ATAD自熱式污泥好氧消化技術

　　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(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。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(fā)熱的反應，反應溫度基本穩(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;射流技術不僅保證充氧的高效性，同時保證濃縮污泥系統(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：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(tǒng)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。這一工藝產生高品質的污泥，降低污泥容積約40%～50%(包括揮發(fā)性有機質直接減容和后續(xù)取得較高含固率的脫水污泥的綜合減容效果)，從而節(jié)約運輸和后續(xù)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，使產物無害化、穩(wěn)定化，為進一步資源化創(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(tǒng);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(jīng)濟地脫水。通過ATAD和SNDR兩個工段聯(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(jiān)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(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?shù)膲A度，從而確保硝化和反硝化反應得以同步進行。

　　SNDR優(yōu)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(fā)性固體;可作為污泥脫水前的儲泥池;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。

　　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(huán)泵、輸送泵和泡沫控制系統(tǒng)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(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(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：一個不銹鋼罐體(尺寸為?1.98m×5.5m)，一臺射流循環(huán)泵，一臺鼓風機，配套的管閥、儀表自控系統(tǒng)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?1.98m×5.5m)，一臺射流循環(huán)泵，一臺鼓風機，一臺冷凝風扇，配套的管閥、儀表自控系統(tǒng)等。

　　具體流程見圖2。

　　2.2 試驗設計

　　設計規(guī)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VSS/TS=0.5，實際測試數(shù)值范圍0.36～0.55。

　　設計泥量平衡見圖3。

　　2.3 分析項目與方法

　　需要驗證的首要指標是能否在沒有任何外加熱源的情況下，通過系統(tǒng)自行馴化的嗜熱細菌將系統(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(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(wěn)定期兩個階段。

　　1)第一階段為菌種馴化期。

　　涵蓋現(xiàn)場自控系統(tǒng)調試，清水聯(lián)動試車和逐步進泥試運行等過程。經(jīng)過一個多月的時間，系統(tǒng)內的嗜熱細菌經(jīng)過反復的射流曝氣循環(huán)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(jīng)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(wěn)定期。

　　嗜熱細菌在系統(tǒng)溫度高于46℃時就會逐步激活為優(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(tǒng)放熱量相關，也與進泥的VSS/TS比值相關，在升溫穩(wěn)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(tǒng)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(shù)據(jù)見圖4。

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

　　本中試更關注于自發(fā)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-圖8中，紅色為溫度曲線，藍色為ORP曲線。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(tǒng)之所以溫度穩(wěn)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包括核糖核酸、蛋白質、多糖等營養(yǎng)物質被釋放出來，這些營養(yǎng)物質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%。滿足國外實際工程中取得的對VSS揮發(fā)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(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)反應總放熱量。

　　這個參數(shù)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(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(huán)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(shù)據(jù)遠遠大于實際工程，所以中試系統(tǒng)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(tǒng)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。本中試為簡化設備配置用冷凝風扇取代換熱器，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(xù)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(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(xù)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。(來源：國美(天津) 水技術工程有限公司)