（环境工程专业论文）城市污水处理厂污泥农肥化关键技术研究.pdf

jf j ， j ad i s s e r t a t i o ni ne n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho n k e y t e c h n i c so fu r b a n s e w a g e s l u d g ec o m p o s t i n g a sf e r t i l i z e r b y “uq i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r ) ( ux i n y a n g a s s o c i a t e dp r o f e s s o rl ih a i b o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 锣 j a n u a r y2 0 0 8 - n 一 j 7 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ， 嬗 鳘 声 东北大学硕士学位论文摘要 城市污水处理厂污泥农肥化关键技术研究 摘要 作为污水处理过程的副产品，城市污水处理厂污泥是包含水、泥沙、纤维及动植物 ， 东北大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nk e yt e c h n i c so fu r b a ns e w a g e s l u d g ec o m p o s t i n g a sf e r t i l i z e r a b s t r a c t s e w a g es l u d g ei st h eb y p r o m l c to fs e w a g e 协e a t r r l e n t ，w i n la1 0 to fw a t e r ，s i l t ，右b e r s ， r e s i d u a l so fa i l i i i l a la n dp l a n ti i li t w a t e rc o n t 饥ta i l dv 0 1 u m eo fs e w a g es l u d g ei sl l i 曲，a l s oi t c o n t a i n sh o r m o n e s ，t o x i co r g a l l i c s ，h e a 、ym e t a l sa n dd i f f e r e n tl ( i n d so f 面n e r a lw 硒t e s ，a l lo f w h i c hh a v eac o 而删【o u st o x i c i 够o n c ed i s c h a 唱e dw a n t o m yi t 、o u l de n t e fm ef o o dc h a i n e a s i l y 锄dm a yc a _ u s es e r i o u ss e c o n d a 巧p o l l u t i o nt om e 铋v i r o n m e n ta n dh u m a i lb e i n g s w h e r e 嬲t l l e r ea r cs o m eo 唱a l l i ca n dl l s e 如le l e m c r 姻i i ls e w a g es l u d g ea n dm a d ei ta n a 诃1a _ b l e 脚u r c ef 0 rs e c o n d a r yu t i l i z a t i o n 1 捌u s ea f t e rc c 仃l p o s t i i 唱i sag o o dd h o i c eo f r 鄂o c eu t i l i z a t i o n 赳l dm a yb eam a i nm e a i l so fs l u d g ed i s p o s a li nt 1 1 e 如t l l r e t h 锄n o p m l i ca e r o b i cc o m p o s t i n gs t u d yi s c a 捕e do nb 弱。