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原創論文︱熱水解厭氧消化池甲烷含量異常及應對措施

所屬地區：福建 - 廈門發布日期：2025-05-17

發布地址: 天津

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摘要：針對某熱水解厭氧消化池甲烷含量明顯降低的情況，分析了揮發性脂肪酸、堿度和沼氣產率等指標變化，并與正常消化池進行對比。異常消化池內揮發性脂肪酸>5000mg/L，表明出現揮發性脂肪酸積累（酸化）。進一步分析有機負荷、停留時間和溫度對酸化的影響，發現溫度過高是導致酸化的主要因素，而51℃是重要分界點。針對異常情況采取的應急措施是通過減少進泥量和清洗換熱器的方式降低消化池溫度。消化池恢復過程中甲烷含量指示作用最靈敏，其次是揮發性脂肪酸，堿度最不敏感。對熱水解厭氧消化池的優化建議是進行溫度控制和建立監控體系。近期溫度控制以50℃為警示值，遠期考慮進行設施和自控改造。監控體系以甲烷含量為首選監測指標，可采用便攜式分析儀檢測，頻次以周為單位。

宋曉雅，大學本科，教授級高級工程師，主要研究方向為污水污泥的處理處置、運行管理等。

近年來，大型熱水解厭氧消化項目如湖南省長沙市污水處理廠污泥集中處理工程（設計規模500t/d，污泥含水率80%）、陜西省西安市污泥集中處置項目（設計規模1000t/d，污泥含水率80%）等建成并投運。針對熱水解厭氧消化池的運行，杜朝丹等關注沼氣產量和甲烷含量波動；張新勃等強調換熱器溫度控制和冬季防凍措施；譚學軍等指出沼液中總氮和氨氮濃度較高。結合北京某實際生產系統中熱水解厭氧消化池甲烷含量異常情況，探討其產生原因及應對措施。

01
項目概況
該生產系統位于北京市朝陽區，采用熱水解+單級中溫厭氧消化+板框脫水處理工藝。設計單池進泥量為46.25tDS/d，池容12000m3，消化時間15d，溫度38～40℃，沼氣產率185～315m3/tDS。工藝流程如圖1所示。目前4座消化池在運轉，其中A消化池和D消化池進泥為同一來源熱水解預處理后污泥，進泥方式為序批式。

圖1?污泥消化系統工藝流程

02
存在的問題
2023年4月1日，運行人員使用便攜式沼氣分析儀檢測消化池氣相空間甲烷含量時，發現D消化池甲烷含量為44.4%，與A消化池甲烷含量（57.9%）有明顯差異。隨即安排連續檢測D消化池甲烷含量并與A消化池進行對比，同步下調D消化池進泥量。4月4日，D消化池甲烷含量為34.4%，明顯低于A消化池（62%）；在同日對比揮發性脂肪酸和堿度時，發現D消化池揮發性脂肪酸含量（5380mg/L）明顯高于A消化池（2320mg/L），其堿度（12600mg/L）與A消化池（13100 mg/L）基本持平。計算D消化池的酸堿比（揮發性脂肪酸與堿度的比值）為0.43，遠高于A消化池（0.18）。查看沼氣產率變化，發現近20d內D消化池總體呈現下降趨勢。D消化池沼氣產率由3月16日的11.42m3沼氣/m3進泥降至4月4日的3.89m3沼氣/m3進泥，遠低于A消化池沼氣產率同期值（3月16日—4月4日平均值為11.52m3沼氣/m3進泥），如圖2所示。

圖2?消化池的甲烷含量和沼氣產率變化

曾靜研究餐廚垃圾厭氧消化時指出，揮發性脂肪酸含量為3000～6000mg/L時會輕微酸化，超過6000mg/L時發酵完全停止。分析D消化池揮發性脂肪酸達到5380mg/L，接近6000mg/L限值，再結合消化池甲烷含量降低和沼氣產率下降明顯的情況，可判斷D消化池甲烷含量異常的原因是揮發性脂肪酸大量積累出現酸化。

