兼氧發酵堆肥處置城鎮生活污泥模式及應用

2013-09-07 09:32:28葉慶新葉寶水羅文邃

中國環保產業 2013年8期

葉慶新，葉寶水，羅文邃

（廈門綠標生物科技有限公司，福建廈門 361100）

1 概述

隨著人口的迅速增長和城市化進程的加快，城市污水處理事業發展迅速，隨之而來的是城市污水的伴生產物城市污泥的產量越來越大。城市污泥含有大量有機質、氮、磷等養分，又含有重金屬、有機污染物和病原菌等有害物質，若處置不當，可能對生態環境和人類自身健康造成很大危害。

傳統的污泥處置方式主要為投海、填埋、焚燒和土地回用。投海、填埋的處置方式相對簡單，但污染環境且消耗大量土地資源；污泥焚燒處置的成本高，并需消耗大量燃料，同時產生廢氣形成二次污染；而污泥中的大量有害物質又限制了其土地回用，因此污泥處置問題日益成為制約污水處理行業發展的“瓶頸”，對污泥進行合理的處置已成為一個十分迫切的問題[1]。

2 傳統污泥堆肥發酵處置模式及其優缺點分析

21世紀以來，世界各國在污泥處置利用方面的發展趨勢為棄用投海、減少填埋，大力增加能源回收和農林土地利用。城市污泥中含有較高的有機質等植物生長需要的多種營養元素，是重要的有機肥源[2]，將污泥發酵堆肥進行土地利用是目前污泥資源化利用的發展方向。目前污泥堆肥工藝主要有好氧發酵和厭氧發酵兩種方式。

污泥好氧發酵工藝通過供氧使好氧菌生長代謝活躍，使污泥發酵升溫實現高溫腐熟，該技術是處置城市污泥的一種經濟有效的好方法，具有使有機有害物質分解徹底、堆肥周期短、臭味小、易控制等優點，利用微生物群落在特定的環境中對多種有機物分解，將污泥變成為穩定的可利用的腐殖質，作為肥料回用田地或用于土壤改良。中國科學院地理科學與資源研究所陳同斌研究員研發出的CTB自動控制污泥好氧發酵工藝是目前較為成熟的好氧發酵工藝，然而污泥中所含的微生物的種類和數量有限，傳統自然條件下升溫時間要求較長，發酵過程中的溫度上升較慢，需要持續地供氧，發酵成本高。

而傳統的沼氣堆肥則為典型的厭氧發酵工藝，利用厭氧微生物代謝改變污泥原來的性質，可以釋放作為能源的沼氣，發酵后的污泥脫水性、可壓縮性等特性得到較大的改善，富含營養物質，可以作為有機肥料使用，但厭氧發酵工藝有機物分解緩慢、發酵周期長（4～6個月）、占地面積過大、厭氧環境要求高，不適合大規模的工業化污泥處置。

3 新型的污泥發酵工藝——污泥兼氧發酵

基于傳統污泥堆肥發酵模式的優缺點，一種新型的污泥兼氧發酵模式可用于改善傳統污泥發酵模式的不足，該模式無需嚴格的厭氧環境或人工曝氣，即可實現污泥的快速發酵腐熟，使污泥等固體廢棄物得到無害化和資源化利用，變廢為寶。

研究發現，在好氧堆肥過程中，對有機物具有降解能力的微生物主要是高溫放線菌和高溫真菌[3、4]，嗜熱真菌能產生熱穩定性纖維素酶、半纖維素酶、木質素酶、淀粉酶、葡萄糖異構酶以及其它代謝產物等，對于廢物的堆置發酵等過程可起到很好的生物轉化作用[5、6]，也證實了嗜熱放線菌能較容易地利用半纖維素，并能在一定程度上改變木質素的分子結構，繼而分解溶解的木質素。

實踐過程中發現，在自然環境中的高溫放線菌與嗜熱真菌并不活躍，這是造成好氧發酵升溫慢、耗時長的主要原因，即天然溫度環境下高溫放線菌與嗜熱真菌的作用發揮有限。此外，好氧發酵需要大量消耗氧氣，當局部供氧不足時會出現局部的缺氧環境，使好氧發酵不夠充分。厭氧發酵的環境要求高，工業化運行需大量資金投入，而厭氧發酵可以很好地彌補好氧發酵產生的局部厭氧環境帶來的發酵不足問題。因此，如果能使好氧發酵與厭氧發酵和諧兼容，則可以互相協同完成污泥的發酵。

基于上述分析，設計出的兼氧發酵模式，通過綜合利用好氧、厭氧和兼氧微生物，使污泥內部與外部同時發酵、繁殖，彌補單一好氧或厭氧發酵的不足，即通過篩真菌（嗜熱真菌如絲狀菌、酵母菌）、高溫放線菌、細菌（芽孢桿菌、乳酸菌）等多種污泥發酵過程的優勢菌種，加入米糠等載體，復配馴化組成復合發酵菌劑，以牛、羊等畜禽類糞便、中藥渣、食用菌下腳料以及谷殼、糖泥、糠醛渣、農作物秸稈等農作物生產廢料作為發酵輔料，將城市污泥與輔料，以及復合發酵菌劑按一定比例混合堆垛后，即可進行污泥兼氧堆肥發酵，該模式發酵過程及原理描述如下：

污泥及發酵輔料中含有大量的多糖、氨基酸等營養物質，剛混合完成的堆垛含有大量的氧氣，此時好氧的芽孢桿菌、兼性的酵母菌利用垛內及表面的氧氣進行好氧發酵，分解污泥里的多糖、氨基酸等有機物產生大量的熱，肥溫上升；隨著垛內及表層的氧氣消耗，芽孢菌群的活性降低，兼性酵母、偏厭氧的乳酸菌開始活躍，對污泥進行兼氧發酵，使肥溫繼續上升，進入高溫發酵階段。從肥溫表征上看，該過程一般在24～48小時后即可使肥堆溫度升到60℃甚至70℃以上（不同的環境條件及污泥成分會有所差別），從而激發高溫放線菌與嗜熱真菌的活性，釋放大量纖維素酶、半纖維素酶、木質素酶、淀粉酶、葡萄糖異構酶等來分解污泥中的有機物，分解的污泥有機物又可作為細菌的代謝營養。之后2～5天達到高峰溫值，低溫菌活性降低，高溫菌活躍，有害的微生物、寄生蟲卵在這一階段多數被殺死、分解。之后溫度開始下降，當溫度降到50℃以下時，堆垛內部高溫發酵接近完成，隨后對堆垛進行翻刨，使整個堆垛的發酵充分進行。當翻刨后肥溫無法上升到50℃以上時，污泥高溫發酵階段完成，高溫放線菌與嗜熱真菌的活性降低、消退，而進行休眠的低溫菌開始復蘇進入中低溫（35℃～50℃）發酵階段，這一階段分解高溫發酵階段產生的大量大分子殘渣成為植物可利用的小分子物質，該過程可維持20～40天，最終使污泥轉化為可用于園林綠化的有機肥。

通過上述細菌、真菌、放線菌的復合協同作用，使污泥的發酵得以高效、快速完成，又避免了人工曝氣等大量耗氧耗能的操作，同時可使木屑、秸桿等農作物廢料充分利用，實現資源化處理。而該兼氧發酵的菌劑可通過加入米糠等輔料載體制成菌劑，方便使用與保存。經過實際試驗，該模式在污泥發酵堆肥上的效果理想，有利于污泥發酵堆肥技術的推廣使用，有望能解決城鎮生活污泥的處置與資源化利用問題。