污泥干化處理與后端出路探索研究

潘國強，周 平，郭 昉，康偉強,3

(1.昆明城市污水處理運營有限責任公司，云南 昆明 650299；2.昆明滇池水務股份有限公司，云南 昆明 651000； 3.昆明滇池水務固體廢物處置有限責任公司，云南 昆明 650299)

現行污泥處理技術主要為“好氧堆肥+土地利用和水泥窯協同焚燒+建材化利用”兩種方式[1]，但易受土地利用后端出路、水泥市場需求等因素影響[2]。為尋求穩定妥善的處置方式，實現污泥在污水處理廠內原位減量、資源化利用[3]，達到污泥減量化、無害化及資源化的目標[4]，積極尋求一種污泥源頭減量技術正是大多數污水處理廠迫切的需要[5]。

污泥有機干化生物處理設備，技術原理為投加以乳酸菌為主的微生物基質，在高溫和酸性條件下微生物對有機固廢進行氧化分解，同步降低含水率，按“破碎+升溫60～80 ℃+攪拌+生物除臭”的工藝進行反應，實現減量化和無害化處理[6-8]。設備可用于污泥源頭減量、廚余、蔬菜、花卉廢料等有機固廢處理處置。

1 材料和方法

1.1 污泥干化設備

500 kg/d 設備主機尺寸為 4560 mm×1740 mm×2600 mm，輔助設備采用掛桶式提升翻轉機 1200 mm×1500 mm×2600 mm，固液分離料倉 1200 mm×1000 mm×600 mm ，油水分離器 1500 mm×500 mm×800 mm ，破碎機 1150 mm×1100 mm×1280 mm，螺旋輸送機 5800 mm×400 mm×700 mm，除臭裝置 900 mm×900 mm×1890 mm，占地面積<8 m2，整體面積<17.2 m2，最大功率為 31.5 kW/h。

污泥選用某省會城市第二污水處理廠的脫水污泥，廚余選用該地某小區廚余垃圾。

1.2 運行模式

1.2.1 一階段運行模式

按“干化 14 d+自然腐熟 14 d”的運行模式已開展試驗，記錄日常運行數據，對含水率、pH、有機質、種子發芽指數及蛔蟲卵死亡率等指標開展日常監測，對腐殖酸、EC值、營養學指標及臭氣指標開展監測[9]。

1.2.2 二階段運行模式

1)含水率保持55%～60%，停留時間 10 d，摸索投料量、投料頻率與溫度控制策略；對進出料開展日常監測，對出料開展自然腐熟 10 d，并跟蹤監測[10]。

2)停留時間不超 24 h，摸索含水率達30%～40%條件下投料量、投料頻率與溫度控制的策略；將出料作為返混料與污泥好氧堆肥，按m(80%含水率污泥)∶m(35%含水率輔料)∶m(35%含水率返混料)=5∶1∶0、5∶0∶2.5、5∶1∶1.5、5∶1∶2.5，設置4個平行好氧堆肥堆體，起始含水率約63%開展好氧堆肥，對堆體進行翻堆，記錄堆體溫度取樣監測分析。

3)進料含水率小于80%，停留時間 10 d，摸索不同比例的投料量、投料頻率與溫度控制的策略；對進出料開展日常監測(表1、表2)，對出料開展自然腐熟 10 d，并跟蹤監測。

表1 試驗進出料泥質統計表

表2 對照標準

2 結果與討論

2.1 直接出料結果

2.1.1 溫度

設備運行過程中，一階段物料溫度為58.1±6.6 ℃、二階段為48.0±2.7 ℃。其中，71%(30 d)的時間物料溫度大于了 50 ℃，其余時間也接近 50 ℃，最高達 70 ℃(圖1)。出料的無害化指標蛔蟲卵死亡率>95%，糞大腸菌群值>0.01(1次糞大腸菌群值超標，占比5%)，基本實現了無害化的要求。

2.1.2 含水率

微生物的生長繁殖離不開水，微生物的生長繁殖對水要求比較嚴格。本試驗一階段含水率(22.2±5.4)%，最低至13%，不利于微生物生長，故二階段調節含水率至50%～59%。二階段設備內物料含水率達到了生物處理所需的含水率控制要求，如圖1所示。

一階段前14天為干化，后14天為自然腐熟。圖1 干化處理設備運行期間物料溫度、含水率變化情況圖

2.1.3 pH

進料pH為7.60，出料pH 7.82，出料pH較進料pH略有上升。

2.1.4 有機質

試驗過程中有機質進料為(45.6±5.1)%，出料有機質(60.0±8.3)%，污泥及廚余進料有機質含量較為穩定，前期由于添加了基質(500 kg 設備添加了 960 kg 鋸末及菌種，反應 14 d 污泥與基質的質量比約為5∶1)，污泥廚余進料與基質摻拌后有機質含量上升，最高達95.4%。隨著反應有機質被不斷降解，出料有機質含量趨于穩定，排除前期基質的有機質含量，出料有機質為55%，達到生物處理機的控制要求，如圖2所示。

