不同通風量對城市污泥與鋸末共堆肥的影響

張軍，劉孟子（等）

摘要：為實現城市污泥減量化、無害化和穩定化的綜合目的，以城市污泥與鋸末為原料，在一體化污泥好氧發酵倉內采用3組不同通風工況進行靜態好氧堆肥試驗，分析堆體溫度、揮發性固體、含水率、發芽指數和pH隨時間變化的特點。結果表明，在污泥與鋸末含水率分別為83%和11%，質量比為4∶1時，3種通風工況均能實現高溫好氧堆肥。工況2（不同時段通風量分別為0.8、0.6、0.4、0.6、1.0、1.0 L/min）時堆肥效果最佳，溫度維持50 ℃和55 ℃以上時間最長，堆肥結束時測得白菜種子發芽指數超過80%。

關鍵詞：好氧堆肥；通風量；城市污泥；鋸末

中圖分類號：S141.4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）07-1520-04

Effects of Ventilation Rate on Co-composting of Municipal Sludge and Sawdust

ZHANG Jun，LIU Meng-zi，CHEN Jun，WANG Dun-qiu，YOU Shao-hong

（School of Environmental Science and Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541004， Guangxi， China）

Abstract： Aerobic static co-composting of municipal sludge and sawdust under 3 different ventilation rate of conditions was studied in integrated fermentation device for comprehensive purpose of reduction，harmlessness and stabilization. The indexes such as temperature， VS， moisture content， germination index and pH value were analyzed to examine the feasibility of co-composting of municipal sludge and sawdust. Results showed that when the wet basis ratio of municipal sludge and sawdust was 4∶1 and mixed compost can realize co-composting under 3 different ventilation. The optimal ventilation rate was 0.8，0.6，0.4，0.6，1.0 and 1.0 （L/min） for the temperatures above 50℃ and 55℃ maintained for the longest time. GI of Chinese cabbage was exceeded 80%.

Key words： aerobic composting； ventilation volume； municipal sludge； sawdust

隨著我國城鎮污水處理廠的迅速發展，污水處理量隨之增加，污泥處理問題日益突出。中國水網2012年公布的最新數據顯示，截至2011年底，中國累計建成城鎮污水處理廠3 138座，總處理能力達1.39億m3/d。根據估算，2011年中國全年濕污泥（含水率85%）產生量約為2 800萬t，每天約產生7.66萬t濕污泥。城市污泥中含有重金屬離子和病原菌、寄生蟲卵等有毒有害物質，若不進行妥善處理，將通過大氣、水源等進入人類食物鏈，嚴重危害生態環境，對人類健康帶來不利影響[1]。目前國內外污泥處置的方法主要有4類：衛生填埋、污泥焚燒、污泥堆肥和污泥農用[2]，與其他處理方式比較，堆肥具有周期短、投資少、資源化回收營養元素和碳排放低等優點。

通風供氧是高溫好氧堆肥成功的關鍵因素之一。通風的主要作用是為微生物提供氧氣、調節堆肥進程中的溫度和降低含水率。選擇合理的通風策略和通風量能實現堆肥快速升溫、減少臭氣產生、提高堆肥品質、降低能耗和保證堆肥質量[3，4]。通風控制方式包括時間控制、時間-溫度控制、O2或CO2含量反饋控制和溫度-O2含量反饋控制四種[5]。本試驗應用污泥倉式高溫好氧堆肥裝置，以城市污泥和鋸末為原料，采取氧氣-溫度聯合反饋通風的控制方式對高、中、低三組不同通風量條件下的堆肥效果進行了研究，以期為倉式好氧堆肥技術的工藝優化和成套技術的標準化和大規模推廣應用提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 堆肥原料 污泥取自桂林市七里店污水處理廠，鋸末取自桂林市雁山區木材加工站，取回后過篩。堆肥原料的基本性質如表1所示。

