污泥好氧消化是近二十多年来在延时曝气活性污泥法的基础上发展起来的, 其目的在于稳定污泥 ,减轻污泥对环境和土壤的危害，同时减少污泥的最终处理量 。它的主要优点是处理效率高,需要的处理设施体积小, 投资较少 , 上清液中的BOD 浓度较低(10 mg/L 以下), 处理后的产物无臭、类似腐殖质 , 肥效较高, 运行安全 、管理方便。但由于需要输入动力 ,所以运行费较高。
污泥好氧消化实质上是活性污泥法的继续，其工作原理是污泥中的微生物有机体的内源代谢过程。通过曝气充入氧气，活性污泥中的微生物有机体自身氧化分解，转化为二氧化碳 、水和氨气等，使污泥得到稳定。如果以 C5H7NO2 表示细胞分子式，则好氧处理过程中发生的氧化作用可以表示为 :
C5H7NO2+5O2——5CO 2 +NH3 +2H2O (1)
污泥好氧处理对中小型水厂比较适用, 美国、日本 、加拿大等发达国家都有不少中、小型污水处理厂采用好氧消化处理污泥, 仅加拿大某省就有20 个小型污水处理厂运用此法;丹麦大约有 40%的污泥使用好氧法进行稳定化处理 。因此污泥好氧消化工艺有着巨大的发展潜力。
污泥稳定指标
污泥好氧消化的主要目的就是稳定污泥中可生物降解的有机物 。污泥稳定的定量评价指标主要包括有机物(VSS)的去除率和消化污泥的比氧摄取速率(SOUR)。一些国家对病原菌的去除率也作了相应规定。当 VSS 去除率达到 38%时和(或)当消化污泥的 SOUR 降低到 1.0～1.5mg O2 /gVSS·h时，可认为污泥已经达到稳定。尽管现在还普遍采用这 2 种指标，在应用中也存在一些不足，例如在低温时，由 SOUR 的数值无法确定污泥是否达到稳定。
温度和停留时间
同其他好氧生物处理过程一样, 好氧消化的速率受处理温度的影响很大 ,温度高时,微生物代谢活性强,达到要求的有机物 VSS 去除率所需的 SRT短，当温度提高至中温范围(30 ℃左右)，SRT =15 d即可完成污泥的稳定 。当温度降低时, 为达到污泥稳定处理的目的 , 则要延长污泥停留时间, 而且去除病原微生物的效果很不稳定 。VSS 的去除率随着 SRT 的增大而提高, 但是处理后剩余物中的惰性成分也随之不断增加, 当 SRT增大到某一个特定值, 即使再增大 SRT , VSS 的去除率也不会再明显提高 。对 SOUR 也存在着相似的规律 ,SOUR随 SRT 的增大而逐渐下降 , 当 SRT增大到某一个特定值 , 即使再增大 SRT , SOUR 也不会有明显下降。这一特定的点与进泥的性质 、可生物降解性等有关。因此在一定温度应选择合适的 SRT , 避免 SRT 过长造成基建及运行费用的提高 。
Mavinic 等和 Koers 等在研究低温条件下(5℃、10℃、20℃)污泥好氧消化动力学时 ,提出温度与污泥停留时间的乘积和有机物 VSS 去除率有一定曲线关系 。U .S .EPA 将上述发现相结合，提出了污泥好氧消化的设计曲线 。当好氧消化的温度(℃)与 SRT(d)的乘积为 400 ～ 500 ℃·d 时，即可达到较理想的 VSS 去除率 。
污泥的来源及类型
CAD 消化池内污泥停留时间与污泥的来源有关。一般认为, CAD 适用于处理剩余污泥 , 而对初沉污泥 ,则需要更长的停留时间 [ 7] 。这是因为初沉池污泥以可降解颗粒有机物为主。微生物首先要氧化分解这部分有机物 ,合成新的细胞物质,只有当有机物不足时, 才会消耗自身物质 , 进入内源呼吸阶段。对于初沉池污泥 、二沉池污泥 、初沉及二沉池混合污泥应通过试验确定出各自适宜的 SRT 。
初始污泥浓度
Ganczarczyk 等研究发现初始固体浓度较高时,污泥好氧消化反应速率快, 对 VSS 去除率较高 。这可能是由于较高污泥浓度污泥中 ,单位体积污泥含有较多活性细菌数, 从而表现出较高的生物活性有关 。对污泥进行预压缩可以提高进入消化池污泥的浓度,从而加快消化反应速率,提高消化池的有效容积利用率,节省基建投资。另外 ,由于有机物氧化为放热反应 ,提高污泥浓度,可以减少污泥中的含水量 ,有利于提高整个反应器的温度 ,从而提高处理效果 。
曝气和搅拌
在好氧消化中,恰当的确定曝气量是很重要的。一方面要为微生物好氧消化提供充足的氧源(消化池内DO浓度大于 2.0 mg/ L),还要满足搅拌混合需气量,使污泥处于悬浮状态;另一方面 ,曝气量过大会增加运行费用。好氧消化可采用鼓风曝气和机械曝气,在寒冷地区采用淹没式的空气扩散装置有助于保温,而在气候温暖的地区可采用机械曝气。当氧的传输效率太低或搅拌不充分时 ,会出现泡沫问题。
硝化反应及其影响
CAD 工艺的污泥停留时间较长, 有利于硝化菌的生长,发生硝化反应 , 消耗碱度 ,当消化池内剩余碱度小于 50 mg/L(以 CaCO 3 计)时, 反应器内会出现pH 值下降现象 ,pH 可降至 4.5～ 5.5 。当 pH 值较低时,微生物的新陈代谢受到抑制,有机物的去除率降低。为防止 pH 下降对处理效果造成不良影响, 大部分的 CAD 工艺中都要添加化学药剂, 如石灰等来调节 pH 值, 这样必将增加处理费用 。另外,硝化反应也需要消耗氧气 ,致使提供氧气的动力费用提高。这就促使人们对传统好氧消化工艺进行改造 ,提出了缺氧/好氧消化工艺(A/AD)。
好氧消化具有以下优点 ：
(1)对悬浮固体的去除率与厌氧法大致相等;
(2)上清液中的 BOD 浓度较低(10mg/L 以下);
(3)处理后的产物无臭、类似腐殖质 ,肥效较高 ;
(4)运行安全、管理方便 ;
(5)处理效率高 ,需要的处理设施体积小, 投资较少 。
同时 ,它也具有以下缺点 :
(1)因需供氧 ,相应的运行费用高 ;
(2)不能产生甲烷气体等有用的副产物;
(3)消化后的污泥的机械脱水性能较差。
尽管好氧消化的能耗大, 运行费用稍高 ,但由于它具有运行管理方便 、操作灵活、投资低、处理不容易失败等优点, 对于处理量较小(≤20 000 m 3 /d)的污水处理厂仍是一种有效实用的污泥稳定技术。
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