（环境工程专业论文）城市污水厂污泥好氧堆肥技术优化研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 随着城市化水平的加快和城市污水处理率的不断提高，污水处理过程产生的 污泥量急剧增加。然而，由于缺乏合理有效的管理方法和处理处置技术，大量城 市污泥只能临时堆放，由此引起的二次污染给环境带来了巨大的危害。寻求合理 的处理处置途径已成为世界各国亟待解决的热点问题。土地利用是目前公认的最 有效的污泥资源化利用方式。土地利用前，需要对污泥进行适当的处理，而堆肥 是一种非常合适的处理方法，比较适合我国国情，具有广阔的发展空间。 本论文针对传统污泥好氧堆肥工艺存在的主要问题，通过对物料混合环节、 通风供氧环节的重点分析，提出了优化工艺，并以即墨市污水处理厂的脱水污泥 为原料，进行了半生产性规模的现场试验，研究结果可以为污泥好氧堆肥的技术 优化和工业化规模应用提供理论依据。取得的主要结论有： ( 1 ) 通过现场试验验证，本论文提出的氧含量一温度联合控制强制通风静态 条垛式污泥堆肥工艺在半生产性规模下是可行的。 ( 2 ) 机械驱动流态化混合技术改善了污泥与调理剂的混合效果，堆料中污泥 的比例可高达9 0 ，提高了处理污泥的效率。 ( 3 ) 试验结果显示，堆肥温度可超过5 5 并保持1 0 天以上，无害化效果良 好；试验过程污泥减重可达3 5 以上，减量化效果较好；各项营养指标优于相关国 家标准，重金属指标低于相关标准限值，产品可应用于园林、绿化、土地改良等 用途。 ( 4 ) 与传统堆肥方式比较，本工艺堆肥能耗可降低5 0 左右，节能效果显著。 关键词：污泥，堆肥，氧含量一温度在线检测，强制通风，低能耗 青岛理工大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o na n dt h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fu r b a n s e w a g et r e a t m e n t ，t h es l u d g ev o l u m ei si n c r e a s i n gd r a m a t i c a l l y h o w e v e r , al a r g e n u m b e ro fm u n i c i p a ls e w a g es l u d g ec a i lo n l yb ep i l e du pt e m p o r a r y , t h es e c o n d a r y p o l l u t i o ni sc a u s e db yt h el a c ko fe f f e c t i v em a n a g e m e n ta n dt r e a t m e n tt e c h n o l o g y i t n e e d sau r g e n ts o l u t i o nt of i n dar e a s o n a b l ew a yt ot r e a ta n dd i s p o s ei t t h eu t i l i z a t i o n o fl a n di s r e c o g n i z e da u st h em o s te f f e c t i v ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h ec o m p o s t t e c h n o l o g yi sav e r ya p p r o p r i a t ew a yt od e a lw i t hs l u d g e ，b e f o r et h es l u d g ei su s e di n u t i l i z a t i o no fl a n d ，i ti sm o r es u i t a b l ef o rc h i n a sn a t i o n a lc o n d i t i o n sa n dh a sb r o a d s p a c ef o rd e v e l o p m e n t a l o n gt h ef o c u s e ds t u d yo nt h em i x i n go fm a t e r i a l s ，v e n t i l a t i o na n do x y g e ns u p p l y , w ep u tf o r w a r dao p t i m i z a t i o np r o c e s sw h i c hi sd e r e c r e da g a i n s tt h em a i np r o b l e m si n t h et r a d i t i o n a la e r o b i cc o m p o s t i n gp r o c e s s u s i n gt h ed e w a t e r i n gs l u d g eo fj i m oc i t y w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ta