1.1.2 試驗裝置 試驗采用直徑為0.45 m、高度為0.6 m、容積為50 L的污泥倉式好氧發酵罐（圖1）。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 上堆前，根據堆肥物料性質的差異，按污泥與鋸末質量比為4∶1進行充分混合，使堆體的C/N比在25～30之間，含水率調節至67%左右。充分混合后裝入容積為50 L的倉式好氧堆肥發酵罐。

國內多名學者對堆肥過程中通風控制方式及通風量進行了研究[6-8]，但因各自采用的堆體物料、反應器及控制策略不同而得出的結論也不盡相同。本試驗根據堆肥進程中溫度的動態變化和氧氣消耗規律將堆肥分為4個階段（圖2），分階段采用氧氣-溫度反饋通風的策略，由溫度探頭（PT-100鉑電極）和氧氣探頭（O2 I/-01型O2傳感器）探測堆體內溫度和氧氣的實際值，并將信號傳送至可編程邏輯控制器（PLC）和上位組態軟件，根據預先設定的通風流量自動調整通風電機閥門的開度，以實現通風流量的精確控制。

1.2.2 通風量的設置 陳同斌等[9]將整個堆肥過程分成4個階段，即緩慢升溫階段、快速升溫階段、高溫維持階段和降溫階段。為了更加直觀地表示堆肥進程中溫度的動態變化，此次試驗將堆體進程分為適應期（0 ℃

1.2.3 采樣及測定 堆肥開始后，通過發酵罐頂部預留的取樣孔，依據5點取樣法每天取樣，風干后進行相關試驗測定。

含水率采用減重法測定，取鮮樣置于電熱烘箱（GZX-9240MBE）內在105 ℃下烘24 h。VS含量采用重量法測定，置于550 ℃的馬弗爐中灼燒12 h。TOC采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[10]。TN用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮法測定[11]。

種子發芽指數（GI）：取5 g新鮮堆肥樣品與50 mL去離子水充分混合并振蕩2 h，在轉速為5 000 r/min下進行離心分離，取5 mL濾液放入鋪有兩張濾紙直徑為9 cm的無菌培養皿中，每個培養皿均勻播20粒太原二青白菜種子，30 ℃下恒溫培養48 h，測定發芽率和根長，計算GI。

發芽指數（GI）=■×100%

2 結果與分析

2.1 堆體中心溫度隨時間的動態變化

溫度變化特性如圖3所示。工況1第3天堆體溫度達到55 ℃，較工況2、3提前1 d，表明在堆肥初期通風量越小堆體溫度上升越快[6]。在3種通風工況下，工況1、工況2、工況3堆體溫度在50 ℃以上分別持續7、8、6 d，在55℃以上維持了4、6、5 d。研究表明，堆體溫度在50 ℃以上維持5～7 d或55 ℃條件下維持3 d以上，可以殺滅病原菌和雜草種子[12]。由表3可知，3種通風工況均可實現高溫好氧堆肥。工況2時，堆體溫度最快進入高溫期，且堆體溫度維持在50 ℃和55 ℃以上的時間最長，因此堆肥效果最佳。與工況3相比，可以保持相對較小的通風量，符合低功耗連續運行的策略。

持續高溫期過后，堆肥進入物料脫水期以完成堆體的快速腐熟。到第16天，測得工況1、工況2、工況3堆體溫度分別降至26.0、24.3、23.5℃，接近環境溫度22.7℃。其中，由于工況3在物料脫水期保持了較高的通風量，使得堆體可以較好地完成物料脫水和快速腐熟，故與環境溫度最相近。

