污泥常温和高温好氧消化工艺概述

　　关键词：好氧消化 氧化分解 活性污泥法 

 

　　与现在普遍采用的污泥厌氧消化相比，好氧消化具有下列优点：

　　(1) 对悬浮固体的去除率与厌氧法大致相等；

　　(2) 上清液中的BOD浓度较低（10mg／l以下）；

　　(3) 处理后的产物无臭、类似腐殖质，肥效较高；

　　(4) 运行安全、管理方便；

　　(5) 处理效率高，需要的处理设施体积小，投资较少。

　　由于污泥好氧消化工艺具有上述优点，因此在中小型污水处理厂颇受青睐。美国、日本、加拿大等发达国家都有不少中、小型污水处理厂采用好氧消化处理污泥，仅加拿大某省就有20个小型污水处理厂运用此法，丹麦大约有40%的污泥使用好氧法进行稳定化处理。

　　污泥好氧消化一般有三种工艺：CAD、A／AD、ATAD。

 

1.1工艺流程

　　传统的好氧消化工艺（CAD，conventional aerobic digestion）的构造及设备与传统活性污泥法相似，但污泥停留时间很长，其常用的工艺流程主要有连续进泥和间歇进泥两种，如图1所示[1]：

　　一般规模较大污水处理厂的好氧消化池采用连续进泥的方式，运行方式与活性污泥法相似。规模较小污水处理厂的好氧消化池，可采用间歇进泥，定期的进泥和排泥，通常每天一次。

　　污泥好氧消化的主要目的就是稳定污泥中可生物降解的有机物。污泥稳定的定量评价指标主要包括有机物（VSS）的去除率和消化污泥的比耗氧速率（SOUR）当VSS去除率达到38%时，或当消化污泥的SOUR降低到1.0～1.5mgO2／gvss.hr时，可认为污泥达到稳定。

1.2影响CAD运行的因素

　　（1）温度

　　温度对好氧消化的影响很大，温度高时，微生物代谢活性强，即比衰减速率较大，达到要求的有机物VSS去除率所需的SRT短[2]。当温度降低时，为达到污泥稳定处理的目的，则要延长污泥停留时间[3]。

　　温度对反应速率的影响可用公式表示：k2/k1=θ(T2-T1)

　　其中：k1、k2为温度T1、T2时分别的反应速率；

　　　　　T1、T2为温度，℃；

　　　　　θ 为温度系数（有研究者认为θ为常数，θ=1.058）。

　　（2）停留时间SRT 

　　VSS的去除率随着SRT的增大而提高，但是相应地处理后剩余物中的惰性成分也不断增加，当SRT增大到某一个特定值，即使再增大SRT，VSS的去除率也不会再明显提高。对SOUR也存在着相似的规律，SOUR随SRT的增大而逐渐下降，当SRT增大到某一个特定值，即使再增大SRT，SOUR也不会有明显下降。这一特定的点与进泥的性质、可生物降解性及温度有较大关系[2]。一般温度为20℃时，SRT为25～30天。

　　（3）pH值

　　污泥好氧消化的速率在pH值接近中性时最大，当pH值较低时，微生物的新陈代谢受到抑制，有机物的去除率随之降低。在CAD工艺中，会发生硝化反应，消耗碱度，引起pH值下降至4.5～5.5[4]。因此大部分的CAD工艺中都要添加化学药剂，如石灰等来调节pH值。

　　（4）曝气与搅拌

　　在好氧消化中，确定恰当的曝气量是很重要的。一方面要为微生物好氧消化提供充足的氧源（消化池内DO浓度大于2.0 mg／l），同时满足搅拌混合的要求，使污泥处于悬浮状态。另一方面，若曝气量过大会增加运行费用。好氧消化可采用鼓风曝气和机械曝气，在寒冷地区采用淹没式的空气扩散装置有助于保温，而在气候温暖的地区可采用机械曝气。当氧的传输效率太低或搅拌不充分时，会出现泡沫问题[5]。

