ATAD污泥减量稳定化技术研究

张 帆，袁宏林

0 引言

城市污水处理厂是解决水体污染问题和改善城市水环境状况的重要手段，然而，城市污水处理厂在运行过程中会产生大量剩余污泥［1］。剩余污泥中一般含有大量的微生物、病原体、合成有机物、金属离子、植物营养物质等，因此剩余污泥极不稳定，容易造成二次污染［2］，故城市污水处理厂剩余污泥的稳定化处理成为越来越凸显的问题。

目前较为成熟的污泥稳定化技术是厌氧消化，但由于厌氧消化技术反应效率低、结构复杂、运行条件严格，致使其应用难度加大。自热高温好氧消化(auto-heated thermophilic aerobic digestion，ATAD)技术是近年来备受关注的污泥稳定化新技术［3］(程浩红.自热式高温好氧消化对城市污水污泥处理研究［D］.上海:同济大学，2006.)，由于剩余污泥中含有多种微生物，如果保持好氧环境，污泥中的微生物可发生放热反应，部分热量用于自身的能量消耗、富余热量积累后将导致反应系统温度升高，在高温条件下引起细胞溶解，细胞内物质释放到溶液中，与细胞分泌物一起形成胞外聚合物(EPS)，这些聚合物对污泥的脱水性能有显著的影响［4］，系统在高温条件下还能实现灭菌、降低寄生虫数量等［5，6］功效，同时嗜热菌在高温条件下生长繁殖旺盛，嗜热菌以死亡的细胞为基质，通过代谢作用达到降解有机物并灭活病源菌的目的［7］，从而实现污泥稳定和减量。该技术在国内外已有报道［8，9］，但是，由于不同地区污水处理厂的剩余污泥成分和性质差异较大，因而对污泥进行ATAD处理的效果相差甚远。本研究针对特定泥源，通过实验确定自热高温好氧消化技术处理该剩余污泥的最佳运行参数。

1 材料与方法

1.1 实验装置和流程

实验装置系统见图1。实验装置由双层有机玻璃制成，下部设计为圆锥体，方便排泥。反应器尺寸为Φ 300 mm×600 mm，有效容积30 L。外裹厚约4 cm的保温材料，中下部设有取样口。反应器的底部设置了微孔曝气盘，曝气泵通过气体流量计调节后向污泥进行供氧，气体流量计可有效控制供氧量;在反应器顶部插有带探头的在线温度计，随时监测反应温度的变化。整个反应过程中反应器始终处于密封状态，废气由顶部排气口经过外置的洗气装置排放。每个反应周期结束，污泥由排泥口排放。

图1 实验装置系统

1.2 实验方法

本实验所用污泥为西安市北石桥污水净化中心的脱水污泥，其含固率为17%～19%。实验开始前，先用水将污泥含固率调配到5%～8%，再用筛网筛泥，滤掉混在污泥中的大颗粒、杂质等。实验采用间歇式反应系统，在反应开始前将调配好的30 L污泥一次性全部装入反应器后，开启搅拌和曝气装置，至温度升至最高并达到稳定，结束反应周期。

1.3 分析项目

每天取样测定样品温度、TSS、VSS、TOC、氨氮、比阻。

2 实验结果与讨论

2.1 实验系统的最佳运行条件及效果

通常来讲，ATAD反应系统运行正常的基本衡量标准为反应温度升高至45℃以上、VSS去除率超过38%［10］，通过多次实验摸索，确定本实验系统的最佳运行条件为:进泥TSS质量分数为5%～8%，搅拌强度120 r/min，曝气量0.4～0.8 L/min，污泥停留时间12～15天。

在最佳运行条件下，反应器对污泥的好氧消化处理效果如表1所示。

表1 ATAD最佳反应条件运行效果

由表1可知，在最佳运行条件下，反应器中污泥VSS去除率＞38%，满足美国EPA503的标准;DHA的去除率为94.33%，说明反应器中污泥的生物活性下降程度显著，微生物灭活情况很好。消化后污泥的粪大肠菌、粪链球菌及巴氏细菌均未检出，表示污泥已处于稳定状态。然而，经过在反应器中的消化，污泥比阻增加3倍多，导致了污泥的脱水性变差。

