摘 要：自动升温好氧消化是污泥生物稳定化的一种处理方式。本文设计了一套自动升温好氧消化（ATAD）工艺中试系统，对城市污水污泥进行了批式运行试验，结果表明，当进气温度高于25℃时，反应器温度可稳定达到50℃以上，在这个反应温度下，当污泥浓度高达50-80g/L时，在提供6.5-14m3/h的搅拌强度和0.81-2.0m3/m3.h的供气条件，污泥停留9-12天，即可使其中的挥发性固体（VSS）去除率达到40%以上，并可使其中的病原体得到彻底杀灭。本文根据试验结果及其想象分析，提出了与反应器设计及运行中需要注意的关键问题。
关键词：自动升温好氧消化   污泥稳定化   VSS支除率

Study on Sludge Stability by Atuothermal Thermophilic Aerobic Digestion on pilot scale
Nanwen zhu      Chen Jiehong,Fenlei
School of Environmental Science and Engineering,Shanghai Jiao Tong University,200240

Abstract:A self-desined,autothermal thermophilic aerobic digestion reactor was used to study the influeence factors of reactor auto-rise temperature including volatile solids concentration of feed sludges,digestion time ,aeration rate ,and mixing mechanical energy,and effect of reactor temperature on suldge solids desstruction and pathogen reduction ,under a batch condition.The destruciton of volatile solids of sludge druing the digestion process was affected by temperature of the reactou, which would be affected by the temperature of inlet air .The   temperature of the inlet air should be over 25℃if the removal rate of  VSS over40%and sterilization of the sludge are needed .In fact,to reallize the removal tate mentioned above,a VSS concentration of 30-40g/L with total sludge solids at 60-80g/L,a circulation flow mixing rate of 6.5-14m3/h,an aeration rate of 0.81-2.0m3/m3.h,and a   digestion time of 9-12days also should be offered .The optimal condition and the key points on the design of reactor were discussed based the pilot scale research result.
Key Words：ludge   ATAD process   VSS  sterilization

自动升温高温好氧消化（ATAD）通常简称为高温好氧消化，其研究最早可追溯到20世纪60年代的美国[1][2]，其设计思想产生于堆肥工艺，所以又被称为液态堆肥。该工艺利用活性污泥微生物自身氧化分解释放出的热量来提高好氧化消化反应器的温度。高温好氧消化与传统的好氧工艺相比，具有能够保持系统pH稳定、停留时间缩短一半甚至一半以上、对病原体杀灭效果好、启动快、不需要接种抗秋冬低温冲击、运行稳定、易于管理、操作简单等优点[3][4]。因此，ATAD系统较适合于占地较为紧张的大城市中小型污水处理厂污泥稳定化处理。ATAD在上世纪80年代后期开始获得应用并获得了较快的推广，如，德国近10年来就推广了40多家，美国推广了30多家，加拿大推广了12家[5]。但在我国目前尚未有ATAD工艺实用的报道。然而，我国很多大中城市污水处理厂由于技术和资金投入过大等方面的原因，当初在设计时没有建成系统、完整的生产性污泥处理装置，而近年来随着污泥处理装置，而近年来随着污泥处理处置法规的严格化，诸多污水处理厂面临扩建和改建，但由于郊区城市化步伐的加快，土地利用趋紧，使得原有的诸多污水处理厂在改造过程中征地、用地困难，为此，寻求占地较小的污泥处理工艺对这些污水厂进行改选显得相当迫切。
为此，本研究在借鉴前人工作的基础上，设计构建了一套单段式ATAD中试工艺系统（目前已申请专利，申请号200410066202.2），本文探讨了该装置批式运行的效果，并对该工艺设计以及运行中需要注意的问题进行了探讨。
1试验材料和方法
1.1试验装置和流程
ATAD工艺系统为一个封闭的、外覆保温材料的矩形反应器，顶部有一个排气孔。反应器净尺寸为1.5*1.0*2.0m，反应器有效处理容积为2.25 m3。采用污泥回流泵使污泥在反应器中不断回流达到混合的目的，污泥回流泵功率为1.5KW-h。回流管上装有涡街流量传感器，显示回流量，通过控制回流管上阀门开启来调节回流量，使回流量在6.5-14.0m3/h之间进行变化，由于污泥回流泵功能限制，最大回流量是14.0m3/h。反应器底部均匀分布穿孔管进行空气曝气，污泥从反应器上部进泥，下部排泥，如图1示。

