高溫好氧發酵協同處置市政污泥和農林廢棄物的工藝實踐

收稿日期：2023-11-20

基金項目：陜西省秦創原“科學家+工程師”隊伍建設項目（2022KXJ-136）。

作者簡介：王濤（1983—），男，陜西咸陽人，碩士。研究方向：固體廢物資源化綜合利用項目管理和企業管理。

通信作者：楊揚（1985—），男，陜西咸陽人，高級工程師。研究方向：固體廢物資源化綜合利用技術。

摘要：城鎮污水處理廠污泥、廢食用菌渣、廢中藥渣等有機固體廢棄物具有資源和污染的雙重特性，棄置或不規范的處置會引起嚴重的環境問題。本文以陜西省秦嶺山區腹地建設的有機固體廢物綜合處置工程為例，分析高溫好氧發酵工藝協同處置市政污泥和菌渣、藥渣等有機廢棄物的工藝現狀，指出存在的問題，提出改進思路，以推進市政污泥和農林廢棄物的協同處置。

關鍵詞：好氧發酵；市政污泥；農林廢棄物；綜合利用；協同處置

中圖分類號：X705 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）01-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.014

Process Practice of Collaborative Disposal of Municipal Sludge and Agricultural and Forestry Waste by High Temperature Aerobic Fermentation

WANG Tao1， LI Dawei2， LIANG Yugui1， LI Shensong3， YANG Yang3

（1. Shaanxi Environmental Protection Industry Group Biotechnology Co.， Ltd.， Xi’an 710075， China;

2. Shaanxi Environmental Protection Industry Group Co.， Ltd.， Xi’an 710076， China;

3. Shaanxi Environmental Protection Industry Group Shangzhou Biotechnology Co.， Ltd.， Shangluo 726009， China）

Abstract： Organic solid waste such as sludge from urban sewage treatment plants， waste edible mushroom residue， and waste traditional Chinese medicine residue have dual characteristics of resource and pollution， and abandoning or non-standard disposal can cause serious environmental problems. Taking the comprehensive disposal project of organic solid waste constructed in the hinterland of the Qinling Mountains in Shaanxi Province as an example， this paper analyzes the current situation of the high-temperature aerobic fermentation process for the collaborative disposal of municipal sludge， bacterial residue， pharmaceutical residue and other organic waste， points out the existing problems， and proposes improvement ideas to promote the collaborative disposal of municipal sludge and agricultural and forestry waste.

Keywords： aerobic fermentation; municipal sludge; agricultural and forestry waste; comprehensive utilization; collaborative disposal

與其他固體廢棄物相比，有機固體廢棄物具有更隱蔽、更持久、更廣泛的潛在環境危害。城鎮污水處理廠污泥是市政污水處理過程中產生的含水率高、有機質含量高并含有大量寄生蟲卵與病原體的固體廢棄物，主要由微生物菌體、有機殘片、無機顆粒等組成[1]，我國每年產生的城鎮污水處理廠污泥已達到數千萬噸。食用菌栽培的原料主要為秸稈、棉籽殼、木屑、禽畜糞便、稻殼、麥麩、米糠等農林廢棄物[2]，每個種植季食用菌采收后會淘汰大量不能完全分解利用的栽培料，常被稱作菌渣、菌包或菌糠，這些廢菌渣常被丟棄在田間地頭或被農戶散燒，形成新的面源污染。中藥材采收、加工以及中成藥制造過程中產生廢中藥渣[3]，這些中藥渣長期堆積，散發惡臭，滲濾液會對地下水造成污染。

好氧發酵是指在氧氣充分供給的條件下，有機固體廢物在好氧微生物的作用下產生較高溫度，使有機物生物降解及無害化，最終生成性質穩定的腐殖化產物[4]。好氧發酵技術原理如圖1所示。根據發酵溫度的不同，它可分為超高溫好氧發酵（發酵溫度100 ℃

以上）、高溫好氧發酵（發酵溫度55 ℃以上）、中溫好氧發酵（發酵溫度40 ℃以上）等工藝。好氧發酵也常被稱作好氧堆肥，是廢棄物穩定化的一種方式，它需要特定的濕度和通氣條件，以產生適宜的溫度，使病原菌失活，殺死雜草種子。好氧發酵主要依賴微生物作用，不需要外部能量，因此具有投入低、成本低等優勢[5]。本文以陜西省秦嶺山區腹地建設的有機固體廢物綜合處置工程為例，分析高溫好氧發酵工藝協同處置市政污泥和菌渣、藥渣等有機廢棄物的工藝現狀，指出存在的問題，提出改進思路。

