（环境工程专业论文）污泥堆肥化、减害化转化为生物有机肥的技术.pdf

摘要 摘要 本论文针对当前我国污水处理厂污泥堆肥资源化利用过程中普遍存在的重 金属对环境的潜在威胁，重点讨论了堆肥过程中如何降低重金属生物有效性的 方法和技术。 研究主要采用生态学和生物技术的方法，在调研石家庄桥西污水处理厂脱 水污泥基本性状的基础上，以能在微量重金属诱导下产生金属硫蛋白或者能表 达多种氧化物酶基因、并且筛选的菌株能共生促生、具有修复土壤功能为原则 进行菌种筛选，筛选出枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、热带假丝酵母菌、沼泽 红假单胞菌和黑曲霉五个菌株。在菌剂生产过程中先进行菌种活化，再经过三 级液体培养扩大培养制备成能促进污泥堆肥的固体菌剂。研究结果表明，将固 体菌剂按照一定比例添加到堆肥污泥中，在菌剂的作用下，不仅促进了污泥的 堆肥化过程、减少恶臭的产生，而且对有害重金属c d 、p b 的水溶态、离子交换 态的含量变化产生影响。菌剂的的添加能钝化、固化或富集污泥中的有害重金 属，减弱污泥中重金属对土壤和环境的不良影响。盆栽实验进一步验证了c d 、 p b 的水溶态、离子交换态在油麦菜种植中的迁移和变化。同时，加入高效混合 菌制剂可以减少重金属转移至农作物的危险，降低了重金属的生物有效性，更 好地促进污泥中的有机质、氮、磷等营养成分能被作物充分吸收利用，彻底实 现污泥资源化。这对于促进污泥在农、林业的有效利用，降低生态风险具有十 分重要的意义。 本研究结果可以为污水处理厂污泥的堆肥化处理过程提供科学技术支撑， 对提升城市环境卫生质量将产生积极的影响，有助于我国城市污水处理事业的 可持续发展。 关键词i 污泥堆肥微生物群落有效活菌数重金属 a b s tr a c t t h i sr e s e a r c hd e a l e dw i t ht h ep o t e n t i a le n v i r o n m e n t a lt h r e a to fh e a v ym e t a l si n s l u d g ed u r i n g i t su t i l i z a t i o na sr c s o u l c ea n dd i s c u s s e dt h em e t h o dt od e c r e a s e b i o a v a i l a b l i t yo f h e a v ym e t a l sd u r i n gt h es l u d g ec o m p o s t i n gp r o c e s s t h i sp a p e ra d o p t e da l le c o l o g i c a la n db i o l o g i c a lm e t h o d b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o n o nt h ep r o p e r t i e so fs e w a g es l u d g eo fq i a o x is e w a g et r e a t m e n tp l a n t , 5m i c r o b i a ls t r a i n s b a c i l l u ss u b t i l i s , b a c i l l u sl i c h e n i f o r m i s , c a n d i d a t r o p i c a l i s , r h o d o p s e u d o m o n a s p a l u s t r i s , a s p e r g i l l u sn i g e rw e r ei s o l a t e dw i t hm e t a l l o t h i o n e i np r o d u c t i o na b i l i t ya n d o x i d a t i v ea t l z y l l ea c t i v i t y , a n dm i g h tb eu s e dt or e m e d i a t ec o n t a m i n a t e ds o i l i nt h e c o n s o r t i u mp r o d u c t i o np r o c e s s ，t h es t r a i n sw e r ef i r s ta c t i v a t e d , a n dt h e n3 - s t a g ee n l a r g i n g c u l t u r ew a sc a r r i e do u t t h er e s e a r c hr e s u l t s u g g e s t e dt h a ta d d i t i o no fc o n s o r t i u mi s e f f e c t i v en o to n l yi ne n h a n c i n gt h es l u d g