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反应温度对自热式高温好氧消化 ATAD 中试系统运行的影响 ＊ 程洁红 1,2 冯 磊 1 尹炳奎 1 林洁梅 3 马鲁铭 2 朱南文 1 1.上海交通大学环境科学与工程学院, 上海 200240; 2.同济大学城市污染控制国家工程研究中心, 上海 200092; 3.上海排水有限公司, 上海 200070 摘要 城市污水污泥是城市污水处理厂的副产物, 需要稳定化处理。 本试验设计了由 2 个圆罐串联的自热式高温好 氧消化中试系统处理城市污水污泥。 通过批式试验探讨反应器温度对污泥稳定化处理效果的影响, 以及影响反应器 自升温的因素 。试验发现 ①反应温度对挥发性的有机物的去除有显著影响, 反应温度越高, VSS 去除率越高。 ②影 响反应温度的主要因素有进泥浓度、消化时间和曝气量。 当进泥的VSS 浓度为37. 2 g L时, ATAD 反应器最高温度可到 49 ℃, 只需 14～ 17 d的消化时间 VSS的去除率可达到 41. 7, 污泥能达到稳定化。 关键词 污泥稳定化 自热式高温好氧消化 反应温度 VSS 去除 ＊上海市水务局资助项目 200403 污泥的生物处理方法有好氧法和厌氧法 ,自热式 高温 好 氧 消 化 Autothermal Thermophilic Aerobic Digestion ATAD 是污泥好氧消化技术的一种。 ATAD 设计思想产生于堆肥工艺, 所以又被称为 液态堆肥 [ 1] ,其原理是将有机物在氧化过程中散放的 热量进行保温, 就可以在没有外加热源的情况下使反 应器的温度达到高温 45～ 65 ℃ , 因此称之为“自热 式” 。ATAD 具有停留时间短、启动快 、投资小 、运行 稳定、易于管理 、病原菌灭活效率高等诸多优点 [ 2,3] , 与庞大的厌氧消化池相比 ,ATAD 的体积只有厌氧消 化池的 1 2～ 1 6 [ 4] ,小巧的反应器及简便的管理使之 更适合大城市的中小型污水处理厂污泥稳定化处理。 本试验采用 ATAD 工艺中试系统进行研究。在 诸多的影响因素中, 反应器的温度是一项重要的运行 参数, 这与 ATAD 反应器运行原理有关, 由于 ATAD 反应器是通过有机物的降解释放能量来达到自升温 的目的 ,因此系统运行正常时 ATAD 反应器温度才能 自升温至高温状态。本中试系统经过近 10 个月的运 行,考察了ATAD 反应器自升温的情况、污泥的挥发 性悬浮固体 Volite Suspended Solid VSS 的去除情况、 以及反应器温度对污泥稳定化处理的影响,最终取得 了理想的处理效果。 1 试验材料和方法 1. 1 试验装置和流程 ATAD 工艺系统由 2 个圆柱型反应器串联而成, 反应器外覆保温材料 , 反应器净尺寸为 500 mm 2. 0 m ,反应器的有效容积为0. 64 m 3 , 反应器内通过 搅拌 机 搅 拌 进 行 污 泥 的 混 合, 搅 拌 电 机 功 率 0. 78 kW h ,底部用圆形穿孔管进行空气曝气 ,如图 1 所示 。 图1 ATAD 工艺系统简图 1. 2 试验方法 试验用污泥取自上海天山城市污水处理厂污泥 浓缩池的混合污泥, 其中初沉污泥和二沉污泥的比例 为4∶ 6, 含水率为 97. 5～ 98。ATAD 必须有个进 泥浓缩系统 ,以保证污泥达到一定的浓度 ,这样在消 化过程中才能有足够的能量密度以达到自升温的状 态。采用机械脱水对污泥进行浓缩处理 ,然后取二沉 池剩余污泥在进料池中进行调配,调配后的污泥含固 率为 5～ 8, 污泥性状见表 1。 表 1 污泥性状 含固率 TSS gL - 1 VSS gL- 1 VSS TSS pH 5. 2～ 8. 252～ 81 . 629 . 7～ 45. 451～ 726. 5～ 7 . 0 2 结果与讨论 2. 1 反应温度对污泥稳定化的影响 污泥的稳定化程度可以用VSS 的去除率来衡量, 74 环 境 工 程 2006年 4 月第24 卷第2 期 采取进 泥 的 VSS 浓 度 分 别是 47. 6、37. 2、29. 9、 25. 2 g L ,运行 18 ～ 19 d, 每日测试反应器温度, 其结 果如表2 所示。 表 2 VSS 浓度与反应器自升温关系 进泥的 VSS 浓度 gL- 1 反应器内达 到的最高温 度 ℃ 到最高温度 所需时间 d 升温速率 ℃ d- 1 最终温度 ℃ 47. 645121. 7143 37. 249102. 5042 29. 94052. 4035 25. 23781. 3834. 5 从表 2 看出 ,不同的进泥VSS 浓度使得反应器自 升温的情况不同。当进泥VSS 为37. 2 g L时 ,反应器 升温情况最好, 最高反应温度达49 ℃, 升温速率为 2. 5 ℃ d; 而进泥 VSS 为25. 2 g L时 ,污泥反应器自升 温效果最差,批式运行中反应器达到的最高反应温度 为37 ℃。 