污泥和糞污好氧發酵罐式工藝技術的研究與應用

摘要：污泥和糞污好氧發酵罐式工藝技術是將物料裝入密閉的發酵反應裝置內進行好氧發酵，發酵后的產物為營養土或有機肥。好氧發酵罐采用立式圓筒錐底結構，罐內無機械攪拌，采用側壁和罐底高壓爆氣翻拋及供氧技術。研究表明，該技術能很好地控制通風量和物料溫度，相比于傳統槽式好氧發酵，其系統運行產生的臭氣少、更環保、更經濟，且發酵周期短。目前，該技術已有成功應用案例，實際效果達到了技術與研究的預期。

關鍵詞：好氧發酵罐；資源化利用；無機械攪拌；高壓爆氣翻拋

槽式好氧發酵作為傳統的污泥和糞污處置方式，具有占地面積大、臭氣處理量大、能耗高、現場環境差特點，以及溫度、濕度、空氣在內較難控制的諸多弊端，使得發酵代謝物達不到理想效果，影響產品品質，不僅發酵周期長，而且生產成本高。而罐式密閉智能化污泥好氧發酵技術具有效率高、環境更友好、運行成本低、運行穩定等優勢，將是未來技術發展的主要方向。

目前，國內外均有政策推動污泥和糞污的資源化利用，鼓勵采用環保、高效的處理技術。本文研究的污泥和糞污好氧發酵罐式工藝與政策導向相符，能夠很好地解決傳統污泥和糞污處置工藝存在的問題，其工藝優點為設備高度自動化、密閉空間物料發酵、處理量大、占地面積小、生產效率高、臭氣產量小、便于臭氣收集和處理等，是一種很好的污泥和糞污資源化利用處置方式。但由于好氧發酵罐式工藝的罐式結構、發酵工藝流程、臭氣污染控制和發酵產品的市場接受度是當下技術研究的要點，因此本文對這些要點進行重點探索與分析，并結合實際應用，對其技術優勢和發展前景進行了進一步討論與展望。

1 污泥和糞污好氧發酵罐式工藝技術概述

1.1 工藝技術優勢

傳統的污泥和糞污發酵工藝技術存在很多問題，如占地面積大、臭氣處理量大、能耗高、現場環境差，以及溫度、濕度、空氣較難控制等，其原因在于發酵過程沒有封閉、堆料高度不夠、發酵條件可控性差。為了解決傳統污泥和糞污發酵工藝存在的問題，需要設計出一種封閉式、有一定堆料高度（＞ 6 m）、能夠很好地控制發酵物料溫度和供氧量且便于臭氣回收的發酵反應器。

本研究設計的污泥和糞污好氧發酵罐式工藝系統很好地解決了傳統工藝存在的問題。發酵罐采用直筒錐底密閉結構，直筒段設計直徑約8 m，錐底傾角＞ 60°，有利于物料向下流動。為防止物料結拱，并提供氧氣和疏松物料，發酵系統采用側壁和罐底高壓爆氣翻拋及供氧技術，爆氣壓力大，直射物料，穿透性強，覆蓋面積大，可破拱和防止板結，有利于系統順暢出料；利用爆氣給好氧菌供氧，保持菌種的均勻度和活性；利用爆氣翻松物料，降低物料濕度，帶走多余水份，控制物料溫度和濕度。污泥和糞污好氧發酵罐式工藝克服了傳統發酵方式的弊端，發揮出了其特有的技術優勢，不僅處理量大、臭氣產生量小、臭氣處理成本低，而且具有很好的環境效益、社會效益和經濟效益。

1.2 工藝結構和原理

污泥和糞污好氧發酵罐式工藝主要由罐式好氧發酵反應器和其他常規配套裝置組成。罐式好氧發酵反應器如圖1 所示，主要包括圓形錐底罐體系統、進料系統、均料系統、爆氣系統、PLC 控制系統、出料系統、溫度和料位監測系統等。

好氧發酵罐罐體為主體容儲裝置，上部采用直筒結構，下部為錐底結構。為防止物料腐蝕，罐壁多采用不銹鋼板或不銹鋼復合鋼板，也可采用其他耐磨耐腐蝕噴涂材料。罐體容積和處理量根據實際需求設計，通常為罐體直徑8 m，料位高度8 m，容積300 m3，每天可處理約25 t 含水率65% 的污泥或糞污。

污泥或糞污經前端預處理工藝后，通過進料系統進入好氧發酵罐，在發酵罐停留7～9 d（停留時間可根據實際情況延長或縮短）；發酵罐中物料在均料系統的作用下攤平，避免于下料口處堆積，從而擴大罐體的有效空間。

