城市污水廠污泥快速高效堆肥技術(shù)研究_secret

1、城市污水廠污泥快速高效堆肥技術(shù)研究摘要：城市污水廠污泥由于產(chǎn)生量大且成分復(fù)雜，如何對它進行穩(wěn)定化、無害化處理已越來越受到人們的關(guān)注。本研究基于好氧發(fā)酵倉式堆肥系統(tǒng)，研究了城市污泥處理過程中溫度、含水率、pH、有機質(zhì)、水溶性有機碳和發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)參數(shù)的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明: 當(dāng)物料初始含水率控制在60左右時，在強制通風(fēng)量300L/min，攪拌頻率5min/8hr5min/12hr的工藝條件下，堆肥過程可以實現(xiàn)順利升溫并在55以上維持4天，滿足殺滅致病菌要求的條件；14天反應(yīng)周期結(jié)束時，物料含水率、水溶性有機碳和有機質(zhì)含量顯著降低，堆肥產(chǎn)品腐熟，衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)達到了美國EPA污泥產(chǎn)品A類標(biāo)準(zhǔn)；得到的

2、污泥產(chǎn)品成為性質(zhì)優(yōu)良的土壤質(zhì)量調(diào)節(jié)劑。關(guān)鍵詞：污泥；堆肥；調(diào)理劑；強制通風(fēng)Study on Rapid and High-efficiency Composting of Sewage SludgeAbstract：A great deal of municipal sludge has been producing annually, and its components are very complex. How to stabilize and dispose sewage sludge harmlessly is becoming more and more important. Th

3、e changes of chemical parameters, such as temperature, moisture, pH, organic matter, water soluble organic carbon and germination index were studied during the whole composting process. The optimal technological condition for composting were determined, under which the water content of initial mater

4、ials, forcedventilation volume and mixing frequency were 60%, 300L/min and 5min/8hr5min/12hr,respectively. The results indicated that the temperature could reach 55 rapidly and lasted 4 days, it could meet the demand of sterilizing. The water content, water soluble organic carbon(WSOC) and organic m

5、atter reduced significantly during the composting process. In addition, the composing products in 14 days were almost mature, and could meet the class A hygienic standard of US EPA. The obtained composting products should become better regulator for soil fertility.Key words：sludge；composting；amendme

6、nt；forcedventilation1 前言城市污泥是指城市生活污水、工業(yè)廢水處理過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，是城市污水處理廠的經(jīng)常性產(chǎn)物。自1857年在英國倫敦建立世界上第一個污水處理廠以來，污泥的處理問題一直是市政管理中的重要問題之一。目前世界年產(chǎn)污泥量已超過1億噸（干污泥），我國排放干污泥約為667萬噸。根據(jù)國家環(huán)境保護“十五”計劃，到年，我國城市生活污水集中處理率要達到，萬人口以上的城市要達到；到年，所有城市的污水處理率不得低于，直轄市、省會城市、計劃單列市和風(fēng)景旅游城市的污水處理率不得低于。據(jù)2003年中國環(huán)境狀況公報，全國工業(yè)和城鎮(zhèn)生活污水年排放總量為460.0億噸，建設(shè)部有關(guān)部門

7、統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2000年全國有城市污水處理廠427個，2003年增加到612個，目前我國城市污水處理率為42。因此，隨著污水處理量的提高和處理程度的深化，污泥的產(chǎn)生量必將有較大的增長，如何合理地處置污水廠污泥，解決大量污泥的出路已成為非常緊迫的任務(wù)。若處理不當(dāng)將會給生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的影響，因此污泥的處置和利用，已經(jīng)成為環(huán)境領(lǐng)域的重要研究課題。污泥堆肥與其他處理方法，如填埋、焚燒相比，具有建設(shè)投資少，運行費用低，無二次污染等優(yōu)點，適合于我國國情。本研究針對好氧發(fā)酵倉式堆肥系統(tǒng)，研究了城市污泥堆肥過程中溫度、含水率、pH、有機質(zhì)、水溶性有機碳（Water Soluble Organic Carbo

