污水處理廠污泥堆肥資源化利用技術淺析

劉 健 (貴州大學資源與環境工程學院,貴州貴陽550003)

隨著經濟社會的發展以及城市化進程加快,近年來水資源保護工程日益增多,全國污水處理工程的建設進程也隨之加快,污水處理率也逐漸提高,伴隨而來是污水處理廠污泥的堆積量不斷增加。然而,目前大部分污水處理廠的污泥處理并沒有形成一種穩定化、資源化與無害化的模式。因此,污泥的出現不僅成為了污水處理廠的負擔,而且污泥的隨意排放也對環境造成了巨大的壓力,如何處理這些污泥迫在眉睫。針對這一現實情況,對污泥處理最有效的方式是變廢為寶地加以利用。

1 國內污水廠污泥處理的現狀

20世紀中期以前,由于經濟發展水平不高,我國污水廠的數量有限,產生的污泥數量少、成分簡單,因而大多直接采用就地解決的方式處理污泥。由于產生的污泥數量少,當時并沒有對環境造成很大的威脅。到20世紀后期,我國各地開始大規模地修建污水處理廠,但是并沒有及時對污泥進行適當的處理,以致現在污泥開始成為威脅環境的一個重大隱患[1]。

與西方發達國家相比,我國的排水業還是比較落后,污泥處理技術更是滯后,大部分的污泥要么不經處理即填埋或送往垃圾場,要么直接用于農業,有的甚至隨意堆放。

目前國內對污泥的主要處置方法有焚燒法、填埋法、直接烘干法和生物處理法4種。其中,直接烘干法是將污泥用氣流千燥烘干,溫度要達到200℃以上,殺死各種細菌,再進行填埋處理;而生物處理法則利用好氧菌種與氧氣,將污泥進行高溫發酵,利用微生物在特定的環境下對有機物進行分解,使污泥轉變為腐殖質,用于土壤改良或肥沃土地[2]。

在我國的污水處理廠,大部分的污泥是沒有經過任何處理就直接用于農業,即直接使用。所謂直接使用是指污泥經過簡單的脫水處理后用于農田,甚至將污泥直接作為一種肥料來使用。使用后容易出現死秧、燒苗、蟲害。如農民把污泥用于果園與菜園,施用污泥后果蔬都成長迅速,但是后來就發現果蔬產量低下,而且蟲害非常嚴重。因此,農民直接拿污泥作為農業肥料的積極性備受打擊,因此對污泥使用的熱情也逐漸下降,使得污泥的施用范圍逐漸縮小[3]。

在我國,除了直接使用,有大約40%的污水處理廠將污泥經消化后用于農業,即間接使用。經過了消化處理的污泥,可以減少污泥中的有害細菌,提高污泥的穩定性,減少污泥用于農業的負面影響。此外,國內也有將污泥堆積后用于農業,污泥經過堆積發酵后,可以將污泥內的有害細菌殺死,還可以增加其內部的腐殖質,使污泥變廢為寶。

2 污泥堆肥技術分析

將污泥堆肥資源化是對污泥處理一種行之有效的方式。

2.1 污泥堆肥的過程

目前,污泥堆肥的常用方式污泥有厭氧堆肥與好氧堆肥2種。好氧堆肥是指在有氧條件下對有機物進行分解的過程,其分解的代謝產物主要是水、熱以及二氧化碳。厭氧堆肥是在無氧氣的條件下對有機物進行分解。無氧堆肥最后的產物是二氧化碳、甲烷以及一些低分子量的中間產物。同好氧堆肥相比,厭氧堆肥的有機質降解的能量較少,而且容易產生臭味。所以,好氧堆肥比厭氧堆肥更有優勢。另外,厭氧堆肥耗時比較長,生產周期也比較長,不利于提高經濟效益,因此大部分污水廠都采用好氧堆肥處理[4]。

好氧堆肥在有氧的條件下,好氧細菌對廢物進行氧化、吸收與分解,可以將一部分有機物氧化成簡單的無機物,同時還釋放出大量能量,而另外一部分有機物則被合成新物質,供微生物生長繁殖。

有機物分解時伴隨有熱量產生,因為堆肥過程中所產生的熱量并不能全部散發出去,就必然會使得堆肥物質的溫度升高[5]。在這種高溫條件下,許多不耐高溫的微生物就會死亡,而耐高溫的細菌則會快速繁殖。好氧堆肥一般劃分為3個階段。

(1)升溫階段 這是堆肥過程的第1次升溫,屬初期階段。在該階段中,堆肥是物質的溫度逐漸升高至45℃左右,主導性微生物以嗜溫性微生物為主,主要有放線菌、細菌與真菌,分解物以淀粉和糖類為主。

(2)高溫階段 這是堆肥過程的第2次升溫,當溫度45℃以上時就進入到高溫階段。在該階段中,嗜溫微生物就會因受到抑制而死亡,而嗜熱的微生物則會成為主導微生物。堆肥殘留物與新形成的有機物繼續被氧化,一些復雜的有機物如纖維素也開始被強制分解。微生物的活動通常在50℃左右嗜熱性真菌最為活躍,溫度上升到60℃時真菌就幾乎停止所有活動,僅剩下嗜熱性細菌,當溫度達到70℃,絕大部分的嗜熱性微生物就開始不適應,開始走向休眠階段甚至死亡。在現代堆肥過程中,最適宜的溫度在55℃左右,在這個溫度范圍內,大部分微生物最活躍也最容易分解有機物,而其中的寄生蟲等均可被殺死。