do n l ec o n d i t i o no fm e s l u d g e 舶ml i a o y 锄gs e w a g e 骶a 缸i l tp 1 锄ti no r d e rt 0 缸d o u tw h e m e rt l l es l u d g ec 孤b e l l s e d 私b i 0 1 0 9 yc o n l p o u n df a 伺i z e ro rs o i l 锄肌d n l 肌t ，锄dt 0 a c h i e v ek e y 枷c so f c o m p o s t i n g f i r s to fa l l ，廿l ef 锄e n t a t i o nd e v i c e 锄di t sc o n t r o ls y s t 锄a r ed e s i 是乒l e d s e c o n d l y 锄a l y s i sm ep 删n e t e r s 跚6 h 勰t 锄p e r a m r e ，w a t 盯c o n t e n t ，p hv a l u e ，e c ，v s ， w s o ca n dn h 4 + - no ft h 锄0 p l l i l i ca e r o b i cc o i n p o s t i n gp r o c 够sb 嬲e d0 nd i 丑研th u i i l i c c o m e n t d i f f 阳l tl ( i i l d so fc o m p o s t 锄e i 】d i n e n ta n dd i 矗b r e n ta d d i n gr a t i o so ft l l e 锄e n m e n t t h e 甜嘲t i g a t i o ns h o w sn a n j r a la i r - 嘶e d 觚dm e n 血x e dw i mc o n d i t i o 邶i sa b e t t e rw a yo f s l u d g ei i e v p a t e r i n g a m o n gs a w i i i l s t ，r i c eh l l s k 锄dr i c es 昀a r e rm i x e dw i ls a w d l 塔t ，l e c o m p o s tc 锄础l i e v eab e t t e rm a t 嘶劬锄dn l eb e s ta d d i n gr a t i oo fs l u d g e ，s a w d l l s ta n d m a h 鹏c o m p o s tt l l a t 咖e d i s3 ：2 ：3 t l l i r d l me v a l u a t en l et o x i c i t yo fn l ec o i n p o s tp r o d l i c t i o no fs e c 0 n d a 巧f 咖l 饥t a t i o n a c c o r d i n g t 0t l l eg io f c o m p 删v e 懒她a 1 1 d 仃yt 0f i n d 廿l e b tu s i n gq u a i l t i 坝 a tl a 瓯舀v e ( h em a t u n 够d e t e n n i n a t i o no fc o m p o s tp r o d u c t i o nb a s e do nm ep h y s i c a l ， c h e i i l i c a la i l db i o l o 西c a li n d i c c s 1 ( e yw o r d s ：m u 血c i p a ls l u d g e ；a e r o b i cc o m p o s t i n g ；w a t e rc o n t 吼tc o n t r o l l i n g ；a m e 疵i i i l 咄； m a t l l t yi n d e x ，rl、产 ， 东北大学硕士学位论文目录 目录 声明i 中文摘要i i a b s l r a c t i i i 第一章引言1 1 1 城市污泥现状及特征1 1 1 1 城市污泥现状1 1 1 2 城市污泥特征1 1 2 城市污泥的处理处置方式2 1 3 堆肥化技术研究进展3 13 1 堆日晔蹭踢掳e 历史3 1 3 2 堆肥原理4 1 3 3 堆肥工艺的分类5 1 3 4 蝴昀炎主物7 1 3 5 堆肥及其微生；魄蚓l j 蔓程8 1 3 6 国内外研究观伏1 0 1 4 本课题的确立及意义1 3 1 4 1 进酒 背景1 3 1 4 2 本研究的目的丕毛言己义1 3 1 5 主要研究内容、关键问题和技术路线1 4 1 5 1 主要研究内容和关锤封司题1 4 1 5 2 投井苛醒轻笺1 4 第二章实验材料、装置及实验方法 2 1 堆肥试验材料1 5 2 2 堆肥发酵装置的设计1 6 2 3 堆肥控制系统的设计1 7 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 1 通风l 设计1 7 2 3 2 c 0 呷嗷c i 伽砌s 廊n 堆肥自动i 猕! j 系缪锻计- 1 8 2 4 实验方法一1 9 - 2 5 采样方法2 0 2 6 样品分析方法一2 0 第三章污泥高温好氧堆肥过程优化- 2 1 3 1 堆肥原料水分的调整方式2 卜 3 1 1 研究宁案2 1 3 1 2 结果与讨论2 2 东北大学硕士学位论丈 目录 乱玛实验结果4 0 4 3 结果分析与讨论4 1 第五章结论4 3 参考文献4 5 致谢。