我國(guó)污泥堆肥相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)展

吳孔陽(yáng) 傅柏春 楊學(xué)義

摘要：我國(guó)城鎮(zhèn)污水廠(chǎng)建設(shè)普遍存在“重水輕泥”現(xiàn)象，導(dǎo)致大量污泥不能進(jìn)行穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化處理處置，我國(guó)污泥處理處置和生態(tài)環(huán)境將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。簡(jiǎn)要介紹了我國(guó)污泥處理處置現(xiàn)狀，著重就污泥堆肥相關(guān)技術(shù)進(jìn)行介紹，并對(duì)污泥堆肥技術(shù)的發(fā)展方向作簡(jiǎn)要探討。

關(guān)鍵詞：污泥堆肥；超高溫好氧；重金屬；綜合利用

中圖分類(lèi)號(hào)： X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）12-0039-03

收稿日期：2015-10-31

基金項(xiàng)目：河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃資助（編號(hào)：15A180050）。

作者簡(jiǎn)介：吳孔陽(yáng)（1985—），男，河南商城人，博士，講師，主要從事微生物學(xué)方面研究。E-mail：kywu2007@126.com。

2015年4月2日，國(guó)務(wù)院正式發(fā)布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，亦稱(chēng)“水十條”，其中該計(jì)劃明確了推進(jìn)污水處理設(shè)施產(chǎn)生污泥處理處置的意見(jiàn)，并指出污泥應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化處理處置，禁止處理處置不達(dá)標(biāo)的污泥進(jìn)入耕地，地級(jí)及以上城市污泥無(wú)害化處理處置率應(yīng)于2020年底前達(dá)到90%以上[1]。在當(dāng)前我國(guó)水環(huán)境非常嚴(yán)峻的背景下，出臺(tái)該行動(dòng)計(jì)劃，將加大水污染防治力度，進(jìn)一步提升污泥處理處置水平。另外，從《“十二五”全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》數(shù)據(jù)上分析，目前我國(guó)污泥處理處置率低，任務(wù)艱巨，實(shí)現(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化、資源化迫在眉睫[2]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者從污泥成分、產(chǎn)品出路、技術(shù)法規(guī)和相關(guān)政策等方面對(duì)污泥處理處置進(jìn)行了歸納分析和探討[3-6]，本研究將主要從污泥堆肥相關(guān)技術(shù)方面介紹，以期為我國(guó)污泥處理處置相關(guān)研究提供一定的參考。

1我國(guó)污泥處理處置現(xiàn)狀簡(jiǎn)述

污泥是在污水進(jìn)行處理之后所產(chǎn)生的（半）固態(tài)的物質(zhì)，其中除含有水、氮、磷、鉀等成分外，還含有大量病原微生物、重金屬等有害有機(jī)物質(zhì)[7-8]。我國(guó)污泥處置目標(biāo)不確定，投資不足，污泥在污水處理廠(chǎng)內(nèi)未能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化處理，易在運(yùn)輸和處置環(huán)節(jié)出現(xiàn)二次污染隱患[9]。目前我國(guó)剩余污泥處理處置工程量龐大，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前污泥處理處置方式中，土地填埋占60%～65%，發(fā)酵堆肥加農(nóng)用占10%～15%，污泥自然干化綜合利用占4%～6%，污泥焚燒占2%～3%，露天堆放和外運(yùn)占15%～20%，而現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，絕大部分屬于土地填埋、露天堆放和外運(yùn)的污泥隨意處置，真正實(shí)現(xiàn)安全處置的比例不超過(guò)20%[10]。