2.2 VS的變化

有機物是微生物賴以生存和繁殖的基本條件，在一定程度上堆肥過程中有機物的變化可以反映堆肥的進程，有機物的降解率可用來判斷堆肥的腐熟度[13，14]。研究表明，在高溫好氧堆肥中，適合堆肥的有機物含量變化范圍為20%～80%[15]。當有機物含量低于20%時，堆肥產生的熱量不足以使堆肥進入持續高溫期，從而達不到高溫滅菌的效果。當堆體有機物含量高于80%時，會導致發酵倉內氧氣的過度消耗，甚至出現厭氧狀態而產生臭氣，降低了堆肥穩定性且污染環境。許多研究證明，所有的有機物都是揮發性固體，故測定原料中VS的量就可以知道原料中有機物的大致比例。如圖4所示，3種工況下堆體的VS含量均隨堆制時間的延長呈現下降的趨勢。已有學者研究表明，堆肥中高溫階段持續的時間越長，有機物的降解越顯著，特別是在80 ℃以上的超高溫期[16，17]。結合表3可知，工況2在50 ℃以上的高溫期持續時間最長，更有利于堆肥過程中有機物的降解，這對縮短堆肥時間、保證堆肥質量和降低運行成本有一定的幫助。

2.3 含水率的變化

在好氧堆肥過程中，水分的主要作用是為微生物吸收營養物質提供良好的介質，使堆體保持適宜的溫度，為微生物的生長繁殖和新陳代謝提供合適的環境條件[18]。堆肥過程中含水率的變化主要是兩個方面共同作用的結果，一是堆體中有機物氧化分解產生水分，二是在高溫期液態水吸熱變成水蒸氣揮發。由圖5可知，至堆肥結束時工況1、2、3含水率分別為61.2%、52.1%、49.8%，較初始含水率67%分別下降了5.8、14.9、17.2個百分點。理論上，3種工況都經歷了較長時間的持續高溫期，應有利于水蒸氣的形成，但工況1的含水率變化不明顯，而工況2和3均下降了10%以上。可能是由于在堆肥后期，即物料脫水期工況1的通風量不足，不利于水分的去除致使部分水蒸氣在發酵倉頂部凝結成小水滴再次滴落到堆體。因此，在物料脫水期保證足夠的通風量更有利于降低堆體的含水率，實現堆肥減量化的目的。

2.4 種子發芽指數

用種子發芽指數作為檢測堆肥對植物毒性的生物學指標，GI不僅能檢測堆肥的毒性，還能在一定程度上預測堆肥毒性的發展[19]。有研究表明，當GI>50%時，堆肥對土壤的毒性已經基本消失，堆肥已經達到腐熟的程度[20]。另有研究指出，當把GI為90%的堆肥應用到農業生產會對植物產生負面效應[21]。綜上所述，當GI為50%～90%時最為適宜。至堆肥結束時工況1、工況2和工況3的GI分別上升至68.5%、82.4%和72.5%，均超過50%，其中以工況2最高（圖6），表明堆肥經過較長時間的持續高溫期后已經基本消除毒性。

2.5 pH的變化

pH的動態變化可以直觀地揭示堆肥過程。適宜的pH可使微生物有效地發揮作用，保留堆體中有效的氮成分，減少氨氮的損失，pH太高和太低都會影響堆肥的效率。一般認為pH在7.5～8.5時可獲得最大堆肥速率[22]。3種工況中，隨著堆體溫度的升高， pH的動態變化規律為先上升，然后經過幾次波動，最后呈現出下降的趨勢。在快速升溫期由于微生物對有機氮進行分解，產生大量NH3引起pH上升，到堆肥后期由于有機物分解產生大量H+及NH3降低造成pH下降。如圖7所示，3種工況的pH大部分時間為7.5～8.5，有利于堆體的快速分解，因而不需要調整堆體的pH。

3 結論

1）根據堆肥過程溫度的動態變化，將堆肥過程分為適應期、快速升溫期、持續高溫期和物料脫水期，結合堆體中心點溫度和氧氣含量的變化規律，分階段控制通風量有利于堆體快速升溫和有機質的降解，減少通風能耗。