均料系統如圖2 所示，主要由均料葉片、主軸、軸承座組件、電機減速機等構成。其中，均料葉片可設計成弧狀彎刀形，前低后高，斷面類似于三角形結構，如圖3 所示；電機減速機提供的動力通過軸傳遞到葉片，葉片水平旋轉，堆放在入料口下方的物料在葉片旋轉過程中被推到料位低處，最終實現料位相對均勻。

爆氣系統是罐式好氧發酵反應器裝置的核心創新點，也是好氧發酵罐式工藝系統成敗的關鍵點，其由外圍爆氣裝置和中心爆氣裝置組成。

外圍爆氣裝置如圖4 所示，由噴嘴、控制閥門、支管和環管等組成。噴嘴焊接在罐壁上，開口向上傾角45°為宜，控制閥門安裝在噴嘴與支管之間，支管和環管連接，環管通過主管道與空壓罐連接，空壓機給空壓罐供氣，爆氣壓力大小根據生產情況調節。該裝置通過PLC 程序控制自動運行，逐層逐個按照壓力控制循環開關閥門，即當系統壓力達到設定壓力時開啟閥門、低于設定壓力時關閉閥門。開啟與關閉閥門的壓力值通過爆氣需求量反推計算和設定，閥門開啟順序、開啟和關閉壓力值等均可在系統界面根據需求設定。

中心爆氣裝置設計為套管結構，可以是單套管結構，也可以是多套管結構。各套管的外側設有噴嘴，為了防止物料進入套管，噴嘴向下傾斜布置，高壓氣體通過主管道后進入夾層，再通過噴嘴噴射到物料中。爆氣可連續進行，也可間斷進行。根據需求和位置的不同設置爆氣壓力并控制爆氣量，爆氣量應適宜，若過多會影響物料溫度進而影響好氧發酵，若過少則會造成物料缺氧發酵不充分。

根據以往經驗，1 t 物料的最佳曝氣量為3～4 m3/h，最佳發酵溫度為55～70 ℃。爆氣系統能利用高壓氣體將物料翻動蓬松，出料時可借此蓬松破拱和推動物料往下走，避免結拱和減少死角。爆氣壓力通常控制在0.4～0.8 MPa，罐體中下部的壓力可適當高一些，以打穿物料，而上部的壓力可適當低一些。

出料系統位于罐式好氧發酵反應器下部；好氧發酵罐出口處設有密封式插板結構的閘板閥，防止臭氣和灰塵外泄。閘板閥下部接出料螺旋或出料皮帶，其中接有軸雙螺旋輸送結構為最佳方式，也可考慮接單螺旋、無軸螺旋或皮帶。螺旋出口處接轉運皮帶輸送機，將發酵好的物料輸送至陳化車間存放。

溫度和料位監測系統的溫度計安裝在罐體外壁，探頭斜向下伸入500～600 mm。為防止溫度計損壞，在其外側設置保護套管，套管選用DN25×10 mm 的不銹鋼管，位置可分布在圓形體中上部、中部和錐形體中部，每層角向宜布置3～4 個。料位計安裝在罐頂，可采用雷達或超聲波料位計。

2 工藝技術應用探討

污泥和糞污好氧發酵罐式工藝技術的應用主要集中在對有機固體廢物的處理與資源化利用方面，尤其適用于城市污水處理廠產生的污泥，以及養殖廠糞污、農林廢棄物等的減量化、穩定化和無害化處理。

2.1 污泥好氧發酵罐式工藝

污泥好氧發酵罐式工藝是一種將污泥中的有機物通過好氧微生物的作用轉化為穩定且衛生的有機肥料的工藝。該工藝的整個運行過程都在封閉空間中，具有污泥處置更高效、環境更友好、智能化水平高的優勢，不但實現了污泥的資源化利用，而且產品穩定性較好。具體的工藝流程如圖5 所示。

2.1.1 污泥處置更高效

可在短時間內完成污泥的發酵處理，提高處理效率。發酵周期為7～10 d，遠低于傳統槽式好氧發酵20～30 d 的周期。

2.1.2 環境更友好

污泥好氧發酵罐式工藝采用封閉的發酵空間，罐頂設置排氣孔并與臭氣處理裝置連接，工藝運行期間產生的臭氣全部排至臭氣處理裝置進行處理。因此，工藝運行占用空間小、臭氣產生量少，對環境的影響較小。

2.1.3 智能化水平高

工藝采用智能化PLC 控制系統，實現了自動化運行，每臺設備、每套閥門、每個儀表都直接在中控顯示和操作控制。同時，工藝還設置了全自動的進出料模式、自動爆氣系統和故障診斷系統等，使得工藝的智能化水平較高。