　　（5）污泥类型 

　　CAD消化池内污泥停留时间与污泥的来源有关。一般认为，CAD适用于处理剩余污泥，而对初沉污泥，则需要更长的停留时间。这是因为初沉池污泥以可降解颗粒有机物为主。微生物首先要氧化分解这部分有机物，合成新的细胞物质，只有当有机物不足时，才会消耗自身物质，进入内源呼吸阶段。

　　CAD工艺具有运行简单、管理方便、基建费用低等优点。但由于需长时间连续曝气，运行费用较高。受气温影响较大，在低温时处理效果变差，而且对病原菌的灭活能力较低。另外，CAD工艺中会发生硝化反应，一方面消耗碱度，引起pH值下降  ，另一方面因硝化反应耗氧，而致使供氧的动力费用提高。这就促使人们对传统好氧消化工艺进行改造，提出了缺氧／好氧消化工艺（A／AD）。

 

　　缺氧／好氧消化工艺（A／AD，anoxic／aerobic digestion）即在CAD工艺的前端加一段缺氧区，使污泥在该段发生反硝化反应，其产生的碱度可补偿硝化反应中所消耗的碱度，所以不必另行投碱就可使pH值保持在7左右[4]。因在缺氧段以硝酸氮NO3－N代替O2作为最终电子受体，需氧量比CAD工艺要少。

　　图2介绍了A／AD工艺的三种常见的流程图。其中，Ⅰ工艺可实现对间歇进泥的CAD工艺的改造，通过间歇曝气产生好氧和缺氧期，并要在缺氧期加搅拌设备而使污泥处于悬浮状态，促使污泥发生充分的反硝化。Ⅱ、Ⅲ工艺是将缺氧区和好氧区分建在两个池子里，而且两工艺都需要硝化液回流，以提供反硝化所需的硝酸盐。

　　A／AD消化池内污泥浓度及污泥停留时间等都与CAD工艺相似。

　　CAD和A／AD工艺的主要缺点是供氧的动力费较高、污泥停留时间较长、特别是对病原菌的去除率低。将温度提高到高温范围（43～70℃）会大大提高对病原菌的去除，由此而开发了高温好氧消化工艺。

 

3.1　原理

　　自热高温好氧消化工艺（ATAD：Autoheated Thermophilic Aerobic Digestion）利用有机物好氧氧化所释放的代谢热，达到并维持高温，而不需要外加热源。由于采用较高的温度，消化时间大大缩短（约6天），高温好氧消化具有较高的悬浮固体去除率，并且能达到杀灭病原菌的目的[6]。

　　达到自热高温好氧消化通常需要以下三个条件：

　　●进泥首先要经过浓缩，MLSS浓度达40000～60000 mg／l（或VSS浓度最少为25000mg／l），这样才能产生足够的热量。

　　●反应器要加盖，采用封闭的反应器，同时反应器外壁还要采取绝热措施，以减少热传导的热损失。

　　●采用高效氧转移设备减少蒸发热损失，有时甚至采用纯氧曝气。

3.2　工艺流程

　　为防止短流并尽量杀灭病原菌，典型的ATAD系统一般采用间歇（分批）操作，至少两个反应器串联运行。第一段温度通常为45℃左右，一般不超过55℃。第二段温度通常为50～60℃，一般不超过70℃。

 

3.3影响ATAD的工艺参数

　　（1）进泥的要求

　　进入ATAD的污泥均应先进行浓缩，一方面可以减少消化反应器的体积，降低搅拌和曝气的能耗。另一方面可以提供足够的热量，使反应器温度达到高温范围。一般污泥经过重力浓缩即可满足要求。

　　污泥负荷为F:M＝0.1～0.15 kg BOD5／kgvss.d的污泥适合用ATAD法处理。

　　（2）曝气和搅拌

　　ATAD采用高效率的曝气系统，氧转移率一般大于15％，这样不仅可以减少能量消耗，还可降低因供氧造成的热能损失。在ATAD中由于进泥的浓度相当高，再加上高温的作用，一般会有泡沫产生，有时甚至相当严重。因此在ATAD设备中应提供相应的泡沫控制设备。