1.2试验方法
（1）试验用污泥
试验用污泥取上海天山城市污处理厂。进入反应器的污泥需经浓缩，达到试验要求的浓度再进泥，以维持体系高温所需要的有机物降解释放的能量。首先采用机械离心机对污水厂混合污泥进行适当脱水处理，可获得含固率为17%-19%的污泥，然后取污水厂出水在进料池中对浓缩污泥进行调配，调配后的污泥尝试为50-80g/L，作为ATAD工艺系统的进泥，初沉污泥与二沉污泥的比例为4：6-3：7，污泥性状见表1。
表1  泥样的基本性质
Table 1 Characteristics tested sludge

（2）系统启动和运行
将调配好浓度为70g/L的污泥一次性装入反应器中，开启搅拌和曝气运行直至温度到达最高并稳定后，留下10%体积污泥，其余排放，再进入生污泥进行正常运行。正常运行时每天进泥排泥一次。
1.3分析项目和方法
温度、pH、VSS（挥发性有机因体尝试）；TSS（总悬浮固体尝试）每天进行取泥样测试：脱氢酶每隔三到四天进行测试；病原菌的测试指标为粪大肠杆菌、烘链球菌和沙门氏菌三种，取最终出泥的样测试。
温度采用温度传感器测定，pH、VSS浓度、TSS浓度按照普通标准方法进行测定，粪大肠杆菌、粪链球和沙门氏菌参照俞毓馨等介绍的方法测定[6]。
2结果与讨论
2.1反应器升温及其对污泥消化效果的影响
采用批式试验在污泥浓度为60.1-63.2g/L(VSS/Ts为55.0-61.6%)，暴气强度为设计什内的1.18m3/m3.h、污泥循环搅拌强度为8m3/h的条件下，观察了反应器在不同气温下的升温效果，结果见表1。
表1 气温对反应器温度及污泥消化效果的影响
Table1 Effect of air temperature on the temperature of reactor and removal rate of VSS

由表1可见，在不同的进气温度条件下，在一定处理时间内，反应器的升温速率比较高（2.0-2.9℃/d）。在进气温度为22℃-32℃时，反应器内污泥均能维持在50℃以上，但在进气温度为10-20℃时，反应器内污泥反应所能达到的最高温度均低于50℃为40-50℃，而当气温为-2℃时，反应器内所能达到的最高温仅为36℃左右。而从国外有关工艺报道情况看，污泥自动好氧消化即使在-10℃、进泥温度为0℃的情况下，反应器内温度仍可达到45-63℃[5,7]。可见，反应器内所能达到的最高温度受气温影响较大，而受进泥的温度影响较小。
从表1还可以看出，当批式试验反应体系为46.8℃时，尽管进泥VSS/TSS达到了63.g/L，但VSS 的除去率仅为36.2%；当体系温度为51℃时，尽体系VSS/TSS有所降低（59.5%），但VSS去除率却仍高达48.7%。可见，反应体系温度对污泥消化效果具有很大的影响。当进泥VSS较高时，反应体系容易达到较高的反应温度，VSS去除率也相应较高。
可见，反应器进气温度对反应器所能达到的最高反应温度会有较大的影响，而反应器内的温度条件会对污泥的消化效果产生直接影响。
2.2消化时间对反应温度和污泥消化效果影响
为考察停留时间对VSS降解和反应器温度的影响，将含固率为622%、VSS为34.3g/L的污泥延长停留时间到20天，结果如图2所示，曝气量为1.16m3m3•h，循环搅拌强度为10-12 m3/h。
从图2可以看到，反应器能在运行的第7天VSS的去除率达40.4%，污泥已趋于稳定；第10天左右到达最高温度54℃，VSS去除率达到最高为48.7%，温度从第11天左右开始缓慢下降，VSS虽然有降解也趋于平缓，说明当反应器温度升高到一定程度后，随着污泥中有机物的降解，可供微生物进行代谢活动维持体系温度的基质含量随着降低，从而会导致体系温度的逐步下降。可见，污泥消化停留时间过长，对体系维持较高的温度具有不利影响，且VSS降解率并没有增加很多，系统运行时间只要10-11天污泥就可达到稳定。

