市政污泥协同农林废物好氧发酵中试研究＊
时间：2023-01-26 10:20:12 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
黄 庆，刘惠琼，郑 恒，汤 婷，刘同庆，周耀渝
（1.中南水务科技有限公司，湖南 长沙 410009；
2.湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙410128）
据2019 年城乡建设统计年鉴相关资料显示，我国城乡污水处理厂达5 970 座，随着污水处理能力的提升污泥产生量逐年增加。2019 年我国含水率80%的脱水污泥产生量超6.500×107t，污泥处理处置形势十分严峻［1］。若对其处理不当，不仅对环境和人类造成危害，还会造成地球资源的浪费［2］。
在如今的“双碳”目标下，污泥成为污水处理行业节能减耗，践行碳达峰、碳中和的重要抓手，能源资源回收利用成为重要方向。好氧发酵是有机废物无害化处理与资源化利用的重要手段，其实质是有机物在微生物作用下分解代谢产生热能，促使有机物向稳定的腐殖质转化，实现减量化、稳定化、无害化、资源化［3-4］。将污泥堆肥化处理后，不仅能降低大量有机废物带来的环境风险，还能创造有价值的有机营养土产品。处理达标后的污泥用于城市园林绿化，既摆脱了食物链，不会危及人畜，同时减少了运输的费用［5］。研究表明，污泥中富含植物生长所必需的各种微量元素、氮磷钾等营养元素以及丰富的有机质［6］，有利于改良土壤结构，增加土壤肥力，促进植物的生长［7-8］。
然而污泥的碳氮比较低，且传统的自然堆肥发酵效率低、处理周期长［9-10］，产品质量易受地理位置、环境温度影响。除此之外，传统的自然堆肥处理过程中产生恶臭气体的收集处理难度相对较高。反应器式堆肥占地面积小且操作简便，但仍存在设备利用率低、堆肥产品养分损失严重等问题［11-12］。
针对上述问题，本研究拟通过智能化好氧发酵集成装备，将污泥协同农林废物堆肥提高物料碳氮比，生产高品质有机营养土。研究采用温度等传感器获取好氧发酵过程中高密度数据，对比不同原辅料配比、通风量、筒转模式等条件下的堆肥化产品。对控制方法和控制过程进行优化，为后续污泥好氧发酵工程化应用中实现高效、节能好氧发酵控制提供指导。
2.1 试验原料
中试研究中污泥来源于长沙市某水质净化厂，辅料为采购所得秸秆（水稻秸秆，采用秸秆粉碎机粉碎至10～20 mm）。原辅料的基本理化性质如表1 所示。
表1 试验原料的理化特性Table 1 Physical and chemical properties of raw materials
长沙市某水质净化厂的脱水污泥有机物含量较高，适宜用作好氧堆肥的原料，但其碳氮比偏低，见表1。为了增强微生物活性以强化营养物质保留，优化堆肥产品的品质［13］，试验中采用了脱水污泥协同农林废物秸秆混合堆肥来改善堆肥环境。
为监测堆肥前后重金属含量的变化，堆肥前对原料的镉、汞、铅等重金属进行了检测，结果如表2 所示。
表2 试验原料重金属含量Table 2 Heavy metals content of raw materials
2.2 试验装置
中试研究采用好氧发酵反应器（图1）进行生物有机质好氧发酵，含液压搅拌器、传送带及反应器。设备总质量为5.225 t，反应器直径为1.5 m，长度为3 m，反应器体积为5.3 m3。
图1 好氧发酵反应器Figure 1 Aerobic fermentation reactor
为实现中试研究中数据自动采集功能，本研究针对好氧发酵生物反应器设计一套智能化控制系统，控制系统含无线温度传感器、流量计、温湿度计、氧传感器等仪表及智能化控制模块，其中温度传感器安装在反应器筒体中部，其余传感器均位于风机后（图2）。该系统可自定义时段控制循环，以时间控制模式控制筒转；
采用温度传感器实时监测以保持最佳堆温，当堆温达到设定温度时，从传感器中发出的电子信号通过控制器让风机工作或停止；
以温度控制模式控制通风。该控制系统可实时反馈试验工况对应的堆温变化情况，有利于通风量以及反应器翻转等参数的及时调整。各传感器具体参数如表3 所示。
表3 自控系统传感器相关参数Table 3 Sensor related parameters of automatic control system
图2 传感器安装位置示意Figure 2 Schematic of sensor installation position
2.3 试验方法
试验流程如图3 所示。
图3 污泥协同农林废物好氧发酵中试流程示意Figure 3 Schematic of the pilot-scale process of aerobic fermentation of sludge and agricultural and forestry wastes