2我國(guó)污泥處理處置技術(shù)存在的主要問(wèn)題

國(guó)內(nèi)對(duì)于剩余污泥的處理處置技術(shù)研究起步較晚，在技術(shù)方面仍然很落后。已有的污泥處理處置工藝多采用國(guó)外技術(shù)，主要包括污泥濃縮、污泥穩(wěn)定、污泥脫水、污泥干化焚燒、污泥衛(wèi)生填埋、土地利用及其他污泥處置方法。分析我國(guó)現(xiàn)行污泥處理處置方式，不難發(fā)現(xiàn)，存在的主要問(wèn)題是污泥處理處置技術(shù)尚未完全成熟，污泥高效綜合利用效率偏低。即使目前開(kāi)發(fā)投入使用的一些新的污泥處理技術(shù)，如“機(jī)械預(yù)濃縮—化學(xué)調(diào)理—隔膜壓濾”的工藝、“泥水一體化”工藝等最終污泥處置方式仍然以填埋、做營(yíng)養(yǎng)土或建筑材料等[11-12]。然而污泥以填埋的方式進(jìn)行處理通常不能達(dá)到無(wú)害化的要求，由于大多數(shù)的污泥填埋場(chǎng)是露天的，在有地表流水的情況下，沒(méi)有經(jīng)過(guò)無(wú)害化與穩(wěn)定化的污泥很容易變成未處理前的形態(tài)，造成對(duì)環(huán)境比較大的污染隱患[4]。此外，目前常見(jiàn)的污泥干化技術(shù)、焚燒技術(shù)等存在臭味難控制、占地面積大等問(wèn)題[13]。

3污泥堆肥相關(guān)技術(shù)

根據(jù)微生物對(duì)氧氣的需求，通常將污泥堆肥處理方法劃分為好氧堆肥發(fā)酵和厭氧堆肥發(fā)酵。而好氧堆肥發(fā)酵又可以分為3種類(lèi)型：條垛式發(fā)酵、槽式發(fā)酵、反應(yīng)器發(fā)酵。條垛式工藝僅采用機(jī)械翻拋，充氧效果差，發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)酵成品質(zhì)量差[14]。反應(yīng)器發(fā)酵處理量較小，實(shí)際應(yīng)用受限，工程應(yīng)用案例少見(jiàn)[15]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)科研人員對(duì)污泥好氧堆肥工藝研究較多，且在實(shí)際工程應(yīng)用中效果良好，比如桂厚瑛等研究開(kāi)發(fā)的陽(yáng)光棚開(kāi)放槽污泥堆肥好氧發(fā)酵工藝[16]和萬(wàn)若（北京）環(huán)境工程技術(shù)有限公司采用的ENS污泥堆肥工藝等[17]。本研究就近年來(lái)在污泥堆肥相關(guān)技術(shù)上的研究作一概述。

3.1調(diào)理劑在污泥堆肥中的應(yīng)用

污泥堆肥化實(shí)質(zhì)上是污泥中有機(jī)物在微生物的作用下，通過(guò)一系列生化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定化。自然環(huán)境條件下，堆肥周期長(zhǎng)，效果差，容易導(dǎo)致大量氮損失等，添加調(diào)理劑可以很好地改善傳統(tǒng)堆肥方法的不足。張晶等開(kāi)展了利用稻草、木屑和麩皮作為調(diào)理劑進(jìn)行室內(nèi)城市污泥堆肥模擬試驗(yàn)的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)白腐真菌能夠提高堆體的溫度、真菌數(shù)量、纖維素酶和半纖維素酶活性水平，降低氮素?fù)p失，促進(jìn)硝態(tài)氮累積，全面提高堆體有效N、P、K含量[18]。研究發(fā)現(xiàn)調(diào)理劑添加量對(duì)污泥堆肥過(guò)程溫度和氧氣變化也會(huì)產(chǎn)生影響，馬闖等研究了不同鋸末調(diào)理劑添加量對(duì)污泥堆肥過(guò)程中溫度和氧氣變化的影響，結(jié)果表明，污泥和鋸末以質(zhì)量比 3.5 ∶[KG-*3]1 或 4 ∶[KG-*3]1 的比例可以進(jìn)一步提高堆體升溫速率，縮短達(dá)到高溫好氧發(fā)酵所需溫度的時(shí)間，延長(zhǎng)堆體維持高溫的天數(shù)[19]。另外，調(diào)理劑粒徑對(duì)污泥堆肥影響同樣不容忽視。吳傳棟等研究發(fā)現(xiàn)，新型可循環(huán)LWK調(diào)理劑的平均粒徑為308 mm時(shí)，調(diào)理劑能夠明顯降低污泥堆體的氮素?fù)p失[20]。在堆肥化過(guò)程中，氨揮發(fā)是高溫好氧堆肥過(guò)程中氮素?fù)p失的主要途徑[21]，研究發(fā)現(xiàn)以沸石作為調(diào)理劑可以顯著降低氨揮發(fā)累積速率[22]。

