涪陵污水處理剩余污泥的好氧、厭氧兩種堆肥處理比較

陳科平 楊 瓊 楊季冬

（1.重慶市涪陵環境監測中心，重慶涪陵 408000）

（2.長江師范學院化學與化工學院，重慶涪陵 408100）

（3.重慶三峽學院化學與環境工程學院，重慶萬州 404100）

城鎮污水處理廠剩余污泥經過資源化再處理，可作為農業、林業、綠化用肥，均須滿足三個基本要求：一是污泥需經全分析監測有毒有害物質含量不超過國家規定的污泥農業標準，嚴控 Hg、Cd、Cr、Pb、As等重金屬絕不超標；二是污泥必須經過較嚴格的無害化處理，即除去污泥中的有毒有害有機物和重金屬；三是堆肥成熟產品中需含有較高的植物或作物所必需的營養成分，即含有大量的礦質元素和營養元素，具有較高的肥料價值.污泥的無害處理方法有很多，其中最簡單、最經濟的方法是堆肥發酵.

本文以涪陵城區污水處理廠剩余污泥為對象作好氧堆肥和厭氧堆肥實驗，同時對特征參數和優劣進行比較.涪陵城區污水處理廠日處理生活污水16.0 wt/d，可日產剩余污泥40.0 t/d.其組成與成分見下表.

表1 涪陵城區污水處理廠剩余污泥性質

從表1可知涪陵區內各污水處理廠的剩余污泥中含有豐富的有機質和氮、磷、鉀等營養物質，含氨態氮較多.除此之外還含有大量的難降解的含氮、硫有機物，重金屬，病原體和寄生蟲卵等有毒有害成分，其組成和性能不穩定.如處置不及時或不斷累積將會對庫區環境和長江生態構成嚴重威脅，因而必須對這些污泥進行合理妥善的處理處置.目前堆肥處置剩余污泥常見有兩種方式：好氧堆肥和厭氧堆肥，我們以實驗室規模小試兩種過程以比較研究兩種結果，研究對象以日處理16.0 wt/d污水，日產干污泥約40.0 t的涪陵城區污水處理廠的脫水污泥（含水率為75%～80%）為樣本.以資后續研究和政府投資參考.

1 堆肥實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

兩個圓柱形堆肥反應池相互串聯，一個用于好氧堆肥實驗，另一個用于厭氧堆肥實驗.反應池高1.0 m，柱半徑0.4 m（見圖1）.池中設置帶葉輪的攪拌軸，由電機驅動攪拌通氣均勻，池底為鐵絲網面及承托物架.分別在柱體高、中、低（距離底部分別為30 cm、40 cm、60 cm）部位設置三個采樣口，同時用熱電偶測定堆體溫度.

1.2 實驗方法

強制通風供氧為好氧堆肥實驗，密閉封實發酵為厭氧堆肥實驗.兩個發酵反應池先后啟動，順序經歷好氧和厭氧堆肥過程，循環通風，交替輪流實驗.一般好氧堆肥7 d，厭氧堆肥15 d后切換.根據堆料含水率的要求，將污泥與調理劑按照一定的體積比例混合，混合均勻后裝入靜態堆肥反應池，順次交替進行兩種堆肥試驗研究.

2 堆肥實驗條件

2.1 適宜溫控和時間流程

根據相關要求堆肥至少要達到 55 ℃并保持 3天以上，才能保證殺滅堆肥中大腸桿菌及病原菌.堆肥過程中微生物分解有機物而釋放出熱量，堆溫經歷上升、穩定、下降三個過程.故好氧堆肥和厭氧堆肥的的溫控適宜范圍均在50～60 ℃.

好氧堆肥經歷二次發酵，一般可控制在7 d內完成；厭氧堆肥需有合成產酸和分解產氣兩步，最短也需控制在15 d內完成.

