涪陵污水處理剩余污泥的好氧、厭氧兩種堆肥處理比較

陳科平 楊 瓊 楊季冬

（1.重慶市涪陵環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，重慶涪陵 408000）

（2.長(zhǎng)江師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，重慶涪陵 408100）

（3.重慶三峽學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶萬州 404100）

城鎮(zhèn)污水處理廠剩余污泥經(jīng)過資源化再處理，可作為農(nóng)業(yè)、林業(yè)、綠化用肥，均須滿足三個(gè)基本要求：一是污泥需經(jīng)全分析監(jiān)測(cè)有毒有害物質(zhì)含量不超過國(guó)家規(guī)定的污泥農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)控 Hg、Cd、Cr、Pb、As等重金屬絕不超標(biāo)；二是污泥必須經(jīng)過較嚴(yán)格的無害化處理，即除去污泥中的有毒有害有機(jī)物和重金屬；三是堆肥成熟產(chǎn)品中需含有較高的植物或作物所必需的營(yíng)養(yǎng)成分，即含有大量的礦質(zhì)元素和營(yíng)養(yǎng)元素，具有較高的肥料價(jià)值.污泥的無害處理方法有很多，其中最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的方法是堆肥發(fā)酵.

本文以涪陵城區(qū)污水處理廠剩余污泥為對(duì)象作好氧堆肥和厭氧堆肥實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)特征參數(shù)和優(yōu)劣進(jìn)行比較.涪陵城區(qū)污水處理廠日處理生活污水16.0 wt/d，可日產(chǎn)剩余污泥40.0 t/d.其組成與成分見下表.

表1 涪陵城區(qū)污水處理廠剩余污泥性質(zhì)

從表1可知涪陵區(qū)內(nèi)各污水處理廠的剩余污泥中含有豐富的有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，含氨態(tài)氮較多.除此之外還含有大量的難降解的含氮、硫有機(jī)物，重金屬，病原體和寄生蟲卵等有毒有害成分，其組成和性能不穩(wěn)定.如處置不及時(shí)或不斷累積將會(huì)對(duì)庫區(qū)環(huán)境和長(zhǎng)江生態(tài)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因而必須對(duì)這些污泥進(jìn)行合理妥善的處理處置.目前堆肥處置剩余污泥常見有兩種方式：好氧堆肥和厭氧堆肥，我們以實(shí)驗(yàn)室規(guī)模小試兩種過程以比較研究?jī)煞N結(jié)果，研究對(duì)象以日處理16.0 wt/d污水，日產(chǎn)干污泥約40.0 t的涪陵城區(qū)污水處理廠的脫水污泥（含水率為75%～80%）為樣本.以資后續(xù)研究和政府投資參考.

1 堆肥實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

兩個(gè)圓柱形堆肥反應(yīng)池相互串聯(lián)，一個(gè)用于好氧堆肥實(shí)驗(yàn)，另一個(gè)用于厭氧堆肥實(shí)驗(yàn).反應(yīng)池高1.0 m，柱半徑0.4 m（見圖1）.池中設(shè)置帶葉輪的攪拌軸，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌通氣均勻，池底為鐵絲網(wǎng)面及承托物架.分別在柱體高、中、低（距離底部分別為30 cm、40 cm、60 cm）部位設(shè)置三個(gè)采樣口，同時(shí)用熱電偶測(cè)定堆體溫度.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

強(qiáng)制通風(fēng)供氧為好氧堆肥實(shí)驗(yàn)，密閉封實(shí)發(fā)酵為厭氧堆肥實(shí)驗(yàn).兩個(gè)發(fā)酵反應(yīng)池先后啟動(dòng)，順序經(jīng)歷好氧和厭氧堆肥過程，循環(huán)通風(fēng)，交替輪流實(shí)驗(yàn).一般好氧堆肥7 d，厭氧堆肥15 d后切換.根據(jù)堆料含水率的要求，將污泥與調(diào)理劑按照一定的體積比例混合，混合均勻后裝入靜態(tài)堆肥反應(yīng)池，順次交替進(jìn)行兩種堆肥試驗(yàn)研究.

