污泥是污水生物處理過程中的伴生物，具有含水率高、易腐爛、有惡臭、含有重金屬和大量寄生蟲卵及病原微生物等特性，隨著污水處理設(shè)施的普及和污水處理率的提高，污水處理廠產(chǎn)生的污泥量也大大增加，污泥處理也越來越受到重視。在眾多的污泥處理工藝中，中小規(guī)模的污水處理廠可考慮采用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(nèi)尚處在試驗(yàn)室研發(fā)階段，歐美國家自1996年至今已有50多個(gè)成功運(yùn)行的案例。為驗(yàn)證該工藝對中國污泥泥質(zhì)特點(diǎn)的適應(yīng)性，特對國內(nèi)南方某城市污水處理廠的污泥處理進(jìn)行中試驗(yàn)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(yīng)，反應(yīng)溫度基本穩(wěn)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(tǒng)處于充分混合的狀態(tài)，經(jīng)過濃縮的含固率為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(wěn)定化、無害化的效果，在重金屬不超標(biāo)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)。通過控制ORP和激烈的攪拌使系統(tǒng)揮發(fā)性有機(jī)物被氧化以消除臭味。
ATAD可降解50%～60%的揮發(fā)性有機(jī)物，由于污泥中的有機(jī)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(jī)質(zhì)直接減容和后續(xù)取得較高含固率的脫水污泥的綜合減容效果)，從而節(jié)約運(yùn)輸和后續(xù)污泥處置的費(fèi)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)物無害化、穩(wěn)定化，為進(jìn)一步資源化創(chuàng)造條件;處理后污泥達(dá)美國A級(jí)生化污泥標(biāo)準(zhǔn),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(tǒng);ORP控制策略;性價(jià)比高,操作量小，歷時(shí)短;最終脫水泥餅含固率約30%～35%;污泥脫水后基本無臭味;不產(chǎn)生沼氣，消除爆炸隱患，沒有對污水處理廠增加額外負(fù)荷。
1.2 SNDR同步硝化反硝化技術(shù)原理及特點(diǎn)
無論是污泥好氧消化還是厭氧消化，都會(huì)將氮轉(zhuǎn)化為氨。氨會(huì)使消化污泥的pH值升高，導(dǎo)致污泥脫水所用的化學(xué)調(diào)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(jì)地脫水。通過ATAD和SNDR兩個(gè)工段聯(lián)合處理的污泥，由親水狀態(tài)轉(zhuǎn)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(jī)污染物、氨氮等的濃度，減輕或避免對污水處理廠造成二次污染。
SNDR中的硝化反硝化通過監(jiān)測pH、溫度和ORP來控制。因?yàn)橄趸磻?yīng)在高于約37℃時(shí)會(huì)受到抑制，因此該反應(yīng)器在低于37℃的溫度下運(yùn)行，這個(gè)溫度是硝化和反硝化細(xì)菌最優(yōu)生長溫度。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(tǒng)維持了適當(dāng)?shù)膲A度，從而確保硝化和反硝化反應(yīng)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，在無外加堿度條件下脫氮效率達(dá)50%～80%;滿足余氧要求，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(chǔ)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(chǔ)，增強(qiáng)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圖1。
由圖1可見，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(shè)備包括循環(huán)泵、輸送泵和泡沫控制系統(tǒng)等;不同處理單元的反應(yīng)溫度不同，ATAD好氧消化單元的反應(yīng)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(tǒng)可以回收大量綠色環(huán)保的熱能作為后續(xù)脫水泥餅干化系統(tǒng)的預(yù)處理。