5 1 夕 ， 东北大学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 1 1 城市污泥现状及特征 随着经济的发展，人们对环境的要求越来越高，众多的城市污水厂相继建成，以降 低城市污水中污染物的浓度，达到控制水污染的目的。截止至2 0 0 5 年我国已有城市污 水处理厂7 0 0 多座。污泥作为污水处理过程的次生产品，其产量占到总处理水量的 0 3 o 5 左右。作为一种可再利用物质，目前资源化率不足1 0 【，不仅没有从再利用 角度弥补污水处理成本，反而造成了次生环境危害。 目前，我国污水厂干污泥年产量约5 5 晰0 0 万t ，预计到2 0 1 0 年可能还会增加2 3 倍【2 3 1 。在我国，城市污泥处置的基建投资约占污水厂总投资的3 0 5 0 ，运行费约占 污水厂总运行费的2 0 5 0 ，而发达国家，污泥处置的基建投资占污水厂总投资的 5 0 一7 0 ，因此从成本上分析，污泥已经成为直接影响污水厂正常运行的制约性因素。 传统卫生填埋和焚烧处置方法由于产生渗滤液、二嗯英、甲烷气，占地面积大以及 工程建设投资高等问题，已经不是污泥处置的主流技术；污泥海洋投弃威胁海洋生态系 统和食物链，且未从根本上解决环境问题，上世纪末，国际上签署禁止排海公约，中国 是该公约的缔约国。因此，寻求一种更加安全和经济的污泥资源化途径，已经成为污泥 处置研究的热点问题。 城市污泥的根本出路和基本方向应是资源化和能源化，污泥用作建材是近年来处于 研究阶段的新课题，尚有许多技术难题需要解决。而堆肥化后进行土地利用是一种比较 好的污泥处置方式。 1 1 2 城市污泥特征 城市污泥的特点直接影响到污泥处理方式和处理设施的选择。作为废水处理过程的 副产品，污泥是包含水、泥沙、纤维、动植物残体及各种絮体、胶体、有机质、微生物、 病原菌、虫卵等的复杂多相体系【4 】。中国的污水处理厂多采用二级生化处理工艺，污泥 主要产自初沉、二沉及其他固液分离工序，含水率高( 9 8 t 劢，体积庞大，有机质含量约 为4 5 0 ，总氮含量4 5 ，磷( p 2 0 5 ) 含量1 5 ，钾( k 2 0 ) 含量o 5 1 【习；对于 生活污水和工业废水混排的场合，污泥中还常含有激素类物质( e l 、e 2 等) 、毒性有机 东北大学硕士学位论文 第一章引 言 物( 苯、氯酚等) 、重金属( c d 、c r 等) 以及各种无机盐【6 】。 我国各地生活水平差异较大，饮食习惯也不尽相同，饮食结构影响到污水组分，进 而影响到污泥的组成。例如：北京高碑店污水厂污泥的总氮含量为7 8 ，而江苏省污 水厂总氮平均含量超过2 0 ；我国北方工业城市由于工业费水与生活污水混排，导致城 市污泥中重金属含量较高，而小城镇污水厂污泥重金属含量则处于农用安全水平。总体 上，生活习惯、产业结构、污水处理方式是影响污泥组成的重要因素。 1 2 城市污泥的处理处置方式 城市污泥处理处置途径很多，各个国家不尽相同，同一个国家不同地区也相差很大， 这主要与环境、地势、可行性处置法、公众对污泥处置的关心程度及政治压力等因素的 影响有关。综合起来，处理方式主要有海洋投弃、土地填埋、污泥焚烧和土地利用四种 方式。 海洋投弃，污泥海洋投弃威胁海洋生态系统和食物链，且未从根本上解决环境问题， 只能是解决污泥出路的一种权宜之计，并没有从根本上解决环境污染问题，因此这种污 泥处置方式已很少使用。上世纪末，国际上签署禁止排海公约，中国是该公约的缔约国 【| 7 1 。因此海洋投弃方式已禁止被使用。 土地填埋，填埋是利用土壤把污泥包围在其中，压实并依靠自然环境氧化分解的一 种处理方法【8 】。土地填埋对污泥的无毒无害化处理成本低。然而，城市污泥卫生填埋也 存在许多问题，如对污泥的土力学性质要求较高，需要大面积的场地和大量的运输费用， 地基需作防渗处理，以免污染地下水，填埋场的废气可能污染环境，填埋处理所需时间 较长等。此外，适宜污泥填埋的场所因城市污泥大量的产出而显得越来越有限。近年来， 污泥的填埋处置所占比例逐渐减小。 污泥焚烧，焚烧处理是将可燃性固体废物与空气中的氧在高温下发生燃烧反应，其 中的可燃物质分解，回收热能来发电等，具有占地少、处理量大、无害化彻底、回收热 能和减容减量显著的特点【9 】，可以迅速和较大程度地使污泥达到减量化，既解决了污泥 的出路问题又充分地利用了污泥中的能源。但焚烧的成本通常是其它处理工艺的2 4 倍， 而且污泥焚烧常产生大气污染，同时污泥必须保证比较低的含水率才能制作“合成燃 料，这就又增加了预处理的费用。 土地利用主要是将污泥用于农田等的施肥，垦荒地、贫瘠地等受损土壤的修复及改 良，园林绿化建设，森林土地施用等。