城市污泥生物干化技术及展望

城市污泥生物干化技术及展望

摘要:生物干化是利用微生物和生物能实现污泥干化的目的,不需要外源加热,是经济、节能、环保的干化技术。对生物干化过程中通风量、堆体温度与干化效率之间的相互关系进行深入、系统的研究,可进一步优化污泥生物干化的控制策略,提高生物干化的效率。生物干化技术为污泥后续处置利用提供了更多选择,将在我国城市污泥处理中发挥越来越重要的作用。

关键词:污泥生物干化影响因素展望

随着我国经济发展和城市人口增加,污水处理量越来越大,加之环保要求提高,污水处理率和处理深度也进一步提高,污泥产量明显增加,如何有效处置与利用污泥是城市可持续发展中面临的重大课题[1]。污泥是一种高水分的多孔性物质,未经处理的污泥含水率高达95%以上,降低污泥含水率是解决污泥处理所面临困难的关键。浓缩和脱水是减少污泥体积最经济有效的方法,但浓缩和脱水通常难以将污泥含水量降低到80％以下。脱水污泥运输量仍然较大,含水率很高,病原微生物没有被消灭,无法直接农用。由于污泥的含水率是其处理处置过程中遇到的关键问题,降低污泥含水率是解决目前在污泥处理中所遇到的许多问题的关键。污泥干化处理是污泥处理、处置的“第一步”,便于后续的污泥处置及资源化利用。

污泥干化技术已经得到较为深入的研究,很多技术已得到推广应

用,主要包括热干化、利用太阳能干化和生物干化。热干化工艺具有占地小、干化速率快的优点,但能耗较大,技术要求高,其工艺过程中可能产生二噁英等有害物质的污染,尾气处理成本较高；太阳能干化技术具有节能、运行费用低、对环境污染小等优点,但占地面积大,受天气条件制约；污泥生物干化是一套完整的自动化高温好氧发酵工艺,配套有生物滤池对臭气进行处理,干化产品可以用于焚烧和填埋,也可以进行土地利用,占地面积较小,处理成本较低,适合在我国大规模推广[2～3]。笔者通过总结城市污泥生物干化技术的研究成果,分析其存在的不足和应用前景,为我国城市污泥更有效的无害化处理和资源化利用提供参考。

1 生物干化简介

生物干化是利用自然界广泛存在的细菌、放线菌、真菌等微生物,有控制地促进污泥中有机物的生物降解,并利用有机物降解产生的热能和通风调控手段去除污泥中水分的干化工艺。生物干化对污泥具有消除臭味,杀死病原菌和寄生虫(卵),降解大多数毒性有机物,固化和钝化重金属,改善污泥物理性状和降低含水率等作用[3～4]。生物干化过程需要始终供给足够的氧气以维持好氧微生物活动,发酵效率高、干化时间短、臭味少,易于实现大规模工业化生产,并且堆体温度一般可达到50 ℃～60 ℃以上,最高可达70 ℃以上,致使大量水分散失,干化污泥含水率可降低到40%以下,便于后续处理操作。

生物干化的特点就是利用微生物和生物能实现污泥干化的目的,这也是生物干化名称的真正内涵。生物干化不需要外源加热,是经济、节能、环保的干化技术,这也是生物干化与其他干化工艺(如热干化、太阳能干化)最大的区别。

