市政污泥協同農林廢物好氧發酵中試研究＊

黃 慶，劉惠瓊，鄭 恒，湯 婷，劉同慶，周耀渝

（1.中南水務科技有限公司，湖南 長沙 410009； 2.湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙410128）

1 引言

據2019 年城鄉建設統計年鑒相關資料顯示，我國城鄉污水處理廠達5 970 座，隨著污水處理能力的提升污泥產生量逐年增加。2019 年我國含水率80%的脫水污泥產生量超6.500×107t，污泥處理處置形勢十分嚴峻［1］。若對其處理不當，不僅對環境和人類造成危害，還會造成地球資源的浪費［2］。

在如今的“雙碳”目標下，污泥成為污水處理行業節能減耗，踐行碳達峰、碳中和的重要抓手，能源資源回收利用成為重要方向。好氧發酵是有機廢物無害化處理與資源化利用的重要手段，其實質是有機物在微生物作用下分解代謝產生熱能，促使有機物向穩定的腐殖質轉化，實現減量化、穩定化、無害化、資源化［3-4］。將污泥堆肥化處理后，不僅能降低大量有機廢物帶來的環境風險，還能創造有價值的有機營養土產品。處理達標后的污泥用于城市園林綠化，既擺脫了食物鏈，不會危及人畜，同時減少了運輸的費用［5］。研究表明，污泥中富含植物生長所必需的各種微量元素、氮磷鉀等營養元素以及豐富的有機質［6］，有利于改良土壤結構，增加土壤肥力，促進植物的生長［7-8］。

然而污泥的碳氮比較低，且傳統的自然堆肥發酵效率低、處理周期長［9-10］，產品質量易受地理位置、環境溫度影響。除此之外，傳統的自然堆肥處理過程中產生惡臭氣體的收集處理難度相對較高。反應器式堆肥占地面積小且操作簡便，但仍存在設備利用率低、堆肥產品養分損失嚴重等問題［11-12］。

針對上述問題，本研究擬通過智能化好氧發酵集成裝備，將污泥協同農林廢物堆肥提高物料碳氮比，生產高品質有機營養土。研究采用溫度等傳感器獲取好氧發酵過程中高密度數據，對比不同原輔料配比、通風量、筒轉模式等條件下的堆肥化產品。對控制方法和控制過程進行優化，為后續污泥好氧發酵工程化應用中實現高效、節能好氧發酵控制提供指導。

2 材料與方法

2.1 試驗原料

中試研究中污泥來源于長沙市某水質凈化廠，輔料為采購所得秸稈（水稻秸稈，采用秸稈粉碎機粉碎至10～20 mm）。原輔料的基本理化性質如表1 所示。

表1 試驗原料的理化特性Table 1 Physical and chemical properties of raw materials

長沙市某水質凈化廠的脫水污泥有機物含量較高，適宜用作好氧堆肥的原料，但其碳氮比偏低，見表1。為了增強微生物活性以強化營養物質保留，優化堆肥產品的品質［13］，試驗中采用了脫水污泥協同農林廢物秸稈混合堆肥來改善堆肥環境。

為監測堆肥前后重金屬含量的變化，堆肥前對原料的鎘、汞、鉛等重金屬進行了檢測，結果如表2 所示。

表2 試驗原料重金屬含量Table 2 Heavy metals content of raw materials

2.2 試驗裝置

中試研究采用好氧發酵反應器（圖1）進行生物有機質好氧發酵，含液壓攪拌器、傳送帶及反應器。設備總質量為5.225 t，反應器直徑為1.5 m，長度為3 m，反應器體積為5.3 m3。

圖1 好氧發酵反應器Figure 1 Aerobic fermentation reactor

為實現中試研究中數據自動采集功能，本研究針對好氧發酵生物反應器設計一套智能化控制系統，控制系統含無線溫度傳感器、流量計、溫濕度計、氧傳感器等儀表及智能化控制模塊，其中溫度傳感器安裝在反應器筒體中部，其余傳感器均位于風機后（圖2）。該系統可自定義時段控制循環，以時間控制模式控制筒轉；采用溫度傳感器實時監測以保持最佳堆溫，當堆溫達到設定溫度時，從傳感器中發出的電子信號通過控制器讓風機工作或停止；以溫度控制模式控制通風。該控制系統可實時反饋試驗工況對應的堆溫變化情況，有利于通風量以及反應器翻轉等參數的及時調整。各傳感器具體參數如表3 所示。

表3 自控系統傳感器相關參數Table 3 Sensor related parameters of automatic control system

圖2 傳感器安裝位置示意Figure 2 Schematic of sensor installation position

2.3 試驗方法

試驗流程如圖3 所示。

圖3 污泥協同農林廢物好氧發酵中試流程示意Figure 3 Schematic of the pilot-scale process of aerobic fermentation of sludge and agricultural and forestry wastes

