污泥生物干化技術及應用前景展望

彭 聞，張 勇，趙衛兵，楊磊鋒

（機科發展科技股份有限公司，北京 100044）

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污泥生物干化技術及應用前景展望

彭 聞，張 勇，趙衛兵，楊磊鋒

（機科發展科技股份有限公司，北京 100044）

摘 要：生物干化技術是在好氧發酵的基礎上，利用可降解有機物分解代謝作用時產生的生物熱量，通過通風、翻堆等過程控制手段，促進物料中水分快速散失，降低含水率的干化工藝。污泥生物干化過程受物料性質、溫度、含水率、調理劑、通風、機械翻堆等因素的影響。與其他污泥干化技術相比，生物干化技術更經濟、節能、環保且具有良好的應用和發展推廣前景。

關鍵詞：城市污泥；生物干化；影響因素；前景

隨著我國城鎮化的快速發展，城鎮人口數量不斷增多，對城市的污水處理量和處理要求大幅提高，隨之而來的在污水處理過程中產生的污泥量也急劇增加。據國家住房城鄉建設部統計數據，截至2013年3月底，全國建成的城鎮污水處理廠累計有3451座，污水處理量約1.45億立方米/日，與2012年相比新建污水處理廠111座，新增處理量約300萬立方米/日［1］。按照噸水產泥量（污泥的含水率80%）0.05%～0.08%估算，我國年產污泥量在2650萬～4200萬噸，預計到2020年我國的污泥年產量將達到6000萬～9000萬噸。

我國大多數污水處理廠產生的脫水污泥含水率高達約80%，具有體積大、性質不穩定等特點，污泥儲存及運輸不便，大大限制了污泥在較大范圍中的應用。因此污泥干化處理成污水為污泥首要解決的問題。但污泥的自然干化效率較低、容易造成二次污染，熱干化需外加熱源，有投資和運行費用等問題。而生物干化利用自身的發酵生物熱，無需外加熱源，因而是一種經濟、節能、環保的干化技術。結合我國目前的經濟實力和發展現狀，生物干化技術將會越來越受到重視。

1　生物干化技術

生物干化的概念是1984年美國學者研究牛糞生物干燥的運行參數時提出的，也稱為生物干燥［2］。生物干化技術是在好氧發酵的基礎上，利用可降解有機物分解代謝作用時產生的生物熱量，外加通風、翻堆等過程控制手段，促使物料中水分快速散失，降低含水率的干化工藝。Wiemer等研究表明，生物干化技術處理城市生活垃圾后，其含水率明顯降低，大大提高了垃圾的熱值，產品可制作成衍生燃料（RDF），也可作為垃圾焚燒的預處理手段［3］。德國、意大利、希臘等多個國家現都已建成生物干化工程，具有良好的應用前景。因此，理論上生物干化技術是一種經濟、節能、環保的污泥處理技術。

2　生物干化技術與好氧堆肥技術的區別

生物干化技術與好氧堆肥技術的本質區別在于：生物干化的主要目的是快速散發污泥中的水分降低其含水率，并使物料保持較高的熱值，便于焚燒或作為肥料等后續再利用，而好氧堆肥則是以污泥中有機物的腐熟化和穩定化為主要目標。生物干化側重于快 速降低含水率，對穩定化、腐熟化指標沒有明確的要求，與好氧堆肥在產物與評價指標也存在差異?；谀繕说牟煌?，生物干化在控制參數方面，發酵周期更短，有機物降解更少，通風量更大，翻堆頻次更高。

3　污泥生物干化技術的影響因素

污泥生物干化技術是在污泥好氧發酵技術上衍生出來的一種新技術。生物干化是多種因素和變量相互影響和作用的復雜理化過程，其影響因素包括物料性質、溫度、含水率、調理劑、通風、機械翻堆等，各影響因素之間存在一定的耦合效應。

3.1物料性質

有機質是發酵過程中微生物生長和繁殖的基本能量來源，適宜的有機質含量對生物干化過程極為重要。研究表明，在好氧發酵過程中，適宜發酵的有機質含量為40%～80%，城市污泥中富含大量的有機質和促進微生物活性所需的養分，易被微生物降解［4］。通過對我國98座城鎮污水處理廠產生的污泥成分進行分析統計，城市污泥中有機質的平均含量為380g/kg，并且我國污水廠的污泥有機質含量呈逐年上升趨勢，說明我國城市污泥有機質含量滿足生物干化的基本要求［5］。