2.2 適宜的含水量

堆肥發酵過程中水分參與微生物的新陳代謝，厭氧堆肥中水還要參與反應，最后的分解反應都要產生水，所以水在下部滲出，導致堆層中、上層水分少，下層水分多.水分蒸發散熱可調節堆肥溫度，還能直接影響堆肥反應速度的快慢、堆肥的質量，甚至關系到堆肥工藝的成敗.因故，一般認為，好氧堆肥的最佳含水量為50%～60%，厭氧堆肥則在80%以上.

2.3 適宜的C/N比

微生物在新陳代謝中獲得能量需要C源，合成細胞蛋白質需要 N源，可見微生物作用過程中對C/N比值的要求是很重要的.在微生物新陳代謝過程中，相當多的碳轉化成二氧化碳，另一些碳則轉為原生質和儲存物.而氮主要在合成作用中轉成原生質.雖在兩種堆肥過程中初始碳氮比是有差異的，但均為決定分解速度的重要因素，實驗表明初始碳氮比在 30～35︰1之間是最理想的.為了保證好氧堆肥適當的碳氮比及水分含量，在堆肥前必須向堆肥污泥中加入鋸末、木屑、粉煤灰以及生活垃圾等富含有機質的填充料.

2.4 控制通風量

在串聯的兩個堆肥反應池中，通風控制間歇循環進行.好氧堆肥須強制通風，厭氧堆肥須密閉不通風.在堆肥的前期，通風主要是為了提供微生物所需要的氧氣，以降解有機物.在堆肥的后期，則應加大通風量，蒸發水分以降低堆體溫度.厭氧過程中不需要通氧，在產氣階段需要及時排氣.

2.5 控制pH

在堆肥初始過程中pH值最好在6.5左右，最后待堆肥腐熟時的pH值應為8左右.加入不同類型的填充劑對堆肥混合物的pH值有較大影響，石灰可以防止pH值的降低，鋸末或桐殼灰可以避免pH升高.好氧或厭氧堆肥的pH值均應控制在6～9之間最合適.

3 兩種堆肥的特點比較

好氧堆肥是在有氧的條件下，好氧微生物通過自身的生命活動促進氧化、還原及合成等過程，氧化被吸收的有機物成簡單的無機物，還原高價態為低價態，并放出生物生長活動所需要的能量；同時合成轉化新的細胞質，繁衍壯大微生物自身.一般一次發酵在2～4 d左右，二次發酵在3～7 d便可完成.由于好氧堆肥溫度高，可以滅活病原體、蟲卵，使堆肥達到無害化.但由于好氧堆肥必須通氧，因此堆制成本并不低.

厭氧堆肥要在無氧條件下，厭氧微生物分解污泥中有機物主要經歷合成酸化和分解產氣兩個階段，共需漫長的 15～30 d.在酸化過程中，菌、產氫產酸菌將水解產生的小分子物質進一步轉化為醋酸等揮發性脂肪酸，以及醇類、氨、二氧化碳、硫化物、氫和能量，并形成新的細胞物質.在分解過程中微生物分解有機酸和醇，生成甲烷和二氧化碳，pH值迅速上升，產生大量的沼氣.

4 兩種堆肥的參數特征

評判堆肥的腐熟度和成效要求是：（1）在微生物協同作用下，有機質礦化、固化，腐殖化，堆肥從而達到穩定化、無害化；（2）使用成熟的堆肥不影響土壤耕作和作物生長，不會傳遞轉移積累有害成分，沒有對植物的有害成分和動物病原菌，堆肥安全使用可資源化.堆肥成效評價有物理學、化學和生物學的眾多指標，以下為實驗室測定好氧堆肥和厭氧堆肥的成效參數.

4.1 物理指標

堆體溫度變化主要經歷三個階段，即升溫期、持續高溫期、降溫期、穩定期.在一定程度上堆體溫度可以反應堆肥的進程，因此要評價堆肥腐熟度，溫度是一個直接指標（如表2）.

4.2 化學指標

若堆肥腐熟，應含有較低的碳氮比，富含一定的銨態氮，有機酸的變化以及有一定的含水率變化.按好氧堆肥7 d、厭氧堆肥15 d完成后取樣，分析按《土壤和農業化學常規分析方法》操作（如表3）.