1）物料混勻：在攪拌機內加入輔料攪拌均勻記錄質量后，將含水率80% 的污泥按質量加入攪拌機，達設定污泥質量。進料后，開啟液壓攪拌機。

2）反應器進料：啟動傳送帶并關閉滾筒出料口后，啟動滾筒開始定速運轉。打開料斗的出料口，保證物料傳送平穩均勻進入滾筒，開始反應器進料。

3）物料好氧發酵：滾筒內物料達到預定的進料量后，開啟風機，停止進料傳送帶。滾筒內的溫度可通過無線溫度傳感器檢測到。定期在出料口取樣，檢測含水率、有機物含量、pH、有機碳和總氮分析指標。通風量依據《城鎮污水處理廠污泥處理處置防治最佳可行技術指南（試行）》中“靜態好氧發酵強制通風，每1 m3物料通風量0.05～0.20 m3/min，非連續通風；間歇動態好氧發酵可參考靜態工藝并依據生產試驗的結果確定通風量”及現場實際運行工況調整。

2.4 分析檢測方法

各分析指標檢測方法參考GB/T 23486—2009城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質、NY 884—2012 生物有機肥中所規定的分析方法。

3 結果與討論

本研究主要關注物料配比、通風量以及反應器翻轉策略等試驗參數對堆體溫度、出料質量的影響。

3.1 物料配比

為保證物料初始狀態有較佳的蓬松度以利于好氧發酵，最先對原輔料配比進行了優化。物料含水率取決于不同配比，適宜的含水率不僅有利于微生物的生存繁殖，而且對堆溫也具有一定的調節作用［14-15］。將物料含水率控制在50%～60%，選取原料和輔料濕基質量比分別為3.0∶1.4、3.0∶1.7、3.0∶2.0，進行10 min 攪拌前處理。降低輔料比例時，攪拌后的物料含水率較高，混料傾向于變成墊狀和塊狀，該現象不利于物料好氧發酵。而配比為3.0∶2.0 時物料混勻程度和蓬松度都較佳（圖4），此時秸稈充分發揮調理劑的功能，不僅優化了初始物料的含水率和碳氮比，而且提高了堆肥物料的孔隙度，有利于促進發酵過程，改善堆肥產物品質［16］，因此后續采用此配比進行研究。

圖4 不同配比下物料混勻狀態Figure 4 Mixing state of materials under different ratios

3.2 通風量對堆溫的影響

利用堆溫可直觀監測堆肥化的反應進程［17-18］，而通風量是影響堆溫的關鍵因素。依據《城鎮污水處理廠污泥處理處置防治最佳可行技術指南（試行）》，該體量下的通風量應控制在10～40 m3/h。因此，本次研究選取了15、20、25、30 m3/h左右的通風量進行研究。由圖5 可知，通風量為15 m3/h 時，堆溫處于高溫期的時間較短，易造成堆體厭氧，產生大量有害氣體，影響微生物活性，不利于物料水分脫除［19］；加大通風量可以去除含水率較大的有機物料的水分，以維持堆體溫度，但通風量30 m3/h 時的堆溫明顯低于20、25 m3/h條件下的堆溫，通風速率過大會導致熱量散失，不利于堆體的溫度積累，對無害化不利［20］。因此該體量下通風量宜控制在20～25 m3/h，折算為單位時間單位體積下通風量為6.3～7.9 m3/（h·m3）。

圖5 不同通風量對堆溫的影響Figure 5 Influence of different ventilation volume on reactor temperature

3.3 反應器翻轉策略

本研究探索了筒轉啟/停連續式和間歇式（啟2 h 停1 h）兩種不同策略對堆溫的影響情況。從圖6 可知，筒轉啟/停間歇式運行時堆溫維持效果理想，堆溫變化趨勢優于連續運行狀態，且基本上可全天處于高溫期。通過間歇式翻堆不僅可以有效維持堆溫，而且能供給空氣，促進堆體中的微生物進行好氧發酵，與此同時達到降低原料含水率的效果。

圖6 不同反應器翻轉策略對堆溫的影響Figure 6 Influence of different reactor turnover strategies on reactor temperature

一次發酵完成后，出料顏色明顯加深，呈松散狀，無臭、有輕微氨味、不招引蒼蠅。含水率由51.2% 降低至43.0% 左右，有機物含量下降顯著（63.6% 降至49.6%），進料pH 為7.35 而出料pH 為8.49，這是由于堆體中蛋白質的脫氨基釋放了大量的氨氣使得pH 上升，堆體形成了微堿性的環境［13，21］。由于出料狀態較為理想，后續可嘗試出料返混，使混合物的密度變小，同時減少輔料量。

3.4 返料量探究

堆肥返料可提供部分初始微生物加快好氧發酵進程，由于其含水率較低而成為理想的濕物料調理劑。但堆肥返料碳氮比中等偏低，通常需與其他物料混合使用，而頻繁的循環使用可能造成堆肥化產品的鹽分濃度過高。在不需要提高碳氮比而使混合物水分降低的情形下可作為調理劑。

