剩余污泥“热水解-ASBR”处理工艺
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剩余污泥“热水解－ASBR”处理工艺 王治军，王伟 (清华大学 环境科学与工程系，北京 100084) 摘 要：建立了处理剩余污泥的“热水解－ASBR”工艺。研究结果表明，ASBR具有在较低的水力停留时间下保持较高的固体停留时间的特性，这使得该工艺具有较高的处理效率，同时能大幅度缩短水力停留时间。当HRT＝20 d时，该工艺的总COD（TCOD）去除率为67.71%，同Cambi工艺相比，HRT可以从20 d降至10 d，同传统的厌氧消化相比，HRT可以从20 d降至5 d。 关键词：污泥；热水解；ASBR；厌氧消化 1 背景 随着污水处理事业的迅猛发展，剩余污泥量不断增大。目前我国每年排放的干污泥大约1.3×106t,而且还以每年大约10%的速率增加。厌氧消化处理污泥可以回收沼气、有效杀灭病原菌、实现污泥的稳定化和减量化，因此在世界各国得到广泛应用。厌氧消化过程中，污泥在微生物的作用下要经历水解、产酸及产甲烷三个阶段。由于污泥中固体有机物的水解速率低，水解成为污泥厌氧生化降解的控制性步骤，因此，污泥的厌氧消化所需停留时间长（20 ~ 30天）、处理效率低（挥发性固体VS的去除率25% ~ 40%）。 鉴于此，人们从二十世纪八十年代开始研究加速污泥固体有机物水解的物理化学预处理技术，期望从根本上逾越速率控制的瓶颈，提高系统的处理效率。 自1978年Haug采用热水解预处理来增强污泥的厌氧消化性能以来，污泥的“热水解－厌氧消化”工艺得到世界各国的重视，近二十年来，美国、日本、德国等开展了系列研究。热水解预处理可以加速污泥微生物细胞的溶化，促使固体有机物水解成小分子有机物，从而污泥的消化性能得到显著提高。1997年，挪威的Cambi公司将其开发的“热水解－厌氧消化”工艺（称为Cambi）成功用于挪威Hammer污水处理厂，随后在泰晤士水厂、苏格兰、爱尔兰应用。和传统的厌氧消化工艺相比，Cambi工艺的TCOD去除率从40%提高到59%，系统净剩余能量增大20%。因此，Cambi工艺成为近三十年来污泥处理技术发展史上的重要里程碑。然而，不得不承认的是，Cambi工艺处理热水解污泥时采用的仍然是传统的CSTR厌氧消化池，水力停留时间（HRT）仍然很长，17 ~ 20 d。 2 “热水解－ASBR”工艺的建立 在处理废水时，由于是溶解性基质产甲烷阶段是整个生化过程的控制性步骤。然而，污泥处理不同：95%的有机物以悬浮固体形式存在，并且作为基质的有机固体的水解速率低，客观上需要较长的固体停留时间。那么，提出一个设想：能否在反应器内将污水和固体有机物质分离，在一定的HRT下，尽可能保持较高的固体停留时间（Solid retention time，SRT）。如果能实现污水与固体有机物分离，并能保持高的固体停留时间，必然会增大处理效率。 在过去的二十年间，一些高效反应器，如上流式厌氧污泥床（UASB）、膨胀颗粒污泥床（EGSB）得到广泛应用。然而，这些高效反应器只能适用于含较低悬浮固体浓度的废水，就悬浮固体含量较高（SS>2%）的废物而言，一直采用厌氧消化池（CSTR方式运行）。近年来对厌氧序批式反应器（ASBR）的研究，给含有高悬浮固体的废弃物的高效厌氧处理提供一条新途径。ASBR的一个运行
