城市污泥好氧發酵過程中不同通風設備發酵效果研究

楊俊杰　王淑艷

摘 要：本文利用工程性試驗法對好氧發酵車間實際生產發酵過程進行研究，分析不同通風設備條件下，好氧發酵過程溫度、氧氣、氨氣和VOCs的變化。結果表明，不同通風工藝設備對污泥好氧發酵過程有顯著的影響，分析各項參數最終表明，在污泥好氧發酵生產過程中采用羅茨風機進行通風供氧效果最好。

關鍵詞：污泥;好氧發酵;通風設備

中圖分類號：X799.3文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）31-0036-04

Effects of Different Ventilation Facilities on Aerobic

Fermentation of Sewage Sludge

YANG Junjie WANG Shuyan

（Management Center of Solid Waste of Henan Province，Zhengzhou Henan 450004）

Abstract： In this paper， the engineering test method was used to study the actual production fermentation process of aerobic fermentation plant， and the changes of aerobic fermentation process temperature， oxygen， ammonia and VOCs under different ventilation conditions were analyzed. The results showed that different ventilation process equipment had a significant impact on the aerobic fermentation process of sludge. The analysis of various parameters finally showed that the use of Roots blower in the aerobic fermentation production process of sludge was the best.

Keywords： sludge;aerobic fermentation;ventilation facilitie

好氧發酵是常見污泥處理處置方式之一，通過好氧發酵可以使污泥減量化、穩定化、無害化和資源化，同時發酵產品可作為很好的土壤改良劑或有機肥料實現二次利用[1]。污泥發酵過程會消耗O2，產生CO2、H2O和熱量，同時產生大量臭味氣體與物質，如NH3、H2S與小分子揮發性有機物（VOCs）等。上述臭味物質無論在厭氧或好氧條件下均可以產生，但厭氧條件下臭氣產生量更大[2]。NH3通常來自于微生物對污泥中氨基酸與蛋白質的好氧降解，而VOCs和H2S通常來自于微生物對剩余污泥中有機物的厭氧消化反應，VOCs濃度較低但閾值也低[3]。

通風是好氧發酵過程中的重要調控手段，恰當通風對提升堆體溫度、保持堆體氧氣含量以及減少局部厭氧發酵與惡臭氣體產生有著明顯效果。國內外對污泥好氧發酵的研究，主要以堆肥工藝與參數控制為主，如控制調理劑數量、種類，或接種不同菌劑、碳氮比、含水率等，從而優化發酵效果。但是，對污泥好氧發酵通風設備——鼓風機的比選研究相對匱乏，且大部分研究都來自實驗室數據，對生產一線而言缺乏參考價值。為了更好地比較污泥好氧發酵工程常用的羅茨風機和離心風機的通風供氧效果，本文選取鄭州某大型污泥處置廠生產車間容積為200m3的污泥發酵槽，進行工程性試驗，對兩種不同鼓風機通風發酵槽內部溫度、氧氣濃度、NH3濃度和VOCs濃度等多項參數進行跟蹤監測，研究不同風機以相同設計參數進行鼓風時的污泥好氧發酵效果，旨在優化生產工藝，提升污泥好氧發酵效率。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

該試驗位于鄭州市某污泥處置廠內，設計規模為日處理污泥600t。污泥處理工藝為高溫固態好氧槽式發酵（翻拋加強制通風）工藝。供試污泥含水率（MC）為80.12%，揮發性固體（VS）含量為62.4%。調理劑為鋸末和腐熟料，其含水率分別為9.02%、35%，VS含量分別為96.3%、44.2%。污泥、鋸末和腐熟料采用100：15：85的比例均勻混合，混合后待發酵物料的含水率、VS含量分別為55.8%、53.4%左右，每個發酵槽容量為200m3，上料約150t。

1.2 試驗方法

試驗時間設置在春季，分別選取兩個不同通風風機的發酵槽進行對比試驗。處理1：選取羅茨風機，其特點是能夠滿足大通風量風壓動力，實現強制打壓;處理2：選取離心風機，其特點是便于維修，造價低廉，但通風過程中無法強制打壓，鼓風穿透力較弱。

試驗過程中，對溫度、O2濃度、NH3濃度和VOCs濃度進行跟蹤監測。監測點布設于污泥堆體內距表層污泥30cm處。此范圍內污泥受于外界環境干擾較小，且堆體疏松度較好，可以代表整個發酵槽內的污泥發酵情況。

2 結果與分析

2.1 不同通風設備對溫度變化的影響

污泥好氧發酵作為一種生物反應系統，反應的速度與溫度有關。一般溫度每升高10℃，生化反應的速率增大2倍。因此，堆體內的溫度越高，反應的速度越快。然而，當溫度超過一定限值后，催化反應酶失活，部分微生物死亡，反應速度反而會下降。發酵過程的平均溫度可以反應不同發酵天數溫度變化情況，兩個處理方案堆體溫度變化均呈現先升高后降低的變化趨勢，如圖1所示。

圖中曲線變化原因是微生物在堆肥初期生命活動劇烈，迅速降解有機物從而產生大量熱量，后期微生物生命活動逐漸停止導致溫度降低。同時，兩個處理方案的最高溫度、高溫持續時間以及升溫速率并不相同。其中，處理1最高溫度達到67.8℃，55℃以上持續天數為15d，并且升溫期升溫速率較快，在第4d即達到最高溫度，發酵效果較好;處理2最高溫度為64.5℃，55℃以上持續天數為13天，升溫速率相對較慢，在第7天才達到最高溫度。雖然兩個處理方案均能滿足污泥無害化要求，但處理2方案效果不如處理1方案。