返料量探究期間試驗及運行參數均采用前期優化結果，反應器翻轉為間歇式運行（啟2 h 停1 h），通風量控制在20～25 m3/h。返料量分別占進料的10%、20% 和30%。3 個不同配比獲取的混料攪拌效果理想，含水率均控制在52.0% 左右。由于返料中含有處于活化狀態的嗜熱性微生物，改變了堆體內細菌群落結構并隨著堆肥的進行其優勢逐漸增強［22］，且反應器內部的高溫環境為其創造了理想的生存繁殖條件，因而在本階段試驗中呈現出更高的堆溫，無線溫度傳感器所測得的最高堆溫為65.9 ℃（圖7）。

圖7 返料量探究期間堆溫變化趨勢Figure 7 Variation trend of heap temperature during the period of material return

返料量探究期間，堆溫維持情況理想。返料量20% 時，堆溫維持效果最佳。返料量探究期間對應的出料含水率在42% 左右，有機物含量均呈現不同程度的下降，進料pH 為6.9 左右而出料pH為8.1 左右，均低于非返料條件下的進出料pH。碳氮比呈下降趨勢。根據本次試驗結果，推薦返料量為20%，可在不影響堆溫和進出料狀態的前提下減少輔料量進而降低堆肥成本。

3.5 二次腐熟

一次發酵完成后，物料進入二次腐熟階段。二次腐熟期間堆體不宜過高過寬，否則不利于堆體散熱，無法降低物料含水率、提高熟化效率。在一個堆肥料堆中，并不是所有區域都會達到同一個溫度，所以需要經常翻轉，使得所有基質都可以移到最熱的核心地帶。

物料二次腐熟期間溫度變化如圖8 所示。二次腐熟過程中持續產生較大的熱量，堆肥經過一段時間的熟化并趨于完全穩定。含水率降低至16.9%，堆溫接近或略高于室溫，此時微生物活動減少，大部分不穩定的物質都已經穩定化，可以進入儲存和應用階段。

圖8 物料二次腐熟期間溫度變化趨勢Figure 8 The temperature change trend of the material during the second maturation period

堆肥化產品的有機物含量由初始的60.3% 降低至31.2%，有機物去除率達68%。檢測結果表明，物料碳氮比由初始值22.6 降低至16.4，營養土產品的pH 為7.70。物料腐熟前后指標變化見表4。

表4 物料腐熟前后各指標變化Table 4 Changes of various indicators before and after the maturity of the material

二次腐熟完成后，測得堆肥產品的有效活菌數為7.39 億/g，符合NY 884—2012 中有效活菌數的要求（≥0.20 億/g）。

堆肥產品檢測結果表明，堆肥產品pH 為7.70，其理化指標、養分指標、生物學指標及污染物指標均在GB/T 23486—2009 要求范圍內，種子發芽指數大于70%（表5）。污泥營養土的重金屬含量相較于污泥而言有所下降，這可能是由于好氧發酵過程改變了金屬污染物的存在形態，促進了重金屬的鈍化［23］，有利于污泥營養土后續的資源化利用。

表5 堆肥產品檢測結果Table 5 Test results of the compost product

4 結論

相較于條垛式堆肥，反應器好氧發酵可有效解決場地有限、環保要求高等難題，其推廣性極強，具有很好的應用前景，后續將進一步擴大試驗體量，在此基礎上深入研究。通過對反應器好氧發酵技術控制方法和控制過程進行優化，得出以下結論：

1）輔料占比原料66.7%，即污泥與輔料配比為3.0∶2.0 時，混合物料的蓬松度、含水率都比較適合進行好氧發酵。但堆肥中的最佳配比視輔料種類、自身性質等相關參數而定，可通過控制物料含水率、攪拌效果等指標確定輔料含量。

2）通風量優化數值為20～25 m3/h，折算為單位時間單位體積下通風量為6.3～7.9 m3/（h·m3），可將堆溫維持在55 ℃以上的高溫期。人類和植物病原體在這個階段被消滅，野草種子和昆蟲幼蟲也被殺死。除了高溫階段的高溫因素，在這個階段主要存在的放線菌可以產生抗生素，這對衛生化處理很重要。

3）反應器翻轉以間歇式模式運行更有利于高溫期的穩定維持，本研究中優化的筒轉啟/停時間分別為2 h 和1 h，該運行條件有利于延長高溫期，加快好氧發酵進程。

4）堆肥化產品滿足GB/T 23486—2009 要求。有效活菌數為7.39 億/g，符合NY 884—2012 標準中有效活菌數的要求（≥0.20 億/g）。

依托于好氧發酵技術，智能化好氧發酵集成裝備除了應用于污泥處理處置場景外，其可復制的固體有機廢物循環利用模式，可為畜禽糞便、生活垃圾、廚房殘余等其他有機固廢的規?；醚醵逊侍幹锰峁﹨⒖?，發展有機肥產業，保持和提高土壤肥力，促進農業可持續發展。這對促進有機肥替代化肥、協同推進農業農村高質量發展、提高生態環境質量有重要意義，具有廣闊的市場發展前景。