2.3进泥浓度与VSS对反应体系温度及污泥消化效果的影响
在工艺条件相似、污泥性质接近以及污泥初始温度接近的情况下，将进泥浓度从13.6g/L左右调高到81.6g/L左右，可以发现，污泥自动升温的效果较好，体系温度可高达54℃，温度每天平均增幅可达到2.8℃。
表2进泥浓度和VSS/TS对VSS 去除率的影响
Table2 Effect of deifferent feed sludge content and VSS/TS on removal rate of VSS

从表2可知，当进泥浓度为43.6g/L时，反应体系温度较低，11天内体系升温速率为2.0℃/d，VSS去除率仅为30.8%，若以国外资料上报道的VSS去除率达到38%以上即达到稳定的标准[8]，污泥消化效果并不理想；当进泥浓度提高到62.2g/L时，在前8天中平均每天升温速率为3.5℃/d，11天内平均升温2.6℃/d，亦即，污泥浓度增加（VSS浓度也相应提高），有利于系统自动升温，体系VSS却除率达到了48.7%，污泥消化效果良好；但是，当时泥浓度高达81.6g/L时，尽管体系升温速率很高，但VSS去除率反而下降。
在污泥VSS/SS接近，但浓度较高时，进泥浓度即可意味着进入一定容积反应系统的生物污泥中挥发性的有机物VSS数量大，而热量的产生是由于微生物的代谢作用所引起的，VSS数量大时，微生物内源呼吸旺盛，产生的热量多，加上有合理的保温措施，反应器的速率就比较高，所达到的体系温度也高，而反应器温度高反过来又能加快VSS降解，使处理效率提高。但另一方面进泥的TSS浓度即浓度太高时，如当系统尝试为81.6g/L时，体系VSS去除率反而下降，这是因为进泥浓度太高，空气中氧转移到污泥更困难，容易使ATAD反应器局部出于厌氧状态，而如果加大供气量，则又会导致体系温度降低。
2.4循环搅拌流量对反应器温度及VSS去除率的影响
在进泥浓度为相近，，曝气强度为设计值内的0.8-1.18 m3m3•h的情况下，本试验通过污泥回流使得反应器中搅拌均匀污泥回流泵功率为1.5KWh，调节涡街流量传感器使搅拌流量从6.5-14.0 m3/h之间进行变化。由于污泥回流泵功率限制，搅拌强度最大为14.0 m3/h。试验中发现循环搅拌强度与反应器温度有密切的关系。
表3 循环的搅拌流量与反应器温度及VSS去除的关系
Table3 Effect of circulation flow mixing rate on reactor temperature and removal rate of VSS

从表3中可以看到，在进泥浓度、曝气强度相同的情况下（试验第1，2，4次）处理10d后，污泥的循环搅拌流量增加，有利污泥自动升温。当污泥循环搅拌回流量为6.5-7.2 m3/h（每小时污泥罐休内污泥体积的2.89-3.2倍）时，只要具有适当地进气温度，反应器温度达到50℃以上，污泥能基本在这到稳定化要求；当循环搅拌流量为84-10 m3/h（每小时为污泥罐体内污泥体机的3.73-4.44倍）时，反应器温度进一步上升，污泥VSS去除效果具有较大提高；而当污泥搅拌流量达到12-14 m3/h（每小时为污泥罐体内体积的5.33-6.22倍）时，即使进气温度较低（低于循环搅拌流量为8.4-10 m3/h时的温度），反应体系依然维持了较高的温度，VSS去除率也可高达43.1-48.7%以上。
从各次结果比较看，污泥反应体系受进气温度影响很大，当进气温度较高如高达32℃时，即使搅拌强度小（6.5-7.2 m3/h），反应体系仍然能够达到较高的温度；此外，从比较试验1、3、4结果看，当循环搅拌流量低于8 m3/h，即3.55 m3/m3•h较大的搅拌流量，可促使反应体系污泥的消化效果提高。搅拌强度较大，可能与反应器中混合均匀程度、传氧效率提高等有关，从而有利于体系升温和污泥好氧化。
值得注意的是，在相同的进气温度条件下，搅拌强度大，反应器温度相应地有所提高，这可能是因为搅拌机械耗能提供的热量为反应体系利用所引起，可见，ATAD并非完全的自升温，其维持高温的热量有一部分来自于搅拌的机械能向热能的转化，这与有关报道得出的结论相同[2..9]。
2.5曝气强度对污泥消化效果的影响
在确定污泥循环搅拌流量后，在污泥浓度为62g/L左右、性质相似（VSS占TSS的60%左右）、循环搅拌强度为8-9 m3/h以及其他运行条件相同的情况下，进行10d的处理，改变曝气强度测试排出泥的VSS去除率，结果见表4