03
異常原因分析
3.1?有機負荷于濤等研究餐廚垃圾厭氧消化時指出，反應器有機負荷達到4.2kgVS/（m3·d）時，消化系統出現明顯抑制。仲猛等研究滲濾液與豬糞聯合厭氧消化時提出，有機負荷達到10.40gVS/（L·d）時厭氧消化系統無法維持。這表明有機負荷可能是影響D消化池酸化的原因。
消化池進泥有機負荷變化如圖3所示。

圖3?消化池進泥有機負荷變化

分析2023年2月1日—4月4日數據，D消化池有機負荷變動范圍為1.16～6.42kgVS/（m3·d），平均為4.26kgVS/（m3·d）。進入3月以來，D消化池有機負荷波動較小。進一步與A消化池進行對比，兩者有機負荷變化趨勢基本相同，但D消化池平均有機負荷值低于A消化池［4.67kgVS/（m3·d）］。對有機負荷峰值進行比較，D消化池［6.42kgVS/（m3·d）］也遠低于A消化池［8.13kgVS/（m3·d）］。故可判斷有機負荷變化不是導致D消化池酸化的原因。
3.2?停留時間2023年2月1日—4月4日，D消化池平均停留時間為15.2d，與設計停留時間（15d）一致，比A消化池平均停留時間（13.1d）略長，如圖4所示。雖然A消化池停留時間更短，但未出現酸化，這表明停留時間不是導致D消化池酸化的原因。

圖4?消化池停留時間變化

3.3?溫度許昊等試驗指出，溫度為47℃時的甲烷產率高于37、55℃工況，且隨著溫度的升高（47～55℃），細菌種群結構會發生改變。A、D消化池溫度變化如圖5所示。

圖5?消化池的溫度變化

由圖5可知，2月下旬D消化池溫度波動明顯，如在20日—28日共計9天內，溫度由48℃升至53℃；進入3月后，D消化池溫度持續上升，并于3月31日達到峰值（55℃）。對比D消化池與A消化池，兩者共同點是消化池溫度均超過50℃，遠高于設計溫度（38～40℃）；不同點是D消化池溫度更高。D消化池溫度在超過51℃后繼續提高，而A消化池溫度在超過51℃后迅速回落到50℃。這表明51℃是一個重要分界點。

進一步查看溫度與沼氣產率的變化，如圖6所示。D消化池和A消化池的溫度超過51℃后，沼氣產率均表現為明顯下降，再次驗證51℃是重要分界點。與韓育宏等結論（51℃時厭氧反應器中水解菌數量較多而高溫產甲烷菌數量有限，導致揮發性脂肪酸積累進而影響產氣量）一致。故判斷溫度超過51℃后仍持續上升是導致D消化池酸化的主要原因。

圖6?消化池沼氣產率隨溫度的變化

04
應對措施
4.1?緊急應對既然溫度上升是導致D消化池酸化的主要原因，那么緊急應對措施就是降溫。基于熱水解厭氧消化的特點，消化池降溫可從兩方面著手：一是減少進泥量，二是加大循環污泥散熱量。減少進泥量，可通過縮短消化池進泥時間來完成。加大循環污泥散熱量需檢查消化池一級和二級換熱器的換熱效率。檢查后發現，D消化池的二級換熱器存在結垢，影響換熱量，需要實施離線清洗。故在緊急應對措施中，先降低D消化池進泥量，再開展二級換熱器清洗工作，同步監控其甲烷、揮發性脂肪酸和堿度變化，并與A消化池進行對比。
采取上述緊急措施后，D消化池溫度由2023年4月1日的55℃開始下降，4月12日降至51℃，4月28日降至45℃。4月11日，檢測發現D消化池甲烷含量降到谷值（30.9%），隨后甲烷含量開始逐步回升；到4月29日，D消化池甲烷含量達到59.2%，與A消化池甲烷含量（60.4%）基本持平，這標志D消化池恢復正常。各因素變化如圖7所示。

圖7?D消化池逐步恢復期間甲烷含量、沼氣產率、溫度、揮發性脂肪酸和堿度的變化

進一步分析恢復期間揮發性脂肪酸、堿度和甲烷含量的指示靈敏性，4月11日—13日的數據較為典型。4月11日，D消化池揮發性脂肪酸回落至1100mg/L，與A消化池揮發性脂肪酸含量（1080mg/L）持平；12日和13日D消化池揮發性脂肪酸（分別為1120、1060mg/L）無明顯變化。同樣，D消化池堿度也無明顯變化。但從消化池甲烷含量看，3d內D消化池甲烷含量由30.9%增至35%，且與A消化池甲烷含量差值（A消化池甲烷含量與D消化池甲烷含量的數學差）從32.1%縮至27.3%。三者比較，甲烷含量因其高靈敏性更適合作為消化池的監控指標。