2.2 不同通風設備對氧氣濃度變化的影響

適當的氧氣濃度是滿足微生物生命活動的必要條件。通常認為堆體內氧氣含量在10%以上時，適合好氧菌生存。發酵過程中上述兩個處理方案堆體內部氧氣濃度均呈現為先降低后升高的趨勢，這是由于前期易降解有機質較多，微生物代謝速率高，有機物降解過程消耗大量的氧氣，在高溫期后期和降溫期微生物生命活動逐漸減弱，需氧量減少導致氧氣濃度逐漸回升，如圖2所示[4]。

對比兩個處理方案可以發現，兩個處理方案氧氣濃度均在15%以上，但處理2方案氧氣濃度始終低于處理1方案，因此可以判斷處理1方案供氧效果要優于處理2方案。但僅從氧氣數據不能夠充分說明兩種設備效果，需要進一步對NH3和VOCs氣體產生狀況進行分析。

2.3 不同通風設備對NH3變化的影響

在污泥好氧發酵過程中，有機氮在微生物脫氨作用下生成NH+4-N和游離態NH3，最終以氣態NH3形式釋放到堆體外[5]。隨著有機物質礦化，有機氮不斷轉化為NH+4-N，而NH+4-N進一步轉化成氨氣并釋放到堆體外。因此，好氧發酵過程中有機氮的礦化是一個不可避免的過程，也是好氧發酵正常進行的標志之一。通常認為NH3是污泥完全好氧發酵的最終產物之一。同時，NH3與VOCs等其他氣體相比，嗅閾值很高，相對來說對環境影響較小。兩個處理方案中，NH3產生濃度均呈現先升高后降低的規律。這是由于前期微生物生命活動劇烈，有機氮快速被分解產生大量的NH3，在堆肥后期溫度降低、NH+4-N溶解度增加導致NH3釋放濃度降低，如圖3所示。

從圖中可以發現，兩個處理方案NH3氣體均在第5天達到最大值，分別為112.5mg/m3和76.5mg/m3。但在堆肥前8天，處理1方案NH3釋放濃度要高于處理2方案;第8天后，兩個處理方案NH3釋放濃度相差不大，均在60mg/m3以下。

2.4 不同通風設備對TVOCs釋放特征影響

TVOCs是污泥堆肥發酵過程所產生的少量氣體，但TVOCs嗅閾值很低，且伴有強劣的刺激性臭味，易在大氣中與其他物質反應，對大氣產生二次污染，通常認為是污泥局部厭氧發酵產生的。兩個處理方案TVOCs釋放濃度均呈現先升高后降低并再次升高降低的規律，這是由于堆肥初期微生物生命活動劇烈，好氧速率高，導致堆體內局部氧氣供應不足，不能滿足好氧發酵的需求，使得微生物厭氧發酵產生大量TVOCs氣體，如圖4所示。

兩個處理堆體內部TVOCs釋放濃度均在高溫前期維持較高水平，第5天左右迅速下降，并在高溫后期有顯著的回升，呈現出兩個波峰。第一個TVOCs釋放高峰值出現在污泥堆肥第1～4天，此時處于升溫期;第二個TVOCs釋放高峰值出現在第10～14天，此時處于降溫期，TVOCs主要來源為堆體某些局部發生厭氧反應。因此，在好氧發酵調控過程中需要注意這兩個時間段的臭氣控制。

兩個處理堆體在第4天與第5天達到最大值，TVOCs濃度分別為1 635.50μg/m3和1 080.42μg/m3。在整個發酵周期內，處理1方案TVOCs釋放濃度平均值為564.4μg/m3，處理2方案TVOCs釋放濃度平均值為699.9μg/m3。兩者進行對比可以看出，處理2方案TVOCs釋放濃度明顯高于處理1方案，可得處理2方案內部氧氣供應相對不足，微生物厭氧發酵現象相對頻繁。

綜合來看，處理1方案比處理2方案多排放了6.5%的NH3氣體，但卻減少了24.0%的TVOCs氣體排放，有效地減少了臭氣二次污染。

3 結論

與采用離心風機相比，采用羅茨風機進行通風供氧可以提高整個堆肥周期的升溫速率、高溫持續時間、平均溫度和氧氣含量。盡管多排放了部分嗅閾值較低的NH3，但卻減少了更多惡臭組分TVOCs氣體的排放，能夠有效降低堆肥過程產生的臭氣。綜合考慮污泥好氧發酵溫度、氧氣，NH3和TVOCs狀況，在污泥好氧發酵工程設計和生產過程中，推薦采用羅茨風機進行強制通風供氧。

參考文獻：

[1]趙晨陽，魏源送，葛振，等.連續流強制通風槽式污泥堆肥工藝的溫室氣體和氨氣排放特征[J].環境科學，2014（7）：2788-2806.

[2]陳是吏，袁京，李國學，等.過磷酸鈣和雙氰胺聯用減少污泥堆肥溫室氣體及NH3排放[J].農業工程學報，2017（6）：199-205.

[3]Abbasi SA.Solid Waste Management by Composting： State of the Art[J].Critical Reviews in Environmental Science & Technology，2008（5）：311-400.

[4]鄭國砥，高定，陳同斌，等.污泥堆肥過程中氮素損失和氨氣釋放的動態與調控[J].中國給水排水，2009（11）：121-124.

[5]趙占楠，趙繼紅，馬闖，等.污泥堆肥過程中揮發性有機物（VOCs）的研究進展[J].環境工程，2014（11）：93-97.