不同的污泥浓度条件下,VSS 去除率与反应器温 度之间的关系见图 2,从图中看出 , 反应器自升温的 温度越 高, VSS 的去除率 越高, 如当进 泥 VSS 为 37. 2 g L时, VSS 去除率最高为41. 69; 而进泥 VSS 为25. 2 g L时,污泥VSS 去除率最低为 13. 11。 图2 ATAD 反应器VSS 浓度随消化时间的变化 反应温度对VSS 去除有直接关系, 在一定范围内 提高反应温度使得生成产物的速率提高 ,VSS 被快速 分解成 CO2和 H2O , 由于分解 VSS 过程中释放了热 量,因此一般分解的 VSS 量多, 释放的热量多导致反 应器温度升高, 而反应器温度升高反过来又加速 VSS 的分解,因此ATAD反应器采用良好的保温措施将释 放的热量保存使系统自升温, 有利于提高污泥稳定化 效率。根据美国 EPA 的规定,VSS 去除率高于 38 即认为污泥达到稳定 [ 1,5] , 对于VSS 浓度为37. 2 g L的 污泥,在第14 d VSS 去除率已达到 38以上 ,污泥能 达到稳定化。 以上结果表明VSS 去除率与反应温度有直接关 系,并相互影响 ,由于反应温度读取方便快捷 ,可作为 工艺运行稳定的评价参数之一 。 2. 2 影响反应器自升温及 VSS 去除的因素 2. 2. 1 污泥浓度的影响 不同的进泥VSS 浓度使得反应器的升温情况不 同,但并不是污泥浓度越高反应器升温越高, 对于 VSS 为47. 6 g L的污泥最高温度仅为45 ℃, 升温速率 最低为1. 71 ℃ d。这是由于VSS 为47. 6 g L的污泥含 固率高达 7. 3,导致污泥流动性变差, 影响到搅拌 效率, 而搅拌的作用对污泥稳定化处理很重要, 搅拌 能起到混合作用使污泥基质, 氧气和反应器中起主要 作用的嗜热菌等微生物充分接触,有利于有机物的快 速分解 ; 搅拌还可促使反应器中的块状污泥粉碎, 从 而增大污泥的表面积 ,利于生物降解 。当含固率太高 时,搅拌阻力大 ,搅拌效率降低 ,基质 、 氧 、 微生物混合 差,块状污泥不能完全粉碎,影响VSS 的去除 ,而搅拌 加速导致电耗增加 ,效率下降。另外 VSS 浓度高, 微 生物需要的氧多 ,但由于搅拌效率低, 氧的扩散程度 小,氧传递效率低, 好氧菌活性差 , 厌氧菌大量繁殖, 系统内微生物将以厌氧菌占优势变为厌氧消化,VSS 降解速率将变慢, 系统升温困难 。还有 , 冬天气温低 污泥粘度变大, 污泥流动性更差,进泥困难,因此污泥 浓度不能太高。 然而进泥的含固率也不能太低 , 从图 2 中可看 出,VSS 浓度为29. 9 g L时, 污泥最高温度为40 ℃, VSS 去 除率有 所升高 为 22. 51; 而 VSS 浓 度为 37. 2 g L和47. 6 g L的两种污泥 VSS 去除率能高于 38,污 泥 能趋 于 稳定 。 说明 当 VSS 浓 度低 于 29. 9 g L时, 反应器温度上升幅度小, 温度低, 降解速 率慢 ,VSS 去除率也低,污泥不能达到稳定化 。 结合以上的试验结果 ,若处理的污泥为初沉泥和 二沉泥的混合污泥 , 一般 VSS TSS 比值为 0. 6 计, 进 泥的 VSS 值最低应 29 g L, 含固率最低为 5; VSS 的最高值为47 g L, 含固率最高不超过 7. 8, 否则系 统运行效果差污泥不能达到稳定化 。 2. 2. 2 消化时间的影响 从表2 和图 2 看, VSS 浓度为37. 2 g L的污泥在 消化的第14 d,VSS 去除率达到 39. 57, 污泥已趋于 稳定 ,在第16 d VSS 去除率达到最高; 随后反应温度 开始下降, 第18 d温度为42 ℃。 VSS 浓度为47. 6 g L的 污泥达到稳定的时间要长在第17 d,这可能是 VSS 浓 度过高反应温度却不高, 反应速率相对慢造成; 反应 温度随消化时间的延长同样有下降趋势 ,但由于反应 温度最高为45 ℃因此下降比较缓和 。所以只要进泥 75 环 境 工 程 2006年 4 月第24 卷第2 期 浓度控制合适, 消化运行15 d可以满足 VSS 去除率达 38的要求,从图 2 看,尽管进泥浓度不同 ,但在消化 运行第15 d左右VSS 的去除率都出现平台, 若再延长 时间, 反应温度下降 ,VSS 的去除率增加不多, 但持续 的曝气使得运行费用不断增加 ,故 ATAD反应器停留 时间可定在15～ 17 d。 ATAD 反应器中的底物是生物污泥与初沉污泥 的混合污泥 ,当污泥进入 ATAD 反应器后, 由于反应 器内温度比环境气温高, 污泥中的普通微生物遭遇死 亡,被嗜热菌 Thermophiles 取代 ,嗜热菌以死亡的微 生物及初沉污泥中可降解有机物为碳源 ,生长繁殖合 成新细胞并逐渐占优势, 嗜热菌进行好氧消化时会释 放热量 ,由于反应器有隔热措施, 反应器温度逐渐上 升,当死亡细胞以及可利用的有机物全部被分解后, 嗜热细菌进行自身的内源呼吸 , 有机物逐渐减少, 释 放的热也越来越少 ,由于反应器不断向环境散热, 因 此反应温度下降。