污泥中含有丰富的有机质和植物所需的营养成分 如氮、磷、钾等以及各种微量元素如c a 、m 昏c u 、z n 、f e 等，是非常有价值的资源。 i 东北大学硕士学位论文第一章引言 其中有机物的浓度一般为6 0 7 0 ，其含量高于普通农家肥，因此能够改良土壤结构， 增加土壤肥力，促进作物的生长。将污泥施用于农田，可促进作物生长。在园林用地、 森林土地中施用污泥，可改善树木、草坪、花卉的生长情况，又不会进入食物链，对人 类健康没有影响，是近年来发展较快的污泥利用途径。污泥还可作为良好的有机肥料和 土壤改良剂用于矿山等受损土壤的复垦，对土壤的特性有一定的改善。在国外，污泥及 其堆肥作肥源农用，已有多年的历史，城市污泥农用比例最高的是荷兰，占5 5 ；其次 是丹麦、法国和英国，占4 5 ；美国占2 5 。与国外相比，我国对城市污泥农用资源化 的理论研究与实践均相差甚远。 我国是一个发展中的国家，又是一个农业大国，相对其它污泥处置方式而言，城市 污泥的土地利用更符合我国国情，在我国应有巨大的发展潜力。此外，污泥处理处置方 式的选择应兼顾生态效益、环境效益、经济效益和社会效益之间的平衡。前三种方式都 会不同程度的对环境产生二次污染。城市污泥的根本出路和基本方向应是资源化利用， 因此堆肥化后进行土地利用是一种理想的污泥处理处置方式。 1 3 堆肥化技术研究进展 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，促进有机废物发生生物稳定作用，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【1 0 ，1 1 1 。 1 3 1 堆肥化的发展历史 现代堆肥化过程虽然是在上世纪才发展起来的科学技术，但原始的堆肥方式很早就 出现了。在悠久的历史过程中，农民们一直将这种办法用于制造土壤有机肥料，如将人 粪尿、不能食用的烂菜叶子、动物粪便、废物垃圾等经堆肥化转化为肥料。其方法是将 待堆有机材料堆成垛，然后在自然条件下分解，直到达到一种稳定的状态，即土壤可接 受的程度。这种过程很少有或没有人为控制，其产品中可以为土壤提供大量腐殖质物质 和以有机状态存在的营养物质( 如氮、磷和钾等) 。 现代的堆肥化过程就是从这种原始的堆肥方式发展而来的。1 9 2 0 年，埃霍华德在 印度把落叶、垃圾、动物以及人的粪尿在土坑内堆成约1 5 m 高的土堆，隔数月翻堆一 二次，共进行为期六个月的厌氧发酵，此法称为印多尔法，该法后来改进为多次翻堆以 促进好氧发酵，进一步发展成为贝盖罗尔法。1 9 3 2 年荷兰建立了改良贝盖罗尔法的范曼 奈尔法工艺堆肥厂。1 9 3 3 年丹麦出现了d 觚0 堆肥法，运用卧式回转窑发酵仓进行好氧 东北大学硕士学位论文第一章 引言 发酵，标志着连续性机械化堆肥的开端。1 9 4 0 年，e a r p m m 舔堆肥法的问世，美国使 用机械化发酵槽，并相继研制出密闭发酵槽和箱型间歇堆肥等新工艺，导致了高速堆肥 的迅速发展。目前欧美国家已经开发了十多种快速的好氧堆肥工艺。据调查，1 9 9 3 年美 国3 2 1 个堆肥厂中有1 2 6 个采用强制通风与机械化翻堆相结合的条堆系统，其特点是比 较经济。另有9 7 个堆肥厂采用机械化的发酵装置。法国的7 0 多个堆肥厂基本上都实现 了半机械化，用的最多的是滚筒式发酵装置。德国和日本的堆肥装置的款式有立式、卧 式和筒仓式等。机械化程度高的堆肥设备，占地面积小，受气候条件的影响小，但建设 和运行费用较高。 我国堆肥历史悠久，早在1 1 4 9 年的宋代农书中就已经记载了农村广为采用的 堆肥技术。现代堆肥技术是从2 0 世纪初发展起来的。在垃圾堆肥技术方面，八十年代 同济大学等单位进行了较为深入的研究；近些年来，在天津、上海、无锡、北京等地建 立了规模不等的城市垃圾堆肥厂【1 2 1 。目前，我国堆肥技术的应用正在由静态发酵向高温 快速动态发酵转变，国内有关单位对好氧堆肥工艺的控制因素及指标，如腐熟度、微生 物特性及产物的化学性质等方面进行了较为全面的研究，并在实践中得到了应用和发 展。在城市污泥与垃圾混合堆肥技术方面，同济大学通过对堆肥原料的空隙率与堆肥过 程评价参数的相关分析进行了城市污泥与垃圾混合堆肥的配比研究【l 习；中国城市华北设 计研究院对堆肥工艺参数进行了研究，这都为污泥和垃圾混合堆肥的工厂化和大规模生 产提供了工艺技术和设计运行参划1 4 1 。在城市污泥堆肥方面【1 5 】，农业部环保所与天津市 污水处理研究所分别用通气式固定垛和立式发酵仓系统对天津市纪庄子污水处理厂的 污泥进行堆肥化处理，取得了较好的效果；西北农业大学和西安市污水处理厂合作，采 用自然通风固定垛发酵系统，对西安市污水处理厂的污泥进行堆肥化处理，该研究成果 已通过西安市科委组织的鉴定。还有一些城市建造了机械化堆肥的示范工程，开始研制 翻堆机、筛分机和破碎机等专用设备。但目前在污泥堆肥方面尚未进行大规模的生产。 