2）根據堆體溫度、VS、含水率的動態變化及白菜種子GI的檢測結果，城市污泥與鋸末質量比為4∶1，工況1（不同階段通風量分別為0.4、0.3、0.2、0.3、0.5、0.5 L/min）、工況2（不同階段通風量分別為0.8、0.6、0.4、0.6、1.0、1.0 L/min）和工況3（不同階段通風量分別為1.2、0.9、0.6、0.9、1.5、1.5 L/min）時均可實現高溫好氧堆肥。從高溫滅菌和降低能耗的角度看，工況2通風量適度，堆體溫度在50 ℃以上持續8 d、55 ℃以上持續6 d，較工況1和工況3時間長，滅菌效果好，節能；從有機物的降解程度上看，工況2的VS含量降低最為明顯，可縮短堆肥周期和降低運行成本；從堆肥的腐熟度指標上考慮，堆肥結束后測得工況2的白菜種子GI>80%，表明堆肥的毒性基本消失。整體比較工況2的低功耗連續通風方式堆肥效果最佳。

3）在高、中、低3種不同通風工況下，城市污泥與鋸末質量比為4∶1時，堆肥過程中pH大部分時間為7.5～8.5，有利于堆體的快速分解，不需進行pH的調整。

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3 結論

1）根據堆肥過程溫度的動態變化，將堆肥過程分為適應期、快速升溫期、持續高溫期和物料脫水期，結合堆體中心點溫度和氧氣含量的變化規律，分階段控制通風量有利于堆體快速升溫和有機質的降解，減少通風能耗。

2）根據堆體溫度、VS、含水率的動態變化及白菜種子GI的檢測結果，城市污泥與鋸末質量比為4∶1，工況1（不同階段通風量分別為0.4、0.3、0.2、0.3、0.5、0.5 L/min）、工況2（不同階段通風量分別為0.8、0.6、0.4、0.6、1.0、1.0 L/min）和工況3（不同階段通風量分別為1.2、0.9、0.6、0.9、1.5、1.5 L/min）時均可實現高溫好氧堆肥。從高溫滅菌和降低能耗的角度看，工況2通風量適度，堆體溫度在50 ℃以上持續8 d、55 ℃以上持續6 d，較工況1和工況3時間長，滅菌效果好，節能；從有機物的降解程度上看，工況2的VS含量降低最為明顯，可縮短堆肥周期和降低運行成本；從堆肥的腐熟度指標上考慮，堆肥結束后測得工況2的白菜種子GI>80%，表明堆肥的毒性基本消失。整體比較工況2的低功耗連續通風方式堆肥效果最佳。

3）在高、中、低3種不同通風工況下，城市污泥與鋸末質量比為4∶1時，堆肥過程中pH大部分時間為7.5～8.5，有利于堆體的快速分解，不需進行pH的調整。

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[22] 陳世和，張所明.城市垃圾堆肥原理與工藝[M].上海：復旦大學出版社，1990.

3 結論

1）根據堆肥過程溫度的動態變化，將堆肥過程分為適應期、快速升溫期、持續高溫期和物料脫水期，結合堆體中心點溫度和氧氣含量的變化規律，分階段控制通風量有利于堆體快速升溫和有機質的降解，減少通風能耗。

2）根據堆體溫度、VS、含水率的動態變化及白菜種子GI的檢測結果，城市污泥與鋸末質量比為4∶1，工況1（不同階段通風量分別為0.4、0.3、0.2、0.3、0.5、0.5 L/min）、工況2（不同階段通風量分別為0.8、0.6、0.4、0.6、1.0、1.0 L/min）和工況3（不同階段通風量分別為1.2、0.9、0.6、0.9、1.5、1.5 L/min）時均可實現高溫好氧堆肥。從高溫滅菌和降低能耗的角度看，工況2通風量適度，堆體溫度在50 ℃以上持續8 d、55 ℃以上持續6 d，較工況1和工況3時間長，滅菌效果好，節能；從有機物的降解程度上看，工況2的VS含量降低最為明顯，可縮短堆肥周期和降低運行成本；從堆肥的腐熟度指標上考慮，堆肥結束后測得工況2的白菜種子GI>80%，表明堆肥的毒性基本消失。整體比較工況2的低功耗連續通風方式堆肥效果最佳。

3）在高、中、低3種不同通風工況下，城市污泥與鋸末質量比為4∶1時，堆肥過程中pH大部分時間為7.5～8.5，有利于堆體的快速分解，不需進行pH的調整。

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