sr a wm a t e r i a l ，as e m i - p r o d u c t i v es c a l ef i e l dt e s th a sb e e n c a r r e i e dt h r o u g h ，i tr e s u l t e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h eo p t i m i z a t i o no fs e w a g es l u d g e c o m p o s t i n gt e c h n o l o g ya n di n d u s t r i a ls c a l ea p p l i c a t i o n s t h em a i nc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) t h r o u g ht h ev e r i f i c a t i o nt e s t ，t h ej o i n tc o n t r o lo ft h eo x y g e nc o n t e n ta n dt h e t e m p e r a t u r ei ns l u d g ec o m p o s t i n gp r o c e s so fm a n d a t o r yv e n t i l a t i o na n ds t a t i o n a r yp i l e i sf e a s i b l ei nt h es e m i p r o d u c t i v es c a l ef i e l dt e s t ( 2 ) t h ep r o p o r t i o no fs l u d g ei nt h ec o m p o s tr e a c h e dt o9 0 a n dt h ee f f i c i e n c yo f s l u d g et r e a t m e n ti si m p r o v e d ，w h i c hi s t h a n k st om e c h a n i c a ld r i v i n ga n df l u i d i z a t i o n t e c h n o l o g y ( 3 ) t e s tr e s u l t s s h o w e st h a tc o m p o s t i n gt e m p e r a t u r ec a ne x c e e d5 5 a n d m a i n t a i n e sf o rm o r et h a n10d a y sw h i c hs h o w e st h a tt h eh a r m l e s se f f e c ti sg o o d ；t h e l o s tw e i g h to fs l u d g ei so v e r m a t c h3 5 i nt h et e s t i n gp r o c e s sw h i c hs h o w e st h a tt h e e f f e c to fr e d u c t i o ni sg o o d ；t h en u t r i t i o n a li n d i c a t o ri se x c e l l e dt h a nt h er e l e v a n t n a t i o n a ls t a n d a r d s ，h e a v y m e t a li n d i c a t o r si s zb e l o wt h el i m i to ft h er e l e v a n ts t a n d a r d s ， t h ep r o d u c tc a nb ea p p l i e dt og a r d e n s ，l a n d s c a p i n g ，l a n dr e c l a m a t i o n 1 1 ( 4 ) t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nc a nb er e d u c e da b o u t5 0 i nt h ec o m p o s t i n gp r o c e s s c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a le o m p o s t i n gm e t h o d sw h i c hs h o w e st h a tt h ee n e r g y - s a v i n g e f f e c ti sr e m a r k a b l e k e yw o r d ：s l u d g e ；c o m p o s t ； o n l i n ec o n t r o lo ft e m p e r a t u r ea n do x y g e nc o n t e n t ； f o r c e dv e n t i l a t i o n ；l o we n e r g yc o n s u m p t i o n 青岛理工大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 污泥是城市生活污水和工业废水处理过程中产生的固体废物，其数量约占处 理水量的o 3 0 5 左右( 以含水率9 7 计算) 。