所以反应温度的下降表明污泥正 逐渐趋于稳定。 2. 2. 3 曝气量的影响 采用VSS 为47. 2 g L的生污泥进行批式试验, 将 曝气量恒定,结果见图 3。 图 3 反应温度随消化时间的变化 从图 3 可知 ,曝气量与系统的升温关系很大。当 气温为18 ℃时,曝气量分别采用 1. 2、 0. 75 m 3 m3h 两种情况运行, 反应器自升温的情况相差不大 ,最高 温度分别到达43、 42 ℃,但曝气量为1. 2 m 3 m3h 的 反应温度下降较快些 ; 当气温为26 ℃时, 曝气量分别 采用 0. 94 m 3 m3h 和0. 53 m3 m3h , 对于曝气量 为0. 94 m 3 m3h 的情况升温较好, 最高温度达到 45 ℃,而曝气量为0. 53 m 3 m3h 的曲线比较平缓, 最高温度只到36. 4 ℃。 在气温一定的情况下, 曝气量 小反应温度低 ,这是由于曝气量小不能满足微生物好 氧消化所需的氧, 微生物活性差,VSS 的降解缓慢,升 温缓慢 ; 但当曝气量过大时, 尽管能满足微生物的需 要,但另一方面会导致系统散热,使得温度上升缓慢并 且达到最高点后迅速下降 。因此曝气量的取值与进泥 时污泥浓度、 环境气温等有关,过低和过高都不合适。 通过测试 ORP 发现在消化中期 ORP 很低处于 - 300～ - 400mV 之间 , 表明反应器中还有相当数量 的厌氧菌和兼性菌存在, 目前已发现在ATAD 中存在 好氧型和厌氧型的嗜热菌 [ 6] ,表明 ATAD 并不是完全 的好氧。兼氧和厌氧条件能使有机物水解酸化成中 间产物 ,便于好氧菌的快速氧化 ,所以在 ATAD 反应 器中由于污泥浓度高, 氧传质困难, 加大曝气量不仅 不能使氧转移效率提高, 反而起到散热的作用, 使得 系统温度降低,VSS 的去除效果差, 但曝气量太小转 移到污泥中的氧量极低又降低好氧菌的活性使系统 厌氧化。 3 总结 1 反应温度对 VSS 的去除有影响 , 反应温度越 高,VSS 去除率越高 ; 当进泥 VSS 为37. 2 g L时反应器 自升温的最高温度为49 ℃。 2 进泥浓度过高和过低都影响反应温度 ,进而 影响污泥处理效果, 试验得出进泥的 VSS 浓度处于 29～ 47 g L之间 ,含固率在 5～ 7. 8 之间较好。 3 反应温度随消化时间的延长而降低 ,消化时 间不能太长 ,应根据VSS 的去除率来确定。通过试验 表明当进泥 VSS 为37. 2 g L时, 消化时间在 14～ 17 d 内VSS 去除率 38,污泥能达到稳定。 4 曝气量对反应器升温影响很大,曝气量太小, 微生物需氧量不足 , 影响微生物的活性,VSS 降解率 低; 曝气量太大 ,反应器散热明显,温度上升达到最高 温度后迅速下降 。因此曝气量要适当。 ATAD 工艺在我国还是较新的技术 , 处于起步阶 段,应根据我国的污泥情况, 采取合适的工艺运行 条件 。 参考文献 [ 1] UnitedStatesEnvironmentalProtectionAgency ,Environmental Regulations andTechnology AutothermalThermophilicAerobic Digestion of Municipal Wastewater Sludge, EPA 1990 625 10-90 007, Cincinnati, Ohio , September 1990. [ 2] Murray K C, Tong A. Thermophilic aerobic digestiona reliable and effective process for sludge treatment at small works. Wat Sci Tech. , 1990. 22 3 -4 225-232. [ 3] Hawash S, Ibiari N .E. Kinetic Studyof Ther mophilic Aerobic Stabilization of Sludge . Biomass and Bioenergy , 1994. 6 4 283-286. [ 4] Kelly Harlan G . , Mavinic Donald S. , Zhou Jianpeng , Frese Hart, and Cheshuk Jerry . Autothermal thermophilic aerobic digestion research, applicationandoperationalexperienceTher mophilicDigestion, WEFTEC2003 WORKSHOP , Losangeles Convention Center, 2003. 