1 工藝系統組成

有機固體廢物處置工程包括混料系統、發酵系統、除臭系統等主要裝置，工藝流程如圖2所示。

1.1 混料系統

為避免物料卡滯，降低運行故障率，本工程采用全液壓驅動的原輔材料輸送和混料系統。污泥料倉采用地下式鋼筋混凝土結構，內設液壓滑架，利于污泥均勻下料。料倉底部設有定量螺旋輸送機，將污泥送至刮板輸送機組。同時，菌渣、藥渣、秸稈等輔料以及返混料通過定量給料螺旋送至刮板輸送機，刮板輸送機將上述物料送至混料機均勻混合。采用自主設計的液壓驅動雙軸混料機，在混料機的強烈攪拌、拋撒、剪切作用下，幾種物料均勻混合，提高待發酵物料的孔隙度和透氣性[6]。

1.2 發酵系統

發酵系統是本工程的核心裝置。根據物料組織形式，發酵工藝可分為連續式發酵和序批式發酵；根據發酵設備型式，可分為條跺發酵、槽式發酵和反應器發酵。經比選，連續式發酵工藝皮帶系統復雜，系統易出現故障，整條上料系統需要全部停機，影響正常生產，且物料在每天的移動過程中達不到最佳發酵溫度，影響發酵產品質量，因此本工程選用槽式序批式發酵工藝。

發酵工藝分為一次發酵和二次發酵兩個階段。一次發酵過程的物料溫度變化曲線如圖3所示。在一次發酵的升溫階段，堆體溫度逐步從環境溫度上升到45 ℃左右，主導微生物以嗜溫微生物為主，包括真菌、細菌和放線菌，分解底物以糖類和淀粉類為主。料堆繼續升溫至45 ℃以上，進入高溫階段。在這一階段，嗜溫微生物受到抑制甚至死亡，而嗜熱微生物則上升為主導微生物。發酵中殘留和新形成的可溶性有機物質繼續被氧化分解，復雜的有機物也開始被強烈分解，如半纖維素、纖維素和蛋白質。高溫期應保證堆體溫度55～65 ℃（持續5～7 d），方可殺死大多數寄生蟲卵和病原微生物，實現無害化。二次發酵階段也被稱為后腐熟階段，用于發酵產品散堆陳化儲存，進一步降低水分，提高產品穩定性。

如圖4所示，發酵槽采用正壓曝氣，底部設置曝氣孔，離心風機通過曝氣管道鼓入空氣，空氣通過設置在曝氣室發酵槽底的曝氣孔均勻地進入發酵物料堆體。發酵槽長度為54 m，寬度為5 m，高度為2.2 m，

發酵物料有效堆高一般為1.8 m，有效堆體體積為486 m3，物料堆密度為700～780 kg/m3，單槽堆料質量為340～380 t，其中，污泥為200～250 t，農林廢棄物輔料為70～90 t，返混料為25～35 t。

為保持良好的發酵效果，必須保持微生物最佳的活性狀態。物料的含水率對孔隙率等起到決定性作用，根據經驗，發酵物料初始含水率為60%左右，一般不得高于63%，一次發酵周期為16～22 d，根據氣溫，夏季適當縮短，冬季適當延長。添加的農林廢棄物輔料是生產成本的主要構成之一，因此在生產負荷較低時，適當調高返混料的添加比例，調低輔料的添加比例，以降低生產成本。發酵工藝流程如圖5所示。

翻拋采用液壓驅動的槽式翻拋機，如圖6所示。翻拋機由移行車運送至每座發酵槽的進料端后，在發酵槽隔墻上行走。翻拋機構為帶有攪拌葉片的滾筒；行走機構采用履帶結構，通過距離傳感器實現自動糾偏。翻拋機采用遙控器遠程操作。

1.3 除臭系統

如圖7所示，本工程采用預洗滌+生物濾床一體化設計，臭氣經導入口先平流進入洗滌區，經前級水溶液洗滌，在洗滌區完成除塵、加濕等預處理。未清除的惡臭氣體進入多級生物濾床過濾區，通過由火山巖、陶粒、樹皮組成的填料過濾層時，污染物從氣相中轉移到生物膜表面，惡臭氣體在噴灑水的作用下與濕潤狀態的填充材料（生物填料）的水膜接觸并溶解。進入生物膜的惡臭成分在填充材料（生物填料）中微生物的吸收分解下被清除。微生物把吸收的惡臭成分作為能量來源，用于進一步的繁殖。