4.2?系統優化

4.2.1?近期溫度控制

D消化池與A消化池進泥泥質相同，2023年3月后的進泥量接近，但D消化池溫度較A消化池高（見圖8），這表明二級換熱器運行異常是溫度差異原因，故近期溫度控制的重點應為二級換熱器。結合51℃為分界點，考慮到預留空間，近期溫度控制建議以50℃作為預警值實施消化池二級換熱器的清洗工作。

圖8?消化池進泥量與溫度變化

4.2.2?遠期溫度控制D消化池和A消化池設計均為中溫厭氧消化，實際運行溫度均超過設計溫度，但A消化池在51℃以下運行未出現酸化。遠期溫度控制有兩個方向：一是設施改造，加大一級和二級換熱器的換熱量等，將消化池運行溫度控制在設計范圍內；二是自控系統改造，將消化池運行溫度與進泥量、換熱器運行實現連鎖，避免消化池溫度異常。此外，可斟酌系統設施配置、能源消耗、成本控制、運行維護等因素，考慮開展高溫消化的可行性論證。
4.2.3?監控指標的遴選D消化池甲烷含量異常發現源于對消化池進行逐個氣相空間甲烷含量檢測，但在實際生產中，更關注整個沼氣系統的甲烷含量變化，多針對沼氣系統脫硫前后的甲烷含量檢測。由于沼氣系統多由2座及以上消化池構成，因此單個消化池甲烷含量異常可能會被氣體混合所掩蓋。此外，在消化池恢復運行中，甲烷含量檢測也較靈敏。因此應將消化池甲烷含量檢測列為重要的生產監控指標。
甲烷含量檢測可通過安裝在線甲烷分析儀查看實時數據，現場采用便攜式沼氣分析儀檢測，采集氣樣后在實驗室用氣相色譜法檢測。其中便攜式沼氣檢測儀由于經濟適用、檢測靈敏，數據反饋及時，實用性最好。
故綜合儀表配置、檢測設施現狀，建議在消化池運行監控體系構建中將甲烷含量列為首選監測指標，采用便攜式分析儀實施檢測，分析頻次以周為單位開展；有條件的情況下，同步實施單個消化池揮發性脂肪酸含量的檢測，采用滴定法，分析頻次以周為單位。

05
結論
北京某熱水解污泥消化系統的D消化池出現酸化時，沼氣中甲烷含量明顯降低，最低值為30.9%。檢測其揮發性脂肪酸含量為5380mg/L，明顯高于正常消化池；堿度含量為12600mg/L，與正常消化池相比差異不明顯。分析酸化的主要原因是溫度過高，51℃是分界點。酸化后采取的應急措施是減少進泥量和清洗二級換熱器。甲烷含量作為恢復運行的監控指標最敏感，其次是揮發性脂肪酸含量。D消化池優化方向是實施溫度控制和建立監控體系。建議監控體系以甲烷含量為首選監測指標，采用便攜式分析儀，頻次以周為單位。
針對同類熱水解厭氧消化池，在運行中應密切關注溫度變化，可將50℃作為預警值。應加強換熱器的清洗維護，建立以消化池甲烷含量為首選指標的消化池運行監控體系。

本文的完整版刊登在《中國給水排水》2024年第24期，作者及單位如下：

熱水解厭氧消化池甲烷含量異常及應對措施宋曉雅（北京城市排水集團有限責任公司，北京?100044）

參考文獻引用的標準著錄格式：

宋曉雅.熱水解厭氧消化池甲烷含量異常及應對措施[J].中國給水排水,2024,40(24):59-63.
SONG?Xiaoya. Abnormal ?methane ?content ?in ?a?thermal?hydrolysis?anaerobic?digestion?tank and?countermeasures[J].China Water & Wastewater,2024,40(24):59-63(in Chinese).