污泥高溫好氧發酵的原理及影響因素

黃申斌 上海嘉定新城污水處理廠201806

1 污泥高溫好氧發酵的原理

城市污水廠脫水污泥本身就含有大量的細菌和真菌等。當溫度、水分、氧量等條件合適時，這些微生物大量繁殖，并分解污泥中的有機物。污泥的高溫好氧發酵過程實際上就是污泥中微生物發酵過程。不溶性大分子有機物則先附著在微生物體外，由微生物所分泌的胞外酶分解為可溶性小分子物質，再送入微生物細胞內被利用。堆體中基質的形態很復雜，只有分解為簡單形態才能為微生物利用。例如蛋白質的分解過程是：蛋白質-胨-肽-氨基酸-氨化物-細菌原生質及氮氣或氨氣。碳水化合物的分解過程是：碳水化合物-單糖-有機酸-二氧化碳與細菌原生質。通過微生物的生命活動—合成及分解過程，把一部分被吸收的有機物氧化成簡單的無機物，并提供生命活動所需要的能量，把另一部分有機物轉化合成新的細胞物質，使微生物增殖。當分解速度緩慢下降，釋放的熱量逐漸減少時，堆溫也逐漸下降。

其生化過程可用圖1表示。

圖1 好氧堆肥的生化過程

以下表達式描述了有機物的氧化和合成：

（1）有機物的氧化

不含氮的有機物CxHyOz：

含氮的有機物CsHtNuOv·aH2O：

式中堆肥成品 (CwHxNyOz·cH2O)與堆肥物料(CsHtNuOv·aH2O)之比為0.3到0.5,堆肥成品中各元素的數目為w＝5～10、x＝7～17、y＝1，z＝2～18。

（2）細胞質的合成 (包括有機物的氧化、并以NH3作為氮源)

（3）細胞物質的氧化

以纖維素為例，纖維素的好氧分解如下:

2.污泥高溫好氧發酵的流程

好氧堆肥技術是依靠專性和兼性好氧細菌的作用使有機物得以降解的生化過程。好氧堆肥具有對有機物分解速度快、降解徹底、堆肥周期短的特點。發酵過程分為一次發酵和二次發酵兩個過程。好氧堆肥的中溫（15～45℃）與高溫（45～65℃）兩個階段的微生物代謝過程稱為一次發酵或主發酵。它是指從發酵初期開始，經中溫、高溫階段后，溫度開始下降，且采取任何保溫措施都無法使溫度上升的整個過程，一般需要10～12d。經過一次發酵后，堆肥物料中的大部分有機物仍然存在，需將放置于通風環境中進行二次發酵，也稱后發酵，使其腐熟。在此階段溫度持續下降，當溫度穩定在40℃左右時即達到腐熟，二次發酵一般在20～30d左右便可以完成。由于好氧堆肥溫度高，可以滅活病原體、蟲卵和垃圾中的植物種子，使堆肥達到無害化。此外，好氧堆肥的環境條件好，不會產生難聞的臭氣。目前采用的堆肥工藝一般均為好氧堆肥。

近幾年我國在污泥堆肥方面的研究也取得了工藝技術方面的初步成果。天津市污水處理研究所在紀莊子污水處理廠進行的污泥高溫堆肥試驗研究中，探索出了一套少加甚至不加調節劑，且工藝簡單、便于操作管理的污泥堆肥工藝(見圖2)。同時，提出了工藝流程和技術參數，為生產線的設計與建設提供了技術依據。

圖2 污泥堆肥的工藝流程

3.污泥高溫好氧發酵的影響因素

污水處理廠污泥的堆肥化，是污泥在好氧的條件下，利用微生物對易于分解的有機物進行分解的過程。如果不受到農業生產利用方面的制約，原料污泥中所含有一定量的石灰、鐵鹽、鋁鹽等高分子絮凝劑，在堆肥處理的過程中，不會存在多大的障礙。但倘若在污泥處理過程中，添加的石灰過多，將會導致pH值過高，從而使堆肥化作業變得困難起來。為了提供微生物活動的適宜環境，原料中應具有一定的含水率、有機物量、pH值和透氣性等。

（1）含水率

水分是微生物生存環境十分重要的條件之一，必須保持一定的含水率。通常含水率高，其微生物的活性增大，便于進行有機物的分解。但倘若含水率過高，其透氣性便會顯著降低，又會使堆肥化中的好氧性反應，轉化為厭氧性狀態下的厭氧反應。自污水處理廠來的污泥，經過污泥處理工藝后，其污泥狀態，又因污泥處理過程的不同而各異。脫水后的污泥，其含水率約在65%～85%左右，大多在75%左右。而且脫水過程中，微生物的活動并未停止，但在污泥加熱脫水的過程中，其含水率可達45%以下，其好氧性發酵有時不能充分進行，含水率過低，微生物活動能力降低。因此，從微生物學考慮，好氧性發酵需要調整適宜的含水率。污泥含水率的調整方法需根據堆肥化的方法、污泥脫水時使用絮凝劑的種類等情況而選定。如采用投加絮凝劑脫水的時候，可向污泥原料中添加稻殼、植物屑等粗大有機物，以調整混合原料含水率達60%～70%，對于污泥脫水過程中添加石灰的情況，可采用自然干燥及與有機堆肥混合，調整其含水率在50%～65%狀態，或利用太陽能加熱蒸發方式，調整含水率。