2.1.4 實現污泥的資源化利用

可將污泥轉化為營養土或園林綠化用有機肥，實現了污泥的資源化利用。

2.1.5 產品穩定性較好

工藝運行過程中，不但分解了可降解的有機質、產生了能殺死病原菌和寄生蟲卵的高溫，而且生產出的營養土更加穩定、安全。

2.1.6 小結

雖然污泥好氧發酵罐式工藝的優勢很多，但也面臨不少技術挑戰，需要進一步探索。如，好氧曝氣量的最佳值范圍、最佳發酵溫度范圍、好氧罐屯料起拱等問題，均需逐步優化解決。

2.2 糞污好氧發酵罐式工藝

當前，我國畜牧產業已從數量、規模發展階段進入到質量效率提升、布局優化和完善的階段，因而畜禽糞便的合理化處理（利用）是養殖業治理和規范的重中之重[1]。好氧發酵作為畜禽糞便資源化利用的有效途徑之一，已在我國大規模的處理工程中取得快速發展。糞污好氧發酵罐式工藝適用于規模養殖場糞污處理利用，不僅可提高堆肥產品質量，還可解決建設用地限制，降低建設成本，對促進我國畜禽養殖廢棄物資源化利用具有重要意義[2]。

糞污好氧發酵罐式工藝是一種將糞污中的有機物通過好氧微生物的作用轉化為穩定且衛生的有機肥料的工藝，與污泥好氧發酵罐式工藝相似，不同之處在于物料進料含水量、發酵溫度、爆氣量、爆氣壓力等方面。

2.2.1 自動化程度高

通常配備自動化的控制系統，可精確控制發酵過程中的各種參數，如溫度、氧氣供應等，從而提高發酵效率和產物質量。

2.2.2 占地面積小

相較于傳統堆肥方式，糞污好氧發酵罐式工藝更加緊湊，占用空間較少，對于土地資源有限的養殖場來說是一個顯著的優勢。

2.2.3 發酵周期短

能夠提供更加穩定和優化的發酵環境，可縮短發酵周期，快速產生有機肥料。

2.2.4 臭味易集中收集處理

設有臭味收集和處理設施，有助于減少對周圍環境的影響。

2.2.5 無害化徹底

能夠通過高溫好氧發酵有效殺死病原菌和寄生蟲，實現糞污的無害化處理。

2.2.6 環境更友好

能夠減少由開放式堆肥帶來的環境污染問題，如臭味擴散與氮、磷在內的營養物質流失等。

2.2.7 運行維護相對集中

工藝采用系統化和集成化設計，運行、維護相對集中，便于管理和操作。

2.2.8 適應性強

能夠對不同種類和成分的糞便進行處理，具有較好的靈活性和適應性。

2.2.9 經濟效益更好

雖然工藝初始投資成本相對較高，但是綜合考慮其的高效率和環境友好性，從長遠角度看將會產生更好的經濟效益。

3 工藝實際應用案例概述

3.1 污泥濾餅處置

四川省攀枝花市川發中恒能環境技術有限公司將好氧發酵罐式工藝技術成功應用于處置餐廚垃圾厭氧消化液和市政污泥經板框脫水后產生含水率約65% 的污泥濾餅。濾餅經好氧處理后的返料由鏟車上料至混料機混合均勻；混好的物料先經螺旋輸送機和斗提機輸送至好氧罐頂部，再經進料口落入好氧罐內；好氧罐設有料位監測裝置和勻料裝置等，當好氧罐滿時料位監測裝置會報警，此時停止進料。好氧罐日可能處理20～25 t 含水率約65% 的泥餅，好氧消化周期為7～9 d，產出品呈細小顆粒和少量大顆粒狀，其中小顆粒被用于園林綠化營養土制作材料或制磚材料，大顆粒經滾筒篩分后做返料使用。

3.2 市政污泥處置

天津市東麗區張貴莊水廠將好氧發酵罐式工藝技術用于市政污泥好氧處置項目之中，建設了9 套好氧系統，單罐有效容積約250 m3，日可處理約180 t 含水率約65% 的泥餅。該項目建設的市政污泥好氧處置系統為我國目前最大的好氧發酵罐式工藝系統，泥餅處理按圖4所示的工藝流程進行，整套工藝系統在污泥濾餅處置案例的基礎上，在工藝、設備結構和自動化控制等方面均有很大改進，并在環境保護、處置效果和經濟效益等方面均取得了顯著成效。