76 环 境 工 程 2006年 4 月第24 卷第2 期 [ 5] Lue- Hing , C. , Zenz D. R. and Kuchenrither R. Municipal Sewage ManagementProcessing , UtilizationandDisposal.Pennsylvania , Lancaster Technomics Publishing, 1992. [ 6] Kevin L. Staton, James E. Alleman, Richard L . Pressley , Jim Eloff, 2nd Generation Autothermal Thermophilic Aerobic Digestion Conceptual Issues and Process Advancements,WEF AWWA CWEA Joint Residuals and Biosolids Management Conference Biosolids 2001 “Building Public Support” . 作者通讯处 朱南文 200240 上海交通大学环境学院 电话 021 54740123, 28209113 2005- 05-26 收稿 热电厂灰渣废水 、 再生废水综合利用技改设计 方 张格红 韩耀霞 高 欣 妙 颖 吕平海 长安大学环境科学与工程学院, 西安 710061 摘要 通过充分考虑热电厂的灰渣废水、再生废水的综合利用效益, 对灰渣废水和化学再生废水的运行方式进行合理 优化, 从而减少工业补充水量, 实现废水零排放, 最终达到节约成本和保护环境的目的。 技改后年节约水量为 68. 483万 m3, 年回收效益为 89. 083 万元。 关键词 灰渣废水 化学再生废水 工业补充水 技改 0 概况 某热电厂 是工业用 水大户。 该厂 现有 2 台 220 t h锅炉 ,配有 1 套冲渣系统 , 该冲渣系统有 2 台 冲灰泵和 2 台排渣泵 ,运行方式为 1 运 1 备, 灰渣池 容积为38. 5 m 3 , 回用水池容积为90 m 3 。 该厂生产用 水系统主要是锅炉灰渣用水和化学再生阴阳离子交 换床用水 ,但目前灰渣废水和化学再生废水系统在运 行中出现了严重问题 。 处理后的废水必须达到国家污水综合排放标 准 GB8978 -1996 一级标准 。同时满足热电厂再利 用需要 ,实现废水的零排放 ,需要处理的废水指标见 表1 。 表 1 废水水质状况表 废水排放量 th- 1pHSS mgL- 1 约 600～ 1 8008. 3～ 11. 6140～ 400 瞬时最大值为 1 300 1 原灰渣废水系统 1. 1 原灰渣废水系统工艺流程 原灰渣废水系统工艺流程见图 1。 图 1 原灰渣废水系统工艺流程 1. 2 原灰渣废水系统存在的主要问题 1 原澄清池沉降效果未达到原设计要求 ,经澄 清池一次沉降后的清水中悬浮物含量较高,这些悬浮 物在回用水池沉淀 ,造成回用水池有效容积减少, 溢 流现象时有发生 。 2 原澄清池底部的灰浆不能正常的及时排出, 导致澄清池有效容积减少 ,灰水在澄清池中自然沉降 的路径缩短 ,使澄清池排泥通量与出水通量不平衡 。 3 回用水池内偏碱性灰水是造成冲灰管线结 垢、 灰管管径变细的主要因素 。冲灰泵提升流量减 少,造成了回用冲灰水量不足 ,工业补充水量增大 ,运 行成本增加 。 1. 3 原灰渣废水系统在非供热期和供热期水量测算 原灰渣废水系统在非供热期和供热期,渣水灰水 以及工业补充水的测算情况见表 2。 表 2 灰渣系统水量测算m3 h 项目灰渣水 灰浆水 浇渣水 排渣水 溢流水 工业 补充水 回用于 冲灰 非供热期165439 . 7203564. 7100 . 3 供热期168478 . 7204068. 799. 3 从水量测算可得出 原灰渣废水系统运行存在的 问题较为突出, 主要问题在于原澄清池的处理达不到 合理的效果 ,这是整个系统运行出现问题的关键点 。 77 环 境 工 程 2006年 4 月第24 卷第2 期 the optimal condition of extracting ligninis in pH3～ 4, extracting for 50 min at 80～ 90 ℃; the optimal condition for ligninsulfonated reaction is lignin Na2SO34∶ 3 w w, pH10. 