1）物料混匀：在搅拌机内加入辅料搅拌均匀记录质量后，将含水率80% 的污泥按质量加入搅拌机，达设定污泥质量。进料后，开启液压搅拌机。
2）反应器进料：启动传送带并关闭滚筒出料口后，启动滚筒开始定速运转。打开料斗的出料口，保证物料传送平稳均匀进入滚筒，开始反应器进料。
3）物料好氧发酵：滚筒内物料达到预定的进料量后，开启风机，停止进料传送带。滚筒内的温度可通过无线温度传感器检测到。定期在出料口取样，检测含水率、有机物含量、pH、有机碳和总氮分析指标。通风量依据《城镇污水处理厂污泥处理处置防治最佳可行技术指南（试行）》中“静态好氧发酵强制通风，每1 m3物料通风量0.05～0.20 m3/min，非连续通风；
间歇动态好氧发酵可参考静态工艺并依据生产试验的结果确定通风量”及现场实际运行工况调整。
2.4 分析检测方法
各分析指标检测方法参考GB/T 23486—2009城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质、NY 884—2012 生物有机肥中所规定的分析方法。
本研究主要关注物料配比、通风量以及反应器翻转策略等试验参数对堆体温度、出料质量的影响。
3.1 物料配比
为保证物料初始状态有较佳的蓬松度以利于好氧发酵，最先对原辅料配比进行了优化。物料含水率取决于不同配比，适宜的含水率不仅有利于微生物的生存繁殖，而且对堆温也具有一定的调节作用［14-15］。将物料含水率控制在50%～60%，选取原料和辅料湿基质量比分别为3.0∶1.4、3.0∶1.7、3.0∶2.0，进行10 min 搅拌前处理。降低辅料比例时，搅拌后的物料含水率较高，混料倾向于变成垫状和块状，该现象不利于物料好氧发酵。而配比为3.0∶2.0 时物料混匀程度和蓬松度都较佳（图4），此时秸秆充分发挥调理剂的功能，不仅优化了初始物料的含水率和碳氮比，而且提高了堆肥物料的孔隙度，有利于促进发酵过程，改善堆肥产物品质［16］，因此后续采用此配比进行研究。
图4 不同配比下物料混匀状态Figure 4 Mixing state of materials under different ratios
3.2 通风量对堆温的影响
利用堆温可直观监测堆肥化的反应进程［17-18］，而通风量是影响堆温的关键因素。依据《城镇污水处理厂污泥处理处置防治最佳可行技术指南（试行）》，该体量下的通风量应控制在10～40 m3/h。因此，本次研究选取了15、20、25、30 m3/h左右的通风量进行研究。由图5 可知，通风量为15 m3/h 时，堆温处于高温期的时间较短，易造成堆体厌氧，产生大量有害气体，影响微生物活性，不利于物料水分脱除［19］；
加大通风量可以去除含水率较大的有机物料的水分，以维持堆体温度，但通风量30 m3/h 时的堆温明显低于20、25 m3/h条件下的堆温，通风速率过大会导致热量散失，不利于堆体的温度积累，对无害化不利［20］。因此该体量下通风量宜控制在20～25 m3/h，折算为单位时间单位体积下通风量为6.3～7.9 m3/（h·m³）。
图5 不同通风量对堆温的影响Figure 5 Influence of different ventilation volume on reactor temperature
3.3 反应器翻转策略
本研究探索了筒转启/停连续式和间歇式（启2 h 停1 h）两种不同策略对堆温的影响情况。从图6 可知，筒转启/停间歇式运行时堆温维持效果理想，堆温变化趋势优于连续运行状态，且基本上可全天处于高温期。通过间歇式翻堆不仅可以有效维持堆温，而且能供给空气，促进堆体中的微生物进行好氧发酵，与此同时达到降低原料含水率的效果。
图6 不同反应器翻转策略对堆温的影响Figure 6 Influence of different reactor turnover strategies on reactor temperature
一次发酵完成后，出料颜色明显加深，呈松散状，无臭、有轻微氨味、不招引苍蝇。含水率由51.2% 降低至43.0% 左右，有机物含量下降显著（63.6% 降至49.6%），进料pH 为7.35 而出料pH 为8.49，这是由于堆体中蛋白质的脱氨基释放了大量的氨气使得pH 上升，堆体形成了微碱性的环境［13，21］。由于出料状态较为理想，后续可尝试出料返混，使混合物的密度变小，同时减少辅料量。
3.4 返料量探究
堆肥返料可提供部分初始微生物加快好氧发酵进程，由于其含水率较低而成为理想的湿物料调理剂。但堆肥返料碳氮比中等偏低，通常需与其他物料混合使用，而频繁的循环使用可能造成堆肥化产品的盐分浓度过高。在不需要提高碳氮比而使混合物水分降低的情形下可作为调理剂。
