黑臭水體底泥無害化處置及資源化利用堆肥技術

楊 星，張家興，霍興陽，孫萬林，宋絢臻，李九智

(華北地質勘查局五一九大隊，河北 保定 071000)

0 引言

底泥疏浚法是目前國內外治理污染河湖的主要措施，底泥疏浚法效果明顯，但疏浚后的底泥含水率高，且底泥中含有大量有機質、病原微生物等，若不經處理而在環境中堆棄，對環境和衛生均易造成不良影響。大部分疏浚底泥性質與普遍土壤接近，且有機質、氮、磷等養分豐富，有害物質含量在國家相關標準范圍內(如GBT 23486—2009《城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》)，因此具有很高的利用價值[1-2]。將疏浚底泥無害化處置并進行資源化利用，既可保護環境，又可節約資源，這種底泥治理方式是當今河湖水環境治理研究的熱點[3]。

1 堆肥處理技術

1.1 技術介紹

將黑臭水體底泥脫水后，與各種輔料和復合菌劑按一定比例混合均勻進行堆垛發酵，黑臭水體底泥及發酵輔料中含有大量的多糖、氨基酸等營養物質，剛混合完成的堆垛中含有大量氧氣，絲狀菌微生物可對黑臭水體底泥中易分解的糖等有機物進行分解、代謝，釋放能量，使肥堆溫度快速上升，芽胞桿菌開始大量繁殖，分解包裹黑臭水體底泥的胞外聚合物(EPS)，釋放出水與大量熱量使肥堆溫度上升至60 ℃以上，殺滅有害病原菌與蟲卵，放線菌開始活躍，釋放大量的體外酵素，快速降解黑臭水體底泥中大分子有機物質為植物可以吸收利用的小分子有機質[4]。這些菌劑好氧發酵與厭氧發酵過程中產生大量纖維素酶、半纖維素酶、木質素酶、淀粉酶、葡萄糖異構酶等胞外酶和胞內酶來分解黑臭水體底泥的有機物。堆肥過程原理如圖1所示。

圖1 黑臭水體底泥兼氧發酵腐熟堆肥過程原理Fig.1 Principle of aerobic fermentation and composting of sediment in black and odorous water

黑臭水體底泥經復合微生物菌劑(絲狀菌、高溫放線菌、芽孢桿菌、乳酸菌)高溫發酵及中低溫發酵最終充分腐熟，可有效去除病原微生物、蛔蟲卵等大分子有機物質；同時底泥中的重金屬經復合微生物的吸附(生物氧化)、生物代謝等作用，使重金屬的形態向氧化態和殘渣態轉變，以降低重金屬的遷移性和生物有效性[5-7]。對于少數污染物超標的腐熟料可與當地禽畜糞便堆肥產物經合理配比及深加工，在達到標準要求的前提下應用于不進入食物鏈的園林綠化及花卉種植等領域，實現最終的資源化利用。底泥堆肥技術路線如圖2所示。

圖2 底泥堆肥技術路線Fig.2 Technical roadmap of sediment composting

1.2 堆肥試驗

1.2.1 原材料處理

底泥：底泥脫水至含水率達到80%左右。

輔料：為增大接觸面積利于發酵，要對玉米秸稈、麥麩進行粉碎。玉米秸稈粉碎成粒徑約為1 cm，麥麩粉碎成粉末狀態。

復合微生物菌劑：絲狀菌、高溫放線菌、乳酸菌和枯草芽孢桿菌的有效活菌數比約為5∶2∶2∶1。

1.2.2 堆肥材料配比

含水率約80%的底泥100 kg，輔料10 kg(粉碎玉米秸稈3 kg，麥麩7 kg)，復合微生物菌劑300 g，水適量。

1.2.3 堆肥試驗操作

在堆肥試驗場地開挖“十”字形溝，深寬各20 cm，在溝上縱橫鋪滿硬堅的作物秸稈(玉米秸稈)，作為堆肥底部的通氣溝。

將經過前期處理的原材料充分混合均勻后，進行逐層堆積。適當在各層上均勻地噴灑水，控制堆體含水率在60%～75%。如此一層一層地堆積，直至高度達到1 m左右[8]。每層堆積的厚度，一般是15～25 cm，上層宜薄，中、下層稍厚，每層加入的水用量，要上層多，下層少，方可順流而下，上下分布均勻[9]。堆積完成后，在堆制期間，定期監測堆體內的含水率和溫度。

2 結果與分析

2.1 溫度和含水量變化

溫度和含水量變化如圖3～4所示。此次堆肥試驗堆體溫度上升較快，在堆肥第4天溫度達到60 ℃左右，經后續5次翻拋，歷經3次溫度高峰，溫度在堆肥第13天達到峰值，為72.1 ℃。此次堆肥堆體60 ℃以上高溫持續約10 d，能達到完全殺滅蟲卵的效果，同時，持續的高溫反應了堆體內微生物的活性高，對有機物的分解效率高。堆體含水率在整個堆肥試驗中緩慢降低，從初始的含水率70%降至最終的30%左右，達到了堆肥預期的效果。

圖3 堆體中部溫度變化情況Fig.3 Temperature change in the middle of reactor

圖4 堆體中部含水量變化情況Fig.4 Change of water content in the middle of reactor

2.2 底泥堆肥前后檢測結果變化

底泥堆肥前后檢測結果對比如表1所示。

表1 底泥堆肥前后數據對比Tab.1 Comparison of data before and after composting

(1)底泥中的糞大腸菌群數由堆肥試驗前的65個/g降至32個/g，表明堆肥試驗的高溫階段對糞大腸菌群的殺滅效果較好，殺滅率能達到50%左右，且重金屬的含量均符合NY525—2012《有機肥料》要求，實現了黑臭底泥的無害化處置。

(2)底泥中的有機質含量由堆肥試驗前的61%降至53%，總養分含量由11.38%增加至14.70%，表明堆肥試驗中微生物活躍，消耗分解有機質，轉化為部分養分，對有機質的去除率能達到15%左右，總養分提升約30%[10]。

(3)底泥的含水率由初始的70%降至22.12%，達到了NY525—2012《有機肥料》對肥料含水率的要求。

(4)堆肥試驗后的材料符合NY525—2012《有機肥料》要求，可以用作有機肥料，實現了黑臭底泥的資源化利用。

3 結論

本次堆肥試驗實現了黑臭水體底泥無害化處置及資源化利用的目標，堆肥試驗成功，可在后續生產實踐中推廣應用。堆肥過程采用兼氧發酵工藝，無需曝氣等高耗能操作，具有投資小、工藝簡單和發酵速度快的特點；可同時對多種有機廢棄物進行處置利用，產品應用范圍廣；處置后的產品可用于深加工，制成高質量有機肥料，用于園林綠化或花卉種植等領域，在避免重金屬進入食物鏈途徑的同時，實現資源的回收，同時可減少化肥施用造成的土地污染，一舉多得[11]。