污泥是污水生物处理过程中的伴生物，具有含水率高、易腐烂、有恶臭、含有重金属和大量寄生虫卵及病原微生物等特性，随着污水处理设施的普及和污水处理率的提高，污水处理厂产生的污泥量也大大增加，污泥处理也越来越受到重视。在众多的污泥处理工艺中，中小规模的污水处理厂可考虑采用ATAD自热式污泥好氧消化技术。ATAD自热式污泥好氧消化工艺在国内尚处在试验室研发阶段，欧美国家自1996年至今已有50多个成功运行的案例。为验证该工艺对中国污泥泥质特点的适应性，特对国内南方某城市污水处理厂的污泥处理进行中试验证。
1、ATAD自热式污泥好氧消化技术
1.1 ATAD自热式好氧消化技术原理及特点ATAD是自热式高温好氧消化技术，它是一个自发热的反应，反应温度基本稳定在50～70℃，而不需要任何的外加热源。好氧曝气采用射流曝气技术;射流技术不仅保证充氧的高效性，同时保证浓缩污泥系统处于充分混合的状态，经过浓缩的含固率为5%～7%的污泥被降解为二氧化碳、水、氨并释放出大量热量。
ATAD特点：经好氧消化后污泥获得减量化、稳定化、无害化的效果，在重金属不超标的前提下也可进一步资源化。
ATAD关键：ORP控制理念和泡沫控制技术。通过控制ORP和激烈的搅拌使系统挥发性有机物被氧化以消除臭味。
ATAD可降解50%～60%的挥发性有机物，由于污泥中的有机物得到了有效降解，易于后序处理与处置。这一工艺产生高品质的污泥，降低污泥容积约40%～50%(包括挥发性有机质直接减容和后续取得较高含固率的脱水污泥的综合减容效果)，从而节约运输和后续污泥处置的费用。
ATAD优势：总泥量减少40%～50%;高温高pH环境几乎杀灭污泥中全部病原体，使产物无害化、稳定化，为进一步资源化创造条件;处理后污泥达美国A级生化污泥标准,容易作最终处理与处置[1];可回收热量用于脱水污泥干化处理;投氧量与需氧互相配合;PLC高度自控系统;ORP控制策略;性价比高,操作量小，历时短;最终脱水泥饼含固率约30%～35%;污泥脱水后基本无臭味;不产生沼气，消除爆炸隐患，没有对污水处理厂增加额外负荷。
1.2 SNDR同步硝化反硝化技术原理及特点
无论是污泥好氧消化还是厌氧消化，都会将氮转化为氨。氨会使消化污泥的pH值升高，导致污泥脱水所用的化学调理剂和絮凝剂量的增加。而在污泥消化后，使用SNDR同步硝化反硝化单元，去除消化液中的大部分氨氮，能使污泥有约10%的减量且更经济地脱水。通过ATAD和SNDR两个工段联合处理的污泥，由亲水状态转变为疏水状态，进而提高脱水泥饼含固率，降低回流上清液中有机污染物、氨氮等的浓度，减轻或避免对污水处理厂造成二次污染。
SNDR中的硝化反硝化通过监测pH、温度和ORP来控制。因为硝化反应在高于约37℃时会受到抑制，因此该反应器在低于37℃的温度下运行，这个温度是硝化和反硝化细菌最优生长温度。ORP和pH的联合控制既保证了好氧或兼氧环境，又使系统维持了适当的碱度，从而确保硝化和反硝化反应得以同步进行。
SNDR优点：SNDR同步硝化反硝化单元可作为ATAD单元或厌氧消化单元的最佳组合单元;pH控制使硝化和反硝化同池进行，在无外加碱度条件下脱氮效率达50%～80%;满足余氧要求，中温条件下进一步减少总固体及挥发性固体;可作为污泥脱水前的储泥池;脱水时,硝化菌属跟滤液回流到曝气池;保障健康硝化菌属的存储，增强污水处理单元抗冲击能力。
1.3 ATAD和SNDR组合工艺
ATAD好氧消化和SNDR同步硝化反硝化组合工艺典型流程见图1。