2 堆肥實(shí)驗(yàn)條件

2.1 適宜溫控和時(shí)間流程

根據(jù)相關(guān)要求堆肥至少要達(dá)到 55 ℃并保持 3天以上，才能保證殺滅堆肥中大腸桿菌及病原菌.堆肥過程中微生物分解有機(jī)物而釋放出熱量，堆溫經(jīng)歷上升、穩(wěn)定、下降三個(gè)過程.故好氧堆肥和厭氧堆肥的的溫控適宜范圍均在50～60 ℃.

好氧堆肥經(jīng)歷二次發(fā)酵，一般可控制在7 d內(nèi)完成；厭氧堆肥需有合成產(chǎn)酸和分解產(chǎn)氣兩步，最短也需控制在15 d內(nèi)完成.

2.2 適宜的含水量

堆肥發(fā)酵過程中水分參與微生物的新陳代謝，厭氧堆肥中水還要參與反應(yīng)，最后的分解反應(yīng)都要產(chǎn)生水，所以水在下部滲出，導(dǎo)致堆層中、上層水分少，下層水分多.水分蒸發(fā)散熱可調(diào)節(jié)堆肥溫度，還能直接影響堆肥反應(yīng)速度的快慢、堆肥的質(zhì)量，甚至關(guān)系到堆肥工藝的成敗.因故，一般認(rèn)為，好氧堆肥的最佳含水量為50%～60%，厭氧堆肥則在80%以上.

2.3 適宜的C/N比

微生物在新陳代謝中獲得能量需要C源，合成細(xì)胞蛋白質(zhì)需要 N源，可見微生物作用過程中對(duì)C/N比值的要求是很重要的.在微生物新陳代謝過程中，相當(dāng)多的碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳，另一些碳則轉(zhuǎn)為原生質(zhì)和儲(chǔ)存物.而氮主要在合成作用中轉(zhuǎn)成原生質(zhì).雖在兩種堆肥過程中初始碳氮比是有差異的，但均為決定分解速度的重要因素，實(shí)驗(yàn)表明初始碳氮比在 30～35︰1之間是最理想的.為了保證好氧堆肥適當(dāng)?shù)奶嫉燃八趾?，在堆肥前必須向堆肥污泥中加入鋸末、木屑、粉煤灰以及生活垃圾等富含有機(jī)質(zhì)的填充料.

2.4 控制通風(fēng)量

在串聯(lián)的兩個(gè)堆肥反應(yīng)池中，通風(fēng)控制間歇循環(huán)進(jìn)行.好氧堆肥須強(qiáng)制通風(fēng)，厭氧堆肥須密閉不通風(fēng).在堆肥的前期，通風(fēng)主要是為了提供微生物所需要的氧氣，以降解有機(jī)物.在堆肥的后期，則應(yīng)加大通風(fēng)量，蒸發(fā)水分以降低堆體溫度.厭氧過程中不需要通氧，在產(chǎn)氣階段需要及時(shí)排氣.

2.5 控制pH

在堆肥初始過程中pH值最好在6.5左右，最后待堆肥腐熟時(shí)的pH值應(yīng)為8左右.加入不同類型的填充劑對(duì)堆肥混合物的pH值有較大影響，石灰可以防止pH值的降低，鋸末或桐殼灰可以避免pH升高.好氧或厭氧堆肥的pH值均應(yīng)控制在6～9之間最合適.

