4.3.1　好氧消化的原理及工艺

4.3.1.1　好氧消化的原理

污泥好氧消化的基本原理是使微生物处于内源呼吸阶段，以自身生物体作为代谢底物来获得能量和进行再合成，实际上是活性污泥法的继续。好氧氧化分解过程是一个放热反应，因此在工艺运行中会产生并释放出热量。由于代谢过程存在物质和能量的散失，细胞物质被分解的量远大于合成的量，通过强化这一过程达到污泥减量化的目的。在理论上，尽管厌氧消化反应已经终止，仅有75%～80%的细胞组织发生氧化，剩余的20%～25%的细胞组织包括不可生物降解有机物和惰性物质。经过消化反应以后，剩余产物的能量水平极低，因此在生物学上相对稳定，适用于污泥各种最终处置途径。

污泥的好氧消化过程包括如下2个步骤：a.可生物降解有机物氧化合成为细胞物质；b.细胞物质的进一步氧化。其过程可用式（4-89）和式（4-90）表示为：

有机物+NH₄+O₂细胞物质+CO₂+H₂O　　（4-89）

细胞物质+O₂消化污泥+CO₂+H₂O+NO₃　　（4-90）

随着有机物氧化的继续，底物供应受到限制，微生物进入衰亡期，好氧速率也随之下降。当供应的底物耗尽时，将迫使微生物依靠内部贮存的能源，于是微生物进入内源代谢和内源呼吸阶段。如式（4-89）所示，液相有机物通过氧化生成细胞物质。如式（4-90）所示，是一个典型的内源呼吸过程，细胞物质进一步消化氧化成稳定化生物固体，是好氧消化系统的主要反应。

好氧消化过程需要将反应维持在内源呼吸阶段，因此此工艺适用于剩余污泥的稳定。由于初沉池污泥中含有少量的细胞物质，因此混合污泥的处理将会包括反应（4-89）的转化过程，初沉池污泥中的颗粒物质和有机物是活性污泥中微生物的食物来源，导致曝气池中具有较高的底物与微生物量，因此需要较长的停留时间以进行细胞代谢和生长反应，之后再进入内源呼吸阶段。

若以C₅H₇NO₂代表微生物细胞物质，好氧消化过程的化学计量学可由式（4-91）和式（4-92）表示：

C₅H₇NO₂+5O₂5CO₂+2H₂O+NH₃+能量　　（4-91）

C₅H₇NO₂+7O₂5CO₂+3H₂O+N+H⁺+能量　　（4-92）

如式（4-91）所示，这种情形存在于高温好氧消化过程，硝化系统设计为抑制硝化的工艺形式，氮以氨态存在。如式（4-92）所示为硝化反应的消化工艺系统设计，其中氮以硝态氮的形式存在。

理论上讲，由于硝化反应而消耗的碱度可由反硝化补充约50%，若pH值下降明显，可以投加石灰或者通过间歇反硝化的方式来控制。

如式（4-92）所示，在好氧消化过程中，硝化反应会产生H⁺，若污泥的缓冲能力相对不足，pH值则会降低。根据式（4-91）和式（4-92），在理论上，在非硝化系统中，每1kg的微生物活细胞需要消耗1.5kg的氧气，而在硝化系统中，每1kg的微生物活细胞需要2kg的氧气，在实际运行中的需氧量还受如初沉池污泥的加入、操作温度、SRT等其他因素的影响。

对二沉污泥来说，其好氧消化过程中底质与微生物之比相当低，并很少发生细胞合成。主要的反应是氧化作用和使细胞组分破坏的细胞溶解和自身氧化呼吸。微生物的细胞壁由多糖类物质组成，具有相当大的耐分解能力，使好氧消化法排出物中仍有挥发性悬浮固体存在，而这一残留挥发部分是很稳定的，对此后的污泥处理或土壤处置，不会产生影响。

一般情况下，常温消化系统（温度在20～30℃）在以空气作为氧源的条件下运行，其中决定消化系统设计的因素包括VSS设计去除率、操作温度、进泥的质和量、氧传质和混合要求、运行方式、池体积、停留时间等，甚至要对病原菌灭活以及蚊蝇孳生进行考虑。