污泥的性質符合生物干化的要求，但是污泥普遍含水率較高，單獨發酵無法滿足微生物快速生長和繁殖的條件，需要添加干料或者輔料來調節初始的發酵條件。在生物干化的初始微生物反應階段，通常需要向濕污泥中投加一定比例的秸稈、花生殼、木屑等農作物作為調理劑或通過回流干化污泥以調節適宜的含水率、孔隙率和C/N。通過投加調理劑可以提高污泥的孔隙率，提高堆體的透氣性，有利于氧氣的傳輸，減少風壓降低能耗，同時也改善濕污泥的較低C/N比。秦莉等研究表明，發酵物料的C/N必須達到適宜的范圍，碳氮比一般為20∶1～40∶1，最為理想的碳氮比控制范圍在25∶1～30∶1，如果碳氮比過高或過低，均會影響物料的發酵效果［6］。

pH值對微生物的生物活性至關重要，其是微生物生長和繁殖的初始環境條件。一般認為適宜發酵的pH值應控制在5.2～8.8，最佳pH值范圍為7.6～8.7［7］。pH值適宜時，微生物可最大程度地發揮活性。微生物在降解有機物的生化過程中，需要微堿性或中性的理化條件，pH值過低或過高都會影響微生物的生物活性和有機物的降解速率。來源于城市污水處理廠的污泥，由于添加了脫水劑，一般呈弱堿性，在進行發酵前不必對pH進行調整可直接進行堆制。

此外，污泥的粒徑也是生物干化的一個重要因素，污泥生物干化反應是通過附在固體顆粒表面的水膜中進行的，污泥顆粒粒徑越小，其表面積越大，就越有利于生物反應的進行。但粒徑太小，則堆體的孔隙率將大幅降低，從而抑制通風供氧，粒徑過大時，通過堆體的氣流易形成短流，顆粒內部沒有氧氣進入，導致顆粒內部供氧不足形成厭氧反應。因此小顆粒更有利于提高氧氣利用率，促進生物降解反應。發酵過程中最適宜的粒徑為1.3～7.6mm，下限更適用于連續翻堆的好氧動態發酵系統，上限更適用于靜態堆垛發酵系統［8］。

3.2溫度

溫度是微生物活性最為顯著的影響因素，溫度的變化是反應生物發酵過程是否正常最敏感和最直接的指標，其與含水率、通風量以及其他影響因素存在相互耦合的關系。生物干化是通過生物熱蒸發水分的過程，從堆體逸出的空氣其含水率接近飽和。當周圍環境溫度升高時，空氣的含水量也將隨之升高，且呈指數變化規律。因此堆體溫度越高則其水分蒸發速率越快，干化作用越顯著。但堆體溫度并非越高越好，當堆體溫度超過一定的溫度時，將會嚴重影響微生物的活性。整個生物干化過程中微生物的數量和優勢種群隨溫度呈現交替變化的過程，一般分為升溫階段、高溫階段和降溫階段。在高溫階段（50℃～60℃）微生物降解有機物的能力最強，水分蒸發效果更好，因而在確保微生物較高活性的條件下，維持較長的高溫周期，可達到更好的脫水效果。

3.3含水率

含水率是生物干化過程中重要的工藝控制參數，直接影響微生物的活性。過高的含水率將會堵塞物料中的孔隙，導致發酵過程處于厭氧狀態，嚴重影響好氧微生物的生物活性。含水率太低則會使微生物缺少繁殖所需的水分，抑制微生物的新陳代謝，不利于發酵產生高溫。因此在生物干化過程中，需要將含水率維持在一定的范圍內。物料初始含水率一般應控制在55%～65%，最佳含水率約為60%。含水率與有機物降解速率有著密切的關系，當物料含水率小于45%時，微生物活性減弱，有機物降解速率明顯降低。

3.4調理劑

調理劑的類型和投加比例對生物干化效果具有重要影響。在生物干化過程中，向污泥中投加調理劑，提高物料C/N比，防止污泥碳氮比過低抑制生物活動，并且還能增加物料的透氣性，改善堆體的自由空域，有利于好氧發酵環境的形成。蔣建國等人分別以秸稈和鋸末為調理劑進行了實驗，前者的調節作用更優于后者，秸稈比鋸末更利于促進微生物活性，代謝作用持續時間更長，物料升溫更快，脫水速率更大［9］。李艷霞等研究發現，調理劑配比高的物料更易于堆體快速升溫，配比高導致堆體的自由空域較高，有利于氧氣的存儲和傳輸，更易于物料的好氧發酵過程［10］。

3.5通風

通風是生物干化過程中重要的工藝過程控制方式，通過通風能為好氧微生物提供氧氣，同時還能散去堆體中的熱量和帶走水分。生物干化的升溫階段，通風的主要目的是為有機物分解提供氧氣，通風量可略微降低有利于堆體快速升溫，一般不超過0.4L/min·kg。在高溫階段，一方面通風滿足有機物降解需氧量，另一方面通過加大通氣量，在帶走水分的同時帶走多余的熱量，但不宜過大（以不影響堆體溫度降幅過大為準）。在降溫階段，需要較大的風量帶走多余的水分，起到干化和冷卻的作用。水分的去除量受通風量與堆體溫度的共同影響，通風范圍在4～6m3/h·m3時，污泥的含水率下降最快，生物干化效果較好。