3 兩種堆肥的特點(diǎn)比較

好氧堆肥是在有氧的條件下，好氧微生物通過自身的生命活動(dòng)促進(jìn)氧化、還原及合成等過程，氧化被吸收的有機(jī)物成簡(jiǎn)單的無機(jī)物，還原高價(jià)態(tài)為低價(jià)態(tài)，并放出生物生長(zhǎng)活動(dòng)所需要的能量；同時(shí)合成轉(zhuǎn)化新的細(xì)胞質(zhì)，繁衍壯大微生物自身.一般一次發(fā)酵在2～4 d左右，二次發(fā)酵在3～7 d便可完成.由于好氧堆肥溫度高，可以滅活病原體、蟲卵，使堆肥達(dá)到無害化.但由于好氧堆肥必須通氧，因此堆制成本并不低.

厭氧堆肥要在無氧條件下，厭氧微生物分解污泥中有機(jī)物主要經(jīng)歷合成酸化和分解產(chǎn)氣兩個(gè)階段，共需漫長(zhǎng)的 15～30 d.在酸化過程中，菌、產(chǎn)氫產(chǎn)酸菌將水解產(chǎn)生的小分子物質(zhì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為醋酸等揮發(fā)性脂肪酸，以及醇類、氨、二氧化碳、硫化物、氫和能量，并形成新的細(xì)胞物質(zhì).在分解過程中微生物分解有機(jī)酸和醇，生成甲烷和二氧化碳，pH值迅速上升，產(chǎn)生大量的沼氣.

4 兩種堆肥的參數(shù)特征

評(píng)判堆肥的腐熟度和成效要求是：（1）在微生物協(xié)同作用下，有機(jī)質(zhì)礦化、固化，腐殖化，堆肥從而達(dá)到穩(wěn)定化、無害化；（2）使用成熟的堆肥不影響土壤耕作和作物生長(zhǎng)，不會(huì)傳遞轉(zhuǎn)移積累有害成分，沒有對(duì)植物的有害成分和動(dòng)物病原菌，堆肥安全使用可資源化.堆肥成效評(píng)價(jià)有物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)的眾多指標(biāo)，以下為實(shí)驗(yàn)室測(cè)定好氧堆肥和厭氧堆肥的成效參數(shù).

4.1 物理指標(biāo)

堆體溫度變化主要經(jīng)歷三個(gè)階段，即升溫期、持續(xù)高溫期、降溫期、穩(wěn)定期.在一定程度上堆體溫度可以反應(yīng)堆肥的進(jìn)程，因此要評(píng)價(jià)堆肥腐熟度，溫度是一個(gè)直接指標(biāo)（如表2）.

4.2 化學(xué)指標(biāo)

若堆肥腐熟，應(yīng)含有較低的碳氮比，富含一定的銨態(tài)氮，有機(jī)酸的變化以及有一定的含水率變化.按好氧堆肥7 d、厭氧堆肥15 d完成后取樣，分析按《土壤和農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法》操作（如表3）.

4.3 生物學(xué)指標(biāo)

堆肥過程中，腐殖質(zhì)的形成，生化需氧量（BOD5）的降低，微生物種群數(shù)量增加至穩(wěn)定，都是堆肥腐熟的衡量指標(biāo).同樣在堆肥完成后取樣，我們以近紅外光譜法分析得到堆肥的BOD5值（如表4）.

表2 剩余污泥堆肥后的溫度、顏色及氣味變化

表3 剩余污泥堆肥后的化學(xué)指標(biāo)變化

表4 剩余污泥堆肥后的生物學(xué)指標(biāo)變化

5 兩種堆肥的優(yōu)勢(shì)比較

好氧堆肥是通過微生物吸收有機(jī)物質(zhì)的生物活動(dòng)，溶解轉(zhuǎn)化降解有機(jī)物質(zhì)，在氧化還原污泥有機(jī)質(zhì)的同時(shí)，將一部分有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化合成同化為細(xì)胞生物質(zhì).好氧堆肥可控制、易操作，具有對(duì)有機(jī)物分解速度快、降解徹底、堆肥周期短的特點(diǎn).還由于好氧堆肥溫度高，可以滅活病原體、蟲卵，好氧堆肥發(fā)酵所產(chǎn)生的氣味很小，使堆肥達(dá)到無害化，消除難聞的臭氣，不惡化環(huán)境.但由于好氧堆肥必須通氧運(yùn)行，因此堆制成本較高.

