改进的污泥高温好氧消化工艺试验研究

纪月红，程洁红

(1.江苏理工学院化学与环境工程学院，江苏 常州 213001;2.苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏 苏州 200000)

0 引言

高温好氧消化污泥处理工艺自20世纪60年代末提出以来，得到较快发展，并于20世纪80年代初开始应用于实践[1]。由于该工艺需要对在好氧条件下进行，增加了工艺运行成本;过高的曝气量使反应器热量散失明显，反应器温度降低，不利于VSS的去除。因此，需要对高温好氧消化工艺进行改进，在达到相同处理效果的同时，尽量减少曝气量，降低污泥上清液中的氮、磷和可溶性有机物含量。本文采用了中温厌氧－高温好氧相结合的工艺，即在高温好氧反应前先进行中温厌氧反应目前，以期达到与高温好氧消化相同的效果。

1 实验材料与方法

1.1 实验方法

反应器有效容积为3.0L的试剂瓶，将反应器置于水浴箱中，通过调节水浴温度控制反应器温度。

1.1.1 中温厌氧消化与高温好氧消化耦合工艺

以下简称工艺一。取调配好的污泥2.0L置于反应器中，开启搅拌装置，调节水浴箱温度至室温，并以每12 h 4℃上升至35℃，保持中温厌氧环境下反应4d;再以每12 h 4℃上升至55℃，同时撤去搅拌装置，开启曝气系统，调节曝气量，使其能够充分满足好氧微生物分解有机物所需氧量。

1.1.2 高温好氧消化工艺

以下简称工艺二。取调配好的同样的污泥2.0L置于反应器中，开启曝气系统，调节曝气量，使其能够充分满足好氧微生物分解有机物所需氧量，调节水浴箱温度至室温，并以每12 h 4℃上升至55℃。

1.2 实验用污泥

本实验所用污泥取自常州市清潭污水处理厂脱水污泥及二沉池剩余污泥。调节污泥浓度，使其含固率在5% ～8%[2]，再用40目筛网筛泥，去除污泥中的毛发、石子等杂质。

1.3 分析测试项目

分析项目包括挥发性悬浮固体浓度(VSS)，总悬浮固体浓度(TSS)、总氮(TN)、氨氮(NH+4－N)、总磷(TP)、正磷酸盐(Ortho－P)、总有机碳(TOC)。将泥样混合均匀后，在8000r/min下离心15min，取其上清液在相同转速下继续离心20min，两次离心后的上清液再经0.45um的滤膜过滤，得到污泥上清液。污泥按照标准法测VSS和TSS。污泥上清液测试TP、TN、NH+4－N和TOC的浓度。

2 结果与讨论

2.1 污泥稳定化

两种工艺均采用采用含固率为5.8%的污泥样品，VSS的去除率如图1。

图1 两套工艺的VSS去除率随时间变化

图1对比了两种工艺运行条件下污泥消化过程中VSS去除率的变化情况。工艺一从反应开始到反应第4d处于厌氧阶段，其第4d的VSS去除率为21.62%，工艺二在持续曝气条件下第4d的VSS去除率为18.67%，在反应前4d工艺一的去除效果优于工艺二。第4d以后两种工艺均处于好氧阶段，工艺一VSS去除率仍高于工艺二。反应进行到14d，两种工艺的VSS去除率达到40%，达到美国EPA规定的VSS去除率＞38%即认定污泥处于稳定的要求[3]。前置厌氧阶段并未对VSS的去除率以及污泥达到稳定化时间产生影响。与工艺二相比，工艺一在实际应用过程中比工艺二所需曝气量更少，运营成本降低，对于受资金制约的中小型污水处理厂具有重要的意义。

