ATAD自熱式污泥好氧消化技術對市政污泥的處理效果

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，隨著污水處理設施的普及和污水處理率的提高，污水處理廠產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，中小規模的污水處理廠可考慮采用ATAD自熱式污泥好氧消化技術。ATAD自熱式污泥好氧消化工藝在國內尚處在試驗室研發階段，歐美國家自1996年至今已有50多個成功運行的案例。為驗證該工藝對中國污泥泥質特點的適應性，特對國內南方某城市污水處理廠的污泥處理進行中試驗證。

1 ATAD自熱式污泥好氧消化技術

1.1 ATAD自熱式好氧消化技術原理及特點

ATAD是自熱式高溫好氧消化技術，它是一個自發熱的反應，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；射流技術不僅保證充氧的高效性，同時保證濃縮污泥系統處于充分混合的狀態，經過濃縮的含固率為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：經好氧消化后污泥獲得減量化、穩定化、無害化的效果，在重金屬不超標的前提下也可進一步資源化。

ATAD關鍵：ORP控制理念和泡沫控制技術。通過控制ORP和激烈的攪拌使系統揮發性有機物被氧化以消除臭味。

ATAD可降解50%～60%的揮發性有機物，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。這一工藝產生高品質的污泥，降低污泥容積約40%～50%（包括揮發性有機質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優勢：總泥量減少40%～50%；高溫高pH環境幾乎殺滅污泥中全部病原體，使產物無害化、穩定化，為進一步資源化創造條件；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；性價比高,操作量小，歷時短；最終脫水泥餅含固率約30%～35%；污泥脫水后基本無臭味；不產生沼氣，消除爆炸隱患，沒有對污水處理廠增加額外負荷。

1.2 SNDR同步硝化反硝化技術原理及特點

無論是污泥好氧消化還是厭氧消化，都會將氮轉化為氨。氨會使消化污泥的pH值升高，導致污泥脫水所用的化學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%的減量且更經濟地脫水[1]。通過ATAD和SNDR兩個工段聯合處理的污泥，由親水狀態轉變為疏水狀態，進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造成二次污染。

SNDR中的硝化反硝化通過監測pH、溫度和ORP來控制。因為硝化反應在高于約37℃時會受到抑制，因此該反應器在低于37℃的溫度下運行，這個溫度是硝化和反硝化細菌最優生長溫度。ORP和pH的聯合控制既保證了好氧或兼氧環境，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行。

SNDR優點：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行，在無外加堿度條件下脫氮效率達50%～80%；滿足余氧要求，中溫條件下進一步減少總固體及揮發性固體；可作為污泥脫水前的儲泥池[1]；脫水時,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圖1。

圖1 ATAD和SNDR組合工藝典型流程

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。各個單元配套的設備包括循環泵、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，由于兩個單元的溫度差異，使得系統可以回收大量綠色環保的熱能作為后續脫水泥餅干化系統的預處理。

經好氧消化處理后，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進行攪拌，之后污泥進入轉鼓濃縮機。經過濃縮后的污泥通過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：一個不銹鋼罐體（尺寸為?1.98 m×5.5 m），一臺射流循環泵，一臺鼓風機，配套的管閥、儀表自控系統等。ATAD單元排泥進入SNDR單元。SNDR同步硝化反硝化單元包括：一個不銹鋼罐體（尺寸為?1.98 m×5.5 m），一臺射流循環泵，一臺鼓風機，一臺冷凝風扇，配套的管閥、儀表自控系統等。

具體流程見圖2。

圖2 中試系統流程

2.2 試驗設計

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

設計泥量平衡見圖3。

圖3 中試設計泥量平衡

2.3 分析項目與方法

需要驗證的首要指標是能否在沒有任何外加熱源的情況下，通過系統自行馴化的嗜熱細菌將系統自發熱到高溫階段（46℃以上），通過羅斯蒙特品牌的在線儀表經PLC采集數據后從觸摸屏上顯示出溫度曲線，每天由現場工作人員在固定時間讀取顯示屏上讀數記錄下來；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的監測方法遵照GB/T 11901—1989《水質懸浮物的測定重量法》，所采用的儀器為DHG-9030A熱鼓風干燥箱和PL203電子天平；監測過程中需用坩堝在馬弗爐里605℃灼燒2 h后，再次稱重并用TS的質量減去最終灼燒的殘留物而計算出VSS的質量。