2 污泥生物干化和好氧堆肥的区别

由于生物干化和好氧堆肥的基本原理和工艺流程十分相似,很多研究者往往将两者混为一谈,很难区分,两者的最大区别在于处理目的和控制参数的不同。生物干化的目的是“干化”,主要是为了降低污泥含水率,好氧堆肥的目的是“堆肥”,主要是为了有机质的稳定化和腐殖化以制作有肥料。生物干化和好氧堆肥均是利用微生物降解有机质产生的热量使物料升温,具有杀死病原菌和寄生虫(卵)的作用,好氧堆肥要求物料在55 ℃以上维持3 d,并对堆肥产品中病原微生物和杂草种子的含量有明确要求,但生物干化没有高温期维持时间的要求。好氧堆肥污泥有一系列腐熟度评价指标,旨在保证堆肥产品土地利用的安全性,避免未腐熟堆肥中的小分子有机酸、大量NH3和多酚等物质抑制植物种子生长,而生物干化污泥没有这些要求,唯一的要求指标是含水率的高低。生物干化和好氧堆肥过程中有机质都会腐殖化和钝化重金属,只是程度不同,好氧堆肥过程往往期望通过发酵过程调控或添加钝化剂以降低重金属的有效性,而污泥干化过程不需要考虑这些问题,也无需考虑发酵过程中氨气挥发等引起的植物养分损失。

好氧堆肥的最终目的就是制作有机肥料,进行土地利用,实现污泥的无害化和资源化,而生物干化是污泥填埋和焚烧的预处理,是以减量化为主要目的,在一定程度上也可以实现污泥的无害化,与资源化相差甚远。若以焚烧为最终处置目标时,甚至要求适当限制微生物的降解能力,尽量保持产物中的有机组分,从而提高产物的热值。在保证水分去除效果的前提下,高温期堆体温度的范围可以更宽,发酵周期可适当缩短,约为好氧堆肥周期的1/3～1/2,其占地面积和单位产量投资成本大幅减少,具有很强的工艺技术优势。生物干化和好氧堆肥的目的决定了其控制参数的差异,主要表现在高温期时间长短、发酵周期控制、堆体过热的处理、通风量调控等,一切均围绕降低含水率的唯一目的设置。

3 生物干化的影响因素

生物干化是建立在微生物好氧发酵的基础上,通过强制鼓风带走物料中的水蒸气,这就要求整个过程既能维持正常的好氧发酵,也要有合理的通风量以降低污泥含水率[5]。污泥含有丰富的有机质、N、P、K等微生物好氧发酵所需的营养成分[6～7],但污泥含水率过高、孔隙率和C/N过低,这是影响污泥生物干化的物料特性；好氧发酵开始后影响干化效率的主要因素是通风量和堆体温度。

3.1 含水率、孔隙率和C/N

在生物干化初始阶段,通常向湿污泥中添加农作物秸秆等调理剂或回流干化污泥以调节含水率、孔隙率和C/N[8]。污泥好氧堆肥含水率范围应维持在50%～60%之间,而有关生物干化的适宜含水率范围尚未有全面深入的研究,为了减少调理剂添加量以降低干化成本,一般将初始含水率控制在60%附近。添加调理剂可以提高污泥孔隙率,有利于氧气的存储和传输,避免厌氧发酵产生恶臭,也有助于降低对鼓风机风压的要求,降低能耗。添加调理剂还可以提高污泥的C/N,污泥好氧堆肥的适宜C/N范围是20～30之间,而有关生物干化的适宜C/N范围尚未有全面深入的研究,为了降低处理成本,可以考虑采用好氧堆肥C/N范围的下限,甚至更低。

3.2 堆体温度

好氧发酵开始后影响生物干化效果的因素是堆体温度和通风量,是这两个变量共同作用的结果。堆体温度越高,水分蒸发越快,饱和空气的含水量随温度升高呈指数规律增长,水分随鼓风逸出的量越大,干燥作用越显著。在生物干化初期,为了累积热量使堆体升温,通风量较小,干化效果不明显,中温微生物起主导作用；进入高温期(40 ℃以上)后,嗜热微生物逐渐取代中温微生物,当温度过高时(70 ℃以上),微生物将会被杀死或者生长受到抑制；微生物代谢产生的热量作为生物干化过程的唯一热源,其生命活动需要适宜的温度范围,通常采用调节通风量的方式使堆体维持在合理的高温水平以提高干化效率；对生物干化最适宜的温度缺少系统研究,在没有添加耐高温菌种的生物干化系