李俊生

（廣東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，廣東 廣州 510000）

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程范圍不斷擴(kuò)大，人們生活用水量在不斷增加，生活污水產(chǎn)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(chǎn)生的大量污泥卻困擾著污水處理廠。傳統(tǒng)的污泥處理方法（填埋、焚燒等），會產(chǎn)生嚴(yán)重的二次污染，不利于環(huán)境保護(hù)的可持續(xù)發(fā)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(yīng)用廣泛，其中自熱高溫好氧消化工藝（ATAD）又是近些年來學(xué)者討論比較多的一種污泥處理技術(shù)，但ATAD 還沒在國內(nèi)的污水處理廠大規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。文章自制一套ATAD 反應(yīng)器處理城市污泥，監(jiān)測污泥無害化、穩(wěn)定化和資源化利用重要的一些指標(biāo)的變化規(guī)律，為污泥后續(xù)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(yīng)釜中，當(dāng)污泥濃度在25～50 g/L、水力停留時間在6～15 d 時，反應(yīng)釜內(nèi)的溫度可達(dá)50～60 ℃，這就是ATAD 工藝。ATAD 具有設(shè)備占地面積少、運營成本低等優(yōu)點，而且具備反應(yīng)速度快和高溫的特點，能使污泥穩(wěn)定，達(dá)到巴氏滅菌的標(biāo)準(zhǔn)。

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(yīng)釜攪拌裝置的機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。其次，ATAD 一般是2 個反應(yīng)器的串聯(lián)，第1 個反應(yīng)器一般不能達(dá)到預(yù)期的高溫效果，在第1 個反應(yīng)器中，污泥完成初步消化，溫度開始慢慢有所上升，當(dāng)污泥進(jìn)入第2 個反應(yīng)器中的一段時間后，溫度才穩(wěn)步上升，最終工作溫度能達(dá)到55 ℃左右。再次，ATAD 工藝不是全過程都是好氧反應(yīng)，而是兼顧好氧反應(yīng)和厭氧發(fā)酵的綜合體，其中好氧反應(yīng)占主導(dǎo)，因在污泥里面，氧氣傳遞能力較弱，所以污泥內(nèi)部存在厭氧的狀態(tài)，就會進(jìn)行厭氧發(fā)酵。最后，ATAD是一個揮發(fā)性有機(jī)物（VSS）不斷降解的過程，反應(yīng)基質(zhì)一般是初沉池污泥和二沉池污泥的混合污泥，基質(zhì)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(jī)物，導(dǎo)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(dá)到穩(wěn)定化的標(biāo)準(zhǔn)[7]。

2 試驗裝置設(shè)計和流程

試驗裝置設(shè)計，如圖1 所示。試驗裝置是兩個圓柱體反應(yīng)器串聯(lián)裝置，每個反應(yīng)器最大容積1.8 L，工作體積1.2 L。反應(yīng)釜主要設(shè)置進(jìn)、出泥系統(tǒng)、預(yù)熱系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、消泡系統(tǒng)。

圖1 試驗裝置設(shè)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(diào)配進(jìn)泥濃度，使污泥含固率為6%，進(jìn)泥體積0.8 L，開啟攪拌裝置、曝氣系統(tǒng)和與預(yù)熱系統(tǒng)，攪拌速度預(yù)設(shè)60 r/min，曝氣量控制在0.1～0.12 m3/h，預(yù)熱溫度調(diào)節(jié)為45 ℃。運行半天后，關(guān)閉預(yù)熱系統(tǒng)，反應(yīng)器內(nèi)溫度下降，繼續(xù)運行到第2 個反應(yīng)器溫度達(dá)到50 ℃穩(wěn)定后，留下1/3 體積污泥，再投加生污泥運行，如此反復(fù)直到第2 個反應(yīng)器恒溫在55 ℃左右。正常一周期15 d 進(jìn)泥、排泥一次。

3.2 試驗材料

分析儀器設(shè)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(jī)、多功能測量儀、分光光度計、紫外分光光度計、恒溫恒濕培養(yǎng)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(xiàn)[8]，脫氫酶活性（DHA）按文獻(xiàn)[9]，病原菌測試按文獻(xiàn)[10]，總氮、總磷、蛋白質(zhì)測定按文獻(xiàn)[11]。

4 ATAD 中污泥指標(biāo)的變化規(guī)律

4.1 揮發(fā)性有機(jī)物（VSS）

VSS 的去除率和反應(yīng)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(dá)到最大，此后隨著反應(yīng)時間的推進(jìn)，VSS去除率趨于穩(wěn)定。由此可以判斷，ATAD 中，SRT 為12 d 時，污泥基本已達(dá)到穩(wěn)定化的標(biāo)準(zhǔn)（污泥穩(wěn)定化標(biāo)準(zhǔn)一般指VSS 降解率達(dá)38%），但是為了讓污泥能充分穩(wěn)定，SRT 一般選擇15 d 時間較為妥當(dāng)。