4.3 生物學指標

堆肥過程中，腐殖質的形成，生化需氧量（BOD5）的降低，微生物種群數量增加至穩定，都是堆肥腐熟的衡量指標.同樣在堆肥完成后取樣，我們以近紅外光譜法分析得到堆肥的BOD5值（如表4）.

表2 剩余污泥堆肥后的溫度、顏色及氣味變化

表3 剩余污泥堆肥后的化學指標變化

表4 剩余污泥堆肥后的生物學指標變化

5 兩種堆肥的優勢比較

好氧堆肥是通過微生物吸收有機物質的生物活動，溶解轉化降解有機物質，在氧化還原污泥有機質的同時，將一部分有機質轉化合成同化為細胞生物質.好氧堆肥可控制、易操作，具有對有機物分解速度快、降解徹底、堆肥周期短的特點.還由于好氧堆肥溫度高，可以滅活病原體、蟲卵，好氧堆肥發酵所產生的氣味很小，使堆肥達到無害化，消除難聞的臭氣，不惡化環境.但由于好氧堆肥必須通氧運行，因此堆制成本較高.

厭氧堆肥是在無氧條件下，厭氧菌分解污泥中有機物，在分解初期產酸，有機酸積累，pH值下降.其后是甲烷菌開始分解有機物和醇，產物是甲烷和二氧化碳.隨著甲烷菌的繁殖，有機酸迅速分解，pH值又迅速上升，此分解為堿性發酵階段.經厭氧堆肥處理，污泥形態由粘結塊狀變為疏松分散，且顆粒均勻.銨態氮含量也大大提高，且還有一定的磷和鉀，更有利于植物吸收，適用于農業用肥和土壤的改良.厭氧堆肥同時產生甲烷為主的沼氣，可提供清潔能源，但厭氧堆肥耗時較長.

無害化堆肥處理可以改變污泥的重金屬元素的形態，但不能降低其中的重金屬元素的含量.可對污泥處理過程作進一步的改進，在堆肥前加入鋸末和粉煤灰等鈍化調理劑，在堆肥過程中將重金屬尤其是Pb、Cd、Hg等離子轉型失活穩固在鈍化態中，從而降低重金屬的活性含量，提高污泥資源的利用率.

污泥堆肥后期應采取一定的化學方法除臭，在調節pH值的同時，加入比表面積較大生物化學填料，通過生物化學作用除臭，增加泥土氣息，使堆肥結果更為親善.

6 好氧厭氧交替堆肥展望

綜合好氧堆肥和厭氧堆肥的優勢和劣勢，為了更好地處置剩余污泥，使之無害化、穩定化，實現資源化，我們也初步探索了交替式好氧厭氧堆肥的處置技術.具體的實驗設施是改進本實驗的兩個堆肥反應池，將其串聯交替使用，厭氧堆肥所產生的沼氣可返回到好氧堆肥作為加熱能源使用，從而使兩種堆肥方式有機聯動，優劣互補，堆肥成效更顯著，資源化利用效率更高.

在人工控制條件下好氧堆肥利用微生物的代謝作用，將有機固體廢物分解、腐熟，轉化成穩定的腐殖土.而厭氧發酵是在微生物作用下的生物氧化還原反應，其過程包括液化階段，產酸和產氣階段.根據其機理，我們探索研發交替好氧厭氧堆肥技術并應用于剩余污泥處置.實驗突出在污泥和有機質添加劑及鋸末和粉煤灰等鈍化調節劑的比例篩選上，最佳堆體溫度控制，好氧菌種和厭氧菌種添加量等影響因素的加強優化試驗，同時對重金屬離子的消除鈍化失活穩固，以及堆肥后期的除臭也納入進一步的探索中.本實驗的目的是進一步探索交替好氧厭氧堆肥技術應用在城市污泥和有機垃圾堆肥處理過程中的相關參數變化與堆肥過程的影響因素，為交替式好氧厭氧堆肥的應用提供技術支持.

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