污泥是污水生物處理過(guò)程中的伴生物，具有含水率高、易腐爛、有惡臭、含有重金屬和大量寄生蟲(chóng)卵及病原微生物等特性，隨著(zhù)污水處理設施的普及和污水處理率的提高，污水處理廠(chǎng)產(chǎn)生的污泥量也大大增加，污泥處理也越來(lái)越受到重視。在眾多的污泥處理工藝中，中小規模的污水處理廠(chǎng)可考慮采用ATAD自熱式污泥好氧消化技術(shù)。ATAD自熱式污泥好氧消化工藝在國內尚處在試驗室研發(fā)階段，歐美國家自1996年至今已有50多個(gè)成功運行的案例。為驗證該工藝對中國污泥泥質(zhì)特點(diǎn)的適應性，特對國內南方某城市污水處理廠(chǎng)的污泥處理進(jìn)行中試驗證。

　　1、ATAD自熱式污泥好氧消化技術(shù)

　　1.1 ATAD自熱式好氧消化技術(shù)原理及特點(diǎn)ATAD是自熱式高溫好氧消化技術(shù)，它是一個(gè)自發(fā)熱的反應，反應溫度基本穩定在50～70℃，而不需要任何的外加熱源。好氧曝氣采用射流曝氣技術(shù);射流技術(shù)不僅保證充氧的高效性，同時(shí)保證濃縮污泥系統處于充分混合的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)濃縮的含固率為5%～7%的污泥被降解為二氧化碳、水、氨并釋放出大量熱量。

　　ATAD特點(diǎn)：經(jīng)好氧消化后污泥獲得減量化、穩定化、無(wú)害化的效果，在重金屬不超標的前提下也可進(jìn)一步資源化。

　　ATAD關(guān)鍵：ORP控制理念和泡沫控制技術(shù)。通過(guò)控制ORP和激烈的攪拌使系統揮發(fā)性有機物被氧化以消除臭味。

　　ATAD可降解50%～60%的揮發(fā)性有機物，由于污泥中的有機物得到了有效降解，易于后序處理與處置。這一工藝產(chǎn)生高品質(zhì)的污泥，降低污泥容積約40%～50%(包括揮發(fā)性有機質(zhì)直接減容和后續取得較高含固率的脫水污泥的綜合減容效果)，從而節約運輸和后續污泥處置的費用。

　　ATAD優(yōu)勢：總泥量減少40%～50%;高溫高pH環(huán)境幾乎殺滅污泥中全部病原體，使產(chǎn)物無(wú)害化、穩定化，為進(jìn)一步資源化創(chuàng )造條件;處理后污泥達美國A級生化污泥標準,容易作最終處理與處置[1];可回收熱量用于脫水污泥干化處理;投氧量與需氧互相配合;PLC高度自控系統;ORP控制策略;性?xún)r(jià)比高,操作量小，歷時(shí)短;最終脫水泥餅含固率約30%～35%;污泥脫水后基本無(wú)臭味;不產(chǎn)生沼氣，消除爆炸隱患，沒(méi)有對污水處理廠(chǎng)增加額外負荷。

　　1.2 SNDR同步硝化反硝化技術(shù)原理及特點(diǎn)

　　無(wú)論是污泥好氧消化還是厭氧消化，都會(huì )將氮轉化為氨。氨會(huì )使消化污泥的pH值升高，導致污泥脫水所用的化學(xué)調理劑和絮凝劑量的增加。而在污泥消化后，使用SNDR同步硝化反硝化單元，去除消化液中的大部分氨氮，能使污泥有約10%的減量且更經(jīng)濟地脫水。通過(guò)ATAD和SNDR兩個(gè)工段聯(lián)合處理的污泥，由親水狀態(tài)轉變?yōu)槭杷疇顟B(tài)，進(jìn)而提高脫水泥餅含固率，降低回流上清液中有機污染物、氨氮等的濃度，減輕或避免對污水處理廠(chǎng)造成二次污染。