污泥的成分非常复杂，除了含 有大量的水分和n 、p 、k 、c a 及有机质外，还含有重金属离子、病原微生物、寄 生虫、有机污染物等有害物质。因此，污泥需要进行处理与处置，以便达到如下 目的：( 1 ) 使污水处理厂能够正常运行，确保污水处理的效果；( 2 ) 使有毒有害物 质得到妥善处理或处置；( 3 ) 使容易腐化发臭的有机物得到稳定化处理；( 4 ) 使 有用物质能够得到综合利用，变害为利。总之，污泥处理的目的是减量化、稳定 化、无害化及综合利用【。 1 1 污泥对环境的危害 一般污水处理厂产生的机械脱水后的污泥为含水率在7 5 - - 8 5 不等的固体或 流体状物质。其中的固体成分主要由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体及絮 凝药剂等组成，是一种以有机成分为主，组分复杂的混合物，其中包含有潜在利 用价值的有机质、氮( n ) 、磷( p ) 、钾( k ) 和各种微量元素。 污泥有机物含量较高、易腐烂，有强烈的臭味，并且含有寄生虫卵、病原微 生物和铜、锌、铬、汞、铅等重金属以及盐类、多氯联苯、二嗯英、放射性核素 等难降解的有毒有害物质，如不加以妥善处理，任意排放，将会对环境造成二次 污染。 ( 1 ) 有机物污染 污泥中有机污染物主要有苯、氯酚、多氯联苯( p c b s ) 、多氯二苯并二嗯英 ( p c d d f ) 和多氯二苯并呋喃等。污泥中含有的有机污染物不易降解、毒性残留长， 这些有毒有害物质进入水体与土壤中，将造成环境污染。 ( 2 ) 病原微生物污染 污水中的病原微生物和寄生虫卵在污水厂经过处理后会进入污泥，污泥中病 原体对人类或动物的污染途径包括：直接与污泥接触；通过食物链与污泥 直接接触；水源被病原体污染；病原体首先污染土壤，然后污染水体。 ( 3 ) 重金属污染 青岛理工大学工程硕士学位论文 在污水处理过程中，7 0 - - - - 9 0 的重金属元素会通过吸附或沉淀而转移到污泥 中。 一些重金属元素主要来源于工业排放的废水如镉、铬；另外，还有的重金属 来源于家庭生活的管道系统如铜、锌等。 ( 4 ) 其它危害 污泥对环境的二次污染还包括污泥盐份的污染和氮、磷等养分的污染。污泥 盐分含盐量较高，会明显提高土壤电导率，破坏植物养分平衡，抑制植物对养分 的吸收，甚至对植物根系造成直接的伤害；在降雨量较大地区且土质疏松土地上 大量施用富含氮、磷等的污泥之后，当有机物的分解速度大于植物对氮、磷的吸 收速度时，氮、磷等养分就有可能随水流失而进入地表水体造成水体的富营养化， 进入地下引起地下水的污染。 1 2 污泥处理处置的基本方法 当今国内外污泥处理处置所依循的原则均是“减量化、稳定化、无害化和资 源化。处理要求是最终处置时对环境无害。污泥按照最终处置的要求，可经过浓 缩、稳定、调理、脱水、灭菌、干化、堆肥、焚烧等一个或者多个处理手段组合 的处理，可根据污泥的性质、类型和处置方式的不同，污泥的处理工艺可能有多 种不同的选择。各种污泥处理处置工艺的说明如表1 2 1 所示【2 1 。 表1 2 1 各种污泥处理处置工艺说明 2 青岛理工大学工程硕士学位论文 化学调理 改善污泥脱水性质 加热调理 改善污泥脱水性质及稳定 和消毒 冷冻调理改善污泥脱水性质 辐射法调理改善污泥脱水性质 在脱水之前向污泥中投加化学药剂，改善污 泥的颗粒结构，使其更易脱水 将污泥在一定压力下加热，使固体凝结，破 坏污泥中胶体结构，降低污泥固体和水的亲 和力，使污泥易于脱水 在污泥冷冻过程中，所有固体从冰晶网格中 分离出来。污泥融化后，脱水性质得到较好 改善。 采用放射性物质的辐射，来改善污泥的脱水 性质 自然干化 机械脱水 贮存池 缩小体积 缩小体积 贮存，缩小体积 如污泥干化场 如板框压滤机、带式压滤机、离心脱水机等 在蒸发率高的地区可替代污泥干化场 污泥干化 污泥堆肥 3 污泥焚烧 污泥最终处置 1 2 1 日本污泥处理处置的基本方法 日本地少人多，国土面积仅3 7 7 8 0 0 k i l l 2 ，而人口达1 2 亿。土地能源资源相当 贫乏。因此，日本对综合利用、循环经济非常重视。同世界各国一样，日本的污 水污泥量逐年增加。2 0 0 0 年污水污泥量达到1 9 8 万吨( 干重) 。如何控制污泥的 产生和有效利用污泥，一直是r 本研究的一大课题。 表1 2 2 为日本2 0 0 0 年度污水污泥处理的基本状况。从表中可以看出，以填 埋作为最终处理方式处置的污水污泥约为3 7 ，有效利用率达6 0 左右。近年来， 日本以填埋作为最终处置方式在不断减少，而有效利用的比率在逐步提副2 1 。 4 青岛理工大学工程硕士学位论文 从细分情况来看，以前污水污泥的利用也是以农业为主，用于建筑材料的利 用量小于农业的利用量。近年来，随着污泥焚烧灰生产水泥和污泥焚烧熔渣的充 分利用，污泥用于建筑材料的比例在提高。