ec o m p o s t i n gp r o c e s s ，b u ta l s oc h a n g i n gt h e s t a t eo fh e a v ym e t a lc d , p bi nt h es l u d g e ，w h i c hp a s s i v a t e da n ds o l i d i f i e dt h eh e a v y m e t a l sa n dr e d u c e dt h eh a r m f u le f f e c to fh e a v ym e t a l so ns o i la n de n v i r o n m e n t p o t c u l t u r ee x p e r i m e n tf u r t h e rp r o v e dt h ec h a n g eo fw a t e rs o l u b l e ，i o ne x c h a n g e a b l eh e a v y m e t a l s a tt h es a m et i m e ，t h ea d d i t i o no fc o n s o r t i u mr e d u c e dt h er i s ko fh e a v ym e t a l m o v i n g t ot h ec r o p s ，d e c r e a s e dt h eb i o a v a i l a b i l i t yo fh e a v ym e t a l s ，a n dr e s u l t e di nb e t t e r a s s i m i l a t i o no fna n dpb yc r o p st or e a l i z eac o m p l e t er e c y c y l i n go fr e s o l r c e s t h i si s i m p o r t a n tf o rt h eu t i l i z a t i o no fs l u d g ei na g r i c u l t u r e t h i se x p e r i m e n tr e s u l tc a np r o v i d es u p p o r tf o rc o m p o s t i n gt r e a t m e n to fs e w a g e s l u d g e ，w h i c hi se f f e c t i v ei np r o m o t i n gt h eq u a l i t yo fe n v i r o n m e n t a lh y g i e n ea n d s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fs e w a g et r e a t m e n ti n t e r p r i s e si no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：s l u d g ec o m p o s t i n g , m i c r o b i a lc o m m u n i t y , e f f e c t i v ec o l o n yf o r m i n g u n i t , h e a v ym e t a l i i 第一章污泥堆肥技术综述 第一章污泥堆肥技术综述 在城市污水处理系统中，污泥的处理处置是重要的组成部分。随着我国经 济社会的发展，城市化的进程越来越快，水资源面临着巨大的压力【1 1 。目前，世界 上城市污水处理的工艺中，活性污泥法的采用超过了9 0 ，产生了大量的剩余污 泥。其中含有的有毒有害物质和不稳定的有机物相当多，如果不进行妥善的处理， 将会对环境造成直接或潜在的污染。同时，污泥的存储、处理处置及资源化过 程都有可能对环境造成危害，所以，污泥的处理处置已成为一个世界范围内的社 会和环境问题。根据污泥安全处置的要求和特性，选择合适的技术路线和适宜 的处理工艺，对于实现污泥的减量化、资源化和无害化，对于保护和改善生态 环境，促进经济社会的可持续发展具有重大意义。 第一节污泥的基本性质 污泥是污水处理厂在污水处理过程中絮凝产生的固体或流体状的混合物， 其中的固体成分主要有有机残片、细菌菌体、无机颗粒和胶体等，但主要以有 机成分为主，其中含有大量的n 、p 等植物性养分资源和钾、钙等各种微量元素， 又含有病原茵、有机污染物和重金属等一系列有害物质。表1 1 列举了我国和美 国城市污水处理厂污泥的有机物含量。 表1 1 污泥中有机物含量( ) 项目初沉污泥 剩余污泥 中国美国 中国。美国 总固体3 2 7 82 0 8 01 4 2 00 8 3 1 2 挥发性固体4 9 9 5 1 66 0 8 06 7 7 7 4 05 9 8 8 脂肪l o 7 3 5 6 45 1 2 蛋白质1 3 8 3 0 3 0 3 8 23 2 _ 4 l 碳水化合物2 6 1 8 1 5 2 3 2 注：数据引自污泥资源化技术( 赵庆祥编著，化学工业出版社出版) ，上海和天津两 地污水处理厂的数据； 第一章污泥堆肥技术综述 表1 2 污泥与禽畜粪便营养成分比较 种类有机质总氮总磷 全钾 p h 值 污泥( 平均) 4 2 52 9 0 2 0 60 。