定污泥厭氧可生化性的基礎上，利用累計產(chǎn)甲烷增長率揭示了低溫熱水解主要作用是促進污泥絮體解離繼而增大胞外水解酶的吸附反應效率，溫度升高促進有機質溶解是從根本上改變污泥厭氧可生化性的原因。累積甲烷釋放率表明熱水解污泥中易降解基質的比例隨反應溫度升高，Y3依次為45.5％至62.6％。產(chǎn)甲烷動力學研究表明，污泥水解速率常數(shù)kh經(jīng)熱水解從0.06 d-1增長至0.25-0.34d-1，顯著地提升了厭氧消化速

4、率。一級反應動力學模型最適合描述熱水解污泥動力學特征，而響應曲線模型和修正Gompertz模型則更適用于描述有遲滯期的發(fā)酵過程。半連續(xù)厭氧消化實驗表明，熱水解污泥厭氧消化能夠在1.0-4.0 kgVS/m3·d的有機負荷范圍內(nèi)維持穩(wěn)定，需要密切關注氨氮和pH值波動避免出現(xiàn)自由氨抑制。
　　其次，考察了熱水解溫度對污泥中重金屬總量和化學形態(tài)分布的影響。參照《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》，樣本之前沒提及的主要污染因子是鉛、鎘

5、和鋅，三者的含量均超過酸性土壤施用限值，鋅含量甚至處于堿性土壤的超標限值的臨界區(qū)間，因而該污泥不宜采取土地施用的處置方式。熱水解對污泥中的重金屬總含量影響有限，表明重金屬能穩(wěn)定的與污泥固相相結合。重金屬連續(xù)提取法的結果表明:砷殘渣態(tài)為主的分布特征未隨溫度改變;鎘和鉛主要存在于殘渣態(tài)和酸溶態(tài)，熱水解會提高鎘在酸溶態(tài)與可氧化態(tài)的比例，而殘渣態(tài)鉛比例略微增長;鉻和銅平均分布于可氧化態(tài)和殘渣態(tài)中(＞97％)，熱水解使鉻向可氧化態(tài)轉化而銅的化學分

6、布基本穩(wěn)定;鎳的總量在熱水解中平均下降14.5％，其可還原態(tài)和可氧化態(tài)合計占據(jù)超過64.5％;鋅的化學形態(tài)對熱水解不敏感，其可還原態(tài)和可氧化態(tài)比例超過53％。
　　再次，基于污泥熱水解的研究結論，進一步探討與餐廚垃圾協(xié)同厭氧消化對累積甲烷產(chǎn)量、產(chǎn)甲烷動力學和厭氧消化穩(wěn)定性的影響。厭氧可生化性實驗的結果表明:在穩(wěn)定的厭氧消化條件下，根據(jù)混合基質構成計算的理論甲烷產(chǎn)量與實驗值相符，表明協(xié)同厭氧消化發(fā)酵對混合基質的最終累計甲烷產(chǎn)量未產(chǎn)生

7、顯著影響;理論累計產(chǎn)甲烷產(chǎn)量的偏離度RD值表明協(xié)同效應呈先增后減的趨勢，在第10天達到32.0％-34.1％的峰值，隨后逐步回落至1.5％以內(nèi)，熱水解污泥與餐廚垃圾的協(xié)同效應表現(xiàn)為發(fā)酵前期的加速甲烷釋放。通過對比，修正Gompertz模型的能夠更好的反映餐廚發(fā)酵停滯期(λ)和協(xié)同厭氧消化的累積產(chǎn)甲烷曲線。協(xié)同厭氧消化實驗表明，向熱水解污泥消化罐中添加餐廚垃圾一方面提高了比甲烷率，同時需要密切注意pH值、堿度和揮發(fā)性脂肪酸等指標，跟蹤有機

8、負荷升高對厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
　　最后，基于有機固體廢棄物區(qū)域化處理的原則，以服務人口規(guī)模為150萬的市政污水處理廠為例，考察了區(qū)域內(nèi)污水處理（48萬m3/d）、污泥處理（450 t/d）和餐廚垃圾（195 t/d）綜合處理實現(xiàn)能源中性污水處理廠的可行性。從能耗結構的角度，污水處理單元用電量占污水處理廠（污水處理+污泥處理）合計用電量的90％，污泥熱水解是主要蒸汽消耗單元?；谀茉唇Y構與價格，沼氣用于電熱聯(lián)產(chǎn)的節(jié)能收益領先

9、沼氣鍋爐達0.88元/m3。熱水解污泥新增的甲烷產(chǎn)量經(jīng)電熱聯(lián)產(chǎn)實現(xiàn)了電力凈輸出和收益，然而污泥預處理產(chǎn)生了3.73萬kWh/d的蒸汽缺口，整體而言降低了污泥處理經(jīng)濟性。向現(xiàn)有污泥厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)加入餐廚垃圾105t/d，可實現(xiàn)污泥處理單元的蒸汽平衡并輸出實現(xiàn)4.32萬kWh/d的電力輸出，滿足污水處理單元30％的用電量;若新建獨立90t/d餐廚垃圾厭氧單元可以增加額外3.32萬kWh/d的電力盈余，將其與與污水-污泥處理系統(tǒng)整合使污水處理

10、廠的電力自給率提升至37.5％，除了同時電熱聯(lián)產(chǎn)除滿足污泥熱水解和餐廚垃圾的預熱外，還能輸出9.60萬kWh/d的盈余蒸汽與熱水滿足消化沼渣干燥系統(tǒng)半干化（含水率從80％降至50％）所需熱量的42.7％至62.3％。通過餐廚垃圾-污泥協(xié)同厭氧消化能夠提升污水處理廠的能源自給率，但在我國實現(xiàn)能源中性污水處理廠的前提是:(1)從能耗結構來說，需要降低污水處理系統(tǒng)的單位電耗;(2)從可再生能源回收的角度，需提高污泥有機質含量以提高厭氧消化的甲