由图1可见，好氧消化工艺主要由ATAD好氧消化单元和SNDR同步硝化反硝化单元组成。各个单元配套的设备包括循环泵、输送泵和泡沫控制系统等;不同处理单元的反应温度不同，ATAD好氧消化单元的反应温度范围为50～70℃，而SNDR同步硝化反硝化单元的温度范围仅为37℃左右，由于两个单元的温度差异，使得系统可以回收大量绿色环保的热能作为后续脱水泥饼干化系统的预处理。
经好氧消化处理后，采用普通带机或离心机可以得到30%～35%以上含固率的污泥，采用板框压滤机直接可以得到40%及以上含固率的污泥。
2、试验材料与方法
2.1 试验装置及流程
自南方某污水厂中用泵抽取剩余活性污泥，打入转鼓浓缩机自配的调理槽中，在调理槽中加入PAM进行搅拌，之后污泥进入转鼓浓缩机。经过浓缩后的污泥通过螺杆泵送入后续好氧消化系统。ATAD自热式污泥好氧消化单元包括：一个不锈钢罐体(尺寸为ϕ1.98m×5.5m)，一台射流循环泵，一台鼓风机，配套的管阀、仪表自控系统等。ATAD单元排泥进入SNDR单元。SNDR同步硝化反硝化单元包括：一个不锈钢罐体(尺寸为ϕ1.98m×5.5m)，一台射流循环泵，一台鼓风机，一台冷凝风扇，配套的管阀、仪表自控系统等。
具体流程见图2。
2.2 试验设计
设计规模Q=1m3/d，以5%含固率计污泥，绝干污泥的处理能力为50kg/d。设计泥质VSS/TS=0.5，实际测试数值范围0.36～0.55。
设计泥量平衡见图3。
2.3 分析项目与方法
需要验证的首要指标是能否在没有任何外加热源的情况下，通过系统自行驯化的嗜热细菌将系统自发热到高温阶段(46℃以上)，通过罗斯蒙特品牌的在线仪表经PLC采集数据后从触摸屏上显示出温度曲线，每天由现场工作人员在固定时间读取显示屏上读数记录下来;其次需要检测污泥的减量效果，主要通过TS的浓度变化，更直接的是VSS的浓度变化来分析ATAD单元和SNDR单元分别的减量效果。TS、VSS的监测方法遵照GB/T11901—1989《水质悬浮物的测定重量法》，所采用的仪器为DHG-9030A热鼓风干燥箱和PL203电子天平;监测过程中需用坩埚在马弗炉里605℃灼烧2h后，再次称重并用TS的质量减去最终灼烧的残留物而计算出VSS的质量。
3、结果与讨论
3.1 温度验证
调试分为菌种驯化期和升温稳定期两个阶段。
1)第一阶段为菌种驯化期。
涵盖现场自控系统调试，清水联动试车和逐步进泥试运行等过程。经过一个多月的时间，系统内的嗜热细菌经过反复的射流曝气循环搅拌驯化过程，逐步适应了ATAD单元的反应工况。虽然升温较缓，但经过一个多月的时间积累也把ATAD内的温度提升到了46℃。
初步分析，这个过程升温较缓的原因：菌种驯化期正值南方雨季，对所处理污泥的泥质产生了一定影响，被处理污泥的VSS/TS比较低，基本<0.45;由于ATAD单元的升温和保温与进泥的泥质密切相关，所以调试初期温度上升较缓。
2)第二阶段为升温稳定期。
嗜热细菌在系统温度高于46℃时就会逐步激活为优势菌属。在8月底到9月初期间，ATAD系统温度逐步提升并稳定在55℃以上，中试系统初步调试成功。
温度能够初步提升的原因除了与嗜热细菌逐步转化为优势菌属，加快了好氧消化反应效率，提高了系统放热量相关，也与进泥的VSS/TS比值相关，在升温稳定期进泥VSS/TS比值已逐步提升到高于0.45，甚至个别天内超过0.5。
在温度超过46℃以后，系统每天以1～2℃，最高5～6℃的增幅上涨。为使温度尽快提升，进泥方式也调整为间歇按需进泥，就是仅当温度开始逐步下降时才补充必要的进泥量。具体进泥前后的温度数据见图4。