3.2污泥堆肥過(guò)程中臭氣的控制

污泥堆肥過(guò)程中釋放的惡臭氣體已成為制約堆肥無(wú)害化生產(chǎn)的主要因素。惡臭氣體來(lái)源于堆肥過(guò)程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物，包括含硫化合物、含氮化合物和揮發(fā)性脂肪酸，組分復(fù)雜，消除這些氣體較為困難。研究發(fā)現(xiàn)污泥成分及理化性質(zhì)差異會(huì)影響堆肥過(guò)程中臭氣的產(chǎn)生和排放，比如碳氮比、pH值、含水率、顆粒度、有機(jī)質(zhì)含量和微生物含量等[23]。研究人員開(kāi)展了對(duì)污泥堆肥過(guò)程中氨氣排放特征的研究。鐘佳等通過(guò)原位觀(guān)測(cè)，研究了不同條件下機(jī)械翻堆條垛污泥堆肥過(guò)程中氨氣的排放特征，結(jié)果表明強(qiáng)制通風(fēng)+機(jī)械翻堆條垛工藝（ATP）條件下氨氣排放因子略低于機(jī)械翻堆條垛工藝，并認(rèn)為ATP是一種環(huán)境友好的污泥堆肥工藝[24]。趙晨陽(yáng)等研究了連續(xù)流強(qiáng)制通風(fēng)槽式污泥堆肥工藝的氨氣排放特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)較低的碳氮比雖小幅增加了氨氣的排放量，卻有助于減少總氮損失（試驗(yàn)組16.1%，對(duì)照組21.8%），并且采用“初期降低，末期升高”的通風(fēng)方式，可以減少氨氣累積排放量（試驗(yàn)組66.86 g/m2，對(duì)照組72.04 g/m2）[25]。

目前有關(guān)污泥堆肥過(guò)程中臭氣處理方法主要有物理方法、化學(xué)方法和生化方法，其中生化除臭方法具有效率高、成本低和環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，成為近年來(lái)發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的主要工藝[26]。韓萌在研究蚯蚓堆肥處理污泥工藝中，探討了以蚯蚓糞為主要填料的生物過(guò)濾器去除堆肥臭氣的可行性，分別研究了容積負(fù)荷、載氣類(lèi)型、填料組成、溫度等工藝條件對(duì)生物過(guò)濾器處理性能的影響，當(dāng)在最適技術(shù)參數(shù)條件下，氨氣去除率可達(dá)到100%，生物過(guò)濾器能夠有效去除氨氣[27]。陳益清等考察了菌劑掛膜、活性污泥掛膜和自然掛膜形成的生物滴濾塔對(duì)H2S去除的影響，結(jié)果表明采用活性污泥掛膜形成的生物滴濾塔處理H2S的能力比菌劑掛膜和自然掛膜的高，硫的轉(zhuǎn)化率高達(dá)60%[28]。另外對(duì)原有生物除臭濾池填料的升級(jí)和改造，也是研究人員關(guān)注的問(wèn)題，如果出現(xiàn)生物除臭濾池填料老化，會(huì)影響實(shí)際除臭效果。深圳深南電環(huán)保有限公司將原先生物濾池除臭系統(tǒng)中的樹(shù)皮填料更換為炭質(zhì)生物媒填料，惡臭氣體凈化徹底，極大地改善了周邊環(huán)境空氣質(zhì)量[29]。