　　SNDR中的硝化反硝化通過(guò)監測pH、溫度和ORP來(lái)控制。因為硝化反應在高于約37℃時(shí)會(huì )受到抑制，因此該反應器在低于37℃的溫度下運行，這個(gè)溫度是硝化和反硝化細菌最優(yōu)生長(cháng)溫度。ORP和pH的聯(lián)合控制既保證了好氧或兼氧環(huán)境，又使系統維持了適當的堿度，從而確保硝化和反硝化反應得以同步進(jìn)行。

　　SNDR優(yōu)點(diǎn)：SNDR同步硝化反硝化單元可作為ATAD單元或厭氧消化單元的最佳組合單元;pH控制使硝化和反硝化同池進(jìn)行，在無(wú)外加堿度條件下脫氮效率達50%～80%;滿(mǎn)足余氧要求，中溫條件下進(jìn)一步減少總固體及揮發(fā)性固體;可作為污泥脫水前的儲泥池;脫水時(shí),硝化菌屬跟濾液回流到曝氣池;保障健康硝化菌屬的存儲，增強污水處理單元抗沖擊能力。

　　1.3 ATAD和SNDR組合工藝

　　ATAD好氧消化和SNDR同步硝化反硝化組合工藝典型流程見(jiàn)圖1。

　　由圖1可見(jiàn)，好氧消化工藝主要由ATAD好氧消化單元和SNDR同步硝化反硝化單元組成。各個(gè)單元配套的設備包括循環(huán)泵、輸送泵和泡沫控制系統等;不同處理單元的反應溫度不同，ATAD好氧消化單元的反應溫度范圍為50～70℃，而SNDR同步硝化反硝化單元的溫度范圍僅為37℃左右，由于兩個(gè)單元的溫度差異，使得系統可以回收大量綠色環(huán)保的熱能作為后續脫水泥餅干化系統的預處理。

　　經(jīng)好氧消化處理后，采用普通帶機或離心機可以得到30%～35%以上含固率的污泥，采用板框壓濾機直接可以得到40%及以上含固率的污泥。

　　2、試驗材料與方法

　　2.1 試驗裝置及流程

　　自南方某污水廠(chǎng)中用泵抽取剩余活性污泥，打入轉鼓濃縮機自配的調理槽中，在調理槽中加入PAM進(jìn)行攪拌，之后污泥進(jìn)入轉鼓濃縮機。經(jīng)過(guò)濃縮后的污泥通過(guò)螺桿泵送入后續好氧消化系統。ATAD自熱式污泥好氧消化單元包括：一個(gè)不銹鋼罐體(尺寸為?1.98m×5.5m)，一臺射流循環(huán)泵，一臺鼓風(fēng)機，配套的管閥、儀表自控系統等。ATAD單元排泥進(jìn)入SNDR單元。SNDR同步硝化反硝化單元包括：一個(gè)不銹鋼罐體(尺寸為?1.98m×5.5m)，一臺射流循環(huán)泵，一臺鼓風(fēng)機，一臺冷凝風(fēng)扇，配套的管閥、儀表自控系統等。

　　具體流程見(jiàn)圖2。

　　2.2 試驗設計

　　設計規模Q=1m3/d，以5%含固率計污泥，絕干污泥的處理能力為50kg/d。設計泥質(zhì)VSS/TS=0.5，實(shí)際測試數值范圍0.36～0.55。

　　設計泥量平衡見(jiàn)圖3。

　　2.3 分析項目與方法

　　需要驗證的首要指標是能否在沒(méi)有任何外加熱源的情況下，通過(guò)系統自行馴化的嗜熱細菌將系統自發(fā)熱到高溫階段(46℃以上)，通過(guò)羅斯蒙特品牌的在線(xiàn)儀表經(jīng)PLC采集數據后從觸摸屏上顯示出溫度曲線(xiàn)，每天由現場(chǎng)工作人員在固定時(shí)間讀取顯示屏上讀數記錄下來(lái);其次需要檢測污泥的減量效果，主要通過(guò)TS的濃度變化，更直接的是VSS的濃度變化來(lái)分析ATAD單元和SNDR單元分別的減量效果。TS、VSS的監測方法遵照GB/T11901―1989《水質(zhì)懸浮物的測定重量法》，所采用的儀器為DHG-9030A熱鼓風(fēng)干燥箱和PL203電子天平;監測過(guò)程中需用坩堝在馬弗爐里605℃灼燒2h后，再次稱(chēng)重并用TS的質(zhì)量減去最終灼燒的殘留物而計算出VSS的質(zhì)量。