返料量探究期间试验及运行参数均采用前期优化结果，反应器翻转为间歇式运行（启2 h 停1 h），通风量控制在20～25 m3/h。返料量分别占进料的10%、20% 和30%。3 个不同配比获取的混料搅拌效果理想，含水率均控制在52.0% 左右。由于返料中含有处于活化状态的嗜热性微生物，改变了堆体内细菌群落结构并随着堆肥的进行其优势逐渐增强［22］，且反应器内部的高温环境为其创造了理想的生存繁殖条件，因而在本阶段试验中呈现出更高的堆温，无线温度传感器所测得的最高堆温为65.9 ℃（图7）。
图7 返料量探究期间堆温变化趋势Figure 7 Variation trend of heap temperature during the period of material return
返料量探究期间，堆温维持情况理想。返料量20% 时，堆温维持效果最佳。返料量探究期间对应的出料含水率在42% 左右，有机物含量均呈现不同程度的下降，进料pH 为6.9 左右而出料pH为8.1 左右，均低于非返料条件下的进出料pH。碳氮比呈下降趋势。根据本次试验结果，推荐返料量为20%，可在不影响堆温和进出料状态的前提下减少辅料量进而降低堆肥成本。
3.5 二次腐熟
一次发酵完成后，物料进入二次腐熟阶段。二次腐熟期间堆体不宜过高过宽，否则不利于堆体散热，无法降低物料含水率、提高熟化效率。在一个堆肥料堆中，并不是所有区域都会达到同一个温度，所以需要经常翻转，使得所有基质都可以移到最热的核心地带。
物料二次腐熟期间温度变化如图8 所示。二次腐熟过程中持续产生较大的热量，堆肥经过一段时间的熟化并趋于完全稳定。含水率降低至16.9%，堆温接近或略高于室温，此时微生物活动减少，大部分不稳定的物质都已经稳定化，可以进入储存和应用阶段。
图8 物料二次腐熟期间温度变化趋势Figure 8 The temperature change trend of the material during the second maturation period
堆肥化产品的有机物含量由初始的60.3% 降低至31.2%，有机物去除率达68%。检测结果表明，物料碳氮比由初始值22.6 降低至16.4，营养土产品的pH 为7.70。物料腐熟前后指标变化见表4。
表4 物料腐熟前后各指标变化Table 4 Changes of various indicators before and after the maturity of the material
二次腐熟完成后，测得堆肥产品的有效活菌数为7.39 亿/g，符合NY 884—2012 中有效活菌数的要求（≥0.20 亿/g）。
堆肥产品检测结果表明，堆肥产品pH 为7.70，其理化指标、养分指标、生物学指标及污染物指标均在GB/T 23486—2009 要求范围内，种子发芽指数大于70%（表5）。污泥营养土的重金属含量相较于污泥而言有所下降，这可能是由于好氧发酵过程改变了金属污染物的存在形态，促进了重金属的钝化［23］，有利于污泥营养土后续的资源化利用。
表5 堆肥产品检测结果Table 5 Test results of the compost product
相较于条垛式堆肥，反应器好氧发酵可有效解决场地有限、环保要求高等难题，其推广性极强，具有很好的应用前景，后续将进一步扩大试验体量，在此基础上深入研究。通过对反应器好氧发酵技术控制方法和控制过程进行优化，得出以下结论：
1）辅料占比原料66.7%，即污泥与辅料配比为3.0∶2.0 时，混合物料的蓬松度、含水率都比较适合进行好氧发酵。但堆肥中的最佳配比视辅料种类、自身性质等相关参数而定，可通过控制物料含水率、搅拌效果等指标确定辅料含量。
2）通风量优化数值为20～25 m3/h，折算为单位时间单位体积下通风量为6.3～7.9 m3/（h·m³），可将堆温维持在55 ℃以上的高温期。人类和植物病原体在这个阶段被消灭，野草种子和昆虫幼虫也被杀死。除了高温阶段的高温因素，在这个阶段主要存在的放线菌可以产生抗生素，这对卫生化处理很重要。
3）反应器翻转以间歇式模式运行更有利于高温期的稳定维持，本研究中优化的筒转启/停时间分别为2 h 和1 h，该运行条件有利于延长高温期，加快好氧发酵进程。
4）堆肥化产品满足GB/T 23486—2009 要求。有效活菌数为7.39 亿/g，符合NY 884—2012 标准中有效活菌数的要求（≥0.20 亿/g）。
依托于好氧发酵技术，智能化好氧发酵集成装备除了应用于污泥处理处置场景外，其可复制的固体有机废物循环利用模式，可为畜禽粪便、生活垃圾、厨房残余等其他有机固废的规模化好氧堆肥处置提供参考，发展有机肥产业，保持和提高土壤肥力，促进农业可持续发展。这对促进有机肥替代化肥、协同推进农业农村高质量发展、提高生态环境质量有重要意义，具有广阔的市场发展前景。
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