从1 9 9 5 年起，用于建筑材料的利用量 首次超过了农用的利用量。到2 0 0 0 年以后，这种趋势更加明显。 1 2 2 欧洲污泥处理处置的基本方法 欧盟国家通常实施对废弃物( 包括污泥) 消纳的层次化管理原则，即循环利 用优先于焚烧，焚烧又应优先于填埋等。其主要国家的污泥处理处置发展历程为 我们提供了有价值的参考依据。 表1 2 3 为欧洲主要国家的污泥处理处置发展历程，从表中可以看出，污泥的 循环利用在持续增长，所占比重超过5 0 ，污泥焚烧也不断增长，污泥填埋比重 不断下降。 表卜2 3 欧洲污泥处理处置工艺发展历程 5 青岛理工大学工程硕士学位论文 1 2 3 国内污泥处理处置的基本方法 ( 1 ) 国内污泥处理处置的基本方法 我国污泥处理与处置尚处于起步阶段，在全国现有污水处理设施中有污泥稳 定处理设施的还不到1 2 ，处理工艺和配套设备较为完善的不到1 1 0 ，能够正常运 行的为数更少，随着我国城市化进程的加快和污水处理率的提高，污泥的处理处 置已成为我国环境保护中面临的日益紧迫和严峻的问题。 从我国已建成的污水处理厂来看，污泥处理工艺大致可归纳为表1 2 4 所示的 1 8 种工艺流程【3 j 。 污泥浓缩、污泥稳定、污泥脱水是我国应用最为广泛的处理处置技术。我国 污水处理厂所采用的污泥浓缩方式主要为重力浓缩( 7 1 5 0 ) 、机械浓缩( 2 1 4 0 ) 和气浮浓缩( 7 1 0 ) ，限于我国的经济状况，且污泥中有机物含量低，所以重力 浓缩仍将是今后主要的污泥减容手段。我国现有的污泥脱水措施主要是机械脱水， 而自然干化场由于受到地区条件的限制很少被采用。 我国目前常用的污泥稳定方法是厌氧消化，好氧消化和污泥堆肥也有部分被 采用，并且污泥堆肥正处于不断研究阶段，而热解和化学稳定方法由于技术原因 和经济、能耗的原因而很少被采用。图1 2 1 为上述几种污泥稳定法在我国所占的 比例。 6 青岛理工大学工程硕士学位论文 浓缩池一最终处置 2 1 6 3 双层沉淀池污泥一最终处置 1 3 5 双层沉淀池污泥一千化场一最终处置 2 7 0 浓缩池一消化池一湿污泥池一最终处置 6 7 6 浓缩池一消化池一机械脱水一最终处置 9 4 6 浓缩池一湿污泥池一最终处置 1 4 8 7 浓缩池一两相消化池一湿污泥池一最终处置 1 3 5 浓缩池一两级消化池一最终处置 2 7 0 浓缩池一两级消化池一机械脱水一最终处置 9 4 6 初沉池污泥一消化池干化场一最终处置 1 3 5 初沉池污泥一两级消化池一机械脱水一最终处置 1 3 5 接触氧化池污泥干化场一最终处置 1 3 5 浓缩池一消化池干化场一最终处置 1 3 5 浓缩池干化场一最终处置 4 0 5 初沉池污泥一浓缩池一两级消化池一机械脱水一最终处置 1 3 5 浓缩池一机械脱水一最终处置 1 4 8 7 初沉池污泥一好氧消化一浓缩池一机械脱水一最终处置 2 7 0 浓缩池一厌氧消化一浓缩池一机械脱水一最终处置 1 3 5 未进行污泥稳定， 5 5 7 0 好氧消化， 2 8 1 一污泥堆肥， 7 3 4 5 厌氧消化， 3 8 0 4 图1 2 1 几种污泥稳定法在我国所占的比例 7 l 2 3 4 5 6 7 8 9 加 n ： b h 坞 m 体 青岛理工大学工程硕士学位论文 由图卜2 1 可见，我国城镇污水污泥中有5 5 7 没有经过任何稳定处理，未经 稳定处理的污泥将对环境造成严重的污染。厌氧消化后的污泥具有易脱水、性质 稳定等特点，就我国现有的经济能力和技术条件，今后污泥稳定仍将以厌氧消化 为主。而污泥好氧堆肥是利用微生物作用进行好氧发酵，将污泥转化为类腐殖质 的过程，堆肥后污泥稳定化、无害化程度高，是经济简便、高效低耗的污泥稳定 化、无害化技术，在我国拥有广阔的应用前景。 我国污泥最终处置主要方法为农业利用、园林绿化利用、填埋、建筑材料利 用等，其中以农业利用和填埋为主。土地利用将是主要发展趋势。 ( 2 ) 污泥的土地利用技术 污泥的土地利用是指经处理后的污泥或污泥产品应用于农业、园林、绿地、 土壤修复及改良等。在大多数发展中国家，土地利用和填埋仍是污泥处置的主要 途径，我国多数污水处理厂污泥主要的处置方法还是土地填埋，且多数是和生活 垃圾混和填埋。 随着经济的发展，人口的膨胀，可供填埋的场地资源日益减少，土地利用将 是一个主要的发展方向。我国是一个发展中的国家，又是一个农林业大国，污水 厂污泥的土地利用应是一个重要的途径。 污泥的土地利用投资少、运行费用低，污泥中所含的有机质部分可转化为土 壤的有效成分，对于改善土壤结构，回收利用有机质，促进植物生长有着良好的 作用。 污泥中的养分( 如氮和磷) 、微量金属( 如铜、锌、钼、硼、钙、镁、锰) 和有机质对于花园、林地、草皮生长、景观美化或其它植被是有益的。污泥作为 有机肥施用于土地，能够增加土壤肥力、促进作物的生长，可以解决当今滥施无 机化肥造成的土壤肥力下降及用地和养地的矛盾。 污泥中含有腐殖化的有机质，可以改善土壤的物理、化学环境条件和结构状 况，使土壤的保水、保肥和通透性得以提高。污泥的土地利用对迅速恢复植被、 促进土壤熟化和提高作物产量有巨大作用，我国作为一个发展中的农、林业大国， 面临着土地资源严重不足，同时环境问题、土地资源问题突出的困境，对于促进 农、林作物生长以及进行土壤修复的需求迫切，因此，污泥的土地利用，是一种 利用废弃物资源且符合我国国情，具有发展潜力的处置方式。 