一階段前14天為干化，后14天為自然腐熟。圖2 干化處理設備運行期間進出料有機質變化情況圖

2.1.5 碳氮比

設備內污泥C、N質量比約為8.5∶1，與基質混合后為11.4∶1；污泥協同廚余C、N質量比約為10.5∶1，與基質混合后為13.5∶1。

2.1.6 溶解氧

設備內常保持常通風帶攪拌，攪拌裝置運行中能夠正轉和反裝，攪拌葉片設計帶有螺旋角，以迫使物料在徑向移動的同時也會沿軸線前后移動，循環往復。受攪拌軸轉速影響，物料的移動速度較為緩慢。

2.1.7 能耗

一階段處理設備能耗為 1 kWh/kg，出料含水率過低后調整設備干燥等級，二階段污泥設備能耗 0.59 kWh/kg，污泥協同廚余設備能 0.46 kWh/kg。

2.1.8 氣體檢測

氣體檢測情況見表3。

表3 臭氣檢測情況

2.2 后端土地利用試驗

經一階段試驗后調整，二階段試驗物料溫度48.0±2.7 ℃、pH7.82、含水率50%～59%、有機質55%，C、N質量比11.5～13.4∶1。通氧攪拌的情況下，出料樣種子發芽指數達不到標準要求，故對出料進行進一步后端土地利用試驗，具體結果如表4所示。

表4 種子發芽培養液指標對比監測表

2.2.1 種子發芽培養液相關監測數據

由表4可知，一階段將出料與紅土按1∶1～1∶9質量比摻拌，自然腐熟等形式驗證后端土地利用，結果表明，1∶9 摻拌種子發芽指數>60%，而此時營養學N、P、K、有機質等指標達不到后端土地利用要求。

二階段將出料作為返混料與污泥好氧堆肥，按m(80%含水率污泥)∶m(35%含水率輔料)∶m(35%含水率返混料)=5∶1∶0、5∶0∶2.5、5∶1∶2.5，設置平行好氧堆肥堆體，結果表明，不添加輔料的堆體種子發芽指數>100%，其余堆體種子發芽指數為0，不滿足后端土地利用要求。

2.2.2 浸出液重金屬監測數據

種子發芽指數是綜合判別肥效與毒性的指標。影響種子發芽指數的主要指標為pH值、EC值、無機重金屬毒性及有機物毒性抑制[17]。通過對比浸出液監測數據分析表明：浸出液重金屬形態未發生顯著變化不對本試驗種子發芽指數造成影響，如圖3所示。

圖3 浸出液重金屬數據圖

污泥經設備處理后，溶解性腐殖酸質量分數為0.5%，經 14 d 腐熟后溶解性腐殖酸含量無變化(種子發芽指數同樣無變化)。二廠污泥堆肥試驗一次發酵后物料含水率約55%，溶解性腐殖酸質量分數為1.5%～2.5%，總腐殖酸質量分數為4.5%～5%。經2個月腐熟后含水率約35%，溶解性腐殖酸質量分數為2%～4.4%，總腐殖酸質量分數為7.2%～9%；種子發芽指數不達標。

從種子發芽培養液的COD看，設備出料COD明顯上升，腐殖酸質量分數低于好氧堆肥組，原因推測為：好氧堆肥過程中乳酸菌等產小分子酸導致COD數值升高，當產小分子酸的菌種起主要作用時，穩定化的菌種發揮作用小，未完全達到腐熟階段，故腐殖酸含量低，種子發芽指數低[18-19]。

2.3 經濟成本比對

從80%含水率污泥經 24 h 直接脫水至55%，干化生物處理設備綜合成本約為常規污泥深脫技術的2倍，估算為220元；脫水至55%后堆肥綜合成本約為直接好氧堆肥的2倍，估算為603元；將脫水至45%以下作為返混料進行好氧堆肥，但堆體試驗種子發芽指數均未達到土地利用相關標準，無估算價格。

3 結論

1)試驗物料溫度(48.0±2.7 ℃)、pH(7.82)、含水率(50%～59%)、有機質(55%)等影響好氧發酵的因素滿足生物處理機的控制需求及后端好氧堆肥的控制要求，出料蛔蟲卵死亡率、糞大腸菌群值等無害化指標基本滿足要求(糞大腸菌群值超標一次，占總送檢次數的5%)。

2)污泥干化設備出料種子發芽指數低，出料樣及自然腐熟樣腐殖酸質量分數為0.5%，低于好氧堆肥穩定化后腐殖酸質量分數4%。出料及作為返混料堆體的種子發芽培養液的COD較高，造成的原因可能是產小分子酸的菌種起主要作用，升溫階段未完全達到腐熟過程，故腐殖酸含量低，種子發芽指數低，故出料不可進行后端堆肥處置。

3)試驗便攜式氨氣濃度儀測得氨氣質量分數達 100 mg/kg，第三方檢測為氨氣 1.64 mg/m3，硫化氫 0.17 mg/m3，甲烷 0.38 mg/m3，臭氣濃度1318(無量綱)，超過林業基質土環評批復廠界二級排放標準[ρ(氨氣)<1.5 mg/m3]、[ρ(硫化氫)=0.06 mg/m3]。人可以明顯察覺臭味，不可投入實際生產，除臭裝置需改善以保證達標排放。

4)經濟成本分析，從80%含水率經 24 h 直接脫水至55%，污泥生物干化處理的綜合成本約為深脫的2倍，估算為220元；脫水至55%后堆肥綜合成本約為直接好氧堆肥的2倍，估算為603元，經濟不可行，還需進一步節能降耗降低成本。