C.Liang[20]在實驗中通過考察溫度和含水率對堆肥活動的影響時發現物料含水率對堆肥活動的影響要大于溫度的影響程度。50%的含水率是維持物料中微生物正常活動需要的最低值，當物料的含水率在60%～70%時微生物的活動最活躍。另發現物料含水率在30%～60%之間時，含水率越高，微生物活動越活躍。

（2）C/N比

C/N是微生物體細胞維持與增殖的主要因素，微生物體內(細菌)的C/N比約為5～10。通常平均為5～6，C含量增大，微生物的增殖會因N素不足而受到制約，從而減緩有機物的分解。通常C/N比較低時，堆肥化較易實施。而當原料中C/N比低于5以下，又會導致堆肥化難于實施，因此，C/N比的大小，直接影響有機物的分解速度。污水處理廠污泥的有機物組成，一般以蛋白質、油脂、纖維素等成份組成，同時，又因污水的種類、有無消化處理，污泥處理工藝情況的不同而相異。

一般消化污泥與混合污泥相比，有機物含量要低，碳水化合物、脂質的含水率也偏低，污泥中C/N比約在6～8左右，微生物的構成基本相同，作為發酵條件的營養成份(C/N)，能夠滿足微生物的活動。而對于污水處理廠污泥，有時C/N比處于10～20的范圍，要過分增大C/N比則是非常困難的。在C/N比較小的條件下，堆肥化作業過程中將產生部分NH3排入空氣，有時可能會帶來對周邊環境的污染。

（3）pH值

投加聚合物脫水的污泥，其pH值約在6～7，呈弱酸性，對堆肥發酵不會構成障礙。對于利用投加石灰脫水的污泥，脫水時添加FeCl3約為7%～15%，消石灰約為30%～50%，其pH值達到11～12，呈強堿性。在這種狀態下要進行好氧性發酵顯然不可能，可采用返送投加成品有機物堆肥。以降低pH值。并據發酵槽的種類、原料污泥發酵中的情況進行混合，該狀態下不必設置前調整用的中和裝置。發酵中產生的CO2會與Ca(OH)2發生化學反應。

（4）透氣性

對好氧性微生物而言，空氣的供給是不可缺少的，其發酵槽中的含氧量不應低于10%，過量地供給空氣會影響槽內原料的溫度升高。空氣的供給量應根據發酵槽內的含氧量及產生的CO2濃度情況，進行適度調節控制。

當脫水污泥直接投入發酵槽內時，由于污泥自重的壓縮，將使槽內堆積物之間的間隙顯著減少，失去良好的透氣性能。這種情況下會使好氧性微生物因缺氧而死亡，厭氧性微生物活躍起來，厭氧發酵將導致惡臭的發生。為了改善原料的透氣性，可采取以下兩種方式：

①添加輔助原料

向堆肥料中添加木屑、秸稈、稻殼等粗大有機物，以改善其透氣性能，或采取通過返送投加已發酵好的成品肥料進行混合，可取得同樣的效果。對于以城市垃圾與污水處理廠污泥混合為原料的堆肥發酵槽，能夠改善C/N比，調整含水率，改善透氣性等。

②調整粒度與返送混合

污水處理廠的脫水污泥，有的呈粘土狀，在發酵過程中，應進行攪碎、返送、混合，可以起到增加原料間隙、改善透氣性能的作用。

（5）接種菌種

將發酵完好的部份有機肥料進行返送，并與原料污泥混合，這與活性污泥法中回流剩余污泥所起的作用相似。但對于連續式發酵槽，在進入正常運轉狀態后，再添加菌種，便沒有太大實際效果。對于多段式發酵槽，在運轉開始時，添加菌種，則有利于促進發酵的進行。

（6）發酵時間

易于腐爛、發酵分解的有機物，通常在前發酵階段即可分解、穩定，稱為一次發酵，即前發酵。對于纖維等分解性較差的有機物，一般要在第二階段發酵分解，又稱為二次發酵即后發酵。雖然一次發酵與二次發酵的準確界面不易明確劃分，然而，一次發酵終結后，即使不中斷送氣，也會因其進行厭氧發酵而產生惡臭氣味。

一次發酵的時間，應在10～12d左右，隨發酵的原料狀況，發酵方法的不同而相異。其發酵時間的確定，有必要通過先期的試驗來進行，一般小型試驗槽與大型發酵裝置相比，其堆肥化時間偏短。

二次發酵的時間，則按堆肥的用途要求來確定，通常在要求較細化施肥的情況下，其二次發酵時間定在20d以上為宜。

結束語

脫水污泥含水率高，含大量病原菌和寄生蟲卵，如果任意堆放必將占用大量的土地，散發臭氣，造成二次污染，浪費資源。對于寸土寸金的上海來說，這個問題將尤為突出。將脫水污泥直接填埋，將會產生惡臭和易爆氣體，污染環境并造成安全隱患，各國法律都不允許，這就要求必須找到一種經濟合理的處理方法。

[1]劉慶余等.城市污泥發酵處理中微生物對有機物的降解[J].中國環境科學,1995,15(3):215-218.

[2]G.A.Kuteretc,Effects of aeration and temperature on composting of municipal sludge in a full-scale vessel system，J.WPCF,VOL.57，NO.4,April 1985.

[3]杜彥武.城市生活垃圾與糞便混合好氧堆肥化處理的試驗研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2003.

[4]T.Haug,Engineering principle of sludge composting，J.WPCF,VOL.51，NO.8,August 1979.