有资料显示，目前我国的污泥农用比例约4 4 8 ，是主要的处理方式之一。 8 青岛理工大学工程硕士学位论文 但值得质疑的是，污泥大多没有经过有效的处理，造成了环境的二次污染，势必 造成对人体的危害。 虽然污泥中的有毒有害物会导致土壤或水体污染，从而存在着一定风险，但 是国内外的大量资料显示，经无害化处理后的污泥施用于土壤后，只要严格按相 关标准施用污泥，控制好污泥的施用量以及施用年限等，一般不会造成重金属和 有毒有害污染物在土壤和植物根系的积累。而病原菌般可以通过有效的处理工 艺得到杀灭和控制，即使是部分残留病原菌，在土壤中经过数周也几乎被消灭。 污泥土地利用的主要途径有农用、园林、绿地、林业、土壤修复及改良等。 在污泥堆肥产品作为农用时，往往存在部分指标不达标、组织管理不完善、销售 成本过高等问题，因而难以很好的推广和使用。 因此，污泥的土地利用应该是分质、阶梯式的： a 、食品种植( 占污泥堆肥得很小部分) ； b 、脱离食物链的经济作物( 如棉花) 种植，木材种植( 有良好的发展空间) c 、园林( 主要消纳途径) d 、土地修复，废旧矿山填地( 主要消纳途径) 污泥的土地利用在我国具有很大的发展空间，而土地利用前，需要对污泥进 行适当的处理，而堆肥是一种非常合适的处理方法。 1 3 堆肥的基本原理和工艺介绍 污泥的处理技术有多种工艺，一般需要在污泥浓缩、调理和脱水等实现污泥 减量化的常规处理工艺基础上，根据污泥处置要求和相应的泥质标准，选择适宜 的污泥处理技术路线。主要的污泥处理技术包括厌氧消化、好氧堆肥、干化( 包 括使用添加剂及热干化) 、焚烧等。 大量研究表明【4 圳，城市污泥堆肥的土地利用是最有发展前途的1 种处置方法， 英国、美国、法国、荷兰等国家污泥土地利用率为6 0 t 1 0 】，然而，我国城市污水 处理厂污泥土地利用率不超过1 0 。例如青岛市污水处理厂产生的污泥目前全部 进行填埋，未进行任何利用。因此，好氧堆肥因其无害化、资源化程度较高，投 资和运行成本相对较低，比较适合中国国情，而成为污泥处理技术研究的热点之 一 9 青岛理工大学工程硕士学位论文 1 3 1 堆肥的概念和基本原理 1 3 1 1 堆肥的概念 堆肥化( c o m p o s t i n g ) 就是在控制条件下，利用自然界广泛分布的细菌、放线 菌、真菌等微生物，促进来源于生物的有机废物发生生物稳定作用 ( b i o s t a b l i z a t i o n ) ，使可被生物降解的有机物转化为稳定的腐殖质的生物化学过 程。根据堆肥化过程中氧气的供应情况，可以把堆肥化过程分成好氧堆肥和厌氧 堆肥两种。好氧堆肥是在通气条件好、氧气充足的条件下，借助好氧微生物的生 命活动降解有机物，通常好氧堆肥堆温高，一般在5 5 - - 6 0 时比较好，所以好氧堆 肥也称为高温堆肥；厌氧堆肥则是在通气条件差、氧气不足的情况下借助厌氧微 生物发酵堆肥 11 1 。 1 3 1 2 好氧堆肥的基本原理 好氧堆肥是在有氧条件下，好氧微生物对有机基质的微生物发酵过程。微生 物将有机物转化成为二氧化碳、生物量( b i o m a s s ) 、热量和腐殖质。堆肥中使用 的有机物原理、填充剂和调节剂绝大部分来自植物，它们的主要成分是碳水化合 物( 即纤维素) 、蛋白质、脂类和木质素。微生物通过新陈代谢活动分解有机底 物来维持自身的生命活动，同时达到分解复杂的有机物为可被生物利用的小分子 物质的目的。好氧堆肥过程中，有机废物中的可溶性小分子物质透过微生物的细 胞壁和细胞膜而为微生物吸收利用。不溶性大分子有机物则先附着在微生物的体 外，由微生物所分泌的胞外酶分解为可溶性小分子物质，在输送入细胞内为微生 物利用。通过微生物的生命活动合成及分解过程，把一部分被吸收的有机物 氧化成简单的无机物，并提供生命活动所需要的能量，把另一部分有机物转化合 成新的细胞物质，使微生物增殖。图1 3 1 可以说明这个过程】。 在有机物生化降解的同时，伴有热量产生，因发酵工艺中该热能不会全部散 发到环境中，就必然造成发酵物料的温度升高，这样就会使一些不耐高温的病原 菌及虫卵死亡，而达到无害化的目的。 1 0 青岛理工大学工程硕士学位论文 排入环境 图1 3 1 有机物的好氧堆肥分解示意 释放、转换热或 提供生物合成用 好氧堆肥过程可大致分成三个阶段。 ( 1 ) 中温阶段 这是指堆肥化过程的初期，堆层基本呈1 5 , - 4 5 c 的中温，嗜温性微生物较为活 跃并利用堆肥中可溶性有机物进行旺盛的生命活动。这些嗜温性微生物包括真菌、 细菌和放线菌，主要以糖类和淀粉类为基质。真菌菌丝体能够延伸到堆肥原料的 所有部分，并会出现中温真菌的子实体。同时螨、干足虫等将摄取有机废物。 ( 2 ) 高温阶段 当堆温升至4 5 以上时即进入高温阶段，在这一阶段，除少部分残留下来的 和新形成的水溶性有机物继续分解转化外，复杂的有机物，如半纤维素、纤维素 等开始被强烈分解，同时开始了腐殖质的形成过程，出现了能溶解于弱碱的黑色 物质。这一阶段中嗜温微生物受到抑制甚至死亡，取而代之的是嗜热微生物，常 见的有好热真菌、好热放线菌等。