由于污泥自熱高溫好氧消化（ATAD）工藝具有消化周期短、占地面積小、臭氣少、有機物去除率高、對病原微生物的滅活效果好等優點，對于污泥產量較小、較分散的中小型污水處理廠具有很大的應用前景。污泥自熱高溫好氧消化作為一個高度需氧的過程，如何有效供氧是提高其運行效果的關鍵。而常規空氣曝氣由于氣體中氧含量只有21%左右，導致其氧分壓低，在污泥中傳遞速率較慢，尤其難以使高含固率污泥處于均勻好氧狀態，導致傳統污泥自熱好氧消化存在尾氣產量大、臭味重、升溫效果差等問題。污泥含固率作為影響污泥自熱升溫和氧氣在污泥中傳遞速率的另一個關鍵因素，其含固率提高可以增加有機質含量，提高升溫潛力，減小消化池體積，但是也會提高污泥的黏度，對氧的轉移速率產生負面影響。目前國內應用與研究的污泥自熱高溫好氧消化進泥含固率通常為4%~6%，污泥堆肥采用含固率大于20%的泥餅外加調理劑。前者存在產熱效果差、體積大等問題；后者雖然減小了體積并提高了產熱能力，但是帶來了嚴重的臭氣問題。純氧曝氣作為一種高效的供氧技術，與空氣曝氣相比具有更高的氧轉移速率，常被用來處理含有有毒和難處理污染物的高濃度廢水，也有部分研究人員將其應用到污泥自熱高溫好氧消化處理中，如朱亮等研究了不同純氧曝氣量對污泥自熱好氧消化的影響，并與空氣曝氣進行了對比，發現在合理的曝氣量條件下，純氧較空氣曝氣可以有效提高氧氣利用率、減少曝氣量和尾氣產量、提高升溫效果。
基于此，筆者測定了不同含固率污泥的黏度變化曲線，為ATAD工藝采用更高濃度進泥提供了依據，并在污泥黏度過渡區選擇3種不同含固率污泥進行純氧和空氣曝氣消化試驗，考察了升溫和消化效果，旨在為開發高效清潔的污泥高溫好氧消化技術提供依據。
1、材料與方法
1.1 試驗裝置
污泥消化裝置的主體為兩個相同的50L不銹鋼密閉自動發酵罐，其外部加設水浴夾層和多層保溫材料，底部設置了曝氣盤、排泥口和取樣口，頂部設置了排氣口和進泥口，并配備了帶有消泡器的三層攪拌槳、PLC控制系統、溫度探頭、pH探頭、ORP探頭等。污泥脫水裝置采用配備輕型臥式多級離心泵（流量為2m³/h，揚程為22m）的小型實驗室板框壓濾機。
1.2 試驗用泥
從安徽省馬鞍山市某污水廠脫水機房采集脫水后的污泥和上清液，利用上清液將污泥調配至所需含固率污泥。該污水廠采用MBBR工藝，原水主要為生活污水。采集的泥餅含水率為77.41%。
1.3 試驗設計與運行
試驗分兩部分，第一部分為選泥，將泥餅稀釋成不同含固率的污泥，通過NDJ-1旋轉式黏度計測定其表觀黏度，然后采用小型板框壓濾機配0.8μm濾膜對不同含固率污泥脫水10min，測量脫水量。
第二部分為污泥消化，根據第一部分，選擇3種含固率污泥，用上清液稀釋，然后將配好的污泥溫度調到（30±0.4）℃，裝入反應器進行消化。采用間歇式運行，反應周期為14d。用模擬空氣曝氣的中試規模ATAD反應器升溫至55℃后維持該溫度并培養了20d的污泥作為接種污泥，運行3個周期后完成反應器啟動。采用空氣和純氧兩種曝氣方法分別對所選的3種不同含固率污泥進行自熱升溫好氧消化試驗，曝氣量參考朱亮等的研究設定。運行過程中監測溫度、氧化還原電位（ORP）、pH和VS含量以探究工藝特性。其中污泥的VS采用重量法測定，溫度、ORP和pH采用相關儀器測定。
2、結果與分析
2.1 不同含固率污泥的黏度