4 8 7 0 7 牛厩肥 2 0 30 3 40 1 6 0 4 0 牛粪1 4 5 o 3 2o 2 50 1 6 猪厩肥2 5 00 4 5 o 1 9o 6 0 猪粪 1 5 00 6 00 4 00 4 4 羊粪 3 1 40 6 50 4 7o 2 3 鲜鸡粪 2 5 5 1 6 3 1 5 4o 8 5 7 8 马粪2 1 o0 5 80 30 2 4 由上表的数据可知，我国污泥中的有机物含量虽然低于发达国家。但是， 与常用的禽畜粪便相比，污泥中的有机质含量普遍要高，所以如果将污泥经过 减害化、稳定化处理，将是很好的有机肥料资源和良好的土壤改良剂。 第二节国内外污泥处理处置技术及我国现状 处置污泥的方式主要有投海、填埋、焚烧、建材制造和各种形式的土地利 用等。投海处置会对海洋环境造成巨大危害，所以现在被各国明令禁止，我国 也从1 9 9 8 年开始停用这种污泥处理方法。利用污泥制造建材，在理论上和技术 上都可行，因为污泥中除了有机物，还包括2 0 - 3 0 像硅铝铁钙等的无机物， 可以分别利用其中的这些有机无机成分来制作建筑材料【2 】，并且工程上也有过 污泥制陶粒、制生态水泥的实际例子，但是这种方法总投资能耗高，生产过程 还需治理废气污染，处置综合成本高，技术不太稳定。卫生填埋的方式，虽然 成本低，简单易行，但是占用土地量大，选址也困难，而且容易造成资源的浪 费和地下水的污染，还会产生大量的易燃易爆危险气体，这些负面因素也使其 前景黯淡。而焚烧【3 1 ，虽然在当前污泥处理方法中是最彻底的，但是热值低， 含水率高，使得投资运行成本偏高，对操作人员的技术水平要求也高，并且会 使污泥中的重金属扩散于大气中，产生严重的大气污染。所以在某种程度上说， 焚烧法只是在其他处理方法面临重重困难时一种无奈的解决方案。在我国，污 2 第一章污泥堆肥技术综述 泥焚烧工程的推广，也由于以上原因受到限制，尤其是能够运营多年、处理效 果良好的污泥焚烧工程实例，在国内很少有报道。因此，世界上目前主要采用 的污泥处置方式实际上只有焚烧、填埋和土地利用。其中土地利用形式主要有： 污泥农用、污泥用于森林与园艺、废弃矿场等场地的改良等。污泥农用又包括 直接施用和间接施用两种。直接施用是把没有经过处理的污泥直接用于农田， 这种方式虽然简单易行，但存在潜在的环境风险问题，间接施用是指将污泥经 过消化、堆肥或制成复合肥后再利用。 表1 3 【4 】显示了这几种处置方式的优缺点、成本及在各国采用的比例。 表1 3污泥主要处置方式优缺点与成本比较分析 成本 技术处置优点缺点采用比例 t 元f 一 填埋方法简单占用大量土地，选址困难，造 1 5 0 8 一1 7 成地下水污染产生大量废气， 需防火防爆，不减容 焚烧减容程度大，不受气候条热值低，投资运行成本高，对 2 8 03 2 2 件影响操作人员技术水平要求高，产 生大量有害气体3 3 5 土地利用 充分利用污泥中营养元素存在重金属、有机污染物的潜 4 0 4 2 一8 0 及有机质，实现资源化利 在危险，需经解毒处理后方能 用，节约土地资源，处置利用 费用相对较低 从表1 3 看出，污泥的土地利用是一种资源化的、化害为利的处置方式。因 为充分利用了污泥中的有机物、n 、p 、k 等营养元素以及植物所需的各种微量 元素，达到改良土壤结构、提高土壤肥力，促进农作物生长等目的。其主要不 足是必须进行减害化处理。 我国因存在重废水处理、轻污泥处置阡【1 2 1 的倾向，所以污泥处理处置技术 起步晚，技术还比较落后，许多问题【1 3 】亟待解决，主要有以下方面：投资不足、 设计水平低，污泥处理处置的专项规划少，技术设备落后，管理水平较低，污 泥处理处置的整体状况混乱。目前，国n 9 0 以上的污泥不经过无害化处理， 直接丢弃，也没有最终处置的途径。有些地区虽然将污泥进行了厌氧消化，生 产沼气，但是难以正常运行；有的地区将污泥晒干农用【1 4 1 ，晒的过程不采取任 何措施，臭气熏天，重金属含量也不可能达标，显然都不是长久之计。且随着 国内污水处理行业的不断发展，污水处理规模将不断扩大，污泥的产量将会逐 3 第一章污泥堆肥技术综述 年增加。据统计，2 0 1 0 年污泥产量达到了3 6 6 5 万吨( 以含水率8 0 计算) ，根据 “十二五 规划，国家将进一步加大对城镇污水处理的支持力度，城市和县城 将基本实现污水处理的全覆盖，污泥的产量还会进一步提高。所以根据国情， 将污泥经过堆肥进行土地利用，应是污泥处理处置切实可行，最有发展前景的 一种途径。 第三节我国污泥堆肥产业技术现状及相关规范标准 一、我国污泥堆肥产业现状 从“八五 时期，我国着手污泥工业化堆肥技术的研究，“九五 期间在唐 山、秦皇岛和北京密云等地建立了2 3 项污水处理厂污泥堆肥示范工程。