不同的通風方式對生物干化會產生不同影響，一般采用的通風方式有：連續通風、間歇時間控制通風、溫度反饋控制通風、氧含量控制通風等。間歇時間控制通風與連續通風相比更利于堆體的溫度升高和干化效果，溫度反饋控制方式對通風的控制更為精確，適用于規?；纳a調控。而氧含量控制通風由于氧含量測定儀的誤差較大，不適用于大規模生產的需要。為了在生物發酵周期內去除更多水分，應根據不同的發酵階段采用不同的通風方式，對生物干化過程進行實時在線監測和反饋控制，這樣更有利于提高生物干化效率。

3.6機械翻堆

翻堆是通過翻倒、攪拌、混合等方式使物料、氧氣、溫度和水分等均勻化，起到混合物料、供給空氣、增加空隙率、散失水分等作用，提高生物干化的脫水效率。翻堆對于現代化、機械化的生物發酵技術具有重要的作用，也是動態發酵與靜態發酵技術的區別依據。呂育財等人研究發現，翻堆后可使堆體內氧氣體積分數達18.5%，翻堆結束后堆體內的氧氣在半小時內耗盡，翻堆后雖堆體溫度下降，但在微生物好氧呼吸的作用下，堆體溫度迅速上升，在30min內即可恢復到翻堆前溫度［11］。韓競耀等研究表明，翻堆能進一步改善污泥干化效果，在適宜通風量條件下，每兩天翻堆1次，產物含水率為53%，水分去除率達0.47kg/kg［12］。

4　污泥生物干化的應用前景

4.1資源化前景

生物干化明顯改善了污泥的生物、化學和力學的穩定性等性質，污泥減量化作用效果顯著，更便于污泥的運輸和存儲，也為后續的土地利用、焚燒和填埋等多種用途奠定了良好的基礎。無論后續采用何種處理方式，污泥干化、減量化將成為污泥處理首要解決的問題，因此污泥干化作用將起到日益重要的作用。國家頒布的《城鎮污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質》（GB/T23485-2009）已明確規定污泥用于混合填埋時，污泥含水率必須低于60%。同時國家對污泥用于單獨焚燒、土地利用和園林綠化等處置方式，也分別嚴格規定了對污泥的要求。污泥經過生物干化后，含水率均能達到上述用途的要求，拓寬了污泥的資源化利用。

4.2技術經濟前景

生物干化是利用自身的發酵生物熱，無需外加熱源，同時微生物代謝過程活化了污泥內部水分，使其更易散失，提高了污泥的脫水效率。目前國內外污泥干化技術多采用熱干化的形式，其電能消耗量大，成本過高。新的熱干化技術如太陽能或太陽能—地源熱泵、微波干化等新型技術在能源消耗上已有一定的改善。但太陽能干化技術占地面積大、受自然條件影響大、效果不穩定等問題，決定了其無法取代傳統的熱干化技術，而且太陽能干化技術效率較低無法適應較大規模污泥處理的應用。與熱干化技術相比，生物干化的明顯優勢在于好養生物通過發酵過程產生生物熱來起到干化效果，屬于內源熱，熱量由內向外傳遞，水分也由內向外同向散發，溫度和濕度梯度方向一致，提高了傳熱系數，干化效率顯著提高，并且節約能源［13］。因此，理論上生物干化技術是適合我國目前的經濟實力和發展現狀的一種經濟、節能、環保的污泥處理技術。

4.3政策前景

《“十二五”全國城鎮污水處理及再生利用設施規劃》中明確提出，到2015年，縣城及重點鎮污泥無害化處置率達到30%，其他設市城市達到70%，直轄市、省會城市和計劃單列市達到80%。“十二五”期間，全國累計建設城鎮污泥廠處理量約518萬噸（干泥）/年，其中，建制鎮37萬噸/年，縣城98萬噸/年，設市城市383萬噸/年；西部地區106萬噸/年，中部地區124萬噸/年，東部地區288萬噸/年。同時“十二五”期間，國家有關部門又頒布了一系列的政策、標準與技術指南文件，鼓勵我國污泥處置產業的發展，促進污泥處理技術的研究、應用和推廣。生物干化的獨特技術優勢，完全符合我國污泥 “穩定化、無害化、減量化、資源化” 處理原則，必將具有良好的應用前景。

參考文獻：

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Sludge Bio-dried Technique and Application Prospects

PENG Wen， ZHANG Yong， ZHAO Wei-bing， YANG Lei-feng
（Machine Development of Science and Technology Co.， Ltd， Beijing 100044， China）

Abstract:On the basis of aerobic fermentation， the biological dried technique uses degradable organic matters decomposition and produces the bio-quantity of heat， it promotes the water quick dissipation of materials and reduces the containing water rate through aeration and turning over process. In comparison with other sludge dried technique， the biological dried technique is provided with economy， energy saving， environmental protection and a favorable prospect in application， development and popularization.

Keywords:urban sludge； biological dewater； infuence factor； prospect

中圖分類號：X703

文獻標志碼：A

文章編號：1006-5377（2016）05-0037-04