改進的污泥高溫好氧消化工藝試驗研究

紀月紅，程潔紅

(1.江蘇理工學院化學與環境工程學院，江蘇 常州 213001;2.蘇州科技學院環境科學與工程學院，江蘇 蘇州 200000)

0 引言

高溫好氧消化污泥處理工藝自20世紀60年代末提出以來，得到較快發展，并于20世紀80年代初開始應用于實踐[1]。由于該工藝需要對在好氧條件下進行，增加了工藝運行成本;過高的曝氣量使反應器熱量散失明顯，反應器溫度降低，不利于VSS的去除。因此，需要對高溫好氧消化工藝進行改進，在達到相同處理效果的同時，盡量減少曝氣量，降低污泥上清液中的氮、磷和可溶性有機物含量。本文采用了中溫厭氧－高溫好氧相結合的工藝，即在高溫好氧反應前先進行中溫厭氧反應目前，以期達到與高溫好氧消化相同的效果。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗方法

反應器有效容積為3.0L的試劑瓶，將反應器置于水浴箱中，通過調節水浴溫度控制反應器溫度。

1.1.1 中溫厭氧消化與高溫好氧消化耦合工藝

以下簡稱工藝一。取調配好的污泥2.0L置于反應器中，開啟攪拌裝置，調節水浴箱溫度至室溫，并以每12 h 4℃上升至35℃，保持中溫厭氧環境下反應4d;再以每12 h 4℃上升至55℃，同時撤去攪拌裝置，開啟曝氣系統，調節曝氣量，使其能夠充分滿足好氧微生物分解有機物所需氧量。

1.1.2 高溫好氧消化工藝

以下簡稱工藝二。取調配好的同樣的污泥2.0L置于反應器中，開啟曝氣系統，調節曝氣量，使其能夠充分滿足好氧微生物分解有機物所需氧量，調節水浴箱溫度至室溫，并以每12 h 4℃上升至55℃。

1.2 實驗用污泥

本實驗所用污泥取自常州市清潭污水處理廠脫水污泥及二沉池剩余污泥。調節污泥濃度，使其含固率在5% ～8%[2]，再用40目篩網篩泥，去除污泥中的毛發、石子等雜質。

1.3 分析測試項目

分析項目包括揮發性懸浮固體濃度(VSS)，總懸浮固體濃度(TSS)、總氮(TN)、氨氮(NH+4－N)、總磷(TP)、正磷酸鹽(Ortho－P)、總有機碳(TOC)。將泥樣混合均勻后，在8000r/min下離心15min，取其上清液在相同轉速下繼續離心20min，兩次離心后的上清液再經0.45um的濾膜過濾，得到污泥上清液。污泥按照標準法測VSS和TSS。污泥上清液測試TP、TN、NH+4－N和TOC的濃度。

2 結果與討論

2.1 污泥穩定化

兩種工藝均采用采用含固率為5.8%的污泥樣品，VSS的去除率如圖1。

圖1 兩套工藝的VSS去除率隨時間變化

圖1對比了兩種工藝運行條件下污泥消化過程中VSS去除率的變化情況。工藝一從反應開始到反應第4d處于厭氧階段，其第4d的VSS去除率為21.62%，工藝二在持續曝氣條件下第4d的VSS去除率為18.67%，在反應前4d工藝一的去除效果優于工藝二。第4d以后兩種工藝均處于好氧階段，工藝一VSS去除率仍高于工藝二。反應進行到14d，兩種工藝的VSS去除率達到40%，達到美國EPA規定的VSS去除率＞38%即認定污泥處于穩定的要求[3]。前置厭氧階段并未對VSS的去除率以及污泥達到穩定化時間產生影響。與工藝二相比，工藝一在實際應用過程中比工藝二所需曝氣量更少，運營成本降低，對于受資金制約的中小型污水處理廠具有重要的意義。

2.2 污泥上清液中氮、磷、TOC變化情況

2.2.1 磷的轉化

上清液中磷的變化如圖2所示。

試驗發現，兩種工藝上清液中總磷(TP)和正磷酸鹽(Ortho－P)在反應開始階段迅速上升，隨后呈現出下降的趨勢。根據XUE T等的研究，40℃磷的釋放速率較為緩慢，在50℃ ～70℃的情況下，污泥消化過程中磷的釋放速率較快[4]。工藝一在中溫厭氧消化階段，由于氧氣的缺乏，出現了厭氧釋磷現象，總磷和正磷酸鹽持續升高;隨著溫度的升高以及曝氣量增加，溶胞作用繼續釋放出一部分的磷，使得上清液中磷的含量持續升高。工藝二中由于持續曝氣，厭氧釋磷現象沒有工藝一作用顯著，主要通過高溫下溶胞作用使得TP和Ortho－P含量急劇升高。隨著反應的進行污泥的濃度降低，溫度有高溫轉為中溫條件，氧的傳質效果增強，聚磷菌出現好氧吸磷作用，TP和Ortho－P含量出現下降。反應結束后，工藝一與工藝二中TP濃度均維持在250mg/L左右，PO43－濃度略低于TP，可見前置厭氧環境對整個反應過程沒有太大影響。從兩張圖中還可以看出，Ortho－P在TP中所占比例較高，基本維持在70%以上。

圖2 工藝一和工藝二中上清液的總磷和正磷酸鹽變化曲線

2.2.2 氮的轉化

圖3 為兩種工藝上清液中總氮和氨氮的變化情況。工藝一與工藝二中，反應初期總氮和氨氮的含量均得到到幅度的升高，分別在第12d和第10d達到最高值，然后出現波動性下降。這一結論與Banat[5]的研究成果相類似。工藝一和工藝二中反應結束時總氮的濃度分別為1 414mg/L和1 595mg/L，氨氮濃度分別為905mg/L和1 002mg/L。工藝一經中溫厭氧處理后，上清液中總氮和氨氮的濃度略低于工藝二。

圖3 工藝一和工藝二中上清液總氮和氨氮濃度變化曲線

2.2.3 TOC 的變化

由圖4所示，兩種工藝反應器內污泥上清液的TOC在第8d左右達到峰值，其值約在5 000mg/L左右，隨后逐漸下降，這說明污泥溶液內含有的有機物質的含量較高。在消化過程中，伴隨溶胞作用的發生，微生物將不溶性顆粒有機物轉化為了可溶性有機物，并被嗜熱微生物用于細胞合成，TOC含量出現下降[6]。而污泥中的其他一些物質又轉移到了液相中，使得溶液中TOC較初始值仍能維持較高范圍。反應結束時，工藝一與工藝二污泥上清液中兩者的濃度分別為2 797mg/L和2 664mg/L。

4 工藝一和工藝二中上清液TOC濃度變化

3 結論

①反應結束后，兩種工藝VSS最終去除率均高于50%，污泥達到穩定的時間及氮磷等物質的轉化并未受到影響，而因而中溫厭氧與高溫好氧相結合的污泥處理在處理效果上與高溫好氧相類似，但在反應初期不需要曝氣，降低工藝運行成本，有利于該工藝的工程應用。

②兩種工藝污泥上清液中氮、磷和TOC濃度均呈現出先升高后降低的變化趨勢，反應結束時兩種工藝各物質上清液濃度值相當，工藝一并未對整個高溫好氧消化效果產生影響。

[1]宋玉棟，胡洪營.污泥自熱式高溫好氧消化技術研究進展[J].環境污染治理技術與設備，2006，7(6):13－18.

[2]程潔紅，張善發，陳華，等.曝氣量對自熱式高溫好氧消化(ATAD)中試工藝運行的影響[J].水處理技術，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.