兩種污泥堆肥通風控制方式對比研究

張華，呂德龍，朱冬梅

(1.山東建筑大學山東省高等學校給水排水工程綜合實驗室，山東 濟南 250101;2.山東建筑大學土木工程學院，山東 濟南 250101)

隨著污水處理的迅速發展，污水污泥的無害化處置已經引起廣泛重視[1]。脫水污泥中含有大量有機質和營養元素，經高溫堆肥處理后特別適合于做土壤改良劑，用于農林牧地的土壤保養和改良修復[2－3]。同時，隨著城市園林綠化面積的不斷擴大，在綠化植被日常養護過程中所產生的草坪修剪物、落葉、枝條等園林綠化廢棄物的產量也越來越大。而園林綠化廢棄物的主要成分為有機物質，是一種具有很高潛在利用價值的有機資源。將脫水污泥與園林廢物混合后進行高溫好氧堆肥處理，堆肥產品回用到林地和城市綠化中，不僅可以同時解決兩種廢物污染環境的問題，同時實現兩種廢物的資源化利用的良性循環，符合物質生態循環的規律，具有重要的社會價值和環境保護意義[4－6]。因此，開發和推廣適合我國國情的脫水污泥與園林廢物的堆肥化技術，對于環境污染防治和循環經濟發展具有重要意義。污泥堆肥技術在國內外已有許多研究[7]，由于受堆肥原材料組成、堆肥工藝及經濟能力等的限制，有關堆肥研究成果應用于工程實踐時，一些關鍵性技術問題還有待進一步深入探索。通風是堆肥運行時最重要的控制參數，合理有效的通風不僅可為堆肥微生物提供必需的氧氣，還可以保持適宜的堆體溫度、去除水分、控制惡臭、提高堆肥效率、降低能耗和保證堆肥質量[8]。通風控制方式主要可分為時間控制、時間—溫度控制、O2或CO2含量的反饋控制以及溫度和O2含量的反饋控制等四種方式[9]，魏源送等[10]對通風控制方式作了較為全面的比較分析，根據我國國情，堆肥系統采用時間控制和時間—溫度反饋控制的通風方式比較經濟適宜。本研究將城市污水處理廠脫水污泥和園林廢物青草混合后進行高溫好氧堆肥，對時間控制和時間—溫度聯合控制兩種通風控制方式對堆肥過程的影響進行了對比研究，量化了兩種通風控制方式下堆肥效果的差異，確定了較佳的通風控制方式，以期更合理的控制堆肥過程，優化好氧堆肥工藝，為開發適合我國國情的堆肥工藝提供理論支持。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

所用污泥是取自濟南市某水質凈化廠的污泥脫水間內脫水后的生污泥。采集校園綠化草坪的青草作為污泥堆肥的調理劑，為保證采樣分析的代表性，堆肥堆料混合前將青草破碎為3～5cm長。污泥和青草的性質見表1。

1.2 試驗裝置

污泥堆肥裝置如圖1，反應器為圓筒狀，材質為聚丙烯(PP)，尺寸為φ600mm×1000mm，堆體高度800mm，容積約0.2m3。裝置下部設置布氣室，底部設滲濾液排出口;在反應器壁上，距污泥堆體頂部和底部各200mm處設置兩個采樣口，并每隔200mm設置三個溫度檢測口;頂部加蓋密封用于裝填污泥混合堆料，并設置氣體排出口。

圖1 實驗裝置示意圖

1.3 試驗方法

將城市污水處理廠脫水污泥與青草按8∶1(濕基質量比)比例充分混合后進行高溫好氧堆肥，污泥、青草和混合堆料的性質測定見表1。試驗分兩個工況:工況1為時間控制，通過TB—1025微電腦時控開關實現;工況2為時間—溫度聯合控制，即在TB—1025微電腦時控開關實現時間控制的同時，通過HYG—6402溫度控制儀實現溫度控制，溫度設定值為60℃，當堆體溫度高于60℃時，溫度控制儀啟動鼓風機對堆體進行持續鼓風，直至溫度降至60℃以下，時間控制貫穿整個堆肥過程。兩工況中的通風量均為0.2 m3/(min·m3)，間歇通風，通風時間為 40min，停20min。每天定時采集混合堆料樣品，分析其性質，對照兩個工況下堆肥進程及腐熟周期的差異。

表1 堆肥物料的性質

1.4 檢測方法

分析檢測堆肥過程中混合堆料的溫度、pH值、氨氮、總氮、總有機碳、種子發芽指數等指標，方法分別為:溫度采用水銀溫度計進行測定;pH采用HI98128精密pH計測定[11];采用 KCl浸提納氏試劑光度法[12];TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[11];TOC采用電熱板加熱—K2Cr2O7容量法[13];種子發芽指數采用靈敏度較高、發芽時間短的陽春白菜種子進行發芽試驗[14]。

2 結果與討論

2.1 不同通風控制方式下堆體溫度的變化

不同通風控制方式下，堆體各層溫度的變化見圖2和圖3。兩種控制方式下，在堆肥初期堆體溫度上升明顯，都在第2天達到了最高溫度。之后隨著堆體中微生物可利用營養成分的氧化分解減少，堆體溫度整體開始下降。時間控制下在第14天時堆體溫度趨于穩定并接近室溫。時間—溫度聯合控制下第12天時接近室溫，略高于室溫并隨室溫變化而變化。