(3)降溫階段 經過高溫階段,微生物絕大部分被殺死或活動減少,接下來就進入到降溫階段。在降溫過程中,嗜溫性生物就會逐漸占優勢,進一步分解剩余的有機物。但是該過程堆肥物體釋放的熱量較少,溫度會逐漸下降,有機物也會逐漸趨于穩定,堆肥進入到腐熟或者后熟階段。

2.2 污泥堆肥工藝分析

目前,典型的堆肥工藝技術主要有以下幾種[4]。

(1)發酵槽式堆肥 該種堆肥工藝主要分為隧道式發酵倉堆肥與陽光棚發酵槽堆肥。第一種是利用封閉式的結構,物料在發酵與堆肥過程中產生的粉塵與臭氣,通過廢氣管收集再進行處理。這種堆肥周期一般半個月左右,溫度可達60～70℃。第二種堆肥工藝是利用太陽能提高發酵溫度。可保證發酵不因天氣溫度的變化而中斷,周期一般在半個月左右,槽內溫度須在55℃以上。

(2)條垛式堆肥 該種堆肥工藝可以分為靜態堆肥與動態堆肥。靜態堆肥是指在整理后的堆肥物料上采用強制通風來保證所需氧氣。動態堆肥采用輪式或履帶式機械翻堆來使堆肥物料獲得充足氧氣的一種方式。堆肥過程中溫度可以達到75℃以上,一般翻堆的周期為每周2次。整個堆肥過程需要半個月左右。

2.3 污泥堆肥的控制參數

污泥堆肥的最終目的是使污泥處理形成一種穩定化、資源化與無害化的模式,同時投資成本低、操作方便、技術工藝成熟,這就要求污水處理廠進行污泥好氧堆肥時要控制好參數[5]。

(1)溫度 溫度在堆肥工藝過程中起著重要的作用,堆肥的關鍵是要使堆肥的物料溫度能夠盡快升高,維持適當的溫度以及能夠使溫度順利下降。因為只有在高溫下才能夠殺死病菌,而只有在適宜溫度下才能夠最快降解有機質。從開始發酵開始,在1～7d左右,溫度會從18℃上升到55℃,然后保持恒溫55℃至60℃,持續18d左右后,溫度會下降到30℃左右。24d后,堆體的溫度就會保持平穩,不再上升。溫度的變化對堆肥的過程的每個階段都發揮著必不可少的作用。

(2)供氧量 好氧堆肥過程中,微生物是依賴氧氣而存活的。氧氣不足會使得微生物大量死亡,分解速度減緩。通常供氧的方式是采用強制通風。

(3)水分 在好氧堆肥過程中,水分也是一個重要的因素,對于任何微生物,水分都是不可缺少的。水分在堆肥過程中的作用主要是溶解有機物及調節溫度。堆肥物料中水分參數能否控制好,直接關系到好氧堆肥的反應速度,甚至會影響到整個堆肥工藝的成效。

(4)pH pH對微生物的生長也非常重要。在堆肥最開始階段,由于酸性細菌的作用,pH會下降到5.5～6.0,使堆肥物質呈酸性,在后期,pH會有所升高,堆肥過程結束后,pH會上升到8.5～9.0左右。

3 小結與展望

污泥的堆肥資源化是對污泥的一種有效處理方式,可以將污泥變廢為寶,進行生態化的循環利用,有利于減少對環境的嚴重威脅,緩解對環境所造成的壓力。但是,我國污泥堆肥資源化的技術還不成熟,設施條件也不完善,因而有必要加強對該技術的研究。例如,污泥的資源化利用及環境風險受到氣候條件、植物種類、土壤性質和污泥性狀象等因素影響,使用時須考慮上述相關因素,但我國還缺乏一套完善的污泥利用技術規范,而且對污泥與施用污泥土壤中有機污染物的研究較少,不利于污泥利用的規范化管理和土壤生態保護。此外,由于過量重金屬隨污泥進入土壤會造成環境危害,因此重金屬含量是限制污泥大規模利用的最關鍵因素,需通過化學或生物學方法來降低污泥中重金屬含量。因此,必須加強開展污泥堆肥資源化技術的研究,并制定技術性規范和法規,以利于該技術應用和推廣。

[1]王敦球,解慶林,李金城.城市污水污泥農用資源化研究 [J].重慶環境科學,1999,11(2):95-96.

[2]韋朝海,陳傳好.污泥處理、處置與利用的研究現狀分析 [J].城市環境與城市生態,1998,22(1):168-136.

[3]林春野,董克虞.污泥農用對土壤及作物的影響[J].農業環境保護,1994,13(1):102-103.

[4]張 霞.城市污水處理廠污泥堆肥資源化利用的可行性研究[D].四川:西南交通大學,2008.

[5]周少奇.城市污泥處理處置與資源化 [M].廣州:華南理工大學出版社,2002.