污泥好氧消化过程，微生物处于内源呼吸阶段，反应速率与生物量遵循一级反应模式。目前，最常用的模型是Adams等建议采用的模型。该模型假定如式（4-93）所示：

　　（4-93）

式中，X₀为进水中VSS浓度，kg/m³；X为在时间t时的VSS的浓度，kg/m³；k_d为反应常数。

由于好氧消化池采用连续搅拌，污泥池内完全混合，因此池内挥发性固体的去除量（稳态）是在单位时间内，进入池内的挥发性固体减去出池的挥发性固体的差值。即：

　　（4-94）

式中，Q为污泥流量，m³/h；V为消化池容积，m³。

对上式变形后有：

　　（4-95）

　　（4-96）

如果VSS中存在不可生物降解成分n，则：

　　（4-97）

4.3.1.2　好氧消化工艺

污泥好氧消化包括常温好氧消化和高温好氧消化（50～60℃）两类，其中高温好氧消化技术因为消毒杀菌效果良好而获得越来越多的研究和应用。目前，常用的好氧消化工艺有如下几种。

（1）传统污泥好氧消化（CAD）工艺

传统的污泥好氧消化工艺主要通过采用曝气的方式，使微生物在进入内源呼吸期后进行自身氧化，以实现污泥减量。传统污泥好氧消化工艺设计简单、运行简便、易于操作、基建投资较少。传统好氧消化池的构造及设备与传统活性污泥法相似，但污泥停留时间很长，其常用的工艺流程主要有连续进泥和间歇进泥两种，如图4-33所示^［3］。

在大中型污水处理厂中，好氧消化池通常采用连续进泥的方式，运行方式与活性污泥法中曝气池相似。在消化池后设置浓缩池，其中一部分浓缩污泥回流到消化池，另一部分被排走（进行污泥处置），其上清液被送回至污水处理厂前端与原污水一同处理。而在小型污水处理厂中，通常采用间歇进泥的方式，在运行过程中需要定期进泥和排泥（1次/d）。

在好氧消化系统中，既要满足微生物好氧消化所需要的氧源（消化池内DO浓度>2.0mg/L），又要使污泥处于悬浮状态以达到搅拌混合要求，因此在保证不增加运行费用的前提下，曝气量显得很重要。

根据实际运行经验，CAD消化池内的污泥浓度和污泥停留时间与污泥来源相关。在温度为20℃时，消化池进泥为剩余污泥，则污泥浓度为（1.25～1.75）×10⁴mg/L，SRT为12～15d；若进泥为初沉污泥和剩余污泥的混合污泥，则污泥浓度为（1.5～2.5）×10⁴mg/L，SRT为18～22d；若仅是初沉污泥，则污泥浓度为（3～4）×10⁴mg/L，需要较长的停留时间。因为初沉池污泥以可降解的颗粒有机物为主，微生物首先要利用有机物进行合成代谢，形成新的细胞物质，然后再进入内源呼吸阶段。在温度相对高时，微生物代谢能力较强，降低所需的SRT。美国EPA结合污泥好氧消化动力学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（横坐标）为400～500℃·d时，即可获得较理想的VSS去除率。

在CAD工艺中，微生物进入内源呼吸期会释放出产物NH₃-N，而相对较长的污泥停留时间有利于硝化菌的生长，可进一步将NH₃-N转化为N-N，这一反应过程需要消耗碱度，以CaCO₃计，当消化池内剩余碱度<50mg/L时，难以维持pH值在7左右（pH值可降至4.5～5.5），使得微生物的新陈代谢受到抑制，有机物的去除率降低。

CAD工艺具有运行简单、管理方便、基建费用低等优点。其缺点是需长时间连续曝气，运行费用较高；受气温影响较大，低温时处理效果变差；对病原菌的灭活能力较低。另外，CAD工艺中会发生硝化反应，一方面消耗碱度，引起pH值下降，另一方面由于硝化反应要消耗氧气而提高了供氧的动力费用，为此在对传统好氧消化工艺进行改造的基础上，提出了缺氧/好氧消化工艺（A/AD）。

（2）缺氧/好氧消化（A/AD）工艺

缺氧/好氧消化工艺（anoxic/aerobic digestion，A/AD）是指在CAD工艺的前端加一段缺氧区，利用污泥在缺氧区发生反硝化反应产生的碱度来补偿硝化反应中所消耗的碱度，因此无需另行投碱即可使pH值维持在7左右。另外，在A/AD工艺中N-N替代O₂作最终电子受体，使得耗氧量比CAD工艺节省了18%（仅为1.63kgO₂/kgVSS）^［1］。常见的A/AD工艺流程如图4-34所示。工艺（a）采用间歇进泥，通过间歇曝气产生好氧和缺氧期，并

在缺氧期进行搅拌而使污泥处于悬浮状态以促使污泥进行充分的反硝化。工艺（b）、（c）为连续进泥且需要进行硝化液回流，工艺（c）的污泥经浓缩后部分回流至好氧消化池。A/AD消化池内的污泥浓度及污泥停留时间等与CAD工艺的相似。