2.2 ATAD中的溶胞现象

溶胞是微生物在某一条件下，细胞破裂并释放细胞物质的过程。影响细胞自溶的条件有很多，包括温度、pH、酶、压力等。

研究表明，污泥的脱水性能受溶胞作用的影响。通过两组不同曝气强度的实验研究了ATAD中的溶胞现象，两组实验除了曝气强度不同外其他运行条件完全一致，实验结果见表2。其中，第1组由于曝气量降低未能达到45℃以上的升温温度、VSS去除率38%以上的最佳运行效果。

表2 两组样品运行效果比较

通过对两组污泥中的TOC监测，反映出了反应过程中溶胞作用的发生情况，结果如图2所示。

图2 污泥上清液中TOC含量随消化时间的变化

从图2可以看出，污泥上清液中TOC的含量明显增加，说明有溶胞作用的发生。

虽然反应过程中组1、组2反应温度有所不同，但两组TOC含量都有所增加，说明温度并不是诱发溶胞的唯一因素。在ATAD反应系统中，中温条件下也有溶胞作用的发生。ATAD虽然是好氧消化，但其所需DO很小，通常处于微好氧状态，微生物相互争夺氧，这种相互之间的竞争促使胞外溶胞酶的释放，进而诱发溶胞作用。所以在微生物活性最好的前3～4天，微生物之间竞争激烈，伴随胞外酶的释放，诱发溶胞作用发生，TOC含量上升较快，说明在此期间溶胞作用较大。

之后，组2在温度升至高温后，TOC含量上升达到峰值;组1则平缓波动。由于多数土壤中细菌和水生细菌都属于中温微生物，它们生长适宜的温度为20～42℃［11］。组2处于48℃高温，超出它们生长适宜的温度，引起溶胞，因此组2的TOC持续上升，当温度升至最高后，TOC也相应达到峰值;而组1的中温环境未加速溶胞作用，加之污泥中微生物对TOC的消耗，使得其曲线呈缓慢波动下降趋势。

这一现象说明ATAD系统在微好氧状态下，微生物竞争并释放胞外酶，引起溶胞作用发生，在最佳运行条件下的高温系统较中温系统进一步引起溶胞，释放大量细胞物质，为嗜热菌的生长繁殖提供了有利环境条件。

2.3 污泥脱水性能变化与溶胞作用的关系

结合TOC曲线反映的ATAD系统中溶胞作用的发生情况，考察溶胞作用与污泥脱水性能变化的联系，采用污泥比阻反映污泥的脱水性能。实验结果如图3所示。

图3 两组污泥比阻随消化时间的变化

由图3可知，两组消化污泥的比阻随消化时间都有明显的升高，出泥比阻比进泥比阻高3～4倍，说明伴随污泥的好氧消化，高温和中温反应环境下污泥的脱水性能都变差。根据TOC的曲线显示两组均有溶胞作用的发生，与两组比阻都呈上升趋势相一致。

从比阻的曲线趋势上看，组2在反应前9天曲线斜率大，上升幅度大，9天后曲线趋于平缓;组1前14天持续升高，但幅度略低于组2，后有所下降。由表3可知，组2曲线的折点对应的时间恰与该组周期温度升至最高的时间重合，说明当高温加速溶胞作用时，污泥比阻也达到峰值。而组1曲线的折点对应的消化时间却与该组周期温度升至最高的时间不一致。同时，该组的温度并未升至高温状态，最高只达到37℃，说明并无高温条件诱导溶胞，所以比阻上升幅度略小。综合两组的比较，进一步证明溶胞为脱水性能变差的重要原因。

表3 两组最高温度和比阻曲线折点对应的消化时间

3 结论

(1)ATAD系统的最佳运行条件 进泥TSS质量分数为5%～8%、曝气量为0.4～0.8 L/min、机械搅拌强度为120 r/min、污泥停留时间为12～15天时，运行效果最佳。在此条件下，好氧消化可以使污泥温度自动升至48℃、VSS的去除率达到40.2%，污泥趋于稳定，且灭菌效果好，污泥稳定程度达到美国EPA的A级标准，但是污泥的脱水性能变差。

(2)ATAD中的溶胞现象 通过对两组典型运行条件下TOC含量变化的研究发现，各组反应均有溶胞作用的发生，ATAD系统中高温条件并不是诱发溶胞的唯一因素，微好氧状态下，微生物间的相互竞争，胞外酶的释放，也是诱发溶胞的原因之一。

(3)污泥脱水性能变化与溶胞作用的关系 通过污泥比阻曲线的变化反映各组条件下污泥脱水性能都显著变差。结合TOC变化曲线，溶胞作用与比阻变化的一致性，说明溶胞作用是使污泥脱水性能变差的重要原因。

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