表4 曝气强度与VSS去除率的关系
Table4 relation of aeration rate on removal rate of VSS

试验次数	反应器最高温度（℃）	曝气强度（m3/m3·h）	VSS去除率（%）
1	54	0.81-0.9	48.7
2	50	1.4-1.7	36.5
3	52	1.16-1.18	47.7
4	47.2	1.7-2.0	21.25

从表4中可以看到，曝气量适当减小有利于系统升温和VSS的降解。在0.81-0.90m3/m3•h与1.16-1.18m3/m3•h的曝气条件下，反而比较高的曝气强度1.4-1.7m3/3•h有利于污泥自动升温和污泥消化。表4结果表明，尽管曝气强度为0.81-0.90m3/m3•h 小，但污泥自动升温的终点温度还是达到了54，VSS的去除率达到了48.7%，相应的，在其他条件基本相似，但曝气强度调大的情况下为1.7-2.0m3/m3•h时，反应器最高温度则仅有47.2%，因此，曝气强度适当调小，有利于反应装置升温保温，如果曝气量过大，则排出的气体增加，从而导致反应系统内热量的丧失。因此，污泥高温好氧消化，曝气强度不应过大，在VSS占TSS的60%左右以及污泥浓度为6%左右时，曝气强度以0.81-1.18m3/m3•h为佳。
2.6 污泥来源性质对污泥消化效果的影响
考虑到污泥来源如初沉泥、二沉泥以及污泥VSS含量对污泥消化效果可能带来影响，本试验在循环搅拌强度为8-9m3/m3•h,消化时间为11d的条件下，对污泥消化效果进行了研究，结果如表5所示。
表5表明，初沉泥的消化效果差，而二沉泥的消化效果较好；此外，当污泥中的VSS所占的比例较高时，污泥消化效果也比较好，这是因为，污泥消化过程中对VSS的降解是一个间接的过程[10]，无论是哪咱基质，其中的微生物在ATAD中都是先经历死亡过程，再被取而代替的嗜热细菌由于微生物对环境的适应性，二沉泥中的微生物体具有一定的高温条件下的具有活性，这就意味着，二沉泥的降解比较容易，而初沉泥中，非微生物体所占地比

表5污泥来源与性质对VSS去除率的影响
Table 5 Effect of the characteristics of sludge on removal rate of VSS

例较大，在过程中有机物经历了生物转化、细胞合成以及微生物内源呼吸的复杂过程，从而，与二沉泥相比，导致了体系中有机物消化效果的整体下降。此外，从消化后出泥VSS所占比例看，初沉泥为52.2%而二沉泥为52.0%，与进泥VSS/TSS所占的比例相比，这间接印证了ATAD反应器中，非细胞物质有机物降解较慢以及生物转化过程较为复杂的过程。
2.7病原菌的灭活效果
污泥消化的目的是为了降低其中的有机物含量，使其不再发生剧烈的降解，防止臭味的发生，并杀灭病原体。
本试验的污泥进泥浓度为57.4g/L，VSS为28.6 g/L，环境温度为24℃，在循环搅拌强度为7.2 m3/h、曝气强度为0.81-0.9m3/m3•h的工况条件下，对病原体灭活效果进行了考察。病原体灭活效果如表6所示。

从表6中看出由于受环境温度的影响，反应器的最高反应温度只达到了50℃，VSS的总去除率也只有31.4%，未达到稳定的标准，蛤从泥样的病原菌各项测试指标表明，反应器温度尽管只有50℃,病原菌的灭活效果却很好，灭活率达到未检出水平（见表中9.9日数据），病原菌的指标可以达到美国A级污泥标准[11]。尽管普遍认为病原菌的灭活只与温度有关，但试验结果看，病原菌的灭活不仅仅跟温度有关，因为反应器温度没有达到55℃灭活温度。
表6  单段式反应器的批式运行病原菌结果