后来， 国内陆陆续续在北京太原、烟台、洛阳、天津等地建设了市政污泥堆肥工程和 一些工业污泥堆肥项目，但到目前为止，正常运行的总数加起来不足2 0 座，处 置规模也在每天1 0 3 0 0 吨不等，并且运行项目也存在产出物料用途不明确、处 理标准不统一、技术水平参差不齐以及其重金属、臭气排放等问题，这些因素 都严重影响了污泥堆肥产业的发展。另外，经济因素也是制约产业发展的另一 重要因素。我国的污泥处理处置费用( 包括污泥浓缩脱水) 一般占污水处理厂 工程总投资和运行费的2 4 _ 4 5 ，而欧美等发达国家的这一比例能达到 5 0 7 0 。所以由于投资及运行费用高昂的原因，国内绝大部分的污水处理厂 对污泥处理的配套设施也不完善，或者干脆不进行污泥的稳定化处理，即使有 部分污水处理厂建有完善的污泥处理设施，也因其运行费用高而难以正常运行。 就拿我们天津市来说，全市4 座大型污水处理厂每年产生约1 5 0 万吨污泥， 未经处理全部露天堆放在市区周边，2 0 0 8 年以前还有部分污水处理厂利用污泥 生产沼气，但是2 0 0 8 年以后，各处理厂的沼气生产也因为种种原因处于停产状 态。近年，随着城市周边区县的发展，污泥随意堆放产生的环境问题进一步凸 显。2 0 1 1 年3 月份，污水处理厂因为污泥的随意堆放，接到了天津市环保局的罚 单。这种污染转移的做法肯定是行不通的。 二、污泥堆肥相关规范标准 4 第一章污泥堆肥技术综述 ， 与发达国家完善的污泥处置标准体系相比，我国关于污水污泥处置标准体 系的建设起步较晚，我国较早的农用污泥堆肥是参照1 9 8 4 年制定的农用污泥 中污染物控制标准( g b 4 2 8 4 8 4 ) 执行，一直n 2 0 0 2 年才出台城镇污水处理 厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 9 2 0 0 2 ) ，主要指标也是基于g b 4 2 8 4 8 4 的标准制 定的。因为缺乏科学健全的污泥处理处置标准体系和规范，所以一直难以有效 指导污泥处置工作的实践，各城市污水处理厂污泥无序外运，随意弃之不管的 现象非常严重。随着污泥引起的生态环境问题的进一步突出，各有关部委陆续 颁布出台了相关标准和规章。从2 0 0 7 年开始，住房和城乡建设部先后颁布实施 了城镇污水处理厂污泥泥质( c j 2 4 7 2 0 0 7 ) ，城镇污水处理厂污泥处置分 类( c j t 2 3 9 2 0 0 7 ) ，城镇污水厂污泥处置园林绿化用泥质( c j 2 4 9 2 0 0 7 ) 等四项标准。才加快了我国污泥处理处置的技术导则和标准规范的编制进程。 2 0 0 8 年、2 0 0 9 年，住房和城乡建设部、国家标准化委员管理会，国家质量监督 检验检疫总局相继出台了城镇污水处理厂污泥处置农用泥质( c j t 3 0 9 2 0 0 9 ) 、 城镇污水处理厂污泥处置土地改良用泥质( c j t 2 9 1 2 0 0 8 、g b t 2 4 6 0 0 2 0 0 9 ) 、 城镇污水处理厂污泥泥质( g b 2 4 1 8 8 2 0 0 9 ) 等相关规范和标准，对进一步 规范我国的污泥处置工作，指导镇污水处理厂妥善处置产生的污泥，提高污泥 资源化利用率，最终实现污泥的稳定化、减量化和无害化，起到一定的推动作 用。 表1 4 现行污泥处理与处置相关规范 i私橡k ，俘jq 如j 他 工j 连i 污水垃碍j 湾逆蛉，j 泣c 了，t ：1 一：0 0 5t i ，王0 c 槛i 疗? o 呶钍鲜； 渺廿够：珏 聘川雠，囔 c 了t ：8 鲁一：i 凇 佴i 尊羁：蜘_ 。弹心皇 3域街，k 链碍，? ；芷证就衣芘峨 c 了t 3 0 9 2 0 0 9q o 枞西 垃挪 c j ：1 8 一：o 供坦f | 乏铺 tj 碱憾扣水处理j 污抛恐鬟阏棒缄 匕嘲诧鹰 l 碗妊一嘎辅璐街n 静“娩乜硒 函。t ：3 4 , 幽- 2 0 0 9 。 j h 残颤枷礴，匕狰理丕张袅 凹7 t ：4 争：i理：c 5 域镏i 污水链j 孽j 。扣黼镪鬟铺 奔垠= 罐矧髭j ，e瞰t 磺譬躺钟降聱吩绳胞确 j t ：31 8 5 一：0 0 9 。 j 【司：嵋t 扣河 i 匕麓+ ，妒奄挑： l j r ：9 1 一：等! j ，0 扛册。幺皇窆：2 ： 6抽t 馕河玳处理j + 污貔l 钮莨土地嫩良嘲g 巴哦随寐须廿龋埒杉牡畸礁怠髑 g t ：4 目x 卜0 0 0 9 。川羽篾毒二h ，艉f 匕狰珊垂醚会 c j ，了：9 p ：c 嘴 ! ，：杠斌幺 羔畦w _ r 轴蠢镰污水赴理，拧抛处暨雌独缝烧蜊滗屣旧轵顺艟船舒修聱崎；越砖确 e 8 | t ：4 6 0 ：一：o 口争 - t 【韶：轻扛扣传池 譬呷备醚；： 8 域镳，o 水e 弹i ；j 沌h 卜搅t 诧鲍t 4 牛_ 圳：圮瓶 c 了了3 1 ：0 0 9i p f ? ：f 。j 勰o t 兰强五 9触；踅。_ 乱 _ t ，f ：7 ；t z ：，i i 乏k j 鬯t 诬0 t 峨名i 波：撂 域：b 污水处躞 啦? ，甘臼f 敬q 溉c 工：5 9 3 i 翌竣0 e c j 了：s 争- 2 0 c 疗 罐竣露 1 1 城镇污水处删。