3.3污泥堆肥過(guò)程中重金屬形態(tài)變化的研究

污泥來(lái)源不同，重金屬成分及含量差別較大，污泥中的重金屬問(wèn)題一直是污泥堆肥產(chǎn)品農(nóng)用的主要因素之一，研究污泥堆肥過(guò)程中重金屬形態(tài)及其生物遷移規(guī)律具有重要意義[30-31]。諸多研究發(fā)現(xiàn)污泥堆肥過(guò)程中，一些重金屬總量和化學(xué)形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，其可交換態(tài)比例會(huì)減少，生物有效性降低，比如重金屬Cd[31-33]，但也有與之相反的研究結(jié)果，孫西寧等發(fā)現(xiàn)除Cd外，經(jīng)過(guò)堆肥化處理后所有重金屬的有效態(tài)含量均呈下降趨勢(shì)。造成這種結(jié)果上的差異，很有可能是由不同研究人員所采用的原料及堆肥工藝所致。另外王社平等以不同種類(lèi)及不同比例的調(diào)理劑處理后形成的污泥堆肥成品為材料，采用順序提取法分析堆肥、種植小白菜前后重金屬形態(tài)的變化，研究表明污泥經(jīng)過(guò)堆肥處理后，堆料中重金屬Cu、Zn的X-（KNO3+H2O）態(tài)含量降低，能達(dá)到重金屬鈍化的目的，減少生物毒性[34]。文獻(xiàn)[34]提及X-分布為KNO3、H2O、NaOH、EDTA、HNO3提取態(tài)或殘?jiān)鼞B(tài)（Residuat）；Sposito浸提法認(rèn)為X-KNO3態(tài)和X-H2O態(tài)為植物最易吸收的形態(tài)，稱(chēng)之為生物有效態(tài)，故原引用文獻(xiàn)的作者將其合為X-（KNO3+H2O）態(tài)。盡管研究表明，經(jīng)過(guò)污泥堆肥工藝后，污泥中重金屬含量降低，并能夠符合相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)，但是連續(xù)過(guò)量利用這種污泥，勢(shì)必造成重金屬在土壤中的累積和植物體的富集[35]。

3.4發(fā)展中的污泥堆肥新技術(shù)

污泥厭氧堆肥通常運(yùn)行周期長(zhǎng)，實(shí)際應(yīng)用同樣受限，研究人員開(kāi)發(fā)了微生物燃料電池型厭氧堆肥技術(shù)，利用生物產(chǎn)電加速污泥有機(jī)物利用，且效果明顯[36-37]。楊文卿等采用自制的好厭氧堆肥綜合反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)行污泥厭氧堆肥實(shí)驗(yàn)，可以在21 d內(nèi)完成一個(gè)堆肥周期，且堆肥過(guò)程各指標(biāo)變化規(guī)律性強(qiáng)，堆肥效果穩(wěn)定[38]。

北京綠源科創(chuàng)環(huán)境技術(shù)有限公司聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院于2013年研發(fā)出超高溫污泥好氧發(fā)酵技術(shù)，與普通高溫好氧堆肥工藝相比，超高溫污泥好氧發(fā)酵技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，二者比較見(jiàn)表1。超高溫好氧發(fā)酵堆肥技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)堆體持續(xù)超高溫發(fā)酵，達(dá)到深度污泥穩(wěn)定化和無(wú)害化目的，極大地提高污泥發(fā)酵質(zhì)量和效率，這對(duì)于好氧發(fā)酵技術(shù)在污泥處置上的推廣應(yīng)用具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義[39]。

4展望

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)農(nóng)田大量施用化肥，土壤酸化板結(jié)問(wèn)題突出，通過(guò)施用有機(jī)肥，可以不斷改良土壤。今后對(duì)有機(jī)肥的需求量將會(huì)不斷增大，經(jīng)污泥堆肥技術(shù)處理的有機(jī)肥，如果能夠符合土地利用的要求，那么對(duì)于污泥資源化利用來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一種理想的選擇。因此，要進(jìn)一步提高污泥堆肥的產(chǎn)品質(zhì)量，解決污泥中重金屬、臭氣等問(wèn)題。

要全面實(shí)現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化處理處置，今后還有很長(zhǎng)的路要走。就污泥堆肥技術(shù)而言，盡管我國(guó)開(kāi)展了許多相關(guān)研究，并在實(shí)際工程應(yīng)用中取得一定成果，但是仍然存在一些問(wèn)題，比如污泥堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量及出路問(wèn)題。國(guó)外城市污泥土地利用的比例均在不斷提高，而我國(guó)因加工成本較高、溢價(jià)能力有限，以及管理部門(mén)的謹(jǐn)慎態(tài)度，使得城市污泥在土地利用上受到一定的限制[3]。隨著污泥堆肥相關(guān)技術(shù)研究的深入以及國(guó)際交流合作的推進(jìn)，將逐步改善現(xiàn)有堆肥方法的不足或提高堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量，徹底解除目前堆肥過(guò)程中存在的難題。同時(shí)，通過(guò)管理部門(mén)出臺(tái)污泥土地利用相關(guān)法律法規(guī)，消除污泥產(chǎn)品對(duì)公眾的擔(dān)憂(yōu)，積極引導(dǎo)污泥堆肥產(chǎn)品進(jìn)入土地利用，開(kāi)辟資源循環(huán)利用新道路。

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