剩余污泥發酵沼渣成分分析及脫水性能研究*

覃銀紅 易 艷 王蘭亭 陳 嬌 袁 媛 袁基剛 謝燕華 施國中

(1.成都理工大學環境與土木工程學院，四川 成都 610059；2.四川理工學院化學與環境工程學院，四川 自貢 643000；3.農業部沼氣科學研究所，四川 成都 610041)

近年來，由于我國城鎮化建設的迅速發展，居民生活用水量逐年增加，從而產生了大量生活污水。我國生活污水處理廠主要以活性污泥法處理，因此又會產生大量剩余污泥[1]。據統計，2015年我國剩余污泥產生量高達2.25億t[2]。剩余污泥具有含水率高、病原微生物多、含有重金屬等特點[3]，將剩余污泥進行厭氧發酵可實現減容、殺滅病原微生物[4]的目的，還能產生清潔能源沼氣[5]。但是剩余污泥發酵沼渣該如何處理，又是新的課題。張瑋瑋等[6]、李占文等[7]、宋彩紅等[8]對厭氧發酵的剩余污泥發酵沼渣用途進行了大量研究,發現沼渣可以進行二次利用，但必須對其中的重金屬進行嚴格控制[9]。本研究通過對剩余污泥發酵沼渣進行成分分析，判斷其是否適合用作有機肥料的原料，并對其脫水性能進行研究，以實現剩余污泥發酵沼渣的進一步減量化和資源化。

1 材料與方法

1.1 實驗材料及分析方法

在四川省自貢市某污泥發酵廠的二級發酵罐采集混合液樣品和機械脫水后的剩余污泥發酵沼渣樣品。機械脫水后的剩余污泥發酵沼渣樣品基本性質如表1所示，用于進行剩余污泥發酵沼渣二次厭氧發酵實驗，105 ℃烘干至恒重后進行干基成分分析。

pH使用Thermo 310P-01A pH計測定；含水率采用重量法測定；有機質(以質量分數計)采用重鉻酸鉀重量法測定；TN采用消煮—蒸餾—凱氏定氮法測定；TP(以P2O5計)采用消煮—鉬銻抗分光光度法測定；TK(以K2O計)及Cu、Zn、Cr、Cd、As、Pb、Hg等重金屬采用電感耦合等離子體質譜儀測定；總養分為TN、TP和TK之和，以質量分數計。

表1 機械脫水后的剩余污泥發酵沼渣樣品基本性質

1.2 剩余污泥發酵沼渣二次厭氧發酵

將機械脫水后的剩余污泥發酵沼渣置于圖1所示的密閉容器中，在室溫條件下進行33 d的二次厭氧發酵，每天定時取上、中、下取樣口的混合樣測定含水率及有機質。

圖1 剩余污泥發酵沼渣二次厭氧發酵裝置Fig.1 Secondary anaerobic fermentation device for excess sludge fermentation residue

1.3 剩余污泥發酵沼渣的離心轉速優化

機械脫水后的剩余污泥發酵沼渣進行離心脫水的轉速優化，分別在轉速為3 000～3 600 r/min的條件下離心2 min，得到離心后的上層液體質量與離心前總質量之比即脫水率。

1.4 剩余污泥發酵沼渣脫水性能研究

將混合液樣品自然沉降2 d后，去除上清液，取出底部不能繼續沉降的含水率較高的剩余污泥發酵沼渣，用4.0 mol/L的NaOH調節pH至7.0。混凝實驗時，在每100 mL樣品中分別加入不同濃度的硫酸鋁、硫酸亞鐵、聚丙烯酰胺(PAM)和聚合氯化鋁(PAC)作為混凝劑，置于攪拌器上以300 r/min的轉速攪拌1 min，再以120 r/min的轉速攪拌10 min進行充分反應，各取2.0 g經不同混凝劑混凝的剩余污泥發酵沼渣離心，將離心后的固體至鼓風干燥箱中烘干得到的固體質量，與離心前總質量之比即含固率，離心轉速由1.3優化得到。

2 結果與討論

2.1 剩余污泥發酵沼渣干基成分分析

由表2可見，4個機械脫水后的剩余污泥發酵沼渣樣品總養分和有機質質量分數分別為4.22%～4.48%、9.17%～9.26%，均低于《有機肥料》(NY 525—2012)的標準值。

除Cu、Zn未被NY 525—2012限定外，Cr、Cd、As、Pb、Hg 5種重金屬的質量濃度分別為116.57～137.06、1.16～1.57、9.76～10.75、41.23～48.29、1.67～1.94 mg/kg,均低于NY 525—2012的標準值，因此從重金屬的安全性考慮，機械脫水后的剩余污泥發酵沼渣可以作有機肥料的原料。