污泥的表觀黏度隨污泥含固率的增加呈指數增長，如圖1（a）所示。根據黏度與含固率的關系特征，可將其分為三個階段，第一階段為污泥含固率低于6%時的漸變段，第二階段為含固率在6%~9%的過渡段，第三階段為含固率大于9%的突變段。處于第一階段的污泥黏度小且隨含固率的增加只有微小變化，同時從圖1（b）可以看出，該階段污泥脫水量基本在750mL以上，脫水量大且容易。這是由于該階段污泥絮體顆粒分散，絮體間相互作用小。第二階段污泥的黏度隨污泥含固率的增加而逐漸增大，此階段污泥10min脫水量在375~700mL之間，其脫水能力雖然顯著下降，但是隨含固率的的增加脫水量變化幅度較小。這是由于該階段污泥顆粒間相互接觸，絮體顆粒開始擠壓變形，污泥脫出的水轉變為絮體內部的間隙水，污泥絮體間的聯系逐漸緊密，摩擦概率增大。第三階段污泥黏度很大，且隨含固率的增加成倍上升，而此階段污泥的脫水量很小，含固率為9.99%的污泥10min的脫水量只有171mL。這是由于此階段污泥絮體顆粒間相互擠壓，絮體結構連接緊密，壓縮和攪動時顆粒間摩擦頻繁，導致表觀黏度和屈服應力很大，不利于脫水。
傳統污泥好氧消化選取的污泥含固率為4%~6%，其處于黏度曲線和脫水曲線的第一段。此階段污泥具有很好的流動性，黏度小，有利于氧氣的傳遞，而且容易脫水。但是其濃度仍然較低，具有進一步提高的潛力。通過提高進泥含固率可以提升污泥的產熱潛力和縮小消化池體積，但是必須考慮黏度提高帶來的充氧困難問題，所以含固率的提高要有一定的限度。綜上所述，第二階段即過渡期，由于黏度相對于傳統進泥增加的幅度不是很大，同時脫水效果也較好，可以考慮結合高效曝氣方法加以利用。
2.2 污泥消化
基于上述分析，選擇含固率為8%左右的3組污泥進行空氣和純氧曝氣對照試驗。所選擇的3組污泥含固率分別為7.01%、7.99%、8.79%。具體運行參數見表1。
2.2.1 污泥的穩定化
污泥消化過程中的溫度和VS去除率情況如圖2所示。可以看出，裝置升溫過程主要發生在0~7d，空氣曝氣組不同含固率污泥的升溫速率為0.94~1.31℃/d，純氧曝氣組為1.76~2.21℃/d，純氧曝氣組的最高溫度比空氣曝氣組高出4.2~5.8℃，說明純氧曝氣可以顯著提高ATAD工藝的升溫效果。這是由于純氧曝氣的曝氣量只有空氣曝氣組的1/20，導致由尾氣帶走的熱量大量減少，使得反應器的保溫效果得以提高。而反應器溫度的升高促進了中溫與嗜熱菌的增殖，其消耗有機質產生熱量的速率也得到了提高。朱亮等同樣得出了純氧曝氣較空氣具有更好的升溫效果，其純氧曝氣組高于空氣曝氣組近1℃，但是較本試驗提升幅度小了不少。分析原因：①本試驗污泥濃度較高，影響了空氣曝氣組的好氧狀態和升溫效果；②本試驗的進泥VS含量更高，當供氧充足且均勻時，產熱量更大。
在兩種曝氣方式下，含固率為7.99%和8.79%的污泥的最高溫度均高于含固率為7.01%的污泥，這說明提高污泥的含固率有利于改善ATAD工藝的升溫效果。但是純氧曝氣組含固率為8.79%和7.99%污泥消化的最高溫度相近，而空氣曝氣組含固率為8.79%的污泥顯著低于7.99%的污泥，說明污泥含固率太高，會對污泥的升溫產生一定的不利影響，但純氧曝氣會減少這種不利影響。可能原因是污泥含固率過高，其VS含量和黏度會顯著增加，這一方面提高了對氧氣的需求，一方面又阻礙了氧氣的傳遞，影響了其好氧消化速率，純氧由于高的傳遞速率彌補了一部分因污泥黏度的提高帶來的影響。分析純氧曝氣組前7d的升溫速率發現，含固率為7.99%的污泥升溫最快，含固率為7.01%的污泥升溫速率最慢，空氣曝氣組則為7.99%的最快，8.79%的最慢，同樣說明純氧可以彌補一部分由于污泥含固率提高而帶來的不利影響。對照組3在第5~10天升溫速率突然提高，可能原因是污泥有機質含量下降，黏度降低，使得氧氣的傳遞阻力降低，氧氣與污泥混合得更均勻，好氧環境得到改善，好氧微生物的活性得到提高。