1 3 2 堆肥原理 自然界中很多微生物具有氧化分解有机物的能力。堆肥是指在控制条件下( 一定的 水分、c n 比和通风条件) ，利用自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，促 进有机废物发生生物稳定作用，使可被生物降解的有机物转化为稳定的类似土壤的腐殖 物质的生物化学过程，一般又称为堆肥化。在这种堆肥化过程中，有机物由不稳定状态 转化为稳定的腐殖质物质，对环境尤其是土壤不构成危害。根据处理过程中微生物对氧 气要求的不同，堆肥可分为好氧堆肥和厌氧堆肥。前者是指在通气条件下借好氧微生物 东北大学硕士学位论文 第一章引言 活动使有机物降解的过程。由于好氧堆肥温度一般在5 啦6 0 ，极限可达8 0 9 0 ，故 也称高温堆肥。后者是利用非好氧微生物发酵代谢转化有机物的过程。现代堆肥基本都 采用好氧工艺，相比于厌氧堆肥，它具有分解物质彻底，堆置周期短，臭味小，易于机 械化作业的特点。本文中提到的堆肥均指好氧堆肥，其物质转化过程见图1 1 所示。 放，转换为热 或供给生物合生 图1 1 有机物好氧堆肥分解 f i g 1 1a d b i cd e c o m p o s i t i 伽o fo 砌g a n i cm a t t e 培 在堆肥过程中，污泥中的溶解性有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜而被微生物 所吸收，固体的和胶体的有机物先附着在微生物体外，由生物所分泌的胞外酶分解为溶 解性物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命代谢活动，进行分解代谢( 氧化还原过 程) 和合成代谢( 生物合成过程) 把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并放 出生物生长活动所需的能量，把另一部分有机物转化合成新的细胞物质，使微生物生长 繁殖，产生更多的生物体。 1 3 3 堆肥工艺的分类 由于分类的角度不同，按照目前堆肥工艺的特点可分为如下四种基本类型。 ( 1 ) 按照微生物对氧的要求分类 好氧堆肥，好氧堆肥是依靠专性和兼性好氧细菌的作用使有机物得以降解的生化过 程，好氧堆肥具有对有机物分解速度快、降解彻底、堆肥周期短的特点。一般一次发酵 在铷1 2 d 左右，二次发酵在l 啦3 0 d 便可完成。由于好氧堆肥温度高，可以灭活病原体、 虫卵和垃圾中的植物种子，使堆肥达到无害化。此外，好氧堆肥的环境条件好，不会产 生难闻的臭气。目前采用的堆肥工艺一般均为好氧堆肥，但由于好氧堆肥必须维持一定 的氧浓度，因此运转费用比较高。 东北大学硕士学位论文 第一章引 言 厌氧堆肥，厌氧堆肥是依赖专性和兼性厌氧细菌的作用降解有机物的过程。厌氧堆 肥的特点是工艺简单。通过堆肥自然发酵分解有机物，不必由外界提供能量，因而运转 费用低。若对于所产生的甲烷处理得当，还有加以利用的可能。但是，厌氧堆肥具有周 期长( 一般需3 6 个月) 、易产生恶臭、占地面积大等缺点，因此厌氧堆肥不适合大面积 推广应用。 ( 2 ) 按温度范围 中温好氧堆肥，中温好氧堆肥一般所需温度为1 5 4 5 。由于温度不高，因此不能 有效地杀灭病原菌。但国外有学者研究认为：堆肥温度在4 5 时对有机物的降解率要比 温度在6 0 以上高，而在4 晰o 条件下进行堆肥对物料的干化效果最好。 高温好氧堆肥，好氧堆肥所产生的高温一般在5 0 6 5 ，极限可达8 0 9 0 ，能有 效地杀灭病菌，且温度越高，令人讨厌的臭气产生就会减少，因此高温堆肥已为各国公 认，采用较多。高温堆肥最适宜的温度为5 5 6 0 。 ( 3 ) 按堆肥过程中物料运动形式 静态堆肥，静态堆肥是把收集的新鲜有机废物一批一批地堆制。堆肥物一旦堆积以 后，不再添加新的有机废物和翻倒，待其在微生物生化反应完成后，成为腐殖土后运出。 静态堆肥适合于中、小城市厨余垃圾、下水垃圾的处理。 动态连续( 或间歇式) 堆肥，动态连续( 或间歇式) 堆肥采用连续或间歇进、出料的动 态机械装置进行堆肥。具有堆肥周期短( 3 7 d ) ，物料混合均匀，机械化程度高，便于大 规模机械化连续操作运行等特点，适用于大中城市固体有机废物的处理。但是，动态堆 肥要求高度机械化，并需要复杂的设计、施工技术和高度熟练的操作人员。并且动态堆 肥一次性投资和运转成本较高。目前动态堆肥工艺在发达国家已得到普遍的应用。 ( 4 ) 按堆肥堆制方式 露天式堆肥，露天式堆肥即露天堆积，物料在开放的场地上堆成条垛或条堆进行发 酵。通过自然通风、翻堆或强制通风方式，以供给有机物降解所需的氧气。这种堆肥所 需设备简单，投资成本较低。其缺点是发酵周期长，占地面积大，受气候的影响大，有 恶臭，易招致蚊蝇、老鼠的滋生。这种堆肥仅宜在农村或偏远的郊区应用。 