城市污水處理廠污泥好氧堆肥及其應(yīng)用前景

王旭輝

（沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院 遼寧沈陽 110168）

引言

由于污水處理量的大幅上升，使得污泥產(chǎn)量也持續(xù)增加。剩余污泥中含有氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素及大量的有機(jī)質(zhì)，在一定程度上可以改善土壤的理化性質(zhì)，提高土壤肥力。同時，剩余污泥中含有大量的致病菌、重金屬等有毒有害物質(zhì)，如果不經(jīng)過科學(xué)的處理與處置，不僅會污染環(huán)境，也會嚴(yán)重危害人類的健康[1][2]。為了避免剩余污泥對環(huán)境造成污染，在處理與處置剩余污泥的過程中要遵循“減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化”的原則，使得剩余污泥能夠得到有效的再利用。

經(jīng)過污泥好氧堆肥，可將剩余污泥轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料用于改善土壤的理化性質(zhì)、增加土壤的肥力[3]，這不僅使污泥得到了有效的處理與處置，避免了污泥對環(huán)境的污染，還具有顯著的社會效益[4]。污泥好氧堆肥因其易于控制管理且運行成本較低，成為國內(nèi)外污泥處理行業(yè)的主流技術(shù)之一[5][6]。

1 污泥好氧堆肥原理

污泥好氧堆肥是指在氧氣充足的條件下，兼性及專性好氧微生物將污泥中的有機(jī)質(zhì)降解轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的過程[7][8]。

污泥好氧堆肥一般分為升溫階段、高溫階段、降溫腐熟階段。

升溫階段，主要在堆肥的初期，堆體溫度逐漸上升且基本維持在15℃-45℃，一般持續(xù)3-5 天，此階段堆體中的細(xì)菌、真菌、放線菌等嗜溫菌利用堆體中的糖類、淀粉等可溶性有機(jī)物作為營養(yǎng)物質(zhì)，將其迅速分解成二氧化碳和水，同時釋放出大量的熱量，因此堆體溫度不斷升高[9]。

高溫階段，堆體溫度逐漸升高并達(dá)到50℃以上時即進(jìn)入高溫階段。這時大多數(shù)的嗜溫菌被抑制生長甚至出現(xiàn)死亡，嗜熱菌開始活躍。此時堆體中的一些殘留物被降解，一些復(fù)雜難降解的有機(jī)物也逐漸開始被降解[9][10]。在50℃左右時嗜熱菌最為活躍，當(dāng)溫度升高到60℃左右時真菌幾乎不再活動，如果溫度繼續(xù)升高，嗜熱菌也開始被抑制且不再活躍，甚至?xí)劳觥Ｓ醒芯勘砻鳎邷仉A段的最適宜溫度為55℃左右，且堆體中大部分的微生物在此時是最活躍的，也很容易分解有機(jī)物，此階段堆體中的病原菌、寄生蟲卵等被殺死[11][12]。

降溫腐熟階段，在高溫階段結(jié)束后大部分的微生物被殺滅，或者是不再活躍，這時就進(jìn)入了降溫階段。此時堆體溫度較低，嗜溫菌又開始活躍起來，分解剩余的有機(jī)物，在此階段堆體中釋放的熱量變少，堆體的溫度逐漸降低、耗氧速率減小、孔隙度增加，逐漸穩(wěn)定進(jìn)入腐熟階段[11][12]。

2 污泥好氧堆肥技術(shù)

污泥好氧堆肥技術(shù)是指，污泥中的微生物在好氧條件下將有機(jī)物降解成腐殖質(zhì)并使污泥達(dá)到穩(wěn)定化、無害化的過程。一般有以下幾種形式：條垛式堆肥、強制通風(fēng)靜態(tài)堆肥、發(fā)酵槽式堆肥、反應(yīng)器式堆肥。

2.1 條垛式堆肥

條垛式堆肥是將堆肥物料堆置成長條垛，經(jīng)過人工或機(jī)械設(shè)備翻堆為堆體提供充足的氧氣，以實現(xiàn)對有機(jī)物的分解。條垛式堆肥一般是在露天條件或棚屋下進(jìn)行，該堆肥系統(tǒng)設(shè)備簡單、投資成本低，但堆肥周期長，占地面積大，需要大量的人力且容易受到外界環(huán)境的影響[13]。

2.2 強制通風(fēng)靜態(tài)堆肥

強制通風(fēng)靜態(tài)堆肥是在條垛式堆肥的基礎(chǔ)上，設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)直接供氧，不進(jìn)行人工或機(jī)械設(shè)備翻堆，該堆肥系統(tǒng)對供氣管路和排水系統(tǒng)的設(shè)置有一定的要求。該堆肥系統(tǒng)具有堆肥周期短、機(jī)械化程度高等特點，但有占地面積大、排放臭味氣體污染環(huán)境等缺點[7]。

