自热高温好氧消化工艺中污泥监测指标的变化规律研究

李俊生

（广东省生态环境监测中心，广东 广州 510000）

随着城镇化进程范围不断扩大，人们生活用水量在不断增加，生活污水产量也急剧增长。大量的污水催生了大量的城市污水处理厂，污水得到妥善处理的同时，产生的大量污泥却困扰着污水处理厂。传统的污泥处理方法（填埋、焚烧等），会产生严重的二次污染，不利于环境保护的可持续发展，污水处理厂只能寻求新的污泥处理方法[1]。

污泥好氧消化在国外中小型污水处理厂应用广泛，其中自热高温好氧消化工艺（ATAD）又是近些年来学者讨论比较多的一种污泥处理技术，但ATAD 还没在国内的污水处理厂大规模和产业化应用。文章自制一套ATAD 反应器处理城市污泥，监测污泥无害化、稳定化和资源化利用重要的一些指标的变化规律，为污泥后续作为一种资源利用提供有一定价值的研究参考[2-6]。

1 ATAD 工艺介绍

在一个反应釜中，当污泥浓度在25～50 g/L、水力停留时间在6～15 d 时，反应釜内的温度可达50～60 ℃，这就是ATAD 工艺。ATAD 具有设备占地面积少、运营成本低等优点，而且具备反应速度快和高温的特点，能使污泥稳定，达到巴氏灭菌的标准。

ATAD 工艺并非完全自动升温。首先，其高温来源和维持高温的热量有部分是来自反应釜搅拌装置的机械能的转化。其次，ATAD 一般是2 个反应器的串联，第1 个反应器一般不能达到预期的高温效果，在第1 个反应器中，污泥完成初步消化，温度开始慢慢有所上升，当污泥进入第2 个反应器中的一段时间后，温度才稳步上升，最终工作温度能达到55 ℃左右。再次，ATAD 工艺不是全过程都是好氧反应，而是兼顾好氧反应和厌氧发酵的综合体，其中好氧反应占主导，因在污泥里面，氧气传递能力较弱，所以污泥内部存在厌氧的状态，就会进行厌氧发酵。最后，ATAD是一个挥发性有机物（VSS）不断降解的过程，反应基质一般是初沉池污泥和二沉池污泥的混合污泥，基质里面有丰富的微生物菌落，ATAD 中嗜热菌活跃，嗜热菌不断分解污泥中的有机物，导致VSS 不断降解，且污泥中的其他病原菌也会逐渐被嗜热菌群代替，最终污泥达到稳定化的标准[7]。

2 试验装置设计和流程

试验装置设计，如图1 所示。试验装置是两个圆柱体反应器串联装置，每个反应器最大容积1.8 L，工作体积1.2 L。反应釜主要设置进、出泥系统、预热系统、搅拌系统、曝气系统、消泡系统。

图1 试验装置设计

试验流程如图2 所示。

图2 试验流程

3 试验方法和材料

3.1 试验方法

调配进泥浓度，使污泥含固率为6%，进泥体积0.8 L，开启搅拌装置、曝气系统和与预热系统，搅拌速度预设60 r/min，曝气量控制在0.1～0.12 m3/h，预热温度调节为45 ℃。运行半天后，关闭预热系统，反应器内温度下降，继续运行到第2 个反应器温度达到50 ℃稳定后，留下1/3 体积污泥，再投加生污泥运行，如此反复直到第2 个反应器恒温在55 ℃左右。正常一周期15 d 进泥、排泥一次。

3.2 试验材料

分析仪器设备：分析天平、烘箱、马弗炉、恒温水浴锅、便携溶氧仪、台式离心机、多功能测量仪、分光光度计、紫外分光光度计、恒温恒湿培养箱、冰箱、智能控制器超净工作台、手提高温蒸汽灭菌锅、高倍显微镜（能摄像）。

分析试剂：氯化三苯基四氮唑TTC、Tris-HCl 缓冲液、碘化汞、酒石酸钾钠、过硫酸钾、抗坏血酸、钼酸铵、牛肉膏、蛋白胨、磷酸氢二氨、酵母膏、溴甲酚紫、胰酪胨、乳糖、月桂基硫酸钠、3 号胆盐或混合胆盐、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾。

VSS 测试按文献[8]，脱氢酶活性（DHA）按文献[9]，病原菌测试按文献[10]，总氮、总磷、蛋白质测定按文献[11]。

4 ATAD 中污泥指标的变化规律

4.1 挥发性有机物（VSS）

VSS 的去除率和反应温度的变化，如图3 所示。

由图3 可知，VSS 去除率在污泥停留时间（SRT）为12 d 时达到最大，此后随着反应时间的推进，VSS去除率趋于稳定。由此可以判断，ATAD 中，SRT 为12 d 时，污泥基本已达到稳定化的标准（污泥稳定化标准一般指VSS 降解率达38%），但是为了让污泥能充分稳定，SRT 一般选择15 d 时间较为妥当。