　　3、結果與討論

　　3.1 溫度驗證

　　調試分為菌種馴化期和升溫穩定期兩個(gè)階段。

　　1)第一階段為菌種馴化期。

　　涵蓋現場(chǎng)自控系統調試，清水聯(lián)動(dòng)試車(chē)和逐步進(jìn)泥試運行等過(guò)程。經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的時(shí)間，系統內的嗜熱細菌經(jīng)過(guò)反復的射流曝氣循環(huán)攪拌馴化過(guò)程，逐步適應了ATAD單元的反應工況。雖然升溫較緩，但經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的時(shí)間積累也把ATAD內的溫度提升到了46℃。

　　初步分析，這個(gè)過(guò)程升溫較緩的原因：菌種馴化期正值南方雨季，對所處理污泥的泥質(zhì)產(chǎn)生了一定影響，被處理污泥的VSS/TS比較低，基本<0.45;由于A(yíng)TAD單元的升溫和保溫與進(jìn)泥的泥質(zhì)密切相關(guān)，所以調試初期溫度上升較緩。

　　2)第二階段為升溫穩定期。

　　嗜熱細菌在系統溫度高于46℃時(shí)就會(huì )逐步激活為優(yōu)勢菌屬。在8月底到9月初期間，ATAD系統溫度逐步提升并穩定在55℃以上，中試系統初步調試成功。

　　溫度能夠初步提升的原因除了與嗜熱細菌逐步轉化為優(yōu)勢菌屬，加快了好氧消化反應效率，提高了系統放熱量相關(guān)，也與進(jìn)泥的VSS/TS比值相關(guān)，在升溫穩定期進(jìn)泥VSS/TS比值已逐步提升到高于0.45，甚至個(gè)別天內超過(guò)0.5。

　　在溫度超過(guò)46℃以后，系統每天以1～2℃，最高5～6℃的增幅上漲。為使溫度盡快提升，進(jìn)泥方式也調整為間歇按需進(jìn)泥，就是僅當溫度開(kāi)始逐步下降時(shí)才補充必要的進(jìn)泥量。具體進(jìn)泥前后的溫度數據見(jiàn)圖4。

　　通過(guò)上述中試系統在國內的成功運行說(shuō)明：在中國的泥質(zhì)特點(diǎn)下，完全靠系統的自產(chǎn)熱量無(wú)需任何外加熱源也能將系統溫度的運行在約55℃，污泥自發(fā)熱的工況得以驗證。

　　本中試更關(guān)注于自發(fā)熱過(guò)程的驗證，所以重點(diǎn)對不同時(shí)段的溫度進(jìn)行說(shuō)明，見(jiàn)圖5-圖8。

　　圖5-圖8中，紅色為溫度曲線(xiàn)，藍色為ORP曲線(xiàn)。9月3日24h內的溫度為52.54～55.65℃，9月4日24h內的溫度為54.49～58.20℃，9月5日24h內的溫度為57.45～60.58℃，9月6日24h內的溫度為59.06～61.24℃。

　　從理論上分析，系統之所以溫度穩步提升，主要是嗜熱細菌在酶的作用下逐步使污泥中生物絮體發(fā)生融胞反應，被破壁的生物絮體中的胞內物質(zhì)包括核糖核酸、蛋白質(zhì)、多糖等營(yíng)養物質(zhì)被釋放出來(lái)，這些營(yíng)養物質(zhì)正好作為嗜熱細菌的食料，從而發(fā)生了式(1)的反應。反應的結果一是升溫，二是減量。