從圖2（b）可以看出，純氧曝氣組的VS去除率明顯高于空氣曝氣組，試驗組1的最高去除率比對照組1高出了8.64%，試驗組2比對照組2高出了13.08%，試驗組3比對照組3高出了14.12%。含固率越高VS去除率提升的幅度越大，主要原因是純氧曝氣組的溫度和好氧狀態高于空氣曝氣組，提高了有機質的去除速率。空氣曝氣組和純氧曝氣組都是含固率為7.99%的污泥VS去除率最高，含固率為7.01%的污泥最低。如純氧曝氣組中含固率為7.99%的污泥VS去除率在第12天時為38.50%，達到了美國環保局503條款要求，而含固率為8.79%和7.01%的污泥均未達到，這說明純氧曝氣雖然可以提高污泥的消化效果，但是當污泥含固率過高時，提高效果并不明顯。這是由于污泥含固率過高時污泥的黏度太大，對氧氣的傳遞影響過高，導致純氧的作用下降，而當污泥含固率過低時，其有機質含量較少，產熱量有限，即使采用純氧曝氣降低了熱量損失，其溫度仍然較低，只有42℃左右，因此效果欠佳。
2.2.2 氧化還原電位的變化
通過氧化還原電位（ORP）可以分析消化過程中的好氧和厭氧狀態。本試驗中ORP的變化如圖3所示。總體來看，除最后幾天，純氧曝氣組均明顯高于空氣曝氣組，進泥含固率越高ORP越低。從整個消化周期來看，純氧曝氣組ORP在0~3d急劇上升，3~9d緩慢下降，9~14d緩慢上升；空氣曝氣組在0~2d急劇上升，2~10d呈現波動上升的趨勢，10~14d快速上升。其中兩種曝氣條件下，起初由于進泥主要為厭氧污泥，裝置中預留的好氧種泥少，好氧菌數量也少，對氧的利用率低，使得ORP快速上升。中期4~9d由于污泥中好氧菌逐漸占據主導地位，溫度上升快，污泥耗氧速率得以提升，使得純氧曝氣組的ORP下降到-20~15mV之間，空氣曝氣組的ORP處于較低水平，維持在-160~10mV之間。后期由于有機質被大量去除，升溫停止，整個反應對氧氣的需求減少，而曝氣量沒有改變，使得ORP升高，其中對照組1和2達到了100mV左右，對照組3達到了20mV，試驗組在10~40mV之間。
對比兩種曝氣介質條件下的ORP可以發現，前期和中期純氧組的ORP均顯著高于空氣曝氣組，說明相較于空氣曝氣，純氧曝氣可以顯著提高消化系統的好氧狀態。這是由于純氧較空氣具有更高的氧分壓，氧向水體中的傳遞速率更快。對比不同含固率污泥的ORP能夠發現，空氣曝氣組和純氧曝氣組的ORP均隨含固率的增加而下降，但是空氣曝氣組各組別的ORP相差較大，純氧曝氣組各組別則相近，說明污泥含固率的提高可以顯著降低氧氣在污泥中的傳遞速率，采用純氧曝氣可以改善這種不利影響。
2.2.3 pH的變化
純氧曝氣組和空氣曝氣組pH的變化如圖4所示。不管是純氧曝氣組還是空氣曝氣組，其pH主要分布在5.6~7.4之間。總體來看，不同曝氣介質pH的變化趨勢相差較大，試驗組污泥含固率對pH的影響較小。純氧曝氣組pH的變化趨勢相同，均呈現先顯著下降后逐漸上升并最終穩定維持在7.0~7.3之間。空氣曝氣組中，對照組2和對照組3的變化趨勢相同，0~4d略微下降，4~6d小幅上升，然后略微下降，最后維持平穩，反應結束時pH在7.0~7.1之間，總體呈現波動且略微下降的趨勢。對照組3呈現逐漸下降的趨勢，反應結束時pH降至6.2。