厭氧堆肥是在無氧條件下，厭氧菌分解污泥中有機(jī)物，在分解初期產(chǎn)酸，有機(jī)酸積累，pH值下降.其后是甲烷菌開始分解有機(jī)物和醇，產(chǎn)物是甲烷和二氧化碳.隨著甲烷菌的繁殖，有機(jī)酸迅速分解，pH值又迅速上升，此分解為堿性發(fā)酵階段.經(jīng)厭氧堆肥處理，污泥形態(tài)由粘結(jié)塊狀變?yōu)槭杷煞稚?，且顆粒均勻.銨態(tài)氮含量也大大提高，且還有一定的磷和鉀，更有利于植物吸收，適用于農(nóng)業(yè)用肥和土壤的改良.厭氧堆肥同時(shí)產(chǎn)生甲烷為主的沼氣，可提供清潔能源，但厭氧堆肥耗時(shí)較長(zhǎng).

無害化堆肥處理可以改變污泥的重金屬元素的形態(tài)，但不能降低其中的重金屬元素的含量.可對(duì)污泥處理過程作進(jìn)一步的改進(jìn)，在堆肥前加入鋸末和粉煤灰等鈍化調(diào)理劑，在堆肥過程中將重金屬尤其是Pb、Cd、Hg等離子轉(zhuǎn)型失活穩(wěn)固在鈍化態(tài)中，從而降低重金屬的活性含量，提高污泥資源的利用率.

污泥堆肥后期應(yīng)采取一定的化學(xué)方法除臭，在調(diào)節(jié)pH值的同時(shí)，加入比表面積較大生物化學(xué)填料，通過生物化學(xué)作用除臭，增加泥土氣息，使堆肥結(jié)果更為親善.

6 好氧厭氧交替堆肥展望

綜合好氧堆肥和厭氧堆肥的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，為了更好地處置剩余污泥，使之無害化、穩(wěn)定化，實(shí)現(xiàn)資源化，我們也初步探索了交替式好氧厭氧堆肥的處置技術(shù).具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)施是改進(jìn)本實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)堆肥反應(yīng)池，將其串聯(lián)交替使用，厭氧堆肥所產(chǎn)生的沼氣可返回到好氧堆肥作為加熱能源使用，從而使兩種堆肥方式有機(jī)聯(lián)動(dòng)，優(yōu)劣互補(bǔ)，堆肥成效更顯著，資源化利用效率更高.

在人工控制條件下好氧堆肥利用微生物的代謝作用，將有機(jī)固體廢物分解、腐熟，轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的腐殖土.而厭氧發(fā)酵是在微生物作用下的生物氧化還原反應(yīng)，其過程包括液化階段，產(chǎn)酸和產(chǎn)氣階段.根據(jù)其機(jī)理，我們探索研發(fā)交替好氧厭氧堆肥技術(shù)并應(yīng)用于剩余污泥處置.實(shí)驗(yàn)突出在污泥和有機(jī)質(zhì)添加劑及鋸末和粉煤灰等鈍化調(diào)節(jié)劑的比例篩選上，最佳堆體溫度控制，好氧菌種和厭氧菌種添加量等影響因素的加強(qiáng)優(yōu)化試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)重金屬離子的消除鈍化失活穩(wěn)固，以及堆肥后期的除臭也納入進(jìn)一步的探索中.本實(shí)驗(yàn)的目的是進(jìn)一步探索交替好氧厭氧堆肥技術(shù)應(yīng)用在城市污泥和有機(jī)垃圾堆肥處理過程中的相關(guān)參數(shù)變化與堆肥過程的影響因素，為交替式好氧厭氧堆肥的應(yīng)用提供技術(shù)支持.

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