來自洗毛廢水絮凝沉積物的生物質肥料制備

徐 升，徐 鵬，趙浦岐，杜玉婷，葛振楠，閆 涵

(內蒙古工業大學 輕工與紡織學院，內蒙古 呼和浩特 010080)

洗毛污泥中有許多的細菌、寄生蟲以及一些固體的懸浮雜質等，如果沒有采取適當的措施進行處理，會造成二次污染[1]。目前對于洗毛污泥的相關處理方式為：衛生填埋、土地直接施用和焚燒等[2-3]，上述方法不僅消耗大量熱能，而且也不符合可持續發展的環保要求。

洗毛污泥中含有大量的無機、有機元素，可運用好氧發酵等方法將其制作成肥料，用于改良土壤，增加土地微量元素，補充植物所需的營養成分，進而增強植物的抵抗力并加快生長速度[4]；另一方面洗毛廢水處理過程中加入的少量絮凝劑，如聚合氯化鋁、聚丙烯酰胺等，其不僅對土壤無害，有些還會在堆肥過程中被消化，起到保土、保水、保肥和增產的作用[5]。

本文選取鄂爾多斯資源股份有限公司絨紡事業部分梳車間的一槽洗毛廢水，用聚合硫酸鋁鐵、聚合氯化鋁、硫酸鐵3種絮凝劑進行絮凝試驗。在去除污泥中的羊脂后，通過接種有機發酵菌、EM菌和污泥發酵菌進行好氧發酵試驗，同時設置對照試驗，通過溫度、pH值、水分和有機物的含量進行分析，以探究生物堆肥的可行性。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

洗毛廢水(鄂爾多斯資源股份有限公司絨紡事業部分梳車間一槽洗毛廢水)；硫酸鋁(天津市致遠化學試劑有限公司)；聚合氯化鋁、聚合硫酸鋁鐵(無錫市亞泰聯合化工有限公司)；EM菌(廣州市睦邦科技有限公司)；CK酵母菌、有機發酵菌(鄭州旺農寶生物科技有限公司)；污泥發酵菌(山東貝佳生物科技有限公司)；環己烷(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 洗毛廢水的絮凝

正交試驗：試驗變量設計為絮凝劑種類、接種量、pH值，設置3因素3水平正交試驗，通過分析廢水的吸光度及其絮凝前后的pH值確定最優工藝。

將3種絮凝劑按照正交表設計參數分別加入裝有200 mL且已設置好pH值的洗毛廢水燒杯中，攪拌3 min，攪拌結束后，靜置2 h。

絮凝結束后，廢水分為上下2層，以波長380 nm測定其上層吸光度數值，并做好數值記錄，下層沉淀物即為洗毛污泥。

1.2.2 污泥中的羊脂提取

按正交設計最優工藝進行絮凝，取絮凝液下層污泥置于烘箱中烘干，加入環己烷進行萃取，環己烷與污泥的質量比為10∶1，萃取時間5 min；萃取結束后離心 (轉速為4 000 r/min) 5 min，離心完畢后取下層絮凝物進行污泥發酵；上清液即為羊脂與環己烷的混合溶液。

1.2.3 污泥的發酵

污泥的發酵試驗分為4步：

①污泥和稻殼按照質量比2∶1的比例混合，分別添加在5個桶中(編號1～5)，使5組含水率均在65%，之后按照3%的比例將菌劑添加到2～5號桶內，手動攪拌，使菌落均勻分散開，最后形成一個約5 L的小型好氧發酵裝置，1號桶做空白對照試驗(即1號桶不添加菌劑，自然發酵)；(2～5號桶依次添加CK酵母菌、有機發酵菌、EM菌、污泥發酵菌)。

②測溫：每日上、下午固定時間分別測溫1次，利用水銀溫度計在樣品中心插入5 cm左右，待溫度穩定之后進行讀數，每個樣品每次分不同位置測量5次。

③翻堆：每隔3 d進行翻堆，使污泥均勻發酵，翻堆之后，做好桶內高度的測量。

④檢測：檢測項目包括pH值、含水率、有機碳含量、全氮含量、全鉀含量。全氮、全鉀含量參考NY 525—2012《有機肥料》進行測試；總有機碳參考HJ 695—2014《土壤有機碳的測定 燃燒氧化-非紅外分散法》進行測試。檢測條件：溫度24 ℃，相對濕度28%。檢測樣品質量均為20 g。測試儀器：kjeltecTM8100凱式定氮儀(美國FOSS公司)，OI Analytical總有機碳分析儀(美國OI Corporration公司)，ZA3300 7J1-8327原子吸收分光光度計(日本HITACHI公司)。

1.3 污泥評價標準

1.3.1 物理評價指標

溫度：堆肥時，溫度被劃分為升溫、高溫、降溫和穩定4個階段。通常情況下，肥料需要花2～3 d完成升溫，為確保廢棄物無害，通常需要5～10 d保持這一高溫不發生較大變化。在高溫階段之后，堆肥溫度會慢慢降低至環境溫度，此時堆肥的腐熟度就趨于穩定[6]。

顏色及氣味：腐熟堆肥主要具備如下特征，溫度接近自然環境的溫度，且異味已經消散，附近也沒有蚊蠅，結構比較疏松，且顆粒狀清晰可見[7]。

1.3.2 化學評價指標

pH值：受到微生物活動的影響，腐熟堆肥通常都為弱堿性，pH值保持在8～9之間，不過pH值的高低也和發酵材料有關。

氮的變化：在堆肥時，由于是處在堿性環境中，一部分氮離子可能會轉化成氨氣，隨后揮發到空氣當中，另一部分則可能會在硝化作用下變為硝酸根離子。

碳與氮(C與N)質量比的變化：堆肥中的碳元素可以給微生物提供能量，氮元素可以給微生物提供營養物質，有機質在腐殖化的過程中，碳類有機物會被分解成二氧化碳或者其他腐殖物質，一般來說，總有機碳、全氮含量高時腐熟效果較好[8]。