装置式堆肥，装置式堆肥也称为封闭式堆肥或密闭型堆肥，是将堆肥物密闭在堆肥 发酵设备中( 如发酵塔、发酵筒、发酵仓等) ，通过风机强制通风，提供氧源，或不通风 厌氧堆肥。装置式堆肥的优点是机械化程度高，堆肥时间短，占地面积小，环境条件好， 堆肥质量可控调等，因此适用于大规模工业化生产。 ( 5 ) 按发酵历程 | | 东北大学硕士学位论文 第一章引 言 一次发酵，好氧堆肥的中温与高温两个阶段的微生物代谢过程称为一次发酵或主发 酵。它是指从发酵初期，经中温、高温然后到达温度开始下降的整个过程，一般需l o 1 2 天，以高温阶段持续时间长。 二次发酵，经过一次发酵后，堆肥物料中的大部分易降解的有机物质己经被微生物 降解了，但还有一部分易降解和大量难降解的有机物存在，需将其送到后发酵仓进行二 次发酵，也称后发酵，使其腐熟。在此阶段温度持续下降，当温度在4 0 左右时即达到 腐熟，一般需1 啦3 0 天。 此外，根据堆肥过程中所采用的机械设备的复杂程度，有简易堆肥和机械肥之分。 1 3 4 堆肥微生物 表1 1 不同种群微生物的特征 t a b 1 1c h a m c 衙o fd i 妇衙o f p o p u l a t i o nm i c r o b i a l 东北大学硕士学位论文第一章引 言 污泥堆肥化是微生物作用下有机物的生化降解过程，微生物是堆肥过程的主体。堆 肥中发挥作用的微生物主要是细菌和放线菌，还有真菌和原生动物等。随着堆肥化过程 中有机物的逐步降解，堆肥微生物的种群和数量也随之发生变化。细菌是堆肥中形体最 小、数量最多的微生物，它们分解了大部分的有机物并产生热量。不同微生物的特征见 下页表1 1 。 1 3 5 堆肥及其微生物变化过程 城市污泥堆肥的过程是一个生物化学反应的过程，不论是好氧堆肥还是厌氧堆肥， 起主导作用的有机物质分解成为肥料、二氧化碳、水及氨气等，并释放出能量。适宜于 高温好氧堆肥的微生物种类很多，主要有细菌、真菌和放线菌，有时还有酵母和原虫参 加。好氧堆肥化从开始堆积到腐熟的微生物生化过程比较复杂，但大致可分为以下三个 阶段【1 6 ，1 7 1 。 ( 1 ) 中温阶段( 亦称产热阶段) 堆肥初期，堆肥基本呈中温，嗜温性细菌较为活跃，并利用堆肥中可溶性有机物旺 盛繁殖。它们在转化和利用化学能的过程中，有一部分变成热能，由于堆料有良好的保 温作用，温度不断上升。适合于中温阶段的微生物种类极多，以中温、需氧型为主，其 中最主要的是一些无芽孢细菌。细菌特别适于分解水溶性单糖类，放线菌和真菌对于分 解纤维素和半纤维素具有特殊功能。 ( 2 ) 高温阶段 当堆肥温度上升到4 5 以上时，即进入堆肥过程的第二阶段高温阶段。此时， 嗜温性微生物受到抑制甚至死亡，取而代之的是一系列嗜热性微生物( 真菌、放线菌等) 。 堆肥中残留的和新形成的可溶性有机物继续分解转化，复杂的和一些难分解的有机化合 物如半纤维素、纤维素、蛋白质等也开始被逐渐分解，腐殖质开始形成，堆肥物质进入 稳定状态。高温阶段，各种嗜热性微生物的类群和种类是相互接替的，一般在5 0 左右 进行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌；温度上升到6 0 时，真菌几乎完全停止活动， 仅有嗜热性放线菌和细菌在活动；温度上升到7 0 以上时，对大多数嗜热性微生物已不 适宜，微生物大量死亡或进入休眠状态，除一些孢子外，所有的病原微生物都会在几小 时内死亡，其它种子也被破坏。因此本研究的控制温度设置为6 0 ，以保证堆肥微生物 在最好的条件下繁殖，促进堆肥过程的快速进行。 与细菌的生长繁殖规律一样，根据微生物的活性，可将其在高温阶段的生长过程分 为三个时期： 东北大学硕士学位论文 第一章引言 a 对数增长期：这一时期，嗜热性微生物处于对数增长期，营养过剩，其活性增长 速度与有机物浓度无关，仅与温度及供氧量有关。 b 减速增长期：在易分解和部分较难分解有机物不断消耗和新细胞不断合成后，堆 肥中有机物含量急剧下降，直至有机物不再过剩，且成为微生物进一步生长的限制因素， 嗜热性微生物便从对数增长期过度到减速增长期。此时，微生物增长速度将直接与剩下 的营养物浓度成正比。 c 内源呼吸期：此时继续通入空气，微生物仍不断地进行代谢活动，但因堆肥中易 分解和部分较易分解有机物几乎耗尽，微生物的代谢进入内源呼吸期，虽然在有机物充 足时内源呼吸也存在，但细胞的合成远大于消耗，故其表现不明显，而在内源呼吸期则 不然，因为此时微生物已不能从其周围环境中获得足够的能量以维持其生命，于是开始 显著地代谢自身细胞内的营养物质。随后，微生物在维持其生命中逐渐死亡，细胞内部 分酶开始分解细胞壁某些部分，营养物质便离开细胞本体向外扩散，以提供给活着的微 生物营养，此时，细胞的生长虽没有完全停止，但被细胞的分解率所超越，致使微生物 数量减少，由于此时能量水平低，耗氧减少，故通气量亦可减少。 在高温阶段微生物活性经历了三个时期变化后，堆积层内就开始发生与有机质分解 相互对立的另一过程，即腐殖质的形成过程，堆肥物质逐步进入稳定状态。