污坭缝鬟缔炎 阻墩两辅：璐搿p 妒蟓峻砖确 c t2 3 + 鸽一l ：o 。9 l ，娴滴袅协：准一匕辑三! i ! 蠡h 众 c 了2 4 7 3 d 0 7 盒i ，王j c l ： 域竣泻水处理f 蚵怼滗顼 暖絮褥留船钎 = j = 瓣呛绳总蠲 c 昌2 圣1 8 8 2 0 0 9 l l 鞠。嘲鞋h 、i 咎艺载：瑚蠡髓会 5 第一章污泥堆肥技术综述 第四节污泥堆肥机理及系统 一、污泥堆肥机理一、珂泷堆肥j e j l 埋 堆肥是利用污泥中微生物的作用，将不稳定的有机质转化成为较为稳定的 有机质、并使挥发性物质含量减少的过程。将污泥按一定比例与各种锯末、树 叶等植物残体或草炭、生活垃圾等混合，利用微生物群落的分解作用，在潮湿 环境中对多种有机物进行氧化分解，使有机物转化为类腐殖质。一般分为好氧 和厌氧两种工艺。好氧堆肥因为具有堆置周期较短、散发臭味较小、分解物质 彻底、适宜机械化作业等诸多优点而成为污泥堆肥的常用工艺。 堆肥化的过程是一个生物化学反应过程，不论好氧堆肥还是厌氧堆肥，都 是微生物在一定条件下将堆料中的大分子有机物分解为小分子的有机物、二氧 化碳、水及各种含氮物等，同时释放热能。堆肥过型嘲- 【2 0 l a e 温度的升高是由于 好氧细菌、真菌、酵母菌和放线菌在分解有机物过程中释放出的热量造成的。 好氧堆肥从堆积到腐熟大致分为三个阶段，即中温、高温及腐熟三个阶段。 ( 一)中温阶段 堆肥的初期，堆体基本呈中温。此阶段微生物以中温、需氧型为主，适合 于中温阶段的微生物种类极多，最主要是细菌、真菌和放线菌。这些菌类不但 分解有机物的能力特别强，对不同温度有各自的适应性，而且对各自喜好的化 合物种类也各不相同：比如放线菌和真菌特别喜欢纤维素和半纤维素物质，而 细菌对分解水溶性单糖类有特殊功能。我们把这类中温阶段非常活跃的微生物 称为嗜温性微生物。他们以堆肥中的蛋白质、糖、脂肪和碳水化合物等可溶性 有机物质作为能量来源，进行繁殖。在转换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，促使堆料温度不断上升。随着温度上 升，嗜温菌更为活跃，并大量繁殖，这样又导致更多的有机物降解和释放出更 多热能，随着温度的进一步上升，堆肥进入第二阶段，嗜温性微生物的适应能 力逐步下降。 y u n gc h a n g 和h u d s o n ( 1 9 6 7 ) 通过对堆肥化过程中真菌群落的演替情况进 行研究，认为决定真菌在堆肥中繁殖最重要的两个因素是真菌利用复杂碳源的 能力和耐受高温的程度。在升温阶段，他们认为在升温的头几天，嗜温菌会很 6 第一章污泥堆肥技术综述 的分解率所超越，微生物量减少，此时能量水平低，耗氧也减少，故通气量可 以随之减少。 在微生物活性经历高温阶段三个时期的变化后，与之前的有机质分解过程 不同，堆积层内就开始发展与之对立的另一过程，即腐殖质的形成过程，此时 堆肥物质逐步进入稳定状态。 ( 三)腐熟阶段 经过高温阶段的内源呼吸期后，堆料中的绝大部分有机物基本降解完毕， 只有部分较难分解的有机物和新形成的腐殖质，此时因为缺乏足够的营养物质， 嗜热微生物停止生长，生物活性下降，发热量减少。堆料的温度也随着散热而 逐渐下降，此时堆肥过程进入第三阶段腐熟阶段。 在此阶段，中温微生物重新成为优势茵。进一步分解残余和较难分解的有 机物，使得腐殖质不断增多，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。进入腐熟阶段的堆肥，含水量降低，氧扩散能力强，需氧量 也大大减少，物料间隙率增大，此时只需要保持自然通风。 二、堆肥工艺与堆肥系统 ( 一)污泥堆肥工艺 堆肥工艺主要分为前处理、一次发酵、二次发酵、后处理四个过程。 幸亏泥 混台 。4 琏姚菇疆。 图1 1堆肥的一般工艺流程 堆肥 产品 前处理：脱水污泥的含水率一般较高，能达到7 5 8 5 ，结构紧密，透气 性非常差，一般都要进行含水率、p h 值和粒度调整等前处理。含水率调整的主 要方法有：添加辅料、成品回流、干燥和二次脱水等。调整到适合堆肥的5 5 6 0 8 第一章污泥堆肥技术综述 料堆的相对位置不变，所以称为强制通风静态垛系统。该系统能否正常运行的 关键是通风系统，通风系统也是温度控制的主要手段，因为堆肥过程中，通风 不仅为微生物降解提供足够的氧，同时去除二氧化碳和氨等气体，散热并蒸发 水分，所以风管的布置十分重要。通风管可置于场面或地沟内，可采用正压或 负压通风，或两者同时应用。 3 发酵槽系统发酵槽系统主要用于一次发酵。发酵槽系统装置主要包括发 酵槽、通气装置和搅动装置等设备。因为发酵槽形状决定通气装置和搅动装置 的形式，通常按发酵槽形状把发酵装置分为：立式多段发酵槽筒仓式发酵 槽，卧式旋转发酵槽卧式敞口发酵槽。各种发酵槽系统的性能见下表1 5 【2 1 】： 表1 5 各种发酵槽的性能比较 发酵槽立式多段筒仓式卧式旋转卧式敞口 能力 大中大小中 占地面积小中大中 操作性能一般一般容易容易 排气处理容易容易容易困难 动力费小 小中中 建设费高 由 小中 根据表1 5 ，各种发酵槽都有其长处和短处，如立式发酵槽处理能力大，占 地小，动力费用小，适合污泥堆肥处理，但建设费用高。