污泥常溫和高溫好氧消化工藝概述

污泥常溫和高溫好氧消化工藝概述摘要：污泥好氧消化實質上是活性污泥法的繼續(xù)，其工作原理是污泥中的微生物有機體的內源代謝過程。通過曝氣充入氧氣，活性污泥中的微生物有機體自身氧化分解，轉化為二氧化碳、水、氨氣等，使污泥得到穩(wěn)定。關鍵字：好氧消化氧化分解活性污泥法與現(xiàn)在普遍采用的污泥厭氧消化相比，好氧消化具有下列優(yōu)點：(1)對懸浮固體的去除率與厭氧法大致相等；(2)上清液中的BOD濃度較低（10mg／l以下）；(3)處理后的產(chǎn)物無臭、類似腐殖質，肥效較高；(4)運行安全、管理方便；(5)處理效率高，需要的處理設施體積小，投資較少。由于污泥好氧消化工藝具有上述優(yōu)點，因此在中小型污水處理廠頗受青睞。美國、日本、加拿大等發(fā)達國家都有不少中、小型污水處理廠采用好氧消化處理污泥，僅加拿大某省就有20個小型污水處理廠運用此法，丹麥大約有40%的污泥使用好氧法進行穩(wěn)定化處理。污泥好氧消化一般有三種工藝：CAD、A／AD、ATAD。1CAD工藝1.1工藝流程傳統(tǒng)的好氧消化工藝（CAD，conventionalaerobicdigestion）的構造及設備與傳統(tǒng)活性污泥法相似，但污泥停留時間很長，其常用的工藝流程主要有連續(xù)進泥和間歇進泥兩種，如圖1所示[1]：一般規(guī)模較大污水處理廠的好氧消化池采用連續(xù)進泥的方式，運行方式與活性污泥法相似。規(guī)模較小污水處理廠的好氧消化池，可采用間歇進泥，定期的進泥和排泥，通常每天一次。污泥好氧消化的主要目的就是穩(wěn)定污泥中可生物降解的有機物。污泥穩(wěn)定的定量評價指標主要包括有機物（VSS）的去除率和消化污泥的比耗氧速率（SOUR）當VSS去除率達到38%時，或當消化污泥的SOUR降低到1.0～1.5mgO2／gvss.hr時，可認為污泥達到穩(wěn)定。1.2影響CAD運行的因素（1）溫度溫度對好氧消化的影響很大，溫度高時，微生物代謝活性強，即比衰減速率較大，達到要求的有機物VSS去除率所需的SRT短[2]。當溫度降低時，為達到污泥穩(wěn)定處理的目的，則要延長污泥停留時間[3]。溫度對反應速率的影響可用公式表示：k2/k1=θ(T2-T1)其中：k1、k2為溫度T1、T2時分別的反應速率；T1、T2為溫度，℃；θ為溫度系數(shù)（有研究者認為θ為常數(shù)，θ=1.058）。（2）停留時間SRTVSS的去除率隨著SRT的增大而提高，但是相應地處理后剩余物中的惰性成分也不斷增加，當SRT增大到某一個特定值，即使再增大SRT，VSS的去除率也不會再明顯提高。對SOUR也存在著相似的規(guī)律，SOUR隨SRT的增大而逐漸下降，當SRT增大到某一個特定值，即使再增大SRT，SOUR也不會有明顯下降。這一特定的點與進泥的性質、可生物降解性及溫度有較大關系[2]。一般溫度為20℃時，SRT為25～30天。（3）pH值污泥好氧消化的速率在pH值接近中性時最大，當pH值較低時，微生物的新陳代謝受到抑制，有機物的去除率隨之降低。在CAD工藝中，會發(fā)生硝化反應，消耗堿度，引起pH值下降至4.5～5.5[4]。因此大部分的CAD工藝中都要添加化學藥劑，如石灰等來調節(jié)pH值。（4）曝氣與攪拌在好氧消化中，確定恰當?shù)钠貧饬渴呛苤匾?。一方面要為微生物好氧消化提供充足的氧源（消化池內DO濃度大于2.0mg／l），同時滿足攪拌混合的要求，使污泥處于懸浮狀態(tài)。另一方面，若曝氣量過大會增加運行費用。好氧消化可采用鼓風曝氣和機械曝氣，在寒冷地區(qū)采用淹沒式的空氣擴散裝置有助于保溫，而在氣候溫暖的地區(qū)可采用機械曝氣。當氧的傳輸效率太低或攪拌不充分時，會出現(xiàn)泡沫問題[5]。（5）污泥類型CAD消化池內污泥停留時間與污泥的來源有關。一般認為，CAD適用于處理剩余污泥，而對初沉污泥，則需要更長的停留時間。