现代化堆肥生产的最佳温度一般为5 5 c ，这是 因为大多数微生物在4 5 8 0 范围内最活跃，最易分解有机物，其中的病原菌和寄 生虫大多数可被杀死。 ( 3 ) 降温阶段( 腐熟阶段) 在内源呼吸后期，剩下部分较难分解的有机物和新形成的腐殖质。此时微生 物的活性下降，发热量减少，温度下降，嗜温性微生物又占优势，对残余较难分 解的有机物进行进一步分解，腐殖质不断增多且稳定化，堆肥进入腐熟阶段，需 氧量大大减少，含水率也降低。 青岛理工大学工程硕士学位论文 1 3 2 堆肥的基本工艺和主要影响因素 1 3 2 1 堆肥的基本工艺 目前现代化的堆肥生产一般采用好氧堆肥工艺。尽管堆肥系统多种多样，但 其基本工序通常都由前处理、主发酵( 次发酵) 、后发酵( 二次发酵) 、后处 理及贮藏等工序组成。 ( 1 ) 前处理 在以污泥等为堆肥原料时，前处理的主要任务是调整水分和c n 比，或者添 加菌种和酶制剂。堆肥物料还必须保持一定程度的空隙率，以便于通风而使物料 能够获得充足的氧气供应。 降低水分、增加透气性、调整c n 比的主要方法是添加调理剂和膨胀剂。 ( 2 ) 主发酵( 一次发酵) 主发酵可在露天或发酵装置内进行，通过翻堆或强制通风向堆积层或发酵装 置内堆肥物料供给氧气。物料在微生物的作用下开始发酵。首先是易分解物质分 解，产生二氧化碳和水，同时产生热量，使堆温上升。 发酵初期物质的分解作用是靠嗜温菌( 3 0 4 0 。c 为最适宜生长温度) 进行的， 随着堆温上升，最适宜温度( 4 5 - - , 6 5 c ) 的嗜热菌取代了嗜温菌。堆肥从中温阶段 进入高温阶段。此时应采取温度控制措施，以免温度过高，同时应确保供氧充足。 经过一段时间后，大部分有机物已经降解，各种病原菌被杀灭，堆层温度开始下 降。通常，将温度升高到开始降低为止的阶段称为主发酵阶段。 ( 3 ) 后发酵( 二次发酵) 经过主发酵的半成品堆肥被送到后发酵工序，将主发酵工序尚未分解的有机 物进一步分解，使之变成腐植酸、氨基酸等比较稳定的有机物，得到完全成熟的 堆肥制品。 在这一阶段的分解过程中，反应速度降低，耗氧量下降，所需时间较长。 ( 4 ) 后处理 后处理主要是进行筛分，在污泥堆肥过程中可筛分出部分调理剂进行回流使 用。 也可以根据市场和用户需求，在堆肥产品中添加氮磷钾等成分后做成复混肥。 1 2 青岛理工大学工程硕士学位论文 1 3 2 2 影响好氧堆肥的主要因素 ( 1 ) 初始含水率 水分是污泥好氧发酵不可缺少的物质，但水分过多会引起堆层中空隙减少， 氧气交换降低，使发酵速度降低；反之则会降低微生物的活性，同样使分解速度 减慢。一般认为，污泥堆肥时要求物料初始含水率应控制在5 0 - 6 5 。污水处理 厂脱水污泥的含水率为7 5 - - - - 8 0 ，须通过添加辅料来降低初始物料的含水率。 ( 2 ) 温度 温度不但直接影响微生物分解有机物的速度，而且还是杀灭污泥中病原茵的 重要因素。根据卫生学要求，堆肥温度要达到5 5 。c 以上，才能杀灭病原菌和寄 生虫卵。但是温度过高( 7 0 。c ) 则会抑制微生物分解有机物的速率，并会降低 堆肥产品的质量。一般认为堆肥的最佳温度范围为5 5 , - - , 6 5 。c 时，堆肥综合效果 最好【1 2 1 。 ( 3 ) 通风供氧 在堆肥过程中，氧的供应是限制发酵速率的主要因素，也是堆肥工艺系统设 计的关键问题。在堆肥初期3 7 d ，通风供氧的主要目的是满足微生物生化反应顺 利进行，以达到提升并维持堆体温度的目的。如果此时氧气供应不充分，则会造 成局部厌氧发酵，这是堆肥过程中产生臭味的主要原因，同时会延长堆肥过程； 相反，如果供氧量过多则会使堆肥发酵的温度偏低，使有机物转化为类腐殖质的 过程不够充分。在堆肥温度升至5 0 - - 6 5 。c 后，继续输送氧气是为了排气及尽快 降低堆肥温度。一般认为堆体中的通风供氧量保持在5 - - 1 5 l 匕较适宜。氧含量 1 5 则会使堆体冷却，导致病原菌大量存活【13 1 。 ( 4 ) p h 微生物活动需要一个微酸性或中性的条件，而污泥一般情况下呈中性，因此 污泥堆肥化过程p h 一般不必特别调节，即使发酵过程中由于产生有机酸，会使 p h 有所降低，但是随着堆肥的进行，有机酸会被进一步分解，此时p h 会重新上 升。 ( 5 ) c n 比 一般c n 控制在2 0 - - , 3 0 比较适宜。若c n 比过高，微生物增殖时由于氮不足， 生长受到限制，有机物降解速率变慢，堆肥时间变长；若c n 比过低，则堆肥过 程易产生氨，不仅影响环境而且造成肥分氮的损失。 13 青岛理工大学工程硕士学位论文 ( 6 ) 堆体高度 堆体高度主要是针对静态堆肥而言的，堆体的高度影响到堆体的好氧和保温， 如果堆体没有添加物，堆体的高度一般不超过3 m ；堆体有添加物时，堆体高度一 般不超过5 5 m 。 ( 7 ) 辅料 辅料是为了使堆肥过程能够以更快的速度进行，提高堆肥产品质量，而在污 泥中加入的辅助物料。辅料种类很多，根据其作用可分为接种剂、膨胀剂、调节 剂、重金属钝化剂等，有些辅料可以兼有上述几种作用。辅料的性质和作用与堆 肥其他影响因素密切相关f 1 4 】。 1 3 3 堆肥的发展历史 堆肥技术处理有机废弃物具有悠久的历史。早在几个世纪前，世界各地农村 将落叶、杂草和人畜粪尿等混合堆积在一起，使其发酵并制取肥料，这就是原始 的堆肥方式【2 】。 