　　（3）pH值

　　在ATAD中，由于高温抑制了硝化细菌的生长繁殖，硝化作用一般不会发生，因此需氧量会比CAD大大降低，同时在CAD中由于硝化作用而使pH值降低的问题也得到了解决，实际上，在ATAD中pH值通常可以达到7.2～8.0。而pH值的提高也会相应地提高对病原菌的灭活。

　　ATAD法能加快生物反应速率，使需要的消化池容积缩小；能杀灭大部分的病原细菌、病毒和寄生虫；同时由于高温抑制了硝化作用，大大减少了氧的需求。这些优点使得ATAD在北美和欧洲的一些小型污水厂被广泛采用。

　　80年代以后，人们又开发了一种两段消化工艺将自热高温好氧消化工艺与中温厌氧消化工艺相结合，即以一个一段的高负荷ATAD系统对污泥进行预处理后再进入中温厌氧反应器。工艺流程如图4所示。

 

　　由于采用高温――中温两段污泥处理工艺，可以达到有机物稳定和杀灭病原菌的良好效果，总停留时间缩短，VS去除和产气量都有所提高[7]。

　　将污泥好氧消化各工艺进行比较，如下表所示。

 

　　污泥好氧消化工艺各有优缺点，在应用时应根据实际情况综合考虑并进行选择。缺氧／好氧消化工艺具有CAD的运行管理简单，操作方便的优点，可利用原有的CAD设施进行改造，并且比CAD节约能耗，在今后会更多采用。另外通过合理设计，可使CAD和A／AD工艺达到自动加热，提高反应器的温度，在改善处理效果的同时仍保留其自身简单、灵活的优点，这也是进一步推广好氧消化技术的一条途径。随着对处理后污泥回用控制标准日益严格，高温好氧消化对病原菌的高效灭活作用又受到了重视，ATAD技术以及高温好氧与中温厌氧结合新工艺会在今后有更大的发展。

　　目前我国的污泥稳定主要采用中温厌氧消化技术，不少污水处理厂已建成了污泥厌氧消化的设施，但由于运行管理较为复杂，达不到应有的处理效果，甚至长期不能正常运转。

　　好氧消化作为污泥稳定的一种传统技术，由于需要供氧，运行费用稍高，而且不能产生甲烷气体等有用的副产物，在我国较少采用。但好氧消化具有运行管理方便、操作灵活、投资低、处理不容易失败等优点，对于处理量较小（≤ 2000 m3／d）的污水处理厂仍是一种有效实用的污泥稳定技术。开展污泥好氧消化的研究，并因地制宜地在一些小型的污水处理成套设备中应用，将是对污泥处理技术发展的一种有益的补充。

　　[1] R.B.Hartman, D.G.Smith. Sludge stabilization through aerobic digestion [J]. WPCF, 1979,51(10): 2353-2365

　　[2] R.Y.Surampalli, S.K.Banerji. Microbiological stabilization of sludge by aerobic digestion and storage [J]. Environmental Engineering, 1993,119 (3): 493-505

　　[3] D.S.Mavinic, D.A.Koers. Performance and kinetics of low-temperature, aerobic sludge digestion [J]. WPCF, 1979, 51(8): 2088-2097

　　[4] G.T.Daigger, E.Bailey. Improving aerobic digestion by prethickening, staged operation, and aerobic-anoxic operation: four full-scale demonstrations [J]. Wat. Environ. Res., 2000,72(3): 260-270

　　[5] Aerobic digestion of pharmaceutical and domestic wastewater sludge at ambient temperature [J]. Wat. Res., 2000,34(3): 725-734

　　[6] K.Deeny, H.Hahn. Autoheated thermophilic aerobic digestion [J]. Wat. Environ. Tech., 1991,3(10): 65-72

　　[7] Tapana cheunbarn, Krishma R. Pagilla，Aerobic thermophilic and anaerobic mesophilic treatment of sludge. J. Environmental Engineering 126(9): 790-795,2000