由圖3 可知，ATAD 反應(yīng)溫度的升高和VSS 去除率的增大呈正比例關(guān)系，即反應(yīng)溫度升高VSS 去除率變大，這是因為，反應(yīng)溫度升高有利于嗜熱菌的快速生長，嗜熱菌群數(shù)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(yīng)溫度達(dá)最高，VSS 去除率達(dá)最大，說明此時嗜熱菌群是最活躍的，之后溫度趨于穩(wěn)定，VSS 去除率趨于穩(wěn)定，嗜熱菌群活躍度也趨于穩(wěn)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(dá)到最大值，隨著反應(yīng)時間的推進(jìn)，DHA 的下降率基本趨于穩(wěn)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(guān)。因此，也可以用DHA 的下降率來衡量污泥穩(wěn)定化的程度，但具體如何界定數(shù)值，需要后續(xù)的研究加以說明。

圖4 DHA 下降率及反應(yīng)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(jié)果如表1 所示。

表1 病原菌的滅活結(jié)果

污泥中病原菌滅活程度可以反應(yīng)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(xì)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(xì)菌。美國EPA503 條款規(guī)定，A 類生物固定病原菌滅活標(biāo)準(zhǔn)為：糞鏈球菌＜1 MPN/4gTS、巴氏細(xì)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(jīng)達(dá)到A 類污泥標(biāo)準(zhǔn)。

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(yīng)的進(jìn)行，污泥中的TN 和TP 均呈現(xiàn)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(jī)物被微生物的細(xì)胞壁封閉在細(xì)胞內(nèi)，不能與水解酶接觸發(fā)生溶胞作用，隨著反應(yīng)進(jìn)行，反應(yīng)器溫度升高，嗜熱菌生長活躍，在嗜熱菌胞外酶作用下，細(xì)胞壁破裂，胞內(nèi)物質(zhì)釋放到溶液中產(chǎn)生溶胞作用，細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)經(jīng)脫氮后轉(zhuǎn)為氨態(tài)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(tài)氮不能以氣態(tài)釋放，滯留于污泥，導(dǎo)致污泥TN 升高。

TP 升高一般認(rèn)為是溶胞作用造成的。在反應(yīng)過程中，產(chǎn)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(xù)資源化利用研究的參考。

4.5 蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)含量變化，如圖6 所示。

圖6 蛋白質(zhì)含量變化

由圖6 可知，ATAD 中，污泥中的蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在反應(yīng)前4 d 急速增加，從起初的0.011%增加到0.1%，這是因為反應(yīng)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(jī)物滿足其生長需要，這造成并加速了反應(yīng)器里面的溶胞作用，大量的微生物細(xì)胞壁破裂，釋放的細(xì)胞質(zhì)被嗜熱菌吸收分解，破裂的細(xì)胞壁、污泥溶液中的細(xì)胞質(zhì)及其分解物含大量蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)急速溶入到污泥中，導(dǎo)致污泥中的蛋白質(zhì)濃度急速增加。但隨后的幾天，蛋白質(zhì)又急速下降，最后趨于穩(wěn)定。這是因為，隨著反應(yīng)的深入，嗜熱菌在不斷生長繁殖，它們需要污泥中的蛋白質(zhì)作為營養(yǎng)源，導(dǎo)致污泥中的蛋白質(zhì)含量下降明顯，大量蛋白質(zhì)被利用消耗，分解為氨態(tài)氮物質(zhì)，但反應(yīng)第8 d以后，蛋白質(zhì)趨于平緩，這是因為反應(yīng)最終趨于穩(wěn)定后，污泥中的蛋白質(zhì)含量也不再大幅變化。出泥的蛋白質(zhì)含量幾乎是進(jìn)泥時的4 倍，這可能導(dǎo)致污泥的比阻增大，污泥后續(xù)脫水性能會下降，但具體影響有多大，還需要后續(xù)的研究。

5 結(jié)論

綜上研究，我們得出如下結(jié)論：

1）ATAD 中，VSS 去除率和DHA 下降率隨著消化反應(yīng)的進(jìn)行，不斷增大，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到第12 d 時，VSS 去除率達(dá)最大，DHA 的下降率也達(dá)最大，之后兩者的變化趨于穩(wěn)定。VSS 去除率和DHA 下降率與溫度的變化呈正比關(guān)系。消化后的污泥VSS 去除率能達(dá)到穩(wěn)定化的標(biāo)準(zhǔn)。

2）SRT 為10 d 時，污泥中的病原菌均達(dá)到“未檢出”的標(biāo)準(zhǔn)，出泥能達(dá)到A 級生物固體的標(biāo)準(zhǔn)。

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(xù)作為肥料研究的參考。

4）污泥中蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)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(zhì)比進(jìn)泥時的大4 倍左右，可能成為污泥后續(xù)脫水的障礙。

隨著污水處理量的不斷增加，污泥的產(chǎn)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(xiàn)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。