对堆肥技术进行科学地探讨始于2 0 世纪初。1 9 2 0 年在印度，在堆肥系统化、 工厂化方面取得巨大进展。埃霍华德( a h o w a r d ) 树叶、垃圾、动物及人的粪 尿等堆积成1 5 m 高的土堆，隔数月翻堆1 2 次，共进行6 个月的厌氧发酵，这就 是印多尔法( i n d o r ep r o c e s s ) 【1 1 1 。 几乎同时，贝卡利( b e c c a r i ) 法于1 9 2 2 年在意大利取得专利。这是一种封闭 系统，这种方法先使固体有机物厌氧发酵，然后送空气促其好氧发酵。 到了2 0 世纪3 0 年代，开始利用好氧分解并采用机械连续生产。1 9 3 2 年，在 荷兰v a m 公司建立了采用改良印多尔法的范曼奈尔法工艺堆肥厂。 1 9 3 3 年，在丹麦出现了达诺( d a n o ) 法。这是一种运用回转窑发酵筒进行好 氧发酵的方法，特点是发酵周期短，一般只用3 4 d 。达诺法在西欧和日本都得到 了广泛应用，目前世晃上大约有1 5 0 家这样的工厂。在意大利、英国、美国、加 拿大都有这样的工厂。 1 9 3 9 年，厄普托马斯法在美国取得了专利。这种方法用多段竖炉发酵仓， 发酵仓内物料从上至下逐层移动，加强了发酵过程中的通风和搅拌强度，使得发 酵温度高，同时接种特种细菌使堆肥时j 日j 缩短1 3 个月。该法的出现促进了高温 堆肥的迅速发展。 1 4 青岛理工大学工程硕士学位论文 日本在2 0 世纪5 0 年代开始进行城市垃圾的堆肥化处理研究。至6 0 年代，日 本已建成3 0 多家堆肥厂，其中有2 0 多家采用了达诺堆肥系统。 在2 0 世纪7 0 8 0 年代，在一些发达国家机械化的堆肥工厂相继出现，堆肥化 已成为城市垃圾、生活下水污泥、农林牧废物、人畜粪便资源化的途径之一。但 是，随着发达国家对垃圾等再生产品卫生标准的日益严格，以及人们环保意识的 逐步提高，垃圾堆肥产品中重金属含量又往往超过规定的标准限值，大大限制了 堆肥产品的销售，加之大型机械化堆肥厂运营成本过高，限制了垃圾堆肥技术的 应用和堆肥厂的建设，阻碍了堆肥的健康发展。 2 0 世纪8 0 年代后期，在现代堆肥技术的发展过程中出现了低谷，特别是城市 生活垃圾的堆肥处理在发达国家一度处于停滞甚至萎缩状态。由于城市生活垃圾 成分逐渐多样化，工业化的高速发展，将大量有毒有害的化学物质带入城市生活 垃圾中，严重影响了堆肥产品质量。这一时期，日本的许多堆肥厂陆续停产关闭， 美国的堆肥产品也在很长时期由于销路不好而发展缓慢，许多大型的机械化程度 很高的城市生活垃圾堆肥厂相继倒闭。但是发达国家还是不断改进堆肥技术，稳 步发展着垃圾堆肥技术。 进入2 0 世纪9 0 年代后，欧美发达国家垃圾填埋场的标准和焚烧处理的排放 标准都逐步提高，焚烧和填埋处理成本随之增加；垃圾分类收集的普遍推广为垃 圾的堆肥处理提供了良好的基础条件，垃圾再生利用( r e u s ea n dr e c y c l i n g ) 得到 广泛的重视。由于以上几方面的因素，堆肥处理又呈上升的发展趋势。 1 3 4 污泥堆肥处理工艺现状 目前，堆肥处理工艺有多种分类方式。如根据物料的状态，可分为静态和动态 两种；根据堆肥过程的机械化程度，可分为露天发酵法和快速发酵法两种；根据 堆肥技术的复杂程度，堆肥系统又可分为条垛式、强制通风静态垛式和反应器系 统。 1 3 4 1 国外现状 北美、欧洲一般的污泥堆肥通常是与园林垃圾、有机垃圾或木材加工废物一起 来堆肥，而且污泥所占总量远小于总量的5 0 。下面简述常规的堆肥工艺的不同 形式。 15 青岛理工大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 堆积法 堆积法的物料堆积形状及尺寸见图1 3 2 。可露天或在场棚下堆放。供氧主要 依靠定期翻动。 g = 1 5 4m g2 4 1 0m g2 1 0 5 0m h = l 一2m h = 2 4m h = 2 3m 1 = 2 0 - 5 0m i = 3 0 - 5 0ml = 3 0 - 1 0 0m 图1 3 2 堆积法形状及尺寸示意 图1 3 3 是三角形堆积法的一种翻动机械示意图。这种设备的缺点之一是机动 车辆要占用很大的场地，从而增加整个占地面积，所以也有不用机动车辆而用翻 动机械自动化的设备，翻动设备的移动速度较低，一般低于5 0 0 m h 。 图1 3 3 三角形堆积法机械翻动示意 1 6 青岛理工大学工程硕士学位论文 图1 3 4 是梯形堆积的一种翻动设备示意图，在场棚内也常用自动移动装置。 图1 3 - 4 梯形堆积法翻动设备示意 ( 2 ) 密闭式堆肥系统 物料装入反应箱后，主要通过控制通风量供氧，因此一般不再机械翻动，所以 垃圾进入反应箱后须较均匀。这种处理方法可省去场棚，易于反应控制优化以提 高反应速度，可减少整个系统的空气、废气量。图1 3 5 是其工作原理示意图。 风机 底部气穴 垃圾 图1 - 3 5 密闭式堆肥系统示意 1 7 滤 青岛理工大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 转筒 进料可间歇或连续，停留时间从几小时至几天不等，一般利用该系统较高的 均匀性先使易降解、气味重的物质在较短时间内降解，然后出料再采用堆积法处 理。 