自熱高溫好氧消化工藝中污泥監測指標的變化規律研究

李俊生

（廣東省生態環境監測中心，廣東 廣州 510000）

隨著城鎮化進程范圍不斷擴大，人們生活用水量在不斷增加，生活污水產量也急劇增長。大量的污水催生了大量的城市污水處理廠，污水得到妥善處理的同時，產生的大量污泥卻困擾著污水處理廠。傳統的污泥處理方法（填埋、焚燒等），會產生嚴重的二次污染，不利于環境保護的可持續發展，污水處理廠只能尋求新的污泥處理方法[1]。

污泥好氧消化在國外中小型污水處理廠應用廣泛，其中自熱高溫好氧消化工藝（ATAD）又是近些年來學者討論比較多的一種污泥處理技術，但ATAD 還沒在國內的污水處理廠大規模和產業化應用。文章自制一套ATAD 反應器處理城市污泥，監測污泥無害化、穩定化和資源化利用重要的一些指標的變化規律，為污泥后續作為一種資源利用提供有一定價值的研究參考[2-6]。

1 ATAD 工藝介紹

在一個反應釜中，當污泥濃度在25～50 g/L、水力停留時間在6～15 d 時，反應釜內的溫度可達50～60 ℃，這就是ATAD 工藝。ATAD 具有設備占地面積少、運營成本低等優點，而且具備反應速度快和高溫的特點，能使污泥穩定，達到巴氏滅菌的標準。

ATAD 工藝并非完全自動升溫。首先，其高溫來源和維持高溫的熱量有部分是來自反應釜攪拌裝置的機械能的轉化。其次，ATAD 一般是2 個反應器的串聯，第1 個反應器一般不能達到預期的高溫效果，在第1 個反應器中，污泥完成初步消化，溫度開始慢慢有所上升，當污泥進入第2 個反應器中的一段時間后，溫度才穩步上升，最終工作溫度能達到55 ℃左右。再次，ATAD 工藝不是全過程都是好氧反應，而是兼顧好氧反應和厭氧發酵的綜合體，其中好氧反應占主導，因在污泥里面，氧氣傳遞能力較弱，所以污泥內部存在厭氧的狀態，就會進行厭氧發酵。最后，ATAD是一個揮發性有機物（VSS）不斷降解的過程，反應基質一般是初沉池污泥和二沉池污泥的混合污泥，基質里面有豐富的微生物菌落，ATAD 中嗜熱菌活躍，嗜熱菌不斷分解污泥中的有機物，導致VSS 不斷降解，且污泥中的其他病原菌也會逐漸被嗜熱菌群代替，最終污泥達到穩定化的標準[7]。

2 試驗裝置設計和流程

試驗裝置設計，如圖1 所示。試驗裝置是兩個圓柱體反應器串聯裝置，每個反應器最大容積1.8 L，工作體積1.2 L。反應釜主要設置進、出泥系統、預熱系統、攪拌系統、曝氣系統、消泡系統。

圖1 試驗裝置設計

試驗流程如圖2 所示。

圖2 試驗流程

3 試驗方法和材料

3.1 試驗方法

調配進泥濃度，使污泥含固率為6%，進泥體積0.8 L，開啟攪拌裝置、曝氣系統和與預熱系統，攪拌速度預設60 r/min，曝氣量控制在0.1～0.12 m3/h，預熱溫度調節為45 ℃。運行半天后，關閉預熱系統，反應器內溫度下降，繼續運行到第2 個反應器溫度達到50 ℃穩定后，留下1/3 體積污泥，再投加生污泥運行，如此反復直到第2 個反應器恒溫在55 ℃左右。正常一周期15 d 進泥、排泥一次。

3.2 試驗材料

分析儀器設備：分析天平、烘箱、馬弗爐、恒溫水浴鍋、便攜溶氧儀、臺式離心機、多功能測量儀、分光光度計、紫外分光光度計、恒溫恒濕培養箱、冰箱、智能控制器超凈工作臺、手提高溫蒸汽滅菌鍋、高倍顯微鏡（能攝像）。

分析試劑：氯化三苯基四氮唑TTC、Tris-HCl 緩沖液、碘化汞、酒石酸鉀鈉、過硫酸鉀、抗壞血酸、鉬酸銨、牛肉膏、蛋白胨、磷酸氫二氨、酵母膏、溴甲酚紫、胰酪胨、乳糖、月桂基硫酸鈉、3 號膽鹽或混合膽鹽、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀。

VSS 測試按文獻[8]，脫氫酶活性（DHA）按文獻[9]，病原菌測試按文獻[10]，總氮、總磷、蛋白質測定按文獻[11]。

4 ATAD 中污泥指標的變化規律

4.1 揮發性有機物（VSS）

VSS 的去除率和反應溫度的變化，如圖3 所示。

由圖3 可知，VSS 去除率在污泥停留時間（SRT）為12 d 時達到最大，此后隨著反應時間的推進，VSS去除率趨于穩定。由此可以判斷，ATAD 中，SRT 為12 d 時，污泥基本已達到穩定化的標準（污泥穩定化標準一般指VSS 降解率達38%），但是為了讓污泥能充分穩定，SRT 一般選擇15 d 時間較為妥當。

