城市污泥堆肥化处理研究进展

城市污泥堆肥化处理研究进展作者：桂萌熊建军崔希龙赵振凤来源：《现代农业科技》2010年第10期摘要随着城市的发展,城市生活污水污泥也迅速增加。

目前污泥堆肥化处理已经成为国内外学者研究的热点。

该文主要对污泥性质、国内外城市污泥堆肥方法,以及污泥堆肥过程中的重要参数控制进行综述,以为城市污泥堆肥化处理提供参考。

关键词城市污泥;堆肥化处理;条垛式系统中图分类号X703文献标识码A文章编号 1007-5739(2010)10-0267-02ResearchProgressonMunicipalSludgeComposting TreatmentGUI MengXIONG Jian-junCUI Xi-longZHAO Zhen-feng(Beijing Drainage Group Co. Ltd.,Beijing 100038)AbstractWith the development of urban,urban sewage sludge was increasing rapidly. At present,scholars paid more and more attention to the sludge composting. In this article,the sludge nature,kinds of municipal sewage sludge composting methods at domestic and foreign,as well as the important parameters control in sludge composting process were mainly introduced. It can give reference for the municipal sludge composting treatment.Key wordsmunicipal sludge;composting treatment;windrow composting system城市污泥是城市污水处理厂在污水净化处理过程中产生的沉积物,是由有机残片、细菌菌体、无机颗粒及胶体等组成的极其复杂的非均质体。

据估算,北京城市污泥产生量已达80万t/年,而上海污泥量达22 260 m3/d(含水量97.5%)[1]。

随着城市的发展,城市污水处理量的提高和处理程度的深化,污泥的产生量必将有较大的增长。

污泥堆肥与其他处理方法,如填埋、焚烧相比,具有建设投资少、运行费用低等优点,适合我国的国情[2]。

1城市污泥性质一是数量大,增长迅速。

污泥量占污水量体积的0.3%～0.5%(或污泥在污水中的含量为10～20 g/kg),若进行深度处理则污泥量增加0.5～1.0倍,伴随污水处理效率的提高,污泥数量将大幅增加;二是污泥中养分丰富,含有较高的有机质和丰富的氮磷等矿质营养元素;三是污泥成分比较复杂。

由于来源于各种工业和生活污水,故含有一些对环境和生物有害的物质,如Cd、Pb、As、Cu和Zn等,还含有病原菌、寄生虫(卵)和一些有毒的有机物。

Macnicol等[3]通过研究,将污泥区分为生物絮凝态、颗粒态、水溶态及胶体4个组分。

其中生物絮凝态组分约占污泥总量的69%,颗粒态组分占23%,水溶态组分占8%,胶体组分不到1%[4]。

污泥有机质及各种营养元素含量丰富。

通过对29个城市污泥组成的统计分析发现,中国城市污泥(不包括工业污泥)有机质平均含量达384 g/kg,全氮、全磷和全钾分别为27.0、14.3和7.0g/kg;有机质、全氮、全磷均比纯猪粪高出1/3～2/3,但全钾比纯猪粪低1/3。

中国城市污泥有机质含量呈逐年增加的趋势,氮、磷含量变化规律不明显。

所以污泥经堆肥化处理后作为肥料使用具有一定的价值和潜在的优势[5]。

2污泥堆肥技术堆肥利用自然界广泛存在的细菌、放线菌、真菌等微生物,有控制地促进固体废物中可生物降解的有机物向稳定的类腐殖质生化转化的微生物学过程,在一定温度、湿度和pH值条件下,使有机物发生生物化学降解,形成一种类似腐殖质土壤的物质。