綜上所述，雖然機械脫水后的剩余污泥發酵沼渣總養分和有機質沒有達到NY 525—2012的標準值，不能直接用作有機肥料，但從重金屬的安全性考慮，符合NY 525—2012的標準，因此可將其用作有機肥料的原料，達到充分利用剩余污泥發酵沼渣中的養分和有機質的目的。

2.2 剩余污泥發酵沼渣穩定性

不穩定的剩余污泥發酵沼渣在厭氧環境中，會進一步進行厭氧發酵，其含水率和有機質會發生相應的變化[10]，因此將機械脫水后的剩余污泥發酵沼渣進行二次厭氧發酵，對其穩定性進行研究。

由圖2可見，經過33 d二次厭氧發酵，剩余污泥發酵沼渣含水率變化不大，基本穩定在81%左右。剩余污泥發酵沼渣中有機質隨發酵時間的延長有所下降，但基本穩定在8%左右。因此，機械脫水后的剩余污泥發酵沼渣性質已經穩定，二次厭氧發酵對其含水率及有機質影響不大，進一步保證了其可以作為有機肥料的原料進行資源化利用。

2.3 剩余污泥發酵沼渣的離心轉速確定

由圖3可見，隨著離心轉速的提高，脫水率增加。當離心轉速從3 000 r/min提高到3 500 r/min時，脫水率從1.31%增加到了5.94%；進一步提高轉速到3 600 r/min，脫水率基本趨于穩定。因此，確定離心轉速為3 500 r/min。

表2 剩余污泥發酵沼渣干基成分

圖2 剩余污泥發酵沼渣二次厭氧發酵含水率和有機質隨時間的變化Fig.2 Moisture content and organic matter of excess sludge fermentation residue varied with time during secondary anaerobic fermentation

圖3 不同離心轉速對剩余污泥發酵沼渣脫水率的影響Fig.3 Effect of centrifugal speeds on dewaterability rate of excess sludge fermentation residue

2.4 混凝劑對剩余污泥發酵沼渣脫水性能的影響

不同混凝劑的投加量對剩余污泥發酵沼渣離心后含固率的影響如圖4所示。由圖4可知，混凝劑種類和投加量對剩余污泥發酵沼渣脫水性能有較大的影響。未投加混凝劑時，剩余污泥發酵沼渣離心后含固率為12.85%～15.76%，含固率較低且基本穩定。硫酸亞鐵和硫酸鋁的投加對剩余污泥發酵沼渣離心后含固率基本沒有影響。但一定投加量的PAM和PAC對離心后含固率有較顯著的提升，但兩者的最適投加量不同。當PAM投加量為2 g/L時，離心后含固率達到最大，為30.24%；當PAC投加量為5 g/L時，離心后含固率達到最大，為30.34%。因此，在剩余污泥發酵沼渣中添加適量的PAM或PAC混凝劑可有效改善脫水性能，降低含水率，減少其體積，方便后續運輸和使用。

圖4 不同混凝劑對剩余污泥發酵沼渣脫水性能的影響Fig.4 Effect of different coagulants on dewaterability performance of excess sludge fermentation residue

3 結 論

(1) 剩余污泥發酵沼渣中Cr、Cd、As、Pb、Hg 5種NY 525—2012規定的重金屬均達標，但是總養分和有機質不達標，因此不能直接作為有機肥料，可以作為有機肥料的原料。

(2) 二次厭氧發酵實驗證明，機械脫水后的剩余污泥發酵沼渣含水率和有機質含量穩定，進一步保證了其可以作為有機肥料的原料進行資源化利用。

(3) 硫酸亞鐵和硫酸鋁的投加對剩余污泥發酵沼渣離心后含固率基本沒有影響。PAM和PAC

的投加量分別為2、5 g/L時，剩余污泥發酵沼渣離心后含固率可分別提高到30.24%、30.34%。

[1] 趙慶良，趙赫，林佶侃，等．剩余污泥減量化技術研究進展與發展趨勢[J]．給水排水，2005,31(11):106-111．

[2] 戢偉.水解發酵在剩余污泥減量化中的應用研究[D].武漢:武漢科技大學,2013.

[3] 王大偉,韓愛榮,蘇朋,等.污泥減量化研究進展[J].廣州化工,2010,38(5):65-67．

[4] CHEN W,STEEN F M,GREEN P G.Key influential factors for sludge pre-fermentation process design - a case study[J].Environmental Technology,2004,25(4):381-390.

[5] 張超君.剩余污泥厭氧發酵產沼氣的工藝優化及沼液的資源化利用[D].包頭:內蒙古科技大學,2015.

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[7] 李占文,劉銀安,李攀,等.沼渣有機肥在靈武長棗生產中的應用研究[J].寧夏農業科技，2012,53(11):74-75,84.

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[9] 陳玉成,楊志敏,陳慶華,等.大中型沼氣工程厭氧發酵液的后處置技術[J].中國沼氣，2010,28(1):14-20.

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