這是因為初沉池污泥以可降解顆粒有機物為主。微生物首先要氧化分解這部分有機物，合成新的細胞物質，只有當有機物不足時，才會消耗自身物質，進入內源呼吸階段。CAD工藝具有運行簡單、管理方便、基建費用低等優(yōu)點。但由于需長時間連續(xù)曝氣，運行費用較高。受氣溫影響較大，在低溫時處理效果變差，而且對病原菌的滅活能力較低。另外，CAD工藝中會發(fā)生硝化反應，一方面消耗堿度，引起pH值下降，另一方面因硝化反應耗氧，而致使供氧的動力費用提高。這就促使人們對傳統(tǒng)好氧消化工藝進行改造，提出了缺氧／好氧消化工藝（A／AD）。2A／AD工藝缺氧／好氧消化工藝（A／AD，anoxic／aerobicdigestion）即在CAD工藝的前端加一段缺氧區(qū)，使污泥在該段發(fā)生反硝化反應，其產(chǎn)生的堿度可補償硝化反應中所消耗的堿度，所以不必另行投堿就可使pH值保持在7左右[4]。因在缺氧段以硝酸氮NO3－N代替O2作為最終電子受體，需氧量比CAD工藝要少。圖2介紹了A／AD工藝的三種常見的流程圖。其中，Ⅰ工藝可實現(xiàn)對間歇進泥的CAD工藝的改造，通過間歇曝氣產(chǎn)生好氧和缺氧期，并要在缺氧期加攪拌設備而使污泥處于懸浮狀態(tài)，促使污泥發(fā)生充分的反硝化。Ⅱ、Ⅲ工藝是將缺氧區(qū)和好氧區(qū)分建在兩個池子里，而且兩工藝都需要硝化液回流，以提供反硝化所需的硝酸鹽。A／AD消化池內污泥濃度及污泥停留時間等都與CAD工藝相似。CAD和A／AD工藝的主要缺點是供氧的動力費較高、污泥停留時間較長、特別是對病原菌的去除率低。將溫度提高到高溫范圍（43～70℃）會大大提高對病原菌的去除，由此而開發(fā)了高溫好氧消化工藝。3ATAD工藝3.1原理自熱高溫好氧消化工藝（ATAD：AutoheatedThermophilicAerobicDigestion）利用有機物好氧氧化所釋放的代謝熱，達到并維持高溫，而不需要外加熱源。由于采用較高的溫度，消化時間大大縮短（約6天），高溫好氧消化具有較高的懸浮固體去除率，并且能達到殺滅病原菌的目的[6]。達到自熱高溫好氧消化通常需要以下三個條件：●進泥首先要經(jīng)過濃縮，MLSS濃度達40000～60000mg／l（或VSS濃度最少為25000mg／l），這樣才能產(chǎn)生足夠的熱量。●反應器要加蓋，采用封閉的反應器，同時反應器外壁還要采取絕熱措施，以減少熱傳導的熱損失。●采用高效氧轉移設備減少蒸發(fā)熱損失，有時甚至采用純氧曝氣。3.2工藝流程為防止短流并盡量殺滅病原菌，典型的ATAD系統(tǒng)一般采用間歇（分批）操作，至少兩個反應器串聯(lián)運行。第一段溫度通常為45℃左右，一般不超過55℃。第二段溫度通常為50～60℃，一般不超過70℃。3.3影響ATAD的工藝參數(shù)（1）進泥的要求進入ATAD的污泥均應先進行濃縮，一方面可以減少消化反應器的體積，降低攪拌和曝氣的能耗。另一方面可以提供足夠的熱量，使反應器溫度達到高溫范圍。一般污泥經(jīng)過重力濃縮即可滿足要求。污泥負荷為F:M＝0.1～0.15kgBOD5／kgvss.d的污泥適合用ATAD法處理。（2）曝氣和攪拌ATAD采用高效率的曝氣系統(tǒng)，氧轉移率一般大于15％，這樣不僅可以減少能量消耗，還可降低因供氧造成的熱能損失。在ATAD中由于進泥的濃度相當高，再加上高溫的作用，一般會有泡沫產(chǎn)生，有時甚至相當嚴重。因此在ATAD設備中應提供相應的泡沫控制設備。（3）pH值在ATAD中，由于高溫抑制了硝化細菌的生長繁殖，硝化作用一般不會發(fā)生，因此需氧量會比CAD大大降低，同時在CAD中由于硝化作用而使pH值降低的問題也得到了解決，實際上，在ATAD中pH值通常可以達到7.2～8.0。而pH值的提高也會相應地提高對病原菌的滅活。ATAD法能加快生物反應速率，使需要的消化池容積縮??