上述两种工艺（CAD和A/AD）均属于常温好氧消化，工艺主要缺点是供氧的动力费均相对较高，污泥停留时间较长，特别是对病原菌的去除率低，其反应器的基本设计参数如表4-29所列。

（3）自动升温高温好氧消化（ATAD）工艺

自动升温高温好氧消化工艺（autothermal aerobic digestion，ATAD）的设计思想来源于堆肥工艺，因此又被称为液态堆肥。随着欧美各国对污泥中病原菌数量的限制越来越严格，ATAD工艺因其具有较高的灭菌能力而得到重视。

ATAD工艺流程见图4-35，其消化池一般由两个或多个反应器串联而成，反应器内设搅拌设备并设排气孔，可根据进泥负荷采取半连续流或序批式的灵活进泥方式，反应器内溶解氧浓度一般控制在1.0mg/L左右。消化及升温主要在第一个反应器内发生（60%），其温度为35～55℃，pH≥7.2；第二个反应器温度为50～65℃，pH值约为8.0。系统进泥前，首先将第二个反应器内的污泥排出，之后第一个反应器向第二个反应器进泥，最后由浓缩池向第一个反应池进泥，通过这种进泥方式确保灭菌效果。ATAD工艺利用活性污泥微生物本身氧化分解所释放的热量（14.63J/gCOD）来提升好氧消化反应器的温度。

此工艺的一个主要特点是依靠VSS生物降解产生的热量来升温反应器，将温度升高至高温范围内（45～60℃）。在大多数生物反应系统中，增加温度意味着反应速率的增加，在工程上这就相对减少了反应器容积，反应速率和温度的关系可由式（4-98）表示：

　　（4-98）

式中，、分别为温度为T₁和T₂（℃）时的反应速率；Φ为常数，一般为1.05～1.06。

但是，温度过高则会抑制生物活性，由下式表示：

　　（4-99）

式中，T₃为抑制出现的温度上限；Φ₁、Φ₂分别为增加速率和降低速率的温度指数。

根据公式当温度从常温上升至45～60℃时，反应速率会迅速提高，如果继续升高温度，反应速率将会下降。目前没有一个速率下降的精确温度，据以前的研究表明，当温度上升至65℃以上时，反应速率则会迅速降低到0。

在ATAD工艺进泥时，首先要经过浓缩，将VSS浓度至少提高到2.5×10⁴mg/L或MLSS浓度达到（4～6）×10⁴mg/L，这样才能保证产生足够的热量。同时，可以通过采用封闭式反应器（采取隔热措施）和高效氧转移设备，以减少各种不必要的热损失，有时甚至采用纯氧曝气。通过采取上述措施，甚至在冬季外界温度为-10℃、进泥温度为0℃的条件下，无需要外加热源仍可使反应器温度保持高温（45～65℃）。各种不同类型的物料分解释放的热量见表4-30。

ATAD反应器内温度相对较高，因此具有以下优势：硝化反应被抑制，pH值可保持在7.2～8.0；与CAD工艺相比，既节省了化学药剂费又节省30%的需氧量；有机物的代谢速率较快、去除率相对高；污泥停留时间短（5～6d）；NH₃-N浓度相对较高，因此对病原菌灭活效果好；ATAD工艺启动非常快，无需接种其他消化种泥即可启动。ATAD工艺具有运行稳定、易于管理、操作简单、消化出泥的脱水性能好的优点。

在ATAD工艺的设计中需要注意以下问题。

1）曝气　ATAD工艺中对曝气的控制非常重要，曝气量过大既增加运行费用，又会因剩余气体排出（向外散热）而使反应器温度降低。曝气量太低则会造成反应器内溶解氧不足，影响好氧消化效率，还会产生臭味。因此一般应选择氧转移率大于15%的曝气系统，这样不仅可减少能量消耗，还可降低因供氧造成的热能损失。

2）泡沫　由于ATAD的进泥浓度及反应器温度均相对较高，因此有泡沫产生。因此，在ATAD设备中应提供相应的泡沫控制设备以保留0.5～1.0m的泡沫层。

3）气味　国外运行经验表明，当ATAD工艺DO浓度过低、搅拌不完全、第二个反应器温度高于70℃或有机负荷过高时会产生臭气。进泥阶段出现短期的气味问题，可在排气口安装臭气过滤器来加以控制。

污泥的性质对ATAD工艺系统的处理能力也有较大的影响，大规模ATAD工艺系统中对不同来源的污泥的VSS去除率效果见表4-31。

因此，ATAD工艺反应器系统组成需要有隔热保温反应器、泡沫控制设施、曝气设施以及尾气处理装置。经ATAD工艺反应器处理的污泥需用泵输送到污泥贮池冷却及进一步浓缩脱水前的调蓄贮存。一般该工艺出泥脱水相对较难，需要适当增加混凝剂的投加量，这也是在进行工艺选择时需要重点考虑的问题。