在堆肥过程中,微生物分解有机质是一个放热过程,使得堆体温度升高,可以杀死污泥中大部分病原菌和寄生虫,达到无害化的目的。

堆体升温还有助于堆体水分的散失,减小堆体体积,达到减量化的目的。

另外,堆肥成品中的速效养分更有利于农作物吸收,同时堆肥成品中的腐殖质能改良土壤[6],使得污泥堆肥达到资源化。

堆肥化过程有好氧堆肥和厌氧堆肥2种,目前污泥堆肥化基本采用的都是进料、搅拌、通气、出料同时进行的高效好氧发酵工艺。

好氧堆肥过程由4个阶段组成,即升温阶段、高温阶段、降温阶段和腐熟阶段。

堆肥初期,堆层基本呈中温,嗜温菌较为活跃,大量繁殖。

它们在利用有机物的过程中,有一部分转换成热量,由于堆肥物料具有良好的保温作用,堆层温度不断上升,1～2 d后可达到50～60 ℃。

在这个温度下,嗜温菌受到抑制,甚至死亡,而嗜热菌的繁殖进入激发状态,嗜热菌的大量繁殖和温度的明显提高,使堆肥发酵直接由中温进入高温,并在高温范围内稳定一段时间。

正是在这一温度范围内,堆肥中的寄生虫和病原菌被杀死,腐殖质开始形成,堆肥达到初步腐熟。

在后发酵阶段,由于大部分有机物在主发酵阶段已经被降解,因此堆肥不再有新的能量积累,堆肥也就一直维持在中温(30～40 ℃),这时堆肥产物进一步稳定,最后达到深度腐熟[7]。

3污泥堆肥工艺堆肥工艺分为厌氧堆肥与好氧堆肥2种,其中好氧法,具有臭气发生量少、发酵时间短、堆肥品质好等优点,因此该文就好氧堆肥工艺进行论述。

在实际堆肥工艺中,比较常见的有条垛式堆肥,强制通风静态垛式堆肥和各式反应器堆肥。

后2种堆肥方式对环境影响小,堆肥效率高,是目前国内外学者研究得比较多的方式。

条垛式堆肥是最为传统的堆肥方式,工艺成熟,操作简单,也是目前国内使用较为广泛的方式。

3.1条垛式堆肥条垛式堆肥系统最初仅用于城市垃圾堆肥,1970年美国才第1次将这种堆肥方式用于污泥堆肥[8]。

随着这种堆肥系统的不断优化发展,美国1993年普查,条垛式系统占321个堆肥项目的21.5%。

1993年加拿大普查全国121个运行的堆肥厂中,有90个是条垛式系统[9]。

条垛式堆肥是将原料混合堆肥添加剂后简单堆积成窄长条垛,在好氧条件下进行堆肥化,定期使用机械或人工进行翻堆通风[10]。

条垛式堆肥系统必须具有适当的规模,如果堆体太小,则保温性差,水分散失过快,在高温期维持不了足够长的时间,导致产品腐熟度达不到要求,而且相对大堆体,单位面积处理的污泥量较小;如果堆体过大,堆体中心通风不好,发酵周期长,易产生厌氧发酵,损失有机质及氮素等营养元素。

条垛系统的堆体适宜规模参数为:底宽2～6 m、高1～3 m,长度不限。

最常见的堆体尺寸为底宽3～5 m、高2～3 m,其横截面大多呈三角形[11]。

条垛式堆肥系统堆体供氧主要是通过翻堆的方式进行,翻堆频率根据堆体具体情况而定,其中包括外界温度、堆体大小、添加剂的使用等。

在春、夏、秋3个季节,因为平均温度较高,一般不会影响堆体升温,所以一般采用每天翻1次,或者隔1 d翻1次的翻堆方式,以保证堆体在好氧情况下发酵。

而在冬季堆肥时,外界温度较低,第1次翻堆时间应在成堆后3～4 d,翻堆期间也应该根据堆体的实际温度而定。

若翻堆过于频繁,则不利于堆体温度的升高;若翻堆次数太少,则容易产生厌氧发酵。

在添加剂的使用上,当使用稻草、谷壳、干草、干树叶、木片或锯屑作调理剂且与污泥形成的混合物的含水率约为60%时,成堆后第3天翻堆,然后每隔1 d翻堆1次直至第4次,随后,每隔4或5 d翻堆1次堆。