2.3 發(fā)酵槽式堆肥

發(fā)酵槽式堆肥是將堆肥物料放入發(fā)酵槽內(nèi)，通過對堆體定期翻堆處理，使得堆肥物料在翻動過程中能夠接觸更多的氧氣，同時去除大量的水分。該形式堆肥周期短，機(jī)械化程度較高，需要的人力少，但是該堆肥方式成本高、不易于操作。

2.4 反應(yīng)器式堆肥

反應(yīng)器式堆肥是將污泥和調(diào)理劑等堆肥物料混合后加入反應(yīng)器，向堆體通風(fēng)并控制溫度的一種堆肥方式。常見的反應(yīng)器式堆肥類型有：塔式堆肥系統(tǒng)、筒倉式堆肥系統(tǒng)、滾筒式堆肥系統(tǒng)。該堆肥方式的優(yōu)點是不受外界環(huán)境的影響，占地面積小，產(chǎn)生的氣體能夠集中收集，對周圍環(huán)境影響較小，但是存在投資成本高、維修管理費用高等問題[7]。

張鳳等采用的梨形筒式反應(yīng)器，具有可移動性、堆肥物料能夠均勻混合、易于管理維護(hù)、運行費用低等優(yōu)點，克服了現(xiàn)有反應(yīng)器存在的堆肥物料難以均勻混合且攪拌過程易纏繞等缺點，使得污泥好氧堆肥反應(yīng)器能夠穩(wěn)定運行[14]。

3 污泥好氧堆肥的影響因素

污泥好氧堆肥受到很多因素的影響，該過程中存在著復(fù)雜的物質(zhì)轉(zhuǎn)化。為了提高堆肥效率，獲得最佳的堆肥效果，則必須研究各個影響因素在好氧堆肥過程中的作用[15]。影響好氧堆肥的主要因素有：含水率、溫度、通風(fēng)量、碳氮比（C/N）、pH 值、有機(jī)質(zhì)含量、填充物料[10]。

3.1 含水率

堆體物料的含水率可直接影響堆肥的進(jìn)程和堆肥產(chǎn)品的腐熟度[9][10]。一般認(rèn)為，堆肥最適合的含水率為55%-60%，能夠滿足堆肥過程中微生物的生長繁殖。在保持一定溫度的條件下，含水率太高或者太低都會影響堆體中微生物的活性，不利于堆體中微生物對有機(jī)物的降解[11]。當(dāng)含水率太高時會導(dǎo)致堆體的溫度下降，有機(jī)質(zhì)的分解速率降低，而且由于堆肥物料間充滿水分，空氣流動效果差，不利于氧氣的傳輸，會造成局部厭氧或者缺氧的環(huán)境，抑制好氧微生物的生長；當(dāng)含水率太低時，微生物的生長繁殖受到抑制，導(dǎo)致堆肥速率降低，堆肥效果較差，堆肥周期變長[12～14]。

3.2 溫度

溫度是反映堆肥效果的重要指標(biāo)，決定著好氧堆肥產(chǎn)品的腐熟程度和產(chǎn)品質(zhì)量。好氧堆肥過程中溫度的變化影響著各個階段微生物的種類及活性[11]，嗜溫菌最適合的溫度為30-40℃，嗜熱菌最適合的溫度為45-60℃。污泥好氧堆肥要求的溫度為50-60℃，且在50℃以上的持續(xù)時間為5-7 天，此時可滿足相應(yīng)的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)溫度過高時，如超過80℃，堆體中的微生物活性減弱，導(dǎo)致堆肥效果下降[15]。

3.3 通風(fēng)量

通風(fēng)量直接影響堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量優(yōu)劣。通風(fēng)量太大時，堆體溫度散失較快且堆體中的氮素容易以氨氣散失，造成氮素?fù)p失；通風(fēng)量太小時，堆體中的微生物得不到足夠的氧氣來維持生命活動，且堆體內(nèi)易形成厭氧環(huán)境。因此在好氧堆肥過程中只有保持適宜通風(fēng)量，才能獲得優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。通風(fēng)方式主要為自然通風(fēng)和強制通風(fēng)等方式[11]。

3.4 碳氮比（C/N）

碳源和氮源是維持微生物生長繁殖的重要營養(yǎng)元素。在好氧堆肥過程中，適宜的C/N 比能夠使得堆體中的微生物獲得均衡的營養(yǎng)成分，保證堆體中的微生物更好的生長繁殖。一般認(rèn)為，堆肥前的C/N比應(yīng)保持在20-30 之間[11]。若C/N 比太低，則氮素過量，這樣會導(dǎo)致堆肥產(chǎn)品中的氮素大量損失；若C/N比太高，則碳素過量而缺乏氮素，此時微生物的生長因缺乏氮源而受到抑制。城市污水處理廠污泥的C/N比一般低于12，因此在堆肥時通常需要加入調(diào)理劑來調(diào)節(jié)C/N 比[15]。一般常用的調(diào)理劑有木屑、秸稈、樹葉等。