經(jīng)好氧消化處理后，采用普通帶機(jī)或離心機(jī)可以得到30%～35%以上含固率的污泥，采用板框壓濾機(jī)直接可以得到40%及以上含固率的污泥。
2、試驗(yàn)材料與方法
2.1 試驗(yàn)裝置及流程
自南方某污水廠中用泵抽取剩余活性污泥，打入轉(zhuǎn)鼓濃縮機(jī)自配的調(diào)理槽中，在調(diào)理槽中加入PAM進(jìn)行攪拌，之后污泥進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓濃縮機(jī)。經(jīng)過濃縮后的污泥通過螺桿泵送入后續(xù)好氧消化系統(tǒng)。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ϕ1.98m×5.5m)，一臺(tái)射流循環(huán)泵，一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，配套的管閥、儀表自控系統(tǒng)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ϕ1.98m×5.5m)，一臺(tái)射流循環(huán)泵，一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，一臺(tái)冷凝風(fēng)扇，配套的管閥、儀表自控系統(tǒng)等。
具體流程見圖2。
2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)規(guī)模Q=1m3/d，以5%含固率計(jì)污泥，絕干污泥的處理能力為50kg/d。設(shè)計(jì)泥質(zhì)VSS/TS=0.5，實(shí)際測試數(shù)值范圍0.36～0.55。
設(shè)計(jì)泥量平衡見圖3。
2.3 分析項(xiàng)目與方法
需要驗(yàn)證的首要指標(biāo)是能否在沒有任何外加熱源的情況下，通過系統(tǒng)自行馴化的嗜熱細(xì)菌將系統(tǒng)自發(fā)熱到高溫階段(46℃以上)，通過羅斯蒙特品牌的在線儀表經(jīng)PLC采集數(shù)據(jù)后從觸摸屏上顯示出溫度曲線，每天由現(xiàn)場工作人員在固定時(shí)間讀取顯示屏上讀數(shù)記錄下來;其次需要檢測污泥的減量效果，主要通過TS的濃度變化，更直接的是VSS的濃度變化來分析ATAD單元和SNDR單元分別的減量效果。TS、VSS的監(jiān)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(jiān)測過程中需用坩堝在馬弗爐里605℃灼燒2h后，再次稱重并用TS的質(zhì)量減去最終灼燒的殘留物而計(jì)算出VSS的質(zhì)量。
3、結(jié)果與討論
3.1 溫度驗(yàn)證
調(diào)試分為菌種馴化期和升溫穩(wěn)定期兩個(gè)階段。
1)第一階段為菌種馴化期。
涵蓋現(xiàn)場自控系統(tǒng)調(diào)試，清水聯(lián)動(dòng)試車和逐步進(jìn)泥試運(yùn)行等過程。經(jīng)過一個(gè)多月的時(shí)間，系統(tǒng)內(nèi)的嗜熱細(xì)菌經(jīng)過反復(fù)的射流曝氣循環(huán)攪拌馴化過程，逐步適應(yīng)了ATAD單元的反應(yīng)工況。雖然升溫較緩，但經(jīng)過一個(gè)多月的時(shí)間積累也把ATAD內(nèi)的溫度提升到了46℃。
初步分析，這個(gè)過程升溫較緩的原因：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ATAD單元的升溫和保溫與進(jìn)泥的泥質(zhì)密切相關(guān)，所以調(diào)試初期溫度上升較緩。
2)第二階段為升溫穩(wěn)定期。
嗜熱細(xì)菌在系統(tǒng)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(tǒng)溫度逐步提升并穩(wěn)定在55℃以上，中試系統(tǒng)初步調(diào)試成功。
溫度能夠初步提升的原因除了與嗜熱細(xì)菌逐步轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢菌屬，加快了好氧消化反應(yīng)效率，提高了系統(tǒng)放熱量相關(guān)，也與進(jìn)泥的VSS/TS比值相關(guān)，在升溫穩(wěn)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(nèi)超過0.5。
在溫度超過46℃以后，系統(tǒng)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(diào)整為間歇按需進(jìn)泥，就是僅當(dāng)溫度開始逐步下降時(shí)才補(bǔ)充必要的進(jìn)泥量。具體進(jìn)泥前后的溫度數(shù)據(jù)見圖4。