周期包括：进水、反应、沉降、排水四个阶段。在沉降过程中发生固液分离。尽管剩余污泥的沉降性能很差，然而污泥经过热水解预处理后，微生物细胞被破坏，细胞内的结合水释放出来，因此，污泥的沉降性能得到改善，容易在ASBR反应器的沉降阶段实现污水与污泥固体的分离。 本研究在Cambi工艺基础之上，用ASBR代替CSTR，探讨ASBR处理热水解污泥的工艺特性，进一步开发适合污泥处理的“热水解—ASBR”新工艺。 3 “热水解－ASBR”工艺的处理效率 3.1 试验部分 试验工艺如图1所示。
图1 试验工艺流程图 共有三套完全相同的厌氧消化试验装置。三个消化反应器（I、II和Ⅲ）均采用内径为15 cm、高为28 cm的有机玻璃加工而成。总容积4 L，其中3 L用来处理污泥，上部1 L作为气室，用来储存消化气。采用电动搅拌器进行搅拌。直径为2 cm的有机玻璃管套在搅拌杆外，并伸入到反应器中部形成水封，同时，还在反应器的顶部设计了一个装有清水的水封槽，以保证反应器的厌氧状态。反应器外壁包裹电热膜，通过温控仪来控制反应器内部温度。其中反应器Ⅰ温度为55±1℃（高温ASBR），反应器Ⅱ（中温CSTR）和反应器Ⅲ（中温ASBR）的温度为35±1℃，采用装满饱和NaCl溶液（加5滴浓硫酸）的集气筒收集气体，利用湿式流量计来计量。 试验用污泥取自北京某一污水处理厂，每隔3个月取一次污泥。先用6＃筛（筛孔为3.2 mm×3.2 mm）过滤污泥以除去大的颗粒物，然后在GSH-10型高压釜中进行热水解，热水解温度和热水解时间为170℃、30 min。热水解污泥储存在冷柜中（3℃）。向消化反应器进泥前先将污泥加热至35℃。表1表示了污泥热水解前后的性质。 表1 污泥在热水解预处理前后的性质 参数 pH TS (g/L) VS (g/L) SS (g/L) VSS (g/L) TCOD(g/L) SCOD(g/L) 碱度 (mg/L) TKN (mg/L)
VFA 原污泥（均值） 6.62 43.42 27.3442.0223.2556.411.82 780 1513 376 热水解污泥（均值） 6.07 40.42 24.2034.3619.1754.2013.77
1580 1445 2581
主要研究了中温
ASBR和高温
ASBR
在四个水力停留时间（
HRT=20
、
10
、
7.5
、
5 d
）处理热水
解污泥的工艺特性，同时和传统的中温消化池（
CSTR
）进行了对比。
3.2 试验结果 ① 反应器处理效率 图2表示出了从四个HRT条件下的反应器的处理效率变化的特点。可以看出，无论在哪个水力停留时间下，中温ASBR>高温ASBR>中温CSTR。在HRT为20、10、7.5、5 d的条件下，中温ASBR的TCOD去除率分别为：67.71%、61.66%、52.62%、45.86%，中温ASBR比中温CSTR分别高12.38%、27.93%、31.16%、34.68%。高温ASBR的TCOD去除率比中温CSTR大7.13%、16.59%、28.21%、30.52%。可见，随着水力停留时间的缩短，ASBR相对于中温CSTR的TCOD去除率的百分数不断提高，或者说ASBR的TCOD去除效率随着HRT的缩短下降较慢。可见，同Cambi工艺在HRT＝20 d的效率比较，“热水解－ASBR”工艺在HRT=10 d即可达到。也就是说，HRT可以从20 d降至10 d。同传统的厌氧消化相比（TCOD去除率为40%左右），“热水解－ASBR”工艺的HRT可以从20 d降至5 d。 在HRT为20、10、7.5、5 d的条件下，中温ASBR的产气率最高，分别为：243、219、183、158 mLCH4/gCOD；高温ASBR的产气率分别为：231、199、177、155 mLCH4/gCOD；中温CSTR的产气率分别为：213、175、131、113 mLCH4/gCOD。