發酵過程中，堆體溫度高，而污泥中存在大量水分，發酵車間內環境溫度低于堆體內，發酵過程中有大量的水蒸氣產生，室內空氣濕度大，在室溫達到氣體冷凝溫度時，就會產生凝結水，重新滴落到發酵槽中，影響發酵效果，尤其是采用鋼結構形式時將腐蝕鋼構件，影響使用壽命并可能增加主體結構安全風險。本工程在發酵槽上方設置膜結構，設計中膜結構有足夠的坡度，便于冷凝水收集，最終收集至管道排出室外。膜覆蓋在發酵槽頂部、兩側和端頭，發酵槽入口采用柔性重疊門，形成密閉的發酵空間，減少臭氣外溢。

2 工藝系統存在的問題及改進思路

2.1 存在的問題

經過一段時間的調試，有機固體廢物綜合處置工程運行總體穩定，但也存在部分問題。混料系統對大顆粒物料的適應性不強，容易卡滯，影響運行的連續性；發酵系統采用序批式生產工藝，進料由裝載機完成，在進出料時，裝載機輪胎處的物料會被壓實，影響曝氣效果；每個發酵周期結束，物料清出發酵槽后，要對曝氣孔進行清理，人力消耗和勞動強度偏大；翻拋機滾筒葉片磨損較為嚴重；夏季高溫天氣，翻拋機散熱不暢，可能出現液壓系統超溫故障。

2.2 改進思路

針對以上問題，提出改進思路。經分析，卡滯主要原因是大顆粒物料卡在刮板與殼體的縫隙，可考慮將物料輸送系統由刮板輸送機改造為皮帶機或鏈斗機等不易卡滯的類型；針對曝氣孔被壓實的問題，改變操作方式，在裝載機完成每斗進料后，重新翻動墊料層，使其松散；開發易清理的曝氣孔布氣裝置，以減少清理時的勞動強度；將翻拋機滾筒葉片更換為耐磨材質；優化滾筒葉片的結構形式；液壓系統超溫的主要原因是散熱片積塵，影響散熱效率，可將液壓系統冷卻形式改造為水冷。

3 結論

采用高溫好氧發酵工藝協同處置市政污泥和農林廢棄物，符合《污泥無害化處理和資源化利用實施方案》提出的“統籌兼顧、因地制宜、穩定可靠、綠色低碳”的總體原則[7]。相較于水泥窯和電廠協同處置、焚燒、熱水解、干化、氣化等工藝，高溫好氧發酵工藝運行穩定，碳排放當量水平低，不會受到水泥窯錯峰生產、碳排放限產、重污染天氣停產、產能調控等政策性影響，可實現長期連續運行。在農林產業發展優勢突出的地區，協同處置農林廢棄物，可充分實現污泥的無害化、減量化處置，同時實現資源化利用，達到資源循環、變廢為寶、綜合利用的目的，具有良好的推廣前景。因此，陜西省秦嶺山區建設的有機固體廢物綜合處置工程對全行業具有積極的借鑒意義。

參考文獻

1 柴寶華，李文濤，亓 偉，等.我國市政污泥處理處置現狀研究[J].新能源進展，2023（1）：38-44.

2 郭 遠，宋 爽，高 琪，等.食用菌菌渣資源化利用進展[J].食用菌學報，2022（2）：103-114.

3 徐曼麗，朱 艷，田 忠，等.中藥渣資源化利用途徑探討：以貴州銅仁地區為例[J].南方農機，2023（14）：62-64.

4 中國工程建設標準化協會.城鎮污水處理廠污泥好氧發酵工藝設計與運行管理指南：T/CECS 20006—2021[S].北京：中國建筑工業出版社，2021.

5 李 季，彭生平.堆肥工程實用手冊[M].北京：化學工業出版社，2011：31-32.

6 中國環保機械行業協會.堆肥混料機：T/CAMIE 11—2023[S].北京：中國環保機械行業協會，2023.

7 國家發展和改革委員會，住房和城鄉建設部，生態環境部.污泥無害化處理和資源化利用實施方案[EB/OL].（2022-09-22）[2023-10-20].https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-09/28/content_5713319.htm.