　　3.2 VSS濃度變化

　　分別取ATAD單元進(jìn)泥、出泥和SNDR的出泥監測各樣品的VSS濃度，見(jiàn)圖9。

　　從圖9可以看出，隨著(zhù)系統溫度逐步進(jìn)入46℃以上的高溫階段，ATAD單元對VSS的降解率也逐步提升，在系統達到基本穩定的溫度階段，VSS的降解率也同步穩定到57%。滿(mǎn)足國外實(shí)際工程中取得的對VSS揮發(fā)性有機質(zhì)降解率達到50%～60%的效果。

　　SNDR同步硝化反硝化單元主要是解決氨氮的同步硝化反硝化問(wèn)題，與此同時(shí)也能取得一定比例的中溫減量效果。

　　ATAD單元和SNDR單元VSS降解率是內外因影響下的一個(gè)綜合結果。內因包括嗜熱細菌的活性、反應效率等，外因是系統溫度是否能穩定維持在各菌群的適宜溫度;而要使系統取得良好的降解效果，需要綜合考慮如下因素。

　　1)系統反應總放熱量。

　　這個(gè)參數與進(jìn)泥VSS與TS的比例密切相關(guān)，通過(guò)中試說(shuō)明要取得較為理想的效果，這個(gè)比例最好不低于50%。

　　2)鼓風(fēng)機鼓氣帶入熱量。

　　應綜合排氣熱損失量一起考慮，在A(yíng)TAD單元內部溫度較高，所帶走的除空氣外還有很大比例的水蒸氣，而要帶走的水蒸氣由于發(fā)生了從液態(tài)到氣態(tài)的相變，是需要消耗大量潛熱的。所以鼓風(fēng)機的氣量一定要按需供給，避免由于排氣所帶走的大量熱損失。

　　3)進(jìn)泥熱損失量。

　　進(jìn)泥溫度受環(huán)境溫度影響較大，進(jìn)泥溫度肯定會(huì )低于A(yíng)TAD單元內溫度，所以每次進(jìn)泥必然會(huì )短時(shí)內引起反應單元內部的降溫。

　　4)池體散熱熱損失量。

　　本中試單元的表面積與體積比為1∶3.7;實(shí)際工程的表面積與體積比約為1∶8，可見(jiàn)此數據遠遠大于實(shí)際工程，所以中試系統比實(shí)際工程受外界因素變化影響更大，降溫更快。在中試系統取得初步成功，為下一步工程推廣奠定了基礎。

　　3.3 氨氮濃度變化

　　一般工程上，ATAD的出泥經(jīng)管式換熱器換熱后再進(jìn)入SNDR單元，在溫度35～37℃，氨氮濃度很高，碳源又相對充足的條件下是很容易發(fā)生同步硝化反硝化反應。本中試為簡(jiǎn)化設備配置用冷凝風(fēng)扇取代換熱器，但由于現有散熱裝置還無(wú)法滿(mǎn)足熱平衡的散熱要求，所以經(jīng)?？吹絊NDR的運行溫度在40℃左右，這個(gè)溫度對敏感的硝化細菌來(lái)講，必然對硝化反應有一定的影響，所以本中試并未取得滿(mǎn)意的同步硝化反硝化效果。

　　這也是后續實(shí)際工程中要引起注意的：為了更好地控制SNDR單元的溫度，穩妥的方式是采用熱交換器，將ATAD出泥溫度降低到37℃以后再進(jìn)入SNDR系統；而在北方溫度相對較低，空氣濕度也較低的環(huán)境，在經(jīng)過(guò)嚴密的熱平衡計算后可以選擇冷凝風(fēng)扇的散熱方式。

　　4、結語(yǔ)

　　污泥的處理與處置是污水處理技術(shù)的延續和拓展，ATAD自熱式污泥好氧消化技術(shù)可直接服務(wù)于中、小型的污水處理廠(chǎng)，取得泥水同治、泥水雙達標的滿(mǎn)意效果。(來(lái)源：國美(天津) 水技術(shù)工程有限公司)