2.2 污泥上清液中氮、磷、TOC变化情况

2.2.1 磷的转化

上清液中磷的变化如图2所示。

试验发现，两种工艺上清液中总磷(TP)和正磷酸盐(Ortho－P)在反应开始阶段迅速上升，随后呈现出下降的趋势。根据XUE T等的研究，40℃磷的释放速率较为缓慢，在50℃ ～70℃的情况下，污泥消化过程中磷的释放速率较快[4]。工艺一在中温厌氧消化阶段，由于氧气的缺乏，出现了厌氧释磷现象，总磷和正磷酸盐持续升高;随着温度的升高以及曝气量增加，溶胞作用继续释放出一部分的磷，使得上清液中磷的含量持续升高。工艺二中由于持续曝气，厌氧释磷现象没有工艺一作用显著，主要通过高温下溶胞作用使得TP和Ortho－P含量急剧升高。随着反应的进行污泥的浓度降低，温度有高温转为中温条件，氧的传质效果增强，聚磷菌出现好氧吸磷作用，TP和Ortho－P含量出现下降。反应结束后，工艺一与工艺二中TP浓度均维持在250mg/L左右，PO43－浓度略低于TP，可见前置厌氧环境对整个反应过程没有太大影响。从两张图中还可以看出，Ortho－P在TP中所占比例较高，基本维持在70%以上。

图2 工艺一和工艺二中上清液的总磷和正磷酸盐变化曲线

2.2.2 氮的转化

图3 为两种工艺上清液中总氮和氨氮的变化情况。工艺一与工艺二中，反应初期总氮和氨氮的含量均得到到幅度的升高，分别在第12d和第10d达到最高值，然后出现波动性下降。这一结论与Banat[5]的研究成果相类似。工艺一和工艺二中反应结束时总氮的浓度分别为1 414mg/L和1 595mg/L，氨氮浓度分别为905mg/L和1 002mg/L。工艺一经中温厌氧处理后，上清液中总氮和氨氮的浓度略低于工艺二。

图3 工艺一和工艺二中上清液总氮和氨氮浓度变化曲线

2.2.3 TOC 的变化

由图4所示，两种工艺反应器内污泥上清液的TOC在第8d左右达到峰值，其值约在5 000mg/L左右，随后逐渐下降，这说明污泥溶液内含有的有机物质的含量较高。在消化过程中，伴随溶胞作用的发生，微生物将不溶性颗粒有机物转化为了可溶性有机物，并被嗜热微生物用于细胞合成，TOC含量出现下降[6]。而污泥中的其他一些物质又转移到了液相中，使得溶液中TOC较初始值仍能维持较高范围。反应结束时，工艺一与工艺二污泥上清液中两者的浓度分别为2 797mg/L和2 664mg/L。

4 工艺一和工艺二中上清液TOC浓度变化

3 结论

①反应结束后，两种工艺VSS最终去除率均高于50%，污泥达到稳定的时间及氮磷等物质的转化并未受到影响，而因而中温厌氧与高温好氧相结合的污泥处理在处理效果上与高温好氧相类似，但在反应初期不需要曝气，降低工艺运行成本，有利于该工艺的工程应用。

②两种工艺污泥上清液中氮、磷和TOC浓度均呈现出先升高后降低的变化趋势，反应结束时两种工艺各物质上清液浓度值相当，工艺一并未对整个高温好氧消化效果产生影响。

[1]宋玉栋，胡洪营.污泥自热式高温好氧消化技术研究进展[J].环境污染治理技术与设备，2006，7(6):13－18.

[2]程洁红，张善发，陈华，等.曝气量对自热式高温好氧消化(ATAD)中试工艺运行的影响[J].水处理技术，2006，32(5):39－41.

[3]EPA 1990/625/R －92/013，Environmental Regulations and Technology:control of pathogens and vector attraction in sewage sludge under 40 CFR Part 503[S].

[4]XUE T，HUANG X.RELEASING characteristics of phosphorus and other substa nces during thermal treatment of excess sludge[J].Journal of Environmental Scienees，2007，19:1 153 －1 158.

[5]Banat F.A，Prechtl S.B，Bischof F.Experimental assessment of bio －reduction of Di－2 －thylhexyl phthalate(DEHP)under aerobic thermophilic conditions[J].Chemosphere，1999，39(12):2 097 －2 106.

[6]Mason C.A，Haner A，Hamer G.Aerobic thermophilic waste sludge treatment[J].Water Science and Technology，1992，25(1):113－118.