4 工藝應用前景與展望

污泥和糞污好氧發酵罐式工藝技術符合我國污泥和糞污資源化處置的相關政策要求，并且相較于傳統發酵方式，其在環境保護、占地面積、處理周期、自動化程度和經濟性上均有很大優勢。因此，污泥和糞污好氧發酵罐式工藝技術在實現資源化處置方面前景良好，我國目前也出臺了一系列政策來支持污泥和糞污的無害化處理與資源化利用。

4.1 應用前景分析

4.1.1 政策背景與目的

我國政府高度重視污泥和糞污的無害化處理與資源化利用，將其視為深入打好污染防治攻堅戰、實現減污降碳協同增效、建設美麗中國的重要舉措。如，2022 年9 月，我國發布的《污泥無害化處理和資源化利用實施方案》提出，到2025 年，城市污泥無害化處置率達到90% 以上，地級及以上城市達到95% 以上。

4.1.2 技術路線與措施

國家出臺的相關政策均鼓勵因地制宜選擇污泥和糞污的處理方式，如推廣污泥和糞污土地利用、合理壓減填埋規模、有序推進污泥資源化回收利用等，但要求做好處理過程的環境保護。好氧發酵罐式工藝技術符合政策路線，既可滿足污泥和糞污資源化利用要求又能滿足環境保護的要求。

4.1.3 資金與投資

建立完善多元化的資金投入保障機制，通過鼓勵發行地方政府專項債券、基礎設施領域不動產投資信托基金（REITs）等方式支持污泥和糞污處理設施項目，同時在中央預算內投資加大支持力度，積極引導社會資金參與處理設施建設與運營，為污泥和糞污好氧發酵罐式工藝技術項目建設提供了資金支持。

4.1.4 技術與標準

將污泥和糞污無害化資源化處理關鍵技術攻關納入科技創新規劃，推廣先進適用技術，完善無害化處理與資源化利用標準體系。污泥和糞污好氧發酵罐式工藝作為一種新技術，符合相關的技術與標準。

4.1.5 小結

以上政策措施體現了我國政府在污泥和糞污資源化利用方面的全面考慮，旨在通過政策引導與支持，推動污泥和糞污處理向綠色、高效、資源化的方向發展。污泥和糞污好氧發酵罐式工藝技術符合相關政策要求，實現了環境友好和資源化利用。

4.2 未來發展趨勢

展望未來，污泥和糞污好氧發酵罐式工藝技術可與其他廢物處理技術相結合，形成綜合的固廢處理解決方案，以適應不同規模、類型的污泥和糞污處理需求。同時，隨著全球化的發展，也可借助國際間的技術交流與合作促進好氧發酵罐式工藝技術的創新和應用，提升其系統性能與可靠性。另外，面對土地資源有限、環保要求提高等挑戰，好氧發酵罐式工藝系統需不斷優化和升級，以適應更為嚴格的環保標準與市場需求。

5 結論

污泥和糞污好氧發酵罐式工藝技術通過創新設計，有效克服了傳統工藝技術的一些缺陷，并在多個方面實現了性能的顯著提升。①實現了自動化控制，可自動調節發酵過程中的關鍵參數，能更加準確地控制溫度、濕度、空氣供應等，確保發酵條件的最優化。②高效爆氣技術，能通過側壁和罐底的高壓爆氣翻拋技術為好氧微生物提供充足的氧氣，并保持微生物菌種的均勻分布和高活性，不僅有助于物料均勻混合，還能帶走多余水分及有效控制發酵物料的溫度和濕度。③整體性能較傳統工藝技術有了顯著提升，不僅縮短了處理時間，還提高了處理效率。④環境適應性強，能通過工藝優化減少對環境的潛在負面影響。⑤經濟效益顯著，可通過提高操作效率與降低維護成本，為污泥和糞污處理項目提供更好的經濟效益。⑥資源化潛力較大，可將污泥和糞污轉化為有機肥料、營養土等有價值的資源，大大提升了污泥和糞污的資源化利用力度。

總之，污泥和糞污好氧發酵罐式工藝技術憑借一系列技術優勢，為污泥和糞污的處理提供了高效環保且運行成本低、效益高的解決方案，發展與應用前景廣闊，值得政府部門與相關企業大力推行。

參考文獻

[1] 王昕宇.罐式高溫好氧發酵技術和設備的應用現狀與前景[J].中國禽業導刊，2019，36（1）：26-28.

[2] 馮康，孟海波，周海賓，等.一體化好氧發酵設備研究現狀與展望[J].中國農業科技導報，2018，20（6）：69-79.

作者簡介

劉付君（1981—），男，漢族，內蒙古呼和浩特人，工程師，工學學士，管理學學士，主要從事固體廢棄物處置與資源化利用的設備開發和工藝設計工作。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-07-02