总之选用时应根据具 体情况，选择合适的发酵装置。 第五节污泥堆肥的影响因素 污泥堆肥【2 2 2 7 】过程是个相当复杂的过程。影响堆肥化因素很多，归纳起来 主要有以下几个方面：污泥的含水率，温度，通气性，p h 值，碳氮比、物料 搅拌混合程度等。总的原则是各因素都要为微生物创造良好的环境，促进微生 物的增殖，才能顺利实现堆肥化。 一、含水率、皇，j 、干 在堆肥过程中，由于微生物只能摄取其生存必需的溶解性养料，所以含水 率是好氧堆肥的关键因素，堆肥过程要保持适当的含水率。含水率过高会延长 1 0 第一章污泥堆肥技术综述 发酵周期，而且易创造厌氧条件，产生恶臭；过低则会导致堆肥中心温度过高。 所以应加以调节，适宜的含水率应为5 0 - 6 0 。 二、温度 - 一、棚皿，卫 温度是堆肥过程重要的控制参数。在堆肥过程中，微生物生态系统发生群 落演替和数量变化。因为每种微生物适宜生长的温度范围都不一样，对各种有 机物的分解能力也不一样，因此温度直接影响微生物降解有机物的速度，初始 阶段堆体温度一般与环境温度一致，中温菌( 嗜温菌) 担负着大部分代谢活动。 堆肥过程是放热过程，经过中温菌1 2 天的作用，堆肥温度便能达到高温菌理 想温度5 5 - 6 0 ，一般堆肥只要4 5 天即可达到无害化。如果不控制温度，温 度可高达7 5 8 0 摄氏度，过高的温度会过度消耗有机物，降低堆肥质量；而低温 会延长堆肥发酵的时间。因为温度的变化在很大程度上受氧气用量的限制，因 此，最佳环境条件要包括好氧微生物赖以生存的有效通风量，即适宜的通气性。 三、通气性二、通气任 堆肥化微生物大部分是好氧性的，通风量的多少与微生物活动的强烈程度、 有机物的分解速度及堆肥的粒度密切相关，所以通风供氧条件非常关键。堆肥 时必须保证充分供氧，以保证有机物得到彻底分解。通气的作用除供给氧气以 外，还能控制温度和水分，因为通气量多，带出的热量和水分就多，堆肥的温 度就会下降。一般在堆肥过程中常由温度的变化反馈控制通风以保证堆肥过程 处于微生物生长的理想状态。 四、p h 值 p h 值是对微生物环境估价的参数，脱水污泥的p h 值一般在5 - 7 之间，而细 菌和放线菌的最适宜p h 值，是中性或弱碱性，而因此需对p h 值调整。一般来说， p h 值在6 1 0 范围内堆肥化就能进行。在整个堆肥过程中，p h 值随时间和温度 的变化而变化：堆肥初期，由于生成有机酸，p h 值会下降( 可降至5 o ) ，然后 随着酸性被中和，会上升，腐熟堆肥的p h 值一般在6 8 之间。在一般情况下， 在堆肥过程中，成品回流对p h 值有足够的缓冲作用，能使p h 值稳定在可以保证 第一章污泥堆肥技术综述 好氧分解的酸碱度水平。 五、碳氮比 碳和氮是微生物生命活动和细胞合成的重要原料和能源。就微生物对营养 的需要而言，碳氮比是一个重要的因素。初始碳氮比一般控制在3 0 - 3 5 ：1 比较 合适。过高会延长堆肥时间，过低，会造成有效氮的流失，影响污泥肥料的肥 效。 六、物料搅拌、混合频率 搅拌、混合是为了把空气包裹到堆料颗粒间使空气与堆料接触均匀，达到 供养和促进水分蒸发的目的。在堆肥化过程中，搅拌的频率取决于每批物料的 特性和降解速率。堆肥起始阶段需要较为频繁的搅动。污泥湿度太大时，需要 频繁的翻动，以便尽快蒸发掉水分。一般在温和的气候条件下，典型的工艺是 在堆垛后的第3 天，温度升至7 0 c 以上，就要翻动，温度太高会增加有机质的损 失，所以，一旦温度高于7 0 ，就要每天翻倒一次，至到完全腐熟化。 1 2 第二章污泥中的重金属及其与微生物的相互作用 第二章污泥中的重金属及其与微生物的相互作用 第一节污泥中的重金属 一、重金属含量和种类 重金属是污泥中最主要的污染物之一。了解重金属的种类和含量是合理有 效处置城市污泥的基础。依据我国农用污泥标准( g i m 2 8 4 - 8 4 ) 和美国优质污 泥标准( u se p a1 9 9 4 ) ，我国城市污泥中存在的超标重金属主要有h g 、a s 、 c u 、z n 、p b 、c d 、n i 、c r ，但是所含的重金属种类虽然大同小异，但其含量相 差非常大，差值最高能达几千m g k g ；。根据统计，z n 是含量最高的元素，均值 能达1 4 5 0 m g k g 。这可能是因为我国城市大量使用镀锌管道，从而导致污水中 z n 含量较高；c u 和c r 次之；毒性较大的重金属h g 、c d 和舡含量往往较低，通 常在几到十几个毫克千克范围内( 见表2 1 ) 。并且污泥中的重金属含量也和所 处理的污水类型有关，以处理工业废水为主产生的污泥，重金属含量往往很高： 而以处理生活污水为主产生的污泥，重金属含量普遍较低。 