5, reacting for 4 h at 80～ 90 ℃. The detection of the products shows that the surface activity of lignin has been improved obviously. Keywords paper mill sludge, lignin, sulfonation and water -reducing rate DETERMINATION OF COD IN HIGH SALINITY ORGANIC LIQUID WASTES BY HIGH -SPEED CATALYTIC Ma Jingying Ma Zengyi Yan Jianhua et al 64 Abstract Incineration is an ideal for high salinity organic liquid wastes. Determination of COD in these organic waste liquids is dominant for design of burmer and estimation of incineration efficiency. It is presented high-speed catalytic for oganic liquid with high concentration of chloride ion and organic compounds. Relative error is 0. 15～ 5. 8 when the concentration of Cl-is 20 000～ 60 000 mg L. Accuracy of the is good, the relative error of six measured results is less than 2 and the recovery is 98～ 102. There is no “ prominent difference” between standard and high-speed catalytic . Keywords COD, Cl-, high -speed catalytic, organic liquid wastes and incineration TESTING OF TOTAL PHOSPHORUS USING MODIFIED DISSOLVING PROCESS Zhang Fengru 66 Abstract It is studied that determination of total phosphorus in a water sample by hydrogen peroxide -boiling water bath dissolving process. The results show that the new process features simple operation, complete dissolution, which can be well compared with the traditional , whose precision and accuracy are satisfactory. Keywords total phosphorus, hydrogen peroxide -boiling water bath dissolving process, precision and accuracy ASSESSMENT ON TRAFFIC ATMOSPHERE ENVIRONMENTAL QUALITY BY EQUIVALENT NUMERICAL Qin Zhibin Bian Yaozhang Li Yuzhi 68 Abstract The model of equivalent numerical is established for atmosphere quality grade according to state standard for atmosphere quality, its use shows that it is a scientific and a new for uating traffic environmental atmosphere quality . Keywords quality standard, atmosphere quality assessment and equivalent numerical GREY PREDICTION OF AIR QUALITY IN THE YEAR OF 2008 IN BEIJING Liu Xuexin Xue An 69 Abstract A result is obtained that PM10, TSP and SO2are the main factors of the atmospheric pollutant in Beijing by grey relational analysis. Based on the result, a forecasting modelof main pollution factor is established by using grey systems. The