由圖3 可知，ATAD 反應溫度的升高和VSS 去除率的增大呈正比例關系，即反應溫度升高VSS 去除率變大，這是因為，反應溫度升高有利于嗜熱菌的快速生長，嗜熱菌群數量增加，促使其繁殖需要的VSS不斷被利用降解，VSS 去除率不斷增大。到了SRT 為12 d 時，反應溫度達最高，VSS 去除率達最大，說明此時嗜熱菌群是最活躍的，之后溫度趨于穩定，VSS 去除率趨于穩定，嗜熱菌群活躍度也趨于穩定。

4.2 脫氫酶活性（DHA）

DHA 下降率，如圖4 所示。由圖4 可知，DHA 的下降率也是在SRT 為12d 時達到最大值，隨著反應時間的推進，DHA 的下降率基本趨于穩定，其變化趨勢和VSS 的變化趨勢類似，同溫度的變化也是呈正相關。因此，也可以用DHA 的下降率來衡量污泥穩定化的程度，但具體如何界定數值，需要后續的研究加以說明。

圖4 DHA 下降率及反應溫度變化

4.3 病原菌的滅活情況

取SRT 為10 d 的污泥測定病原菌的滅活情況，結果如表1 所示。

表1 病原菌的滅活結果

污泥中病原菌滅活程度可以反應污泥無害化的程度。病原菌一般以3 種菌為代表，分別是糞大腸桿菌、糞鏈球菌和巴氏細菌。由表1 可見，ATAD 中的高溫對于3 種病原菌的滅活程度很高，出泥中均未檢出這3 種細菌。美國EPA503 條款規定，A 類生物固定病原菌滅活標準為：糞鏈球菌＜1 MPN/4gTS、巴氏細菌＜3 MPN/4g TS、糞大腸桿菌＜1 000 CFU/gTS，由此可以判斷，ATAD 中的消化污泥已經達到A 類污泥標準。

4.4 總氮（TN）和總磷（TP）

TN 和TP 變化如圖5 所示。

圖5 TN 和TP 的變化

由圖5 可知，隨著反應的進行，污泥中的TN 和TP 均呈現上升的趨勢，這是因為：污水處理廠的污泥以剩余污泥為主，剩余污泥中含豐富的微生物，起初，污泥中的有機物被微生物的細胞壁封閉在細胞內，不能與水解酶接觸發生溶胞作用，隨著反應進行，反應器溫度升高，嗜熱菌生長活躍，在嗜熱菌胞外酶作用下，細胞壁破裂，胞內物質釋放到溶液中產生溶胞作用，細胞內蛋白質經脫氮后轉為氨態氮，由于高溫下硝化菌無法生存，因此無硝化作用，因此，大量氨態氮不能以氣態釋放，滯留于污泥，導致污泥TN 升高。

TP 升高一般認為是溶胞作用造成的。在反應過程中，產生大量泡沫也能表明溶胞作用的存在。污泥中TN 和TP 的變化趨勢，以及最終的濃度，可以作為污泥后續資源化利用研究的參考。

4.5 蛋白質

蛋白質含量變化，如圖6 所示。

圖6 蛋白質含量變化

由圖6 可知，ATAD 中，污泥中的蛋白質質量分數在反應前4 d 急速增加，從起初的0.011%增加到0.1%，這是因為反應開始時，嗜熱菌活性很大，繁殖速度超級快，這需要大量的有機物滿足其生長需要，這造成并加速了反應器里面的溶胞作用，大量的微生物細胞壁破裂，釋放的細胞質被嗜熱菌吸收分解，破裂的細胞壁、污泥溶液中的細胞質及其分解物含大量蛋白質，這些蛋白質急速溶入到污泥中，導致污泥中的蛋白質濃度急速增加。但隨后的幾天，蛋白質又急速下降，最后趨于穩定。這是因為，隨著反應的深入，嗜熱菌在不斷生長繁殖，它們需要污泥中的蛋白質作為營養源，導致污泥中的蛋白質含量下降明顯，大量蛋白質被利用消耗，分解為氨態氮物質，但反應第8 d以后，蛋白質趨于平緩，這是因為反應最終趨于穩定后，污泥中的蛋白質含量也不再大幅變化。出泥的蛋白質含量幾乎是進泥時的4 倍，這可能導致污泥的比阻增大，污泥后續脫水性能會下降，但具體影響有多大，還需要后續的研究。

5 結論

綜上研究，我們得出如下結論：

1）ATAD 中，VSS 去除率和DHA 下降率隨著消化反應的進行，不斷增大，當反應進行到第12 d 時，VSS 去除率達最大，DHA 的下降率也達最大，之后兩者的變化趨于穩定。VSS 去除率和DHA 下降率與溫度的變化呈正比關系。消化后的污泥VSS 去除率能達到穩定化的標準。

2）SRT 為10 d 時，污泥中的病原菌均達到“未檢出”的標準，出泥能達到A 級生物固體的標準。

3）污泥中TN 和TP 均呈上升的變化趨勢，出泥中的TN 和TP 含量可作為污泥后續作為肥料研究的參考。

4）污泥中蛋白質含量呈現先急速上升后急速下降的趨勢，這主要是因為嗜熱菌的作用所致，出泥的蛋白質比進泥時的大4 倍左右，可能成為污泥后續脫水的障礙。

隨著污水處理量的不斷增加，污泥的產量也會不斷增大，大量的污泥是污水廠處理的難題，選擇合適的工藝處理污泥是擺在每個污水廠面前的現實和急迫的問題。ATAD 占地小，運行簡單，運行耗能低，運行成本低，是未來污水處理廠處理污泥的一個較好的選擇。