图1 2 是堆 肥高温阶段微生物活性变化示意图。 ( 1 ) 微生物活性曲线：( 2 ) 氧气利用翠 图1 2 微生物活性曲线 f i g 1 2t h e c l l r v eo f m i c r o b i a la c t i v i t ) r ( 3 ) 腐熟阶段 经过高温阶段，在内源呼吸后期，堆肥中有机物基本降解完全，只剩下部分较难分 解及难分解的有机物和新形成的腐殖质，嗜热微生物由于缺乏适当的营养物质而停止生 长，即其生物活性下降，发热量减少。堆肥温度会由于散热而逐渐下降，堆肥过程进入 东北大学硕士学位论文第一章 引言 第三阶段腐熟阶段。在此阶段，中温微生物又开始活跃起来，重新成为优势菌种， 对残余较难分解的有机物作进一步分解，腐殖质不断增多，且稳定化。当温度下降并稳 定在4 0 左右时，堆肥基本达到稳定。 堆肥进入腐熟阶段，降温后，需氧量大大减少，含水量也降低，物料孔隙率增大， 氧扩散能力强，此时只需自然通风。 一般情况下，利用堆肥温度变化作为堆肥过程( 阶段) 的评价指标。一个完整的堆 肥过程由四个堆肥阶段组成。每个阶段拥有不同的细菌、放线菌、真菌和原生动物。在 每个阶段，微生物利用废物和阶段产物作为食物和能量的来源，这种过程一直进行到稳 定的腐殖质形成为止。 1 3 6 国内外研究现状 城市污泥堆肥化方面的研究近来越来越受到环保界人士的重视，已经逐渐成为污泥 资源化的重点研究课题之一，目前国内外不少科研工作者在这方面取得了部分成果。 ( 1 ) 国外堆肥化的研究进展 近二三十年来，污泥堆肥处理研究十分活跃，美国m s f i n s t e i i l 【1 5 】等人研究了污 泥堆肥过程中温度变化、产热、微生物活性、通风的控制及其评价和监测。学者们认为， 在有机废弃物高温堆肥过程中，湿度、温度、p h 、c n 等许多因素均影响堆肥进程和最 终产品的质量。在诸多因素中，温度是堆肥过程的核心参数，堆体一般要经历升温过程、 高温持续过程和降温过程。对于堆肥温度的研究主要集中于以下几个方面：堆肥升温过 程的特点及堆肥所能达到的最高温度；堆体热量散失过程与温度的关系；控制过程与温 度的关系；温度与微生物的生长繁殖及种群演替的关系。v m c k i i d e y 【2 o 】等对污泥堆肥 微生物情况进行了研究。t g s h e a 【3 1 。3 1 等探讨了调理剂的性质和选择。美国7 0 年代初开 发了操作简单、发酵周期短、运行费用低的b e l t “i l l 好氧堆肥法。该法采用堆底穿孔管 道通入空气，防止了臭气扩散，比较安全卫生。目前，国际上较为先进的处理方法是利 用快速发酵回转仓完成中温、高温连续发酵的工艺。它具有高效、防臭、成品质量高的 特点，在美国、日本、欧洲广为采用。日本在1 9 5 4 年建成第一座污泥堆肥中心，到9 0 年代末已建了3 5 座。h k l l b o 讨蚓等对堆肥工艺进行了系统研究并提出腐熟度的判别标 准。目前日本最大的堆肥厂在北海道的札幌市，发酵仓和生产线及袋装产品很具规模， 而且机械化、自动化程度很高【3 5 】。英国万历普厂引用了d a i l o 公司的机械堆肥技术年产 粉状4 万吨。美国洛杉矾、弗罗里达、宾夕法尼亚等地都建有同类的工厂f 3 6 如。、矾i e y 和s p i l l 髓e 【3 8 枷1 认为，如果缺少温度调节措施，堆体温度会很快升至7 肛8 0 ，这将严 东北大学硕士学位论文第一章 引言 重影响微生物的生长繁殖，因此，必须通过加大通气，通过蒸发水分带走热量，使堆温 下降。f i n s t e i n 【1 o 】等的研究结果表明，在强制通风静态垛堆肥系统中，鼓风使得堆体中 心和表面的温度差异极大。翻堆不仅能打破温度和氧气浓度的层次效应【4 、防止气流通 道的形成、减少湿度的空间梯度、加速干燥【4 2 1 ，而且还能使物料颗粒变细、暴露新的堆 肥表面、改进通气性能、提高有机物降解速率、减少臭味的产生【4 3 1 。t i q u i a 【删等研究发 现，强制通风静态垛上部的堆肥效率和种子发芽率比中部、底部和表层低。k e e n 一4 5 】 等认为，堆肥过程中过早翻堆会推迟达到高温的时间( 特别是在冬季) ，导致堆温的显著 降低，从而不能充分杀灭病原微生物和杂草种子；翻动过晚则不利于堆肥的再次升温和 高温的维持。在堆肥早期，翻动频率对温度没有影响，但在堆肥后期，增加翻动次数会 引起温度下降。研究表明，不同的堆肥工艺要求不同的翻动次数和程度【4 1 4 2 4 3 4 5 1 。用生 物学方法测定堆肥的植物毒性是检验堆肥腐熟度的有效方法嗣。发芽指数( g d 是通过检 验堆肥对植物发芽是否产生抑制作用来评价堆肥无害化、稳定化程度的指标，它不但能 检测堆肥样品的植物毒性水平，而且能预测堆肥植物毒性的变化【4 7 朋】。 ( 2 ) 国内堆肥化的研究进展 国内的堆肥技术工艺较为简单，发展缓慢。