8、n，WSOC）、發(fā)芽指數(shù)（Germination Index）等指標(biāo)參數(shù)的變化規(guī)律，以利于進一步優(yōu)化該堆肥工藝參數(shù)和提出合理的腐熟度評價指標(biāo)。2 材料與方法2.1 污泥堆肥實驗裝置根據(jù)污泥好氧堆肥處理的要求，采用的反應(yīng)器如圖1所示。進風(fēng)口采用空氣泵強制通風(fēng)，出風(fēng)口采用三通，便于氣體采樣和排除冷凝水。該反應(yīng)裝置具有可控制時間的攪拌混合和外加熱功能。圖1 污泥堆肥反應(yīng)器示意圖2.2 堆肥原料及堆料配比（1）堆肥原料 選取上海市某水質(zhì)凈化廠內(nèi)的脫水污泥作為研究對象。該廠主要處理生活污水（約90%），另外還有少量食品加工廢水（約10%），采用普通活性污泥法處理，剩余污泥采用陰離子混合型絮凝劑調(diào)節(jié)后帶式

9、壓濾脫水，污泥含水率在80%左右。具體的基本性質(zhì)參數(shù)見表1所示。表1 某污水廠污泥的基本性質(zhì)指標(biāo)數(shù)值指標(biāo)數(shù)值指標(biāo)數(shù)值含水率，%804C/N8-10pH6.5-7.0揮發(fā)性固體，%50-60水溶性總氮，g/kgDM3.0-6.0有機質(zhì)，g/kgDM500-700殘渣，%20總油，g/kgDM55-60優(yōu)先控制污染物ND大腸桿菌，MPN24000Zn，mg/kgDM1652.7Cd，mg/kgDM17.4注： DM-Dry Matter（干物質(zhì)）； ND-Not Detected（未檢出）。（2）堆肥調(diào)理劑 本實驗所選調(diào)理劑為木屑，含水率約15，有機質(zhì)約84。根據(jù)堆料的含水率控制要求，通過物料衡算

10、（以堆料含水率控制為依據(jù)）確定污泥與木屑的質(zhì)量比，并加入一定量的回流污泥，使攪拌后的初始物料含水率在60左右，同時加入適量的強化菌劑。本研究采用的堆料組成和工藝運行參數(shù)見表2。表2 堆料組成和工藝運行參數(shù)工況編號原泥調(diào)理劑強化菌劑回流物料初始含水率強制通風(fēng)量攪拌1100 kg20 kg15mL40kg59.0300L/min5min/12hr2100 kg25 kg15mL40kg58.3300L/min5min/8hr2.3 采樣和分析方法采樣時間在堆肥試驗開始的第114天，每天采樣一次，每次采樣約1kg。采用多點混合法，將采集的樣品混勻后，裝入干凈的密封袋中，部分新鮮樣品在4冰箱內(nèi)保存，2

11、4小時內(nèi)分析完畢；另一部分樣品平鋪在托盤中自然風(fēng)干，研磨過篩后進行分析，樣品各化學(xué)指標(biāo)的分析方法見表3。表3 堆肥過程化學(xué)指標(biāo)及其分析方法化學(xué)指標(biāo)測試條件儀器和分析方法樣品含水率/%105下24h減重（DHG-9030A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱）鮮樣pH1：10蒸餾水浸提玻璃電極（pHS3）風(fēng)干樣有機質(zhì)VS/%550灼燒4hKSW-4-12型馬福爐烘干樣WSOC1：10蒸餾水浸提TOCCPN測定儀，SHIMADZU (日本)風(fēng)干樣2.4 發(fā)芽實驗發(fā)芽實驗?zāi)壳俺Ｓ玫膬煞N方法是干樣法和濕樣法，其中濕樣法因簡單、快捷而較為常用，該方法已被意大利政府用作評價有機廢物和糞便堆肥腐熟度的標(biāo)準(zhǔn)1，2。本研究采用