圖2 時間控制下堆料溫度的變化

兩種控制方式下，堆體溫度在55℃均保持3d以上，或者50℃以上保持5～7d，滿足殺滅堆體中致病微生物的要求，保證了堆肥的衛生學指標合格和堆肥腐熟的重要條件。僅時間控制下，堆體中部和下部出現了70℃以上的高溫并持續了2d，而在時間—溫度聯合控制下，溫度控制有效的控制了堆體過高溫度的出現，未出現70℃以上的高溫，避免了過高溫度對堆體中有益微生物的殺滅作用。

圖3 時間—溫度聯合控制下堆料溫度的變化

2.2 不同通風控制方式下堆體氮元素的變化

2.2.2 總氮(TN)的變化

不同通風控制方式下堆體總氮(TN)的變化見圖5。由于微生物通過氨化作用、硝化作用以及反硝化作用對堆料中的有機氮進行氮的轉化、固定及釋放等共同作用下，在堆肥初期兩種狀態下的TN變化不明顯，之后兩種工況下TN含量都出現了明顯的下降，氮損失率逐漸增加，堆肥末期TN含量下降逐漸減緩，并慢慢穩定，第17天堆肥結束時兩種工況下TN 的含量分別為7.24mg/g和8.24mg/g，最終氮的損失率分別為49.53%和42.67%。氮含量的降低直接導致堆肥肥效的下降，使污泥最終資源化利用價值降低。因此，堆肥條件的控制對減小氮元素的損失至關重要[16]。時間—溫度聯合控制方式下的氮元素的損失率低于時間控制方式下的。

圖4 不同通風控制方式下堆料的變化

圖5 不同通風控制方式下堆料總氮的變化

2.3 不同通風控制方式下堆料總有機碳(TOC)的變化

不同通風控制方式下總有機碳的變化見圖6。由于同時存在著有機質被微生物分解轉化為CO2、H2O等更穩定的低分子產物的作用，以及微生物利用中間產物合成自身物質的作用，堆肥過程中堆料的TOC呈現波動下降趨勢，最終第17天堆肥結束時，時間控制和時間—溫度聯合控制方式下堆料TOC的含量分別降至13.44%和19.29%，相當于有機質含量 23.17%和 33.26%，降解率分別為43.32%和31.55%。污泥作為綠化基質使用時有機質含量的最低限值為25%[14]，時間控制下有機質降解率雖然更高，但肥效降低，有機質含量低于了國家標準[14]要求。而時間—溫度聯合控制方式下堆肥的有機質含量符合要求。

圖6 不同通風控制方式下堆料有機碳的變化

2.4 不同通風控制方式下種子發芽指數(GI)的變化

種子發芽率可以作為一種對植物毒性最敏感、最有效、且最能反映堆肥產品腐熟度的指標，所以可以通過種子發芽指數檢測堆肥浸提液的生物毒性的方法來評價堆肥的腐熟程度[17－18]。國外較早的研究認為，當GI＞50%時說明堆肥已腐熟并達到了可接受的程度，即基本沒有毒性[19－20]。但是隨著堆肥毒性相關研究的開展，眾多研究者普遍認為，在所有情況下，當GI達到80% ～85%時，堆肥就可以認為沒有植物毒性或者說堆肥已腐熟[14，21]。而我國標準[14]要求污泥GI＞60%時方可資源化用作綠化基質[22－23]。

圖7 不同通風控制方式下GI值的變化

兩種工況下GI的變化如圖7，都經歷了先下降后逐漸上升的過程。即在堆肥過程中，存在堆料的生物毒性抑制種子發芽和生物毒性逐漸消失兩個階段。這是因為在堆肥初期，堆體中的有機物快速分解產生了大量的揮發性有機酸、醛類、多酚及氨氮等物質，對植物具有一定的毒性，抑制和阻礙了種子的發芽和生長。隨著堆肥過程繼續進行，堆體中的揮發性有機酸等物質逐漸被微生物分解和轉化，堆肥對種子發芽的抑制作用逐漸減弱，堆肥腐熟度不斷增加，兩種工況下的堆肥GI值分別于第8天和第7天升至60%以上，但是此時GI波動較大，不穩定，當兩種工況堆肥分別進行到第13天和第11天時，GI值升至83.46%和88.02%，并趨于穩定，第17天堆肥結束時已完全達到腐熟狀態。時間—溫度聯合控制通風方式下植物毒性消失得更早。

綜合以上各指標的變化認為，時間—溫度聯合控制通風方式下污泥堆肥的最佳腐熟周期為12d，時間通風控制方式下污泥堆肥的最佳腐熟周期為14d。

3 結論

兩種控制方式下，堆肥溫度均可達55℃，并維持3d以上;時間—溫度控制方式對堆肥過程中堆體溫度的控制比僅時間控制更有效。時間—溫度控制下濃度比時間控制下提前1d達到堆肥腐熟(≤0.43mg/g)的要求，同時氮損失率42.67%少于時間控制下的49.53%，而有機質含量符合資源化標準要求。時間—溫度聯合控制下GI值在第8天升至60%以上，植物毒性消失得更早，GI穩定超過80%時的最佳腐熟周期為12d，而時間通風控制方式下GI值在第7天升至60%以上，最佳腐熟周期為14d。因此，時間—溫度聯合控制方式與時間控制方式相比，具有更好的溫度控制效果、更高的堆肥產品有機物含量、更低的氮損失率和更短的堆肥周期。時間—溫度聯合控制方式優于時間控制方式。

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