近几年在污泥高温堆肥方面的研究取得 了工艺技术方面的初步成果。李国建【4 9 】等证明了我国城市污水厂污泥堆肥化处理的可行 性，在污泥中加入木屑和煤渣，得出发酵周期为1 2 一1 5 d ，条垛式的布气管间距建议采用 2 m 。何品副1 3 j 等报道：污水厂脱水污泥与城市垃圾的适合配比为2 d 3 8 ( 叭) ；污水厂 脱水污泥和管道污泥与城市垃圾的适宜配比为3 0 4 0 ( 叭) 。张永豪唧】等建立了消化污 泥间歇式堆肥阶段无害化温度时间标准( 5 0 2 h ) ，并提出了通气量与消化污泥堆肥平均 反应速率的函数关系式，依此标准建立了一种新型的堆肥操作气量控制方式，依照无害 化温度时间标准调整气量，使物料在堆肥过程中恰好满足此标准的最大气量为该控制 方式的工艺气量，即以工艺气量作为堆肥过程的气量控制方式。李艳霞【5 i 】通过实验计算 了污泥堆体的产热和散热平衡，得出了在不采取保温措施的情况下最小的污泥堆肥体积 为0 6 4 m 3 ，在合适的参数条件下，5 8 以上的环境温度均可以使污泥堆肥顺利升温。 中国科学院生态环境研究中心、中国科学院地理研究所联合成功开发了污泥高效低耗堆 肥与复合肥制备成套技术。通过技术经济比较，选择了强制通风静态仓式堆肥工艺，研 制成功时间温度反馈通风控制技术，实现了堆肥温度和通风控制的自动化。建立了自 然通风与强制通风相结合的堆肥操作工艺，高效低耗、功效显著。通过3 0 轮污泥生料 配比优化和堆肥工艺参数优化实验，得到了较适宜的调理剂、堆料配比及工艺参数。进 行了1 4 项堆肥腐熟度评价指标研究，得出堆肥的能耗为3 9 5 k w h ( t 湿污泥d ) ，达到或 东北大学硕士学位论文第一章引 言 优于了国际同类工艺能耗水平5 4 8 k w h ( t 湿污泥d ) 。杨意东【5 2 】认为早期的通风能迅速 提高堆温，为使堆温维持在最适温度，可利用倒垛和加大气量，特别是在堆肥后期，堆 层中积累的热量通过水分的吸收、蒸发散热来防止堆温升高。并通过实验得出在前期的 堆肥过程中应采用较小的气量，一般维持在1 0 1 5 m 3 ( 1 l t ) 的气量；中期一般采用较大气 量并维持在2 0 2 5 i n 3 ( 1 1 t ) ；后期采用较大气量对污泥吹干。陈同斌【5 3 】通过实验得出，调 理剂比例低时，堆体升温、降温速率都较慢，而且堆体温度较低，甚至达不到污泥高温 堆肥所需要的杀菌温度；调理剂比例高时，堆体升温、降温速率都较快，高温持续时间 短；但如加入适当比例的回流腐熟污泥，堆体可在5 0 以上维持高温杀菌所需的时间。 李国学m 】认为由于高温分解较中温分解速度快，并且高温堆肥又可将虫卵、病原菌、寄 生虫、孢子等杀灭，故有机废弃物资源化处理中一般多采用高温堆肥。陈世和【i7 】认为通 常需要采用通气调整堆肥温度和有机物分解速率之间的平衡。堆肥初期3 7 d ，通气的主 要目的是满足供氧，使生化反应顺利进行，以达到提高堆层温度的目的。当堆肥温度升 到峰值以后，通气的目的以控制温度为主。前期的实验结果表明，鼓风对堆体不同部位 的温度变化影响不同【5 5 1 ，因此堆体不同层次的温度变化也会表现出不同的特点，了解这 种差异对于调控堆肥过程，提高堆肥效率和堆肥产品质量具有重要意义【5 3 1 。 目前，国内对于城市污泥堆肥化的研究，主要集中在南、北两个主要机构，北方主 要集中在位于北京的中国科学院生态环境研究中心，南方主要集中在位于上海的同济大 学污染控制与资源化研究国家重点实验室。其中，近期主要的研究成果很大一部分出自 于中国科学院生态环境研究中心环境水化学国家重点实验室以及中国科学院地理科学 与资源研究所环境修复室【5 6 】，在城市污泥堆肥化方面进行了富有成效的探索，对堆肥通 风控制方式进行了系统研究。 综上，国内外的大量文献对于堆肥的发展历史进行了详尽阐述，在城市污水厂污泥 堆肥方面，主要介绍了各种堆肥化的工艺过程及其参数控制。国内的研究者对堆肥过程 中原料的配比以及工艺参数控制作了大量的研究工作，添加剂的种类和添加量、通风控 制方式对于堆肥效果影响等方面一直是最近的研究热点。然而，对于如何降低堆肥过程 中的营养元素的损失以及堆肥后成品的土地利用可行性等方面的研究比较欠缺。因此， 本文除探讨适合新加坡联合国祯水处理( 辽阳) 有限公司污泥高温好养快速堆肥的各项 工艺参数的控制以外，还将从堆肥过程中的营养元素损失的避免措施以及堆肥产品的土 地利用角度进行一定的拓展。 东北大学硕士学位论文第一章引言 1 4 本课题的确立及意义 1 4 1 选题背景 新加坡联合国祯水处理( 辽阳) 有限公司( 原辽阳污水厂) 建于2 0 0 1 年8 月，2 0 0 4 年l o 月投产，占地1 9 h m 2 ，受水覆盖面积3 3 7 k m 2 ，现采用t o t 模式运行。新加坡联 合国祯水处理( 辽阳) 有限公司设计处理能力2 0 万吨污水天，目前运行处理8 一1 0 万 吨污水天，采用具有