（4）两段高温好氧/中温厌氧消化（AerTAnM）工艺

近几年发展起来的AerTAnM工艺，它以ATAD作为中温厌氧消化的预处理工艺，并结合了两种消化工艺的优点，在提高污泥消化能力和病原菌去除能力的同时回收生物能。其中预处理ATAD段的SRT一般为1d（有时采用纯氧曝气），温度为55～65℃，DO维持在（1.0±0.2）mg/L。在后续厌氧中温消化的温度为（37±1）℃。为了提高反应速率，此工艺将产酸阶段和产甲烷阶段分置在两个不同反应器内进行，同时，为了节约能源费用，采用好氧高温消化产生的热量来维持中温厌氧消化温度。

目前，AerTAnM工艺已广泛应用到欧美等国的污水处理厂中，具体的应用实践经验表明，该工艺对病原菌的具有明显的去除率（消化出泥达到美国EPA的A级要求）和后续中温厌氧消化运行的稳定性（低VFA浓度，高碱度）。AerTAnM工艺在提高VSS的去除率、产甲烷率和污泥的脱水性能方面与单相中温厌氧消化工艺相比，具有相对优势。

（5）深井曝气污泥好氧消化（VD）工艺

VD工艺技术是一种高温好氧污泥消化技术，该工艺的核心是深埋于地下的井式高压反应器，反应器深一般是100m，井的直径通常是0.5～3m，所占面积仅为传统污泥消化技术的一小部分。

此工艺将3个独立的功能区放置在1个反应器内进行。井筒的最上部是第一级反应区，包括同心通风试管和用于混合液体循环的再循环带。在第一级反应区的下部是混合区，空气注入该区域，为空气循环提升提供动力。井筒的底部是第二级反应区域。该井式高压反应器井径为3m，井深一般约100m。

根据图4-36，具体工艺流程如下。

VD工艺起始阶段，空气通过入流管进入混合区，升起的气泡产生一个密度坡度使得空气在氧化区内循环。循环建立并稳定后，空气注入点转移至混合区下部。未经处理的污泥通过入流管在混合区空气注入点的同等高度处进入系统，开始液体循环。此工艺系统氧气传导速率高，混合溶液溶解氧量高。氧化区内相对高的反应速率确保有机物能够在垂直循环圈上部被生物氧化。再循环液体通过井筒竖壁到达上部箱体，并在此处释放废气，防止了废气重新回到系统内影响空气动力效率。第二级反应区溶解氧含量极高、污泥停留时间较长，混合液中比例较小的一部分从混合区进入第二级反应区，污泥中有机物在此区域被高度氧化，温度不断升高。消化后的污泥以极快的速度到达地表产物箱，在混合液体行至上表面过程中，快速的减压可以使得固体物质从液体中分离。

与传统的厌氧及好氧污泥处理工艺相比，VD污泥处理技术具有以下优势：a.系统结构紧凑、占地小、投资省；b.与传统高温好氧消化相比，其运行费用减少一半以上；c.处理效果好，经处理后的挥发性固体减少40%～50%，处理后污泥达到美国EPA污泥A级标准，可直接用作土壤肥料；d.改善脱水效果，仅需投加少量的有机絮凝剂就可使消化后的污泥含水率降至65%～70%；e.在恶劣的气候或对环境有特殊需要的条件下，便于将该系统置于封闭的建筑之内；f.异味气体和挥发性有机物的排放很少，对环境影响小；g.管理、维修方便，可实现无人值守、自动控制。

VD工艺的主要技术经济指标：a.占地面积为传统污泥消化工艺的10%～20%；b.处理后的挥发性固体至少降低40%；c.离心脱水后含水率可降低到70%以下；d.去除每1kg挥发性固体耗电小于1.4kW·h，对于城市污水而言，相当于每1m³水耗电0.06kW·h；e.氧传质效率约50%。

污泥好氧消化主要工艺各有优缺点，具体情况如表4-32所列。

污泥好氧消化工艺各有优缺点，在具体应用时应综合考虑，根据实际情况选择。其中A/AD工艺比CAD节约能耗，且具有运行管理简单、操作方便的优点，便于在原有CAD设施的基础上进行改造，在今后可更多采用。另外，在合理设计的基础上，可实现CAD和A/AD工艺自动加热，在改善处理效果的同时仍保留其自身简单、灵活的优点，是进一步推广好氧消化技术的一条途径。近年来，随着污泥资源化利用时对病原菌的控制标准日益严格，ATAD工艺以及高温好氧与中温厌氧结合新工艺会在今后有长足的发展。