在純氧曝氣組中，由于ATAD工藝的氧化還原電位較高，達到了0mV以上，好氧狀態較好，溫度在30~35℃之間，處于硝化作用的最佳溫度范圍，硝化作用強烈，使得pH顯著下降。空氣曝氣組最初同樣是由于硝化作用使得pH下降，但是其ORP處于-50mV以下，好氧環境差，硝化作用弱于純氧曝氣組，使得pH下降幅度明顯小于純氧曝氣組。隨著反應的進行，污泥中的有機氮轉化為NH3，這使得大量NH3溶解于污泥中，并且由于溫度的升高，硝化反應受到抑制，使得純氧曝氣組的pH上升。而空氣曝氣組，由于曝氣量較大，溫度較低，有機質降解率較小，NH3產量較少，吹脫出來的NH3較多，尤其是對照組1，這使得對照組2和對照組3的pH呈現波動且略微下降的趨勢，對照組1的pH顯著下降。
2.3 工程意義
2.3.1 工程造價降低
根據《排水工程（下冊）》（第5版），污泥的體積、質量與所含固體物濃度之間的關系見式（1）。
式中：p為污泥的含水率；V為污泥的體積；W為污泥的質量；C為固體物濃度。
當進泥含固率從傳統的5%提高到8.79%時，污泥的體積減少了43.11%，相應的污泥好氧消化池的體積也可以減少43.11%，進一步減少占地面積和工程造價。如該采集污泥的污水廠，當前設計處理量為6×104m3/d，按每處理1×104m3污水產生1t干污泥計算，該污水廠每天產生6t干污泥，14d產生84t干污泥，折合成含固率為5%的污泥為1680t（體積約為1680m³），折合成含固率為8.79%的污泥為965.52t（體積約為965.52m³），體積減小了714.48m³。
2.3.2 尾氣收集及凈化設施造價降低
本研究中純氧的曝氣量為空氣曝氣量的1/20，若忽略消化過程中因為氧氣的利用與產生二氧化碳、甲烷、氨氣等尾氣之間體積的變化，純氧曝氣尾氣產量近似為空氣的1/20。若按該采集污泥的污水廠計算，一個消化周期14d處理的污泥換算成干泥為84t，VS/TS平均值按41.65%計算，VS質量為34.986t。參考表1中的數據進行計算，整個周期空氣曝氣的尾氣量為705317.76m³，而純氧曝氣的為35265.888m³，減少了670051.872m³。因此采用純氧曝氣可以顯著降低尾氣收集及凈化設施造價。
3、結論
①不同含固率污泥的黏度曲線呈指數分布，含固率低于6%的污泥黏度小，脫水容易，處于指數分布的漸變段；含固率在6%~9%的污泥黏度較大，脫水難度開始增大，處于指數分布漸變段和突變段之間的過渡段；含固率大于9%的污泥黏度很大，且隨含固率的變化黏度急速增加，脫水困難，處于指數分布的突變段。
②當進泥含固率為7.01%~8.79%時，純氧較空氣曝氣顯著改善了ATAD工藝的好氧狀態，并使最高消化溫度提高了4.2~5.8℃，VS去除率增加8.64%~14.12%。當污泥含固率為7.99%時，VS去除率為38.50%，達到了美國環保局503條款要求。
③若采用含固率為8.79%污泥作為進泥時，相對于含固率為5%的污泥，其可以減少43.11%左右的消化池體積，顯著降低了工程造價。采用純氧曝氣可以使尾氣產量降低為空氣曝氣的1/20，顯著降低了尾氣收集及凈化設施的造價。（來源：安徽工業大學建筑工程學院，南京工業大學浦江學院土木與建筑工程學院，生物膜法水質凈化及利用技術教育部工程研究中心）