3.5 pH值

pH 值是影響好氧堆肥過程的一個重要參數(shù)，微生物的生長繁殖需要適合的pH 范圍。在整個堆肥過程中，pH 值隨著時間和溫度的變化而變化，能夠間接反映微生物生存環(huán)境的優(yōu)劣。pH 值的高低會影響好氧堆肥的效率，適宜微生物正常生長繁殖的pH 范圍在7.5-8.5 之間。若pH 值過高，堆肥物料中的氮素會以氨氣的形式排放而導(dǎo)致氮素?fù)p失。污泥好氧堆肥過程中有足夠的緩沖作用，堆體的pH 值一般能夠穩(wěn)定在大多數(shù)微生物活動的范圍，因此其pH 值不需要調(diào)節(jié)。

3.6 有機(jī)質(zhì)含量

有機(jī)質(zhì)含量也是污泥好氧堆肥過程當(dāng)中的一個影響因素，是污泥好氧堆肥過程當(dāng)中微生物生長繁殖的物質(zhì)基礎(chǔ)和能量來源。不同的污水處理廠污泥中有機(jī)質(zhì)含量差異比較大，因此在污泥好氧堆肥過程中，必須有合適比例的有機(jī)質(zhì)含量[10]。有機(jī)質(zhì)含量過高會導(dǎo)致堆體供氧不足，容易出現(xiàn)厭氧環(huán)境；有機(jī)質(zhì)含量過低則會導(dǎo)致堆體中的微生物缺乏足夠的營養(yǎng)物質(zhì)，使得微生物活性降低，產(chǎn)生的熱量變少，難以達(dá)到堆肥所需的最佳溫度范圍，從而影響堆肥產(chǎn)品的價值[11]。

3.7 填充物料

通常情況下，為了調(diào)節(jié)好氧堆肥的碳氮比和含水率，需要在堆肥前加入一定比例的填充物料。適當(dāng)?shù)奶畛湮锪夏軌蛟黾游勰嗟目紫堵剩欣诙洋w中氣體的流通，避免發(fā)生厭氧堆肥。

常用的填充料有沸石、木屑、樹葉、秸稈、活性炭、蛭石、動物糞便及殘余飯菜等。再加入填充物料之前，需要對填充物料進(jìn)行預(yù)處理，例如剪切、破碎、研磨到一定的大小，以保證填充物料和污泥能夠均勻混合。

4 污泥好氧堆肥發(fā)展前景

通過污泥好氧堆肥，污泥含水率明顯降低，體積減小，變?yōu)槭杷傻念w粒狀，污泥中的揮發(fā)性物質(zhì)不斷減少，臭味逐漸減弱，污泥的性質(zhì)變得更加穩(wěn)定，轉(zhuǎn)化成了穩(wěn)定的腐殖質(zhì)，以便后續(xù)的處理和使用[16]。污泥好氧堆肥的技術(shù)要求低，投資成本少，因此易于實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，且適于大范圍推廣。但目前仍存在堆肥效率低、氮素?fù)p失大、產(chǎn)品肥效差等問題，因此要提高堆肥效率，提升堆肥品質(zhì)，則需要合理控制含水率、C/N 比、通風(fēng)量、溫度等影響因素，使得污泥好氧堆肥能夠更加順利的進(jìn)行，進(jìn)而生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)安全、高肥效的農(nóng)用肥料。

由于污泥好氧堆肥技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)實用、不產(chǎn)生二次污染等特點，目前已成為環(huán)保領(lǐng)域內(nèi)的一個研究熱點。隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，農(nóng)業(yè)種植面積逐年穩(wěn)定擴(kuò)大，使得有機(jī)肥料在未來有巨大的需求量。因此在未來的發(fā)展中，污泥好氧堆肥將會有更大的效益、更廣闊的前景。

結(jié)語

污泥好氧堆肥作為污泥處理與處置的一種方法，已經(jīng)受到了越來越多的研究者關(guān)注。由于其操作簡單、投資較低的特點，有利于實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。利用污泥好氧堆肥的方式將污泥轉(zhuǎn)化成為肥料，避免了污泥對環(huán)境的污染，使得有害物質(zhì)資源化，同時將污泥轉(zhuǎn)化成為可以利用于土地的肥料，符合污泥處理與處置的基本原則，有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。