表2 1中国城市污泥中重金属含量 统计样本的标准率， 重金属 样本数 变化, 范m m g k g平均值m g k gg b 4 2 8 4 - 8 4 新标准u s e p i a p h 6 5 h g 3 30 - - - 9 32 8 4o 00 c i i5 92 8 4 3 0 6 8 o4 8 63 0 1 20 c d5 40 0 5 - - - 1 6 82 9 700 0 n i3 51 0 4 3 7 47 7 51 11 l 0 p b5 50 6 6 6 9 o1 3 1o0 0 c r3 70 4 7 2 81 8 50 0 a s2 60 2 9 4 7 o 1 6 1 o0 0 z n 5 71 6 8 7 3 8 4 01 4 5 0 5 5 9o 而且随着社会经济的发展和环保意识的提高，污泥中重金属的含量会逐渐 1 3 第二章污泥中的重金属及其与微生物的相互作用 降低。据杨军、郭广慧、陈同斌等中国城市污泥的重金属含量及其变化趋势， 2 0 0 6 年从全国范围内选取了1 0 7 个城市的污泥样品，对其中的重金属含量进行了 测定。结果表明：污泥中缸、c d 、c r 、c u 、h g 、n i 、p b 、z n 的平均含量分别 为2 0 2 、2 0 1 、9 3 1 、2 1 9 、2 1 3 、4 8 7 、7 2 3 和1 0 5 8 m g k g 。与城镇污水处理厂 污染物排放标准相比较，污泥中c d 、c u 、n i 和z n 含量的超标率相对较高，分 别为6 5 、6 5 、6 5 和1 1 2 。而与2 0 0 1 年以前的调查结果相比，污泥中的 重金属的含量总体上呈下降趋势，其中h g 、n i 、c d 、c r 、c u 、p b 和z n 的含量 分别降低了2 5 、3 7 2 、3 2 3 、4 9 7 、5 4 9 、4 4 8 和2 7 。 二、污泥中重金属的形态 重金属在城市污泥中的存在形态较多，一般来说，堆肥污泥中重金属的存 在形态可分为：可提取态( 包括水溶态和离子交换态，m g c h ，n a o a c 等提取) 、 有机结合态( n a 4p2 0 7 或h 2 0 2 等提取) 、碳酸盐或者硫化物结合态( e d t a 或d t p a 等提取) 及残渣态( h n 0 3 、i - i f 、h c l 0 4 等混合酸提取) 等。通常研究中对第一 种形态的重金属离子最为关注。这是因为决定重金属离子毒性的关键在于能被 作物吸收的重金属的多少，即重金属离子的生物有效性的大小。植物能吸收的 重金属离子一般为可提取态，而其他形态的重金属离子则不易被植物吸收。 三、重金属对环境的影响和危害 污泥中重金属含量虽然较低，但某些重金属离子即使浓度很低也有较高的 毒性，如p b ，h g , c d 等。p b 会造成细胞膜损伤，破坏营养物质的运输；h g 能抑 制蛋白质和核酸等生物大分子的合成，引起突变，停止细胞分裂：c d 也有致突 变效应，能导致d n a 链断裂。污泥中的重金属能够直接进入到土壤、水体和大 气中，也能够通过各种途径在大气、水体和土壤中迁移转化，造成各类环境要 素的直接污染和间接污染【2 8 1 。并且重金属不能被微生物降解，只能在各种形态 之间相互转化，因此重金属对生物引起的影响和危害也越来越被人们关注。 ( 一)对人体和动物的影响 进入到大气、水体、土壤等环境的重金属i 力l - 1 3 1 1 ，都可通过呼吸道、消化 道和皮肤等各种途径被动物吸收。当这些重金属在动物体内积累到一定程度时， 1 4 第二章污泥中的重金属及其与微生物的相互作用 就会影响到动物的生长发育、生理机能变化，甚至引起动物死亡。许多重金属 是维持人体各种机能正常的必需的微量元素，一旦缺乏就会危害人体健康。但 如果超过某一限度又会对健康造成危害。如2 0 世纪五六十年代日本发生的“骨 痛病 事件，就是因为消费者长期食用受镉污染的食品所致。 ( 二)对土壤的影响 堆肥中的重金属能富集在土壤微生物的表面，破坏细胞膜的功能而进入细 胞内部，使某些细胞成分逸出，同时与蛋白酶结合，抑制酶的活性，最终导致 微生物失去正常的生理机能或大量死亡。并且如果长期施加堆肥，重金属离子 下渗到土壤中造成污染。目前我国的铜、镉污染土壤就较为普遍。1 9 8 0 年中国 农业环境报告指出，我国农田镉污染面积3 3 3 h m 2 ，沈阳张士污染区附近土壤的 耕作层c d 含量为4 9 9 k g 。 ( 三)对植物的影响 各种重金属在植物体内部都有一定的自然含量，即背景值。当植物体内 富集的重金属含量超过了它所能忍受的最大剂量时，植物体表现出明显的伤害 症状。受重金属污染后的植物，叶绿体受到破坏，其生长发育也受到影响。 ( 四)对水体的影响 天然水体中重金属产生毒性效应的浓度非常低，一般只要达到1 l o m g l ， 就可出现毒性效应。而毒性较强金属如汞、镉等产生毒性的质量浓度范围在 0 0 0 1 0 0 0 0 1 m g l 之间。并且在水体中的某些重金属，在微生物的作用下 还可转化为毒性更强的金属化合物，如汞的甲基化作用就是其中典型例子。 第二节微生物与重金属之间的相互作用 微生物是所有微小生物的总称，包括原核生物中的真细菌和古细菌、真核 生物中的真菌及单细胞藻类等。具有分布广泛，种类繁多，繁殖迅速，适应能力 强等特点。微生物作为分解者几乎能降解或转化环境中存在的各种天然物质， 即使有新物质出现，也能逐步通过诱导产生新的酶系，具备新的代谢功能可以 这么说，在适宜的条件下，一般污染物都可以被合适的微生物降解和转化。 