由图3 可知，ATAD 反应温度的升高和VSS 去除率的增大呈正比例关系，即反应温度升高VSS 去除率变大，这是因为，反应温度升高有利于嗜热菌的快速生长，嗜热菌群数量增加，促使其繁殖需要的VSS不断被利用降解，VSS 去除率不断增大。到了SRT 为12 d 时，反应温度达最高，VSS 去除率达最大，说明此时嗜热菌群是最活跃的，之后温度趋于稳定，VSS 去除率趋于稳定，嗜热菌群活跃度也趋于稳定。

4.2 脱氢酶活性（DHA）

DHA 下降率，如图4 所示。由图4 可知，DHA 的下降率也是在SRT 为12d 时达到最大值，随着反应时间的推进，DHA 的下降率基本趋于稳定，其变化趋势和VSS 的变化趋势类似，同温度的变化也是呈正相关。因此，也可以用DHA 的下降率来衡量污泥稳定化的程度，但具体如何界定数值，需要后续的研究加以说明。

图4 DHA 下降率及反应温度变化

4.3 病原菌的灭活情况

取SRT 为10 d 的污泥测定病原菌的灭活情况，结果如表1 所示。

表1 病原菌的灭活结果

污泥中病原菌灭活程度可以反应污泥无害化的程度。病原菌一般以3 种菌为代表，分别是粪大肠杆菌、粪链球菌和巴氏细菌。由表1 可见，ATAD 中的高温对于3 种病原菌的灭活程度很高，出泥中均未检出这3 种细菌。美国EPA503 条款规定，A 类生物固定病原菌灭活标准为：粪链球菌＜1 MPN/4gTS、巴氏细菌＜3 MPN/4g TS、粪大肠杆菌＜1 000 CFU/gTS，由此可以判断，ATAD 中的消化污泥已经达到A 类污泥标准。

4.4 总氮（TN）和总磷（TP）

TN 和TP 变化如图5 所示。

图5 TN 和TP 的变化

由图5 可知，随着反应的进行，污泥中的TN 和TP 均呈现上升的趋势，这是因为：污水处理厂的污泥以剩余污泥为主，剩余污泥中含丰富的微生物，起初，污泥中的有机物被微生物的细胞壁封闭在细胞内，不能与水解酶接触发生溶胞作用，随着反应进行，反应器温度升高，嗜热菌生长活跃，在嗜热菌胞外酶作用下，细胞壁破裂，胞内物质释放到溶液中产生溶胞作用，细胞内蛋白质经脱氮后转为氨态氮，由于高温下硝化菌无法生存，因此无硝化作用，因此，大量氨态氮不能以气态释放，滞留于污泥，导致污泥TN 升高。

TP 升高一般认为是溶胞作用造成的。在反应过程中，产生大量泡沫也能表明溶胞作用的存在。污泥中TN 和TP 的变化趋势，以及最终的浓度，可以作为污泥后续资源化利用研究的参考。

4.5 蛋白质

蛋白质含量变化，如图6 所示。

图6 蛋白质含量变化

由图6 可知，ATAD 中，污泥中的蛋白质质量分数在反应前4 d 急速增加，从起初的0.011%增加到0.1%，这是因为反应开始时，嗜热菌活性很大，繁殖速度超级快，这需要大量的有机物满足其生长需要，这造成并加速了反应器里面的溶胞作用，大量的微生物细胞壁破裂，释放的细胞质被嗜热菌吸收分解，破裂的细胞壁、污泥溶液中的细胞质及其分解物含大量蛋白质，这些蛋白质急速溶入到污泥中，导致污泥中的蛋白质浓度急速增加。但随后的几天，蛋白质又急速下降，最后趋于稳定。这是因为，随着反应的深入，嗜热菌在不断生长繁殖，它们需要污泥中的蛋白质作为营养源，导致污泥中的蛋白质含量下降明显，大量蛋白质被利用消耗，分解为氨态氮物质，但反应第8 d以后，蛋白质趋于平缓，这是因为反应最终趋于稳定后，污泥中的蛋白质含量也不再大幅变化。出泥的蛋白质含量几乎是进泥时的4 倍，这可能导致污泥的比阻增大，污泥后续脱水性能会下降，但具体影响有多大，还需要后续的研究。

5 结论

综上研究，我们得出如下结论：

1）ATAD 中，VSS 去除率和DHA 下降率随着消化反应的进行，不断增大，当反应进行到第12 d 时，VSS 去除率达最大，DHA 的下降率也达最大，之后两者的变化趋于稳定。VSS 去除率和DHA 下降率与温度的变化呈正比关系。消化后的污泥VSS 去除率能达到稳定化的标准。

2）SRT 为10 d 时，污泥中的病原菌均达到“未检出”的标准，出泥能达到A 级生物固体的标准。

3）污泥中TN 和TP 均呈上升的变化趋势，出泥中的TN 和TP 含量可作为污泥后续作为肥料研究的参考。

4）污泥中蛋白质含量呈现先急速上升后急速下降的趋势，这主要是因为嗜热菌的作用所致，出泥的蛋白质比进泥时的大4 倍左右，可能成为污泥后续脱水的障碍。

随着污水处理量的不断增加，污泥的产量也会不断增大，大量的污泥是污水厂处理的难题，选择合适的工艺处理污泥是摆在每个污水厂面前的现实和急迫的问题。ATAD 占地小，运行简单，运行耗能低，运行成本低，是未来污水处理厂处理污泥的一个较好的选择。