通过上述中试系统在国内的成功运行说明：在中国的泥质特点下，完全靠系统的自产热量无需任何外加热源也能将系统温度的运行在约55℃，污泥自发热的工况得以验证。
本中试更关注于自发热过程的验证，所以重点对不同时段的温度进行说明，见图5-图8。
图5-图8中，红色为温度曲线，蓝色为ORP曲线。9月3日24h内的温度为52.54～55.65℃，9月4日24h内的温度为54.49～58.20℃，9月5日24h内的温度为57.45～60.58℃，9月6日24h内的温度为59.06～61.24℃。
从理论上分析，系统之所以温度稳步提升，主要是嗜热细菌在酶的作用下逐步使污泥中生物絮体发生融胞反应，被破壁的生物絮体中的胞内物质包括核糖核酸、蛋白质、多糖等营养物质被释放出来，这些营养物质正好作为嗜热细菌的食料，从而发生了式(1)的反应。反应的结果一是升温，二是减量。
3.2 VSS浓度变化
分别取ATAD单元进泥、出泥和SNDR的出泥监测各样品的VSS浓度，见图9。
从图9可以看出，随着系统温度逐步进入46℃以上的高温阶段，ATAD单元对VSS的降解率也逐步提升，在系统达到基本稳定的温度阶段，VSS的降解率也同步稳定到57%。满足国外实际工程中取得的对VSS挥发性有机质降解率达到50%～60%的效果。
SNDR同步硝化反硝化单元主要是解决氨氮的同步硝化反硝化问题，与此同时也能取得一定比例的中温减量效果。
ATAD单元和SNDR单元VSS降解率是内外因影响下的一个综合结果。内因包括嗜热细菌的活性、反应效率等，外因是系统温度是否能稳定维持在各菌群的适宜温度;而要使系统取得良好的降解效果，需要综合考虑如下因素。
1)系统反应总放热量。
这个参数与进泥VSS与TS的比例密切相关，通过中试说明要取得较为理想的效果，这个比例最好不低于50%。
2)鼓风机鼓气带入热量。
应综合排气热损失量一起考虑，在ATAD单元内部温度较高，所带走的除空气外还有很大比例的水蒸气，而要带走的水蒸气由于发生了从液态到气态的相变，是需要消耗大量潜热的。所以鼓风机的气量一定要按需供给，避免由于排气所带走的大量热损失。
3)进泥热损失量。
进泥温度受环境温度影响较大，进泥温度肯定会低于ATAD单元内温度，所以每次进泥必然会短时内引起反应单元内部的降温。
4)池体散热热损失量。
本中试单元的表面积与体积比为1∶3.7;实际工程的表面积与体积比约为1∶8，可见此数据远远大于实际工程，所以中试系统比实际工程受外界因素变化影响更大，降温更快。在中试系统取得初步成功，为下一步工程推广奠定了基础。
3.3 氨氮浓度变化
一般工程上，ATAD的出泥经管式换热器换热后再进入SNDR单元，在温度35～37℃，氨氮浓度很高，碳源又相对充足的条件下是很容易发生同步硝化反硝化反应。本中试为简化设备配置用冷凝风扇取代换热器，但由于现有散热装置还无法满足热平衡的散热要求，所以经常看到SNDR的运行温度在40℃左右，这个温度对敏感的硝化细菌来讲，必然对硝化反应有一定的影响，所以本中试并未取得满意的同步硝化反硝化效果。
这也是后续实际工程中要引起注意的：为了更好地控制SNDR单元的温度，稳妥的方式是采用热交换器，将ATAD出泥温度降低到37℃以后再进入SNDR系统；而在北方温度相对较低，空气湿度也较低的环境，在经过严密的热平衡计算后可以选择冷凝风扇的散热方式。
4、结语
污泥的处理与处置是污水处理技术的延续和拓展，ATAD自热式污泥好氧消化技术可直接服务于中、小型的污水处理厂，取得泥水同治、泥水双达标的满意效果。(来源：国美(天津) 水技术工程有限公司)