12、濕樣法，具體方法為：新鮮樣品與蒸餾水按1：10（W：V）比例混合振蕩2h，浸提液在5000r/min下離心分離20min，上清液經(jīng)濾紙過濾后待用，將一張濾紙置于干凈無菌的9cm培養(yǎng)皿中，濾紙上整齊擺放10粒F1代華王青梗菜種子（日本進口），準(zhǔn)確吸取3ml濾液于培養(yǎng)皿中，在25，暗箱中培養(yǎng)48h，每個樣品做3個重復(fù)，并同時用去離子水作空白對照，發(fā)芽指數(shù)GI（Germination Index）可由下式計算：發(fā)芽指數(shù)GI（Germination Index）可由下式計算：3 結(jié)果與討論3.1 堆肥過程中溫度的變化堆料中的有機質(zhì)在微生物的作用下用于其細胞合成，同時分解為CO2和水，在此過程中產(chǎn)生大量

13、熱量使堆體溫度上升。因此，溫度是堆肥得以順利進行的重要因素。一般認(rèn)為，堆體溫度在55條件下保持3天以上（或50以上保持57天），可以殺滅堆料中所含病原菌，滿足堆肥衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)和堆肥腐熟的要求3，4。本實驗堆肥溫度變化如圖2所示，堆肥開始后溫度上升迅速，1天后即可達到55，55以上維持了4天。高溫期階段過后，隨著易降解有機物質(zhì)的逐漸耗盡，微生物活動無法產(chǎn)生足夠熱量，堆體溫度逐漸降低，13天后接近或降至環(huán)境溫度。工況1和工況2前6天溫度曲線基本相近，但第7天開始出現(xiàn)較大差別，工況2堆體溫度下降緩慢，而工況1溫度急劇下降，究其原因：分析認(rèn)為這主要與工況2木屑含量較高，能夠為反應(yīng)后期生物反應(yīng)提供充足的碳

14、源有關(guān)；當(dāng)然工況2平均氣溫比工況1高9左右也是原因之一。堆肥結(jié)束時，物料重量大大降低，如工況1物料由開始時的160kg降為75.6kg，減少50以上。此時，污泥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)松散，顏色逐漸從初期的黑色變成黃褐，臭味消除，并呈泥土氣味。圖2 堆肥過程中溫度隨時間的變化3.2 堆肥過程中含水率的變化堆肥過程中有機物氧化產(chǎn)生CO2和水，同時微生物生物反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱，水分以水蒸氣的形式通過通風(fēng)和攪拌而蒸發(fā)，含水率的變化是這兩方面因素綜合的結(jié)果。圖3是實驗所得的堆肥含水率變化曲線，堆肥含水率從初期的59.0和58.2下降到了堆肥周期結(jié)束時31.2和40.1，含水率降低十分顯著，這說明所采用的堆肥工況是合理的

15、。圖3 堆肥過程中含水率和pH隨時間的變化3.3 堆肥過程中pH值的變化根據(jù)美國環(huán)保局（USEPA）的規(guī)定，污泥與調(diào)理劑的pH值應(yīng)在69之間5。適宜的pH值可使微生物有效地發(fā)揮作用，保留堆料中有效氮成分，pH值過高或過低都會影響堆肥的效率。堆肥過程中，堆料中的含氮有機物分解后產(chǎn)生氨氣會導(dǎo)致pH值升高，而當(dāng)有機酸產(chǎn)生時則會導(dǎo)致pH值下降。而圖3表明本試驗中pH值變化基本維持在中性范圍內(nèi)，不需對堆料的pH值進行調(diào)整。3.4 堆肥過程中WSOC和VS的變化微生物不能直接利用堆料中的固相成分，需通過微生物分泌胞外酶將堆料中的可降解成分水解為水溶性成分才能加以利用。通過研究水溶性成分的變化，可以判斷堆肥

16、的腐熟度。圖4是堆肥過程中WSOC的變化情況。在高溫期內(nèi)，由于微生物的大量繁殖，堆料中的纖維素、蛋白質(zhì)等有機大分子物質(zhì)在胞外酶的作用下發(fā)生水解，轉(zhuǎn)化為小分子的糖類、有機酸、氨基酸、肽、酚類等，故WSOC含量有所升高；隨著這些易降解有機質(zhì)被微生物合成自身物質(zhì)及轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，WSOC含量逐步降低，堆肥后期WSOC略有上升，這可能由于污泥中部分非水溶性有機質(zhì)在堆肥腐熟階段經(jīng)過降解轉(zhuǎn)化為水溶性有機質(zhì)造成的。整個堆肥過程結(jié)束時，工況1和工況2的WSOC分別下降了54.3和48.2。圖4是本實驗堆肥過程中VS的變化曲線，VS隨堆肥的進行而逐漸下降，降解主要發(fā)生在高溫期，VS下降主要是由于易生物降解