因此，从回收沼气能源来看，中温ASBR最适合处理热水解污泥。 ② HRT与SRT 关于SRT（Solid Retention Time）的定义，通常定义为“固体停留时间”，表示的是进料中的固体或者是反应器中的微生物在连续流反应器中的平均停留时间。在水处理领域，由于废水的固体含量较低，体系中的固体主要是微生物菌体，通常SRT表示的是微生物的平均细胞停留时间（Mean Cell Retention Time，MCRT），即SRT=MCRT。至于含有高悬浮固体的废水或者废物，SRT则表示进料中固体的平均停留时间。在含有高悬浮固体的废水（废物）的厌氧消化时，由于固体物质的水解是整个厌氧消化过程的限速步骤，因此，对于厌氧消化体系而言，不仅MCRT重要，SRT也同等重要，只有保证MCRT
及SRT足够长，才能保证固体物质的充分降解。在本研究中利用VSS计算出各个水力停留时间并和HRT对比，见图4。 从图4可以看出，在四个条件下，ASBR反应器中的
SRT
是HRT
的
2.57 ~ 3.73倍。
就高温
ASBR和中温
ASBR
比较而言，中温ASBR的SRT在四个条件下都要比高温的高，这是由于中温消化污泥的沉降性能比高温消化污泥的好，在相同的沉降时间内，更多的悬浮固体沉降在反应器的底部，从而截留在反应器内。在CSTR反应器中，由于HRT＝SRT，因此同CSTR比较，正是由于SRT的延长，而导致ASBR的处理效率比CSTR高。
01020304050607080
20107.55HRT /dTCOD去除率 /%高温ASBR中温CSTR中温ASBR
图2 TCOD去除率
01020304050607080
20107.55HRT /dSRT /d高温ASBR中温ASBR
图4 SRT和HRT的对比 图3 各个条件下的产气率 050100150200250300
20107.55HRT /d产气率 /mLCH4·(gCOD投入)-1高温ASBR中温CSTR中温ASBR
③ 消化污泥的脱水性能 剩余污泥经过“热水解－厌氧消化”处理后，消化污泥还需要进一步机械脱水，减少污泥的容积，利于后续的无害化处置或资源化利用。因此，消化污泥的脱水性能也是重要的技术指标之一。 污泥的脱水性能用污泥比阻来衡量。污泥比阻是评价污泥脱水性能的综合指标，一般认为污泥比阻大于1×109 s2/g的污泥难于过滤，比阻在5×108 ~ 9×108 s2/g之间的过滤性能中等，比阻小于4×108 s2/g的污泥容易过滤。试验用混合污泥的比阻为1.2×1010 s2/g，说明脱水性能差。通常对此污泥直接进行离心脱水，可以得到含水率为80% ~ 85%的泥饼。在HRT为7.5 d的条件下，所测的高温ASBR的消化污泥的比阻为1.07×109 s2/g，中温CSTR消化污泥的比阻为2.32×109 s2/g，中温ASBR消化污泥的比阻为3.08×108 s2/g。显然，中温ASBR的消化污泥更容易脱水减量。 4 结论 ① 建立了新型污泥处理工艺：“热水解－中温ASBR”工艺。在HRT＝20 d的条件下，TCOD去除率达到67.71%。同Cambi工艺相比（TCOD去除效率59%），“热水解－ASBR”工艺的HRT可以从20 d降至10 d。同传统的厌氧消化相比（TCOD去除率为40%左右），“热水解－ASBR”工艺的HRT可以从20 d降至5 d。 ② 在传统的CSTR反应器中，SRT=HRT，而ASBR具有保持较高的SRT的特性，ASBR的SRT是HRT的2.57 ~ 3.73倍。 ③ 污泥经过“热水解－中温ASBR”工艺处理后，消化污泥的脱水性能得到显著改善，利于后续的脱水减量。 参考文献（略）