通過上述中試系統(tǒng)在國內(nèi)的成功運(yùn)行說明：在中國的泥質(zhì)特點(diǎn)下，完全靠系統(tǒng)的自產(chǎn)熱量無需任何外加熱源也能將系統(tǒng)溫度的運(yùn)行在約55℃，污泥自發(fā)熱的工況得以驗(yàn)證。
本中試更關(guān)注于自發(fā)熱過程的驗(yàn)證，所以重點(diǎn)對不同時(shí)段的溫度進(jìn)行說明，見圖5-圖8。
圖5-圖8中，紅色為溫度曲線，藍(lán)色為ORP曲線。9月3日24h內(nèi)的溫度為52.54～55.65℃，9月4日24h內(nèi)的溫度為54.49～58.20℃，9月5日24h內(nèi)的溫度為57.45～60.58℃，9月6日24h內(nèi)的溫度為59.06～61.24℃。
從理論上分析，系統(tǒng)之所以溫度穩(wěn)步提升，主要是嗜熱細(xì)菌在酶的作用下逐步使污泥中生物絮體發(fā)生融胞反應(yīng)，被破壁的生物絮體中的胞內(nèi)物質(zhì)包括核糖核酸、蛋白質(zhì)、多糖等營養(yǎng)物質(zhì)被釋放出來，這些營養(yǎng)物質(zhì)正好作為嗜熱細(xì)菌的食料，從而發(fā)生了式(1)的反應(yīng)。反應(yīng)的結(jié)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(jiān)測各樣品的VSS濃度，見圖9。
從圖9可以看出，隨著系統(tǒng)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(tǒng)達(dá)到基本穩(wěn)定的溫度階段，VSS的降解率也同步穩(wěn)定到57%。滿足國外實(shí)際工程中取得的對VSS揮發(fā)性有機(jī)質(zhì)降解率達(dá)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(nèi)外因影響下的一個(gè)綜合結(jié)果。內(nèi)因包括嗜熱細(xì)菌的活性、反應(yīng)效率等，外因是系統(tǒng)溫度是否能穩(wěn)定維持在各菌群的適宜溫度;而要使系統(tǒng)取得良好的降解效果，需要綜合考慮如下因素。
1)系統(tǒng)反應(yīng)總放熱量。
這個(gè)參數(shù)與進(jìn)泥VSS與TS的比例密切相關(guān)，通過中試說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(jī)鼓氣帶入熱量。
應(yīng)綜合排氣熱損失量一起考慮，在ATAD單元內(nèi)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(jī)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ATAD單元內(nèi)溫度，所以每次進(jìn)泥必然會(huì)短時(shí)內(nèi)引起反應(yīng)單元內(nèi)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，可見此數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際工程，所以中試系統(tǒng)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(tǒng)取得初步成功，為下一步工程推廣奠定了基礎(chǔ)。
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(yīng)。本中試為簡化設(shè)備配置用冷凝風(fēng)扇取代換熱器，但由于現(xiàn)有散熱裝置還無法滿足熱平衡的散熱要求，所以經(jīng)�？吹絊NDR的運(yùn)行溫度在40℃左右，這個(gè)溫度對敏感的硝化細(xì)菌來講，必然對硝化反應(yīng)有一定的影響，所以本中試并未取得滿意的同步硝化反硝化效果。
這也是后續(xù)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(wěn)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(tǒng)；而在北方溫度相對較低，空氣濕度也較低的環(huán)境，在經(jīng)過嚴(yán)密的熱平衡計(jì)算后可以選擇冷凝風(fēng)扇的散熱方式。
4、結(jié)語
污泥的處理與處置是污水處理技術(shù)的延續(xù)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，取得泥水同治、泥水雙達(dá)標(biāo)的滿意效果。(來源：國美(天津) 水技術(shù)工程有限公司)