17、有機物轉(zhuǎn)化為CO2和H2O的緣故，在整個堆肥過程中VS下降了10.0；從整個堆肥過程來看，WSOC的降解率要高于VS。由此可見，污泥堆肥過程中水溶性有機碳組成與結(jié)構(gòu)的變化較之固相組分VS更能靈敏的反映堆肥腐熟狀況。圖4 堆肥過程中WSOC和VS隨時間的變化3.5 堆肥過程中GI的變化種子發(fā)芽指數(shù)是通過測試堆肥浸出液的生物毒性來評價污泥堆肥的腐熟度。一般認(rèn)為，污泥濕樣品發(fā)芽指數(shù)大于50即表明該堆肥產(chǎn)品已達到腐熟2，6。本實驗選擇靈敏度較高、發(fā)芽時間短的F1代種子華王青梗菜（日本進口）進行污泥堆肥的發(fā)芽實驗。圖5表明了堆肥過程中GI的變化規(guī)律：從總體上來看，工況2污泥堆肥發(fā)芽指數(shù)先降低后升高，在第

18、五天時發(fā)芽指數(shù)達到最低點。分析認(rèn)為：這時污泥堆肥處于高溫期，會產(chǎn)生一定量的NH4和有機酸、醛類等物質(zhì)7，這些物質(zhì)對種子發(fā)芽可能產(chǎn)生一定的抑制作用。Zucconic等2也發(fā)現(xiàn)能明顯抑制種子發(fā)芽的物質(zhì)主要出現(xiàn)在高溫期。隨著堆體溫度的降低，NH4和有機物濃度的亦逐漸降低，堆肥對種子發(fā)芽的生物抑制作用降低，GI逐漸升高。至堆肥結(jié)束時，發(fā)芽指數(shù)可達60左右，這表明14天后污泥堆肥達到腐熟。而工況1經(jīng)14天后堆肥出料GI達69。圖5 堆肥過程中發(fā)芽指數(shù)隨時間的變化3.6 衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)美國EPA將污泥產(chǎn)品規(guī)定為A/B兩類，其中B類（76%）主要用于非食物鏈的使用，A類（12%）可以裝袋銷售和進行農(nóng)業(yè)利用。但E

19、PA嚴(yán)格規(guī)定A類產(chǎn)品必須進行附加病原體去除工藝，要求A級產(chǎn)品中的糞便大腸菌濃度1000MPN/gDM，沙門氏菌濃度3MPN/4gDM，侵入性病毒1PFU/4gDM，蛔蟲卵1個/4gDM。本研究獲得的堆肥產(chǎn)品經(jīng)上海市楊浦區(qū)疾病預(yù)防控制中心分析，大腸菌群降低到0.5MPN/gDM，蛔蟲卵殺滅率達100%，未發(fā)現(xiàn)沙門氏菌等致病細菌，污泥堆肥產(chǎn)品所有衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)均能達到美國EPA規(guī)定的A級污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)。4 結(jié)論 （1）通過實驗研究，獲得城市污泥快速高效好氧堆肥合理配料比為：污泥：木屑：回料： VT菌劑= 100kg：2025kg：40kg：15mL相應(yīng)的工藝參數(shù)為：強制通風(fēng)量300L/min，攪拌頻率5min/8hr5min/12hr，反應(yīng)周期14天。在此條件下，好氧堆肥過程可以實現(xiàn)順利升溫，堆肥高溫期（55以上）持續(xù)了4天，14天后堆料基本腐熟，衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)達到了美國EPA污泥產(chǎn)品A類標(biāo)準(zhǔn)。（2）堆肥物料初始含水率的高低，直接影響著好氧堆肥的速度和質(zhì)量，甚至關(guān)系到整個堆肥過程的成敗，本實驗中將堆肥初始含水率控制在為60左右較為適宜。 （3）污泥堆肥過程中，含水率、有機質(zhì)、水溶性有機質(zhì)明顯降低；pH值的變化基本維持在