该方法具有与反应箱类似的特点，而且由于不断地旋转、搅拌，在很大程度 上避免了厌氧区的存在。显然，相比之下，机械的复杂程度要高。 1 3 4 2 国内污泥堆肥工艺现状及存在的问题 1 3 4 2 1 国内污泥堆肥工艺现状 国内目前具有使用经验的堆肥工艺主要有：条垛式发酵、发酵槽( 池) 式发 酵等。 ( 1 ) 条垛式堆肥 一般为露天发酵或棚内发酵，该工艺按其有无机械翻堆设备可分为静态发酵 和动态发酵两类，是一种常见的好氧发酵方法。 堆体表面覆盖约3 0 厘米的腐熟堆料，减少臭味的扩散及保证堆体内较高的温 度。整个发酵周期不少于3 0 天；动态发酵采用轮式或履带式翻堆设备，在发酵周 期内定时不断翻倒堆垛，使堆料与空气接触而保持发酵过程所需的氧气浓度。工 程实例见图1 3 6 。 ( 2 ) 发酵槽( 池) 式发酵 发酵槽式发酵在厂房或隧道仓中进行，可分为阳光棚发酵槽和隧道式发酵仓 两类。 阳光棚发酵槽发酵即在阳光棚中设置发酵槽，利用阳光棚的透光和保温性能， 冬天也能正常发酵。发酵槽的尺寸根据物料量的多少及选用的翻堆设备型号来决 定。常用设备有搅拌式翻堆机、链板式翻堆机、双螺旋式翻堆机和铣盘式翻堆机 等，通过翻堆机搅拌并使物料前移。一般每隔1 2 天翻堆一次。发酵槽底部安装 有通风管道系统，通过强制通风来保证发酵过程所需的氧气。发酵周期一般为 1 2 - - 1 5 天。将发酵槽内的物料运至陈化区二次发酵，剩余有机物进一步分解、腐 熟、干燥、稳定。 青岛理工大学工程硕士学位论文 图1 3 6 条垛式发酵及翻抛设备 图1 - 3 7 阳光棚发酵槽发酵 隧道窑发酵仓包括若干座联排式隧道仓，正面设计有密封门，背面为风机房。 发酵污泥进料系统包括布料机和装载机两种方式，装载机出料。完成进料后关闭 密封门。通过仓内传感器对发酵污泥进行监控，计算机对参数做相应调整处理， 控制风机的启动和关闭，提供充足的氧气使发酵过程保持最佳发酵温度与状态。 通风系统将空气从发酵仓的底部风道打入堆料，再从发酵仓的上部收集和处理发 酵废气，尾气收集处理装置将发酵废气的余热通过交换器加热空气用于发酵或预 处理升温( 也可作为生活供热) 。整个通风系统在一个气流循环封闭的环境内运 行，最后用引风机将废气抽到生物滤池过滤后达标安全排放。 1 9 青岛理工大学工程硕士学位论文 1 3 4 2 1 存在的问题 污泥堆肥在欧洲、北美已经有较长时间的应用，技术也较成熟。但是他们的 污泥堆肥处理工艺一般是以有机垃圾、园林垃圾为主，污泥为辅( 一般只占总量 的2 0 ) 。而我国由于种种原因，需要解决的是以污泥为主要物料的堆肥处理。 由于污泥问题只是最近几年才逐步得到重视，我国污泥堆肥经验还十分缺乏， 现有堆肥工艺尚存在不同的问题，例如： ( 1 ) 污泥与辅料基本上没有成熟的混合工艺，人工消耗量大，工作环境差。 ( 2 ) 污泥翻堆多以翻抛为主，导致气味排放严重、污泥经剧烈翻抛后局部更 为密实等问题，翻抛污泥对于翻抛机的腐蚀严重，导致机械维护量较大。 ( 3 ) 由于污泥局部透气性差等问题，条垛的温度上升速度慢，保持高温的时 问不长，发酵效率较低。 ( 4 ) 污泥堆肥多以发酵池、发酵仓形式，存在土建费用高，进出料操作复杂、 人工多，操作灵活性差等问题 ( 5 ) 翻抛机械的使用、为了保证充分透气而增加的翻堆次数、无法实时监测 条垛氧气浓度而人为进行通风，导致了堆肥整体过程中能耗较高。 1 3 5 污泥好氧堆肥技术研究进展 目前，污泥的处置主要朝四个方面发展：一是稳定化，通过堆肥、消化等手 段，使污泥处置后不再进一步降解，避免二次污染；二是无害化，去除病原体， 固定重金属，保障生态安全；三是减量化，减少污泥最终处置的体积，降低污泥 处理与最终处置的费用；四是资源化，在处理污泥的同时进行资源化综合利用【1 5 】。 综合国内外对污泥处置的研究来看，其处置方法主要有填埋、焚烧、投海和 污泥堆肥土地利用等4 种方式1 1 6 】。填埋需占用大量土地且易形成二次污染；焚烧 处置的投资、操作及前期处理的费用都较高，且易产生二氧化硫和二恶英等大气 污染物，故其应用范围较小；投海危害海洋生态系统，造成无国界污染，因此许 多国家已经明令禁止；污泥土地利用则被认为是一种最有发展潜力的处置方法。 但由于污泥中不可避免的含有重金属、病原菌等有害成分，直接土地利用会对土 壤、农产品质量及地下水产生不良影响；而污泥经过堆肥化处理不仅能有效地消 除臭味、杀死病原菌和寄生虫卵、钝化重金属，而且能使部分有机物转化为腐殖 质，使营养物质易于被植物吸收，促进植物生长，维持自然界的良性循环，从而 2 0 青岛理工大学工程硕士学位论文 使堆肥化成为我国污泥土地利用最为有效的手段1 1 7 】。 对污泥堆肥的技术研究，主要集中在影响堆肥的关键因素上，如温度、通风 供氧、调理剂等。 1 3 4 1 对堆肥过程温度变化的研究 在堆肥过程中，随着物料中微生物活动的加剧，微生物分解有机物所释放的 热量大于堆肥的热耗时，堆肥温度就上升。因此，温度是判断微生物活动剧烈程 度的最好参数。温度的作用主要是影响微生物的生长。 为到达杀灭病原菌的效果，要求堆肥温度在5 0 , 5 5 。c 以上维持5 - - - - 7 天【