如果用纸作调理剂,只要混合物料含水率不超过50%,便可如上述频率进行翻堆[12]。

条垛式堆肥系统对外界条件也有很严格的要求。

首先,要有足够大的场地,通风条件好,有利于水分散失和堆体供氧。

若有条件,可建造一个较大的棚以减少冬季和雨季对堆肥的影响。

其次,场地条件必须结实,以便大型机械设备,如铲车、翻抛机等操作。

通常用的地面材料是沥青或混泥土,也可是碎石或碳渣。

场地要有一定的坡度,以便堆肥渗滤液快速流走,其坡度应该在1%～2%。

堆肥场地还应具备相应的排水系统,以便收集渗滤液,避免造成二次污染[12]。

条垛式堆肥系统尽管是一个低水平系统,但有很多优点:所需设备简单,投资成本较低;翻堆会加快水分的散失,堆肥容易干燥;干燥的堆肥易于把填充剂筛分,干的填充剂可以较快地进行回用;由于堆肥时间相对较长,条垛式堆肥产品腐熟度高、稳定性好[13]。

但条垛式堆肥也存在一些缺点,如条垛系统占地面积大,而且腐熟周期长;需要大量的翻堆机械和人力;相对于其他的堆肥系统,条垛式堆肥需要更多的监测以确保足够的通气量和温度;翻堆会造成臭味的散失,这会对公众生活造成影响;条垛式堆肥系统受天气的影响严重,例如,雨季会破坏堆体结构,冬季会造成堆体热量大量损失,使温度降低。

为了保持良好的通风,条垛式系统需要相对较大比例的填充剂[14]。

3.2强制通风静态垛式堆肥强制通风静态垛式堆肥系统是在条垛式堆肥系统的基础上开发出来的,是采用物料静止不动,通过地面通风管道强制通风的方式供氧发酵。

通风方式可采取正压通风、负压通风或者两者相结合的方式。

对此堆肥方式,通风系统决定其能否正常运行,同时通风系统也是温度控制的主要手段。

在堆肥过程中,通风提供给微生物分解有机物时所需要的氧气,同时带走水分、二氧化碳、氨气等气体。

目前,该系统已经成为美国应用最广泛的污泥堆肥系统。

3.3各式反应器堆肥魏源送等[10]总结了国内外各式反应器堆肥系统(图1)。

反应器堆肥发酵工艺目前是国内外学者研究的热点,较前2种堆肥方式有其独有的特点,如发酵周期短,能有效地控制臭气、灰尘和其他污染环境的因素,占地面积小,自动化程度高。

但是一次性投资大,操作复杂,维修费用高,对污泥性质的变化适应性不强[15]。

4堆肥工艺参数在堆肥过程中如果能采取比较合理的方法和有效控制堆肥过程中各种参数,将有效的提高堆肥效率和堆肥品质。

堆肥过程中适宜的各种重要参数见表1。

其中,含水率、温度、C/N、含氧量以及pH值是最为关键的堆肥参数。

4.1含水率含水率是堆肥过程中一项重要指标。

一般认为堆肥起始含水率应控制在45%～60%之间。

含水率过低影响微生物生长,不利于微生物分解有机质释放热量;含水率过高则会堵塞堆肥物料中孔隙,影响通风,从而降低堆体含氧量,导致厌氧发酵。

含水率具体控制在多少适宜,这决定于堆肥原料的组成、性质和有机质含量。

4.2温度堆体温度是影响堆肥进程和产品最终品质的重要因素,同时也是判断堆肥是否达到无害化要求的最重要指标之一[16]。

根据《粪便无害化卫生标准(GB7959-87)》的要求,堆肥过程中最高堆温达50～55 ℃以上持续5～7 d,或者在55 ℃以上维持3 d,这样才能有效杀死堆体中的病原菌和有害微生物。