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階段。

1）第一階段為菌種馴化期。涵蓋現場自控系統調試，清水聯動試車和逐步進泥試運行等過程。經過一個多月的時間，系統內的嗜熱細菌經過反復的射流曝氣循環攪拌馴化過程，逐步適應了ATAD單元的反應工況。雖然升溫較緩，但經過一個多月的時間積累也把ATAD內的溫度提升到了46℃。

初步分析，這個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產生了一定影響，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泥的泥質密切相關，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℃時就會逐步激活為優勢菌屬。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勢菌屬，加快了好氧消化反應效率，提高了系統放熱量相關，也與進泥的VSS/TS比值相關，在升溫穩定期進泥VSS/TS比值已逐步提升到高于0.45，甚至個別天內超過0.5。

在溫度超過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，進泥方式也調整為間歇按需進泥，就是僅當溫度開始逐步下降時才補充必要的進泥量。具體進泥前后的溫度數據見圖4。

圖4 ATAD自熱式污泥好氧消化單元溫度曲線

通過上述中試系統在國內的成功運行說明：在中國的泥質特點下，完全靠系統的自產熱量無需任何外加熱源也能將系統溫度的運行在約55℃，污泥自發熱的工況得以驗證。

本中試更關注于自發熱過程的驗證，所以重點對不同時段的溫度進行說明，見圖5-圖8。

圖5 9月3日溫度曲線

圖6 9月4日溫度曲線

圖7 9月5日溫度曲線

圖8 9月6日溫度曲線

圖5-圖8中，紅色為溫度曲線，藍色為ORP曲線。9月3日24 h內的溫度為52.54～55.65℃，9月4日24 h內的溫度為54.49～58.20℃，9月5日24 h內的溫度為57.45～60.58℃，9月6日24 h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生融胞反應，被破壁的生物絮體中的胞內物質包括核糖核酸、蛋白質、多糖等營養物質被釋放出來，這些營養物質正好作為嗜熱細菌的食料，從而發生了式（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單元進泥、出泥和SNDR的出泥監測各樣品的VSS濃度，見圖9。

圖9 ATAD單元和SNDR單元VSS降解率

從圖9可以看出，隨著系統溫度逐步進入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%。滿足國外實際工程中取得的對VSS揮發性有機質降解率達到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題，與此同時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。這個參數與進泥VSS與TS的比例密切相關，通過中試說明要取得較為理想的效果，這個比例最好不低于50%。

2）鼓風機鼓氣帶入熱量。應綜合排氣熱損失量一起考慮，在ATAD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生了從液態到氣態的相變，是需要消耗大量潛熱的。所以鼓風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）進泥熱損失量。進泥溫度受環境溫度影響較大，進泥溫度肯定會低于ATAD單元內溫度，所以每次進泥必然會短時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；實際工程的表面積與體積比約為1∶8，可見此數據遠遠大于實際工程，所以中試系統比實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的出泥經管式換熱器換熱后再進入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生同步硝化反硝化反應。本中試為簡化設備配置用冷凝風扇取代換熱器，但由于現有散熱裝置還無法滿足熱平衡的散熱要求，所以經?？吹絊NDR的運行溫度在40℃左右，這個溫度對敏感的硝化細菌來講，必然對硝化反應有一定的影響，所以本中試并未取得滿意的同步硝化反硝化效果。

這也是后續實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℃以后再進入SNDR系統；而在北方溫度相對較低，空氣濕度也較低的環境，在經過嚴密的熱平衡計算后可以選擇冷凝風扇的散熱方式。

4 結語

污泥的處理與處置是污水處理技術的延續和拓展，ATAD自熱式污泥好氧消化技術可直接服務于中、小型的污水處理廠，取得泥水同治、泥水雙達標的滿意效果。