注：美国A级污泥标准：粪大肠菌<1000个/gTS，沙门氏菌<3个/4gTS。
只有在反应器中停留了11天，说明病原体的灭活可能与其他因素有关。
总之，当反应器升温好、温度能达到50℃以上时，病原菌的灭活即可达到要求。
3运行条件及设计中需要的问题
本试验结果表明，影响污泥消化效果的因素有反应体系温度、循环搅拌强度、曝气量、污泥浓度以及VSS含量。其中，反应体系温度对污泥消化效果的影响表现得尤其明显。要使体系达到良好的污泥消化效果，需注意如下问题：
（1） 反应体系温度应高于50℃，为达到这一要求，除了对污泥进泥浓度、VSS/TSS以及进气量等工艺参数必须符合一定的要求外，需要重点注意如下问题：一是，进气温度需高于25℃，因此，需充分利用鼓风机输出的空气热量，使进入污泥反应器中的气体温度超过25℃，此时可使反应器温度内温度稳定地达到50℃以上，为满足这一点，在生产实际中，应尽量缩短从鼓风机房到污泥高温好氧消化池的气体输送管线。二是，在体系允许的条件下，减少空气进气量，以减少散热损失，这一点可从提高溶氧效率角度柔顺予以解决。即采用传氧效率高的曝气系统。本试验采用的是穿孔曝气，体系的传氧效率显然偏低。从国外的设计情况看，可采用射流曝气方法进行解决。为减少空气进气量，提高传氧效率，防止因此导致的散热损失，国外甚至有采用纯氧曝气的报道。三是，在设计中，除进行对反应器采取良好保温措施外，还应满足一定的污泥处理有效体积，尽量降低污泥消化池表面积与体积的比值，以减少污泥池表面散热。四是，工程设计中要根据污泥消化量，设计一个表面积与体积比较小的污泥消化池，以减少反应器表面散热，不过，从国外二代高温好氧消化反应器形状看，目前多采用长方形的池子。
（2） 要使反应体系在高温下稳定运行，污泥停留时间设计为9-12天之间为宜；
（3） 从污泥稳定化角度看，污泥进 浓度以6-8%左右宜，冬季偏低，夏季偏高，不能高于8%；从工程运行角度看，污泥浓度高，粘度大，尤其是冬季温度低，粘度更大，污泥的流动性差，将污泥排入消化池很困难，容易加大进泥泵的负荷，浓度高毛发等杂技多易造成泵堵塞。污泥进泥浓度以60-80g/L左右为宜，冬季偏低，夏季偏高，不能高于80 g/L。此外，体系中污泥VSS/TSS的比例最好高于60%以上。
（4） 污泥性质对污泥消化效果具有一定的影响，初沉泥的消化效果较差，而二沉泥的消化效果较优好；此外，当污泥中的VSS所占的比例较高时，反应体系容易达到较高的反应温度，VSS去除率也相应较高。
（5） 要根据进气温度，选择合适的污泥循环搅拌强度。在一定范围内，搅拌强度增加，有利于体系升温，有利于污泥的高温好氧消化；较大的搅拌流量，可促使反应污泥的消化效果提高。搅拌强度较大，可能与反应器中混合均匀程度、传氧效率提高等有关。
（6） ATAD系统中不完全是好氧菌，还有相当数量的厌氧菌和兼性菌。在设计中，污泥高温好氧消化，曝气强度不应过大，在VSS占TSS的60%左右以及污泥浓度为6%左右时，曝气强度以0.81-1.18m3/m3•h为佳。
4结论
（1）进气温度决定了反应器能够达到的反应温度，而反应器温度对污泥中VSS的去除有很大的影响，要使污泥达到稳定化效果，进气温度要求高于25℃，反应器温度达到50℃以上，此时不仅能够使VSS去除率达到40%以上，还能使污泥中的病原体得到有效杀灭。
（2）要使污泥达到稳定化效果，污泥批式消化时间设计为9-12天为宜。
（3）进泥浓度不能太高也不能太低，太高容易造成使供氧和保温之间矛盾突出，且由于流动性差，污泥搅动变得困难；但太低时，VSS含量不够，产生的热量不够，系统不能正常升温，因此进泥浓度以在60-80%之间。
（4）二沉泥的消化效果高于初沉泥；休系中污泥VSS/TSS的比例一般要求高于60%以上。
（5）搅拌强度较大时，可提高反应器中混合均匀程度，提高传氧效率提高，从而有利于体系升温和污泥好氧消化。
（6）在设计中，污泥高温好氧消化，曝气强度不应过大，在VSS占TSS的60%左右以及污泥浓度为6%左右时，曝气强度以0.81-1.18 m3/m3•h为佳。