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污泥自热式高温好氧消化(ATAD)工艺因污泥停留时间短、灭菌效果好等优势被欧美等城市广泛应用,基于污泥性质的差异,我国自主研究的单段式ATAD工艺对污泥的稳定化效果初见成效,但在消化周期、氧利用率等方面还有待提高。本课题在现有的ATAD工艺基础上,利用模拟装置进行批式试验获取工艺参数,再通过优化的ATAD反应器对其验证;将超声波预处理技术与ATAD工艺结合,有效加快了污泥的稳定化进程,缩短了污泥的消化周期;鉴于纯氧曝气中氧的高传递速率与高利用率,用纯氧曝气技术代替空气曝气运用于污泥自热高温好氧消化稳定中,验证了该技术的可行性,并提高了曝气过程中氧的利用率。通过模拟单段式ATAD工艺进行批量试验,考察了污泥浓度、曝气量、搅拌速度对污泥稳定化过程的影响,以消化体系中VSS去除率为主要指标确定了ATAD工艺参数:污泥含固率5%~6%、曝气量1.67~1.78 L/(h·L污泥)、搅拌速度130~150 r/min。再通过优化的ATAD反应器进行了验证试验,在消化10.5 d后,系统中的VSS去除率为40.8%,温度升高至56.2℃。在0.3 W/cm~2的低强度超声波下辐照10 min,消化8.5天后,系统温度升高至58.3℃,VSS去除率达到42.1%,相比未超声预处理的试验组提前了2天达到稳定状态。消化完成后的污泥上清液中的TP、TOC、氨氮、蛋白质浓度发生了变化,其中上清液中TP浓度可以达到初始浓度的40%以下,而TOC浓度达到初始浓度的3~4倍,氨氮和蛋白质的浓度也远高于消化前。消化后污泥的脱水性能明显变差,且消化效果越好,其脱水性能反而越差。在合理的空气曝气情况下,同等供氧速率的纯氧曝气因过量的溶解氧浓度在高温环境中对微生物有抑制作用,而导致污泥自热式高温消化稳定化失败。在合理的纯氧曝气量下(空气曝气量的1/20),实现了污泥的自热式高温好氧消化稳定,氧气利用率高达82.7%,明显高于空气曝气的26.3%。不同的纯氧曝气量对污泥稳定的效果不同,当曝气量低于或高于最佳值时,都不利于污泥的稳定化。