；能殺滅大部分的病原細菌、病毒和寄生蟲；同時由于高溫抑制了硝化作用，大大減少了氧的需求。這些優(yōu)點使得ATAD在北美和歐洲的一些小型污水廠被廣泛采用。80年代以后，人們又開發(fā)了一種兩段消化工藝將自熱高溫好氧消化工藝與中溫厭氧消化工藝相結合，即以一個一段的高負荷ATAD系統(tǒng)對污泥進行預處理后再進入中溫厭氧反應器。工藝流程如圖4所示。由于采用高溫――中溫兩段污泥處理工藝，可以達到有機物穩(wěn)定和殺滅病原菌的良好效果，總停留時間縮短，VS去除和產(chǎn)氣量都有所提高[7]。4好氧消化各工藝的比較及應用將污泥好氧消化各工藝進行比較，如下表所示。表1污泥好氧消化各工藝比較表精工藝搶優(yōu)點庸缺點毅CAD盡工藝成熟掉動力費用高庭機械設備簡單孕對病原菌的滅隆活率低對操作運行簡單如需要相當長渣的扣SRT余能夠在一池中溪同時實現(xiàn)濃縮鄰和污泥穩(wěn)定灣相當大的反應守器體積既由于硝化作用狐使頑p眠H頁值下降墾上清泳液暮BO拉D鋤含量低泛消化污泥的脫環(huán)水性能差鍋缺氧好氧消化竿（呈A歇／榜A評D榜）秧提假供舊p攝H般控制臭工藝較新，運塘行經(jīng)驗少怒其他桑同婆CAD親動力費用仍較助高勤其他毫同帝CAD權ATAD談SR扁T鏟短、反應器體督積小膀機械設備復雜角抑制硝化作用辛，需氧量相對剖少薯泡沫問題榨沒就有婦p闊H拾值下降太新工藝，經(jīng)驗拌少要對病原菌的殺淺滅效果好繳動力費仍舊相艷當高全比忠CA燒D孔、魄A染／暴A嗓D心能耗低掌需增加濃縮工太序戴脫水性能可能蛾優(yōu)蠻于副CA價D今及向A巴／怒AD慣進泥中應含有銷足夠的可降解鹽固體污泥好氧消化工藝各有優(yōu)缺點，在應用時應根據(jù)實際情況綜合考慮并進行選擇。缺氧／好氧消化工藝具有CAD的運行管理簡單，操作方便的優(yōu)點，可利用原有的CAD設施進行改造，并且比CAD節(jié)約能耗，在今后會更多采用。另外通過合理設計，可使CAD和A／AD工藝達到自動加熱，提高反應器的溫度，在改善處理效果的同時仍保留其自身簡單、靈活的優(yōu)點，這也是進一步推廣好氧消化技術的一條途徑。隨著對處理后污泥回用控制標準日益嚴格，高溫好氧消化對病原菌的高效滅活作用又受到了重視，ATAD技術以及高溫好氧與中溫厭氧結合新工藝會在今后有更大的發(fā)展。5結語目前我國的污泥穩(wěn)定主要采用中溫厭氧消化技術，不少污水處理廠已建成了污泥厭氧消化的設施，但由于運行管理較為復雜，達不到應有的處理效果，甚至長期不能正常運轉。好氧消化作為污泥穩(wěn)定的一種傳統(tǒng)技術，由于需要供氧，運行費用稍高，而且不能產(chǎn)生甲烷氣體等有用的副產(chǎn)物，在我國較少采用。但好氧消化具有運行管理方便、操作靈活、投資低、處理不容易失敗等優(yōu)點，對于處理量較小（≤2000m3／d）的污水處理廠仍是一種有效實用的污泥穩(wěn)定技術。開展污泥好氧消化的研究，并因地制宜地在一些小型的污水處理成套設備中應用，將是對污泥處理技術發(fā)展的一種有益的補充。參考文獻[1]R.B.Hartman,D.G.Smith.Sludgestabilizationthroughaerobicdigestion[J].WPCF,1979,51(10):2353-2365[2]R.Y.Surampalli,S.K.Banerji.Microbiologicalstabilizationofsludgebyaerobicdigestionandstorage[J].EnvironmentalEngineering,1993,119(3):493-505[3]D.S.Mavinic,D.A.Koers.Performanceandkineticsoflow-temperature,aerobicsludgedigestion[J].WPCF,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