forecasting result is thatTSP and PM10will exceed the national standard Ⅱ in the year of 2008 in Beijing. In the next years, the most important tasks of air pollution control in Beijing are to reduce the particulate pollution. Keywords air quality , prediction, grey systems and model ENGINEERING DESIGN OF WASTEWATER TREATMENT IN A SMALL PHARMACEUTICAL FACTORYLiu Wei Chen Minghui Shang Jincheng 72 Abstract The wastewater from a small pharmaceutical factory features large flucluation in its quality and quantity. Using popular technology is hardly fit for the great change. The technology of hydrolytic acidificationbiocontact oxidization has higher resistance to shock load. The results of engineering examples show that the equipment with the procedure can be operated stably for a long time; the effluent can reach standard of discharging. Keywords hydrolytic acidification, bio -contact oxidization, small scale and wastewater of pharmacy THE INFLUENCE OFREACTOR TEMPERATURE ON AUTOTHERMALTHERMOPHILIC AEROBIC DIGESTIONCheng Jiehong Feng Lei Yin Binkui et al 74 Abstract Biosolidswas produced by sewage plant in the course of treatment urban sewage. A pilot scale facility of atuothermal thermophilic aerobic digestion ATADwas designed for stabilization of the biosolid. The affect of reactor temperature on stabilization of the biosolid and main factors affecting reactor temperature increasing were studied by the way of batch operation. The results showed a. the remarkable effects of reactor temperature on the removal of volatile suspended solid VSSwere obtained. And a higher reactor temperature produces a higher removal of VSS. b. Factors of reactor temperature were Influencedby influenttotal suspended solid, digestion time and aeration rate. Biosolidwasstabilizedwhen the highest reactor temperature and the removal of VSS were 49 ℃ and 41. 7 respectively under the conditions of 37. 2 g L of influent VSS and 14 ～ 17 d of digestion time. Keywords biosolids stabilization, ATAD, reactor temperature and removal of VSS 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24, No. 2,Apr. ,2006