2 試驗數據及分析

2.1 洗毛廢水正交試驗

試驗設計變量為絮凝劑種類A、絮凝劑的投入量B、pH值C，組成3因素3水平正交試驗，以吸光度為評價指標進行正交分析。正交試驗及結果如表1所示。表中A1代表聚合硫酸鋁鐵、A2代表硫酸鋁、A3代表聚合氯化鋁。

表1 正交試驗結果Tab.1 Orthogonal data table

由表1可知，因素A(絮凝劑種類)的極差R1=0.207>因素B(絮凝劑的投入量)的極差R2=0.048=因素C(絮凝前pH值)的極差R3=0.048。根據R1>R2=R3，得出各因素影響大小為：絮凝劑種類>絮凝劑投量和絮凝前pH值。取各因素最大值得出最優水平A3B2C2，即絮凝劑選用聚合氯化鋁，絮凝前pH值為8，投入量為1.5 g/(200 mL)時絮凝效果最好。

2.2 污泥處理數據

2.2.1 溫度對洗毛污泥發酵的影響

洗毛污泥接種微生物菌劑前，預處理污泥混合物呈褐色，咖啡味濃。由于外界溫度在10 ℃以上，接種后升溫速度較快，高溫期持續時間在12 d左右。污泥發酵溫度變化曲線如圖1所示。當環境溫度高于15 ℃時，微生物的活性會迅速增加，不斷增加污泥的發酵溫度，達到高溫后會維持一定的時間。高溫結束后，污泥混合物會逐漸向環境溫度靠攏，直至趨于穩定，此時發酵系統即為腐熟。通過對比來看，添加菌劑主要影響的是發酵速度。

圖1 污泥發酵溫度變化曲線Fig.1 Temperature curve of sludge fermentation

溫度是發酵過程最關鍵的一個參數，一方面高溫讓無害化進行得更徹底，另一方面過高的溫度又會讓微生物休眠，不利于物料的降解。對于無害化要求，一般是將堆體溫度維持在55 ℃以上，持續7 d。如果溫度過高，就要增大通風曝氣量；溫度過低時，就要減少曝氣量，減少翻拋，減少熱量損失。

2.2.2 含水率對洗毛污泥發酵的影響

含水率是污泥發酵的一個重要指標，通過含水率的變化可以對污泥發酵過程進行監控。微生物在含水率為50%～60%之間最為適合[9]，如果含水率低于40%，則會限制微生物的活性；高于70%，會產生厭氧的發酵環境，會相對降低污泥發酵效率。伴隨著發酵的進行，水分會逐漸散失，所以每隔一定的時間就要測試其含水率，以保證發酵的正常進行。

2.2.3 pH值對于洗毛污泥發酵的影響

pH值是指示微生物生存環境和有機物降解的重要指標。合適的pH值可以提高有機質降解速率，縮短堆肥進入高溫期的時間。適宜堆肥的pH值范圍為7.5～8.5[10]，超出此范圍會對微生物的活動起到抑制作用。pH值的變化范圍與堆肥原料的性質和堆肥條件等因素有關。雖然在堆肥過程中，污泥混合物的pH值在動態變化，但最終都能夠通過自身得到調節。如果沒有特殊情況，一般不必調節，微生物可在pH值6.7～9.0的較大范圍內正常繁殖。

2.2.4 洗毛污泥中有機碳/全氮/全鉀等元素變化

有機碳、全氮、全鉀檢測數據見表2，微量元素散點圖見圖2。

表2 有機碳、全氮、全鉀檢測數據Tab.2 Detection data of organic carbon, total nitrogen and total potassium

圖2 微量元素散點圖Fig.2 Scatter plot of trace elements

通過數據分析可知，5組樣品中微量元素含量正常，C與N質量比分別為0.060、0.067、0.070、0.081、0.066。通過比對可知，CK酵母菌與有機發酵菌的C與N質量比較低，參照標準來說，即其發酵的效果較好，添加菌劑的其他2組發酵效果相對較差。添加有機發酵菌的污泥組中的全鉀、全氮、總有機碳含量較CK酵母菌污泥組高，故其效果較好。

3 結 論

在相同的外界條件下，絮凝劑聚合硫酸鋁鐵、硫酸鋁、聚合氯化鋁對于洗毛廢水的絮凝都有一定的效果，但是由于絮凝劑本身的特性，導致絮凝后的廢水酸堿度不一致，因此，本著既要保證絮凝效果又要避免對環境造成二次影響的原則，選取聚合氯化鋁進行絮凝，設計并進行正交試驗，得出優化處理工藝：洗毛廢水絮凝前pH值為8、絮凝劑投入量為1.5 g/(200 mL)時效果較好。

通過污泥發酵試驗可知，CK酵母菌對照組的發酵速度明顯比其他3組的發酵速度慢，并且發酵過程中所有試驗組別的pH值一直處于8～9之間，這是由于微生物發酵時，氮元素經過不斷的分解，產生弱堿性的氨所導致；從溫度角度看，發酵速度以有機發酵菌最為明顯，結合溫度等因素判斷，有機發酵菌為快速堆肥的理想選擇。