环境中的某些重金属在低浓度时不会对微生物产生不利的影响，反而会对 1 5 第二章污泥中的重金属及其与微生物的相互作用 它们有利，这是由于某些金属是微生物细胞中的酶的必需成分，如糖代谢过程中 羧化酶、磷酸化酶、丙酮酸氢化酶等的活性需要这些离子。此外，一些微生物可 以从金属化合物的氧化还原过程中获得能量。然而，高浓度的重金属可以抑制微 生物的生长和繁殖、阻遏呼吸作用、使细胞形态异常甚至使细胞裂解、改变核 酸和蛋白质的结构、干扰氧化磷酸化、影响细胞渗透压平衡。因此，微生物在重 金属污染环境中逐渐形成了一些对重金属抗性的种群，包括细菌、放射菌、真菌 等，它们通过生物解毒对重金属毒性产生抗性，能够在重金属浓度污染的环境中 生长繁殖，通过与重金属之间的相互作用来减轻重金属对环境的危害。近年来 随着一系列重金属超标、中毒事件的发生，重金属污染也越来越受到公众的关 注。处理重金属污染的传统方法多为物理化学法，都存在着投资大、能耗高、易 产生二次污染等缺点。自从上个世纪8 0 年代以来，生物修复技术因具有对环 境影响小、处理费用低等优点，受到人们的追捧，成为治理重金属污染的研究 热点。 图2 1 金属与微生物之间的相互作用示意图 近年来，细菌与真菌对重金属的富集、转化作用成为微生物与重金属作用机 理的研究焦点嘲吖蚓。研究者一般认为，微生物对重金属之间作用机理主要有细 胞的吸附作用、生物转化作用等。细菌对重金属的富集转化主要通过氧化还原、 细菌淋滤、细胞壁吸附和其他生物协同作用进行；真菌富集环境中的重金属主 要通过细胞表面吸附和重金属硫蛋白的络合作用。 一、微生物对重金属的吸附作用 微生物吸附重金属的途径非常多，机理也十分复杂，根据是否消耗能量， 1 6 第二章污泥中的重金属及其与微生物的相互作用， 一般分为活细胞吸附和死细胞吸附。 活细胞吸附如革兰氏阳性细菌的细胞壁中含有的磷壁酸带有较强的负电 荷，能吸附金属阳离子；革兰氏阴性细菌细胞壁中的肽聚糖层中的脂多糖，带 有硫酸根、氨基、醛基、羧基、以及羟基等较强的负电荷官能团，也能吸附重 金属阳离子。真菌也能吸附金属阳离子，其原因是组成真菌细胞壁的蛋白质、 葡聚糖、甘露聚糖和几丁质等成分也带有较强的负电荷。在以上这些活细胞吸 附中，重金属离子的富集是一个长期过程，是随着微生物细胞代谢过程进行的。 当然活细胞积累富集重金属离子的能力也有限，过量的重金属对微生物产生毒 害作用，抑制微生物的生长。而且死细胞的吸附量并不比活细胞低。v e i t 等人 通过研究发现，在p h 、温度等合适的外界条件下，死去的风尾菇对c u 2 + 的富集 吸收能力非常强，最高时能达4 7 7 的干重分数。 目前发现的能吸附重金属离子的微生物非常多泓卜1 ，主要由细菌、真菌和 藻类组成。如细菌包括芽孢杆菌、动胶菌、假单胞菌属、荧光假单胞菌、雪白 链霉菌、铜绿假单胞茵等；真菌包括黑曲霉、被胞酶、白腐真菌、产黄青酶、 酿酒酵母等；藻类包括角藻属、马尾藻、海洋巨藻等。其中某些微生物对富集 重金属元素的能力非常强，如芽孢杆菌对c d 的富集可以达到其生物量的2 1 4 ( 干重) ，对p b 的富集可高达6 1 。 微生物吸附重金属能力的大小的另一重要因素是环境中的p h 值。在一定的 p h 范围内，p h 值升高，吸附量增大。如t u n a l i 等研究头孢霉吸附p b 2 + 的规 律时发现，当p h 值由3 增加到5 时，随着p h 值的升高吸附量增大，而如果p h 值 大于5 0 以后，吸附量又逐渐下降，当p h 小于2 溶液呈强酸性时，反而会限制对 金属离子的吸附，因为重金属的结合位点大都被为h 3 0 + 占据。李清彪等的研究 表明，环境温度也是影响微生物吸附能力的另一制约因素。当溶液中存在其他 金属离子时，这些共存离子与主要离子竞争细胞上有限的带负电荷的基团，一般 都会抑制主要金属离子的吸收，从而导致主要金属离子的吸附量的减少。另外， 如果对微生物吸附剂用酸、碱浸泡或加热等物理化学的处理，都会不同程度改变 其吸附能力。如用0 2 m o l l 的n a o h 溶液处理白腐真菌后，发现它对2 5 m g l 的 铅溶液的吸附率达到了9 5 以上，明显高于未经碱处理的吸附量( 6 6 6 4 ) h 3 卜m 3 。 二、生物转化作用 1 7 第二章污泥中的重金属及其与微生物的相互作用 ， ： 生物转化也称代谢转化，是指外来化合物在生物体内经过一系列化学变化， 形成衍生物、分解产物的过程，所形成的衍生物即为代谢物。微生物通过这一 转化过程，改变重金属离子活性，从而影响其生物有效性。自然条件下，许多 微生物可通过氧化还原作用、脱氢作用等将重金属离子转化为无毒或低毒的形 态。 ( 一)还原反应 金属还原微生物能够还原许多导致环境问题的价态的重金属和放射性核素， 包括f e 、u 、c r 、t c 等，将具有生物毒性的氧化态的高价态的重金属转化为还原 态，把污染重金属还原成低毒稳定的形态，降低重金属的生物毒性和迁移能力。 如金属还原细菌将f e 3 + 转化成f e 2 + ，将c r 6 + 还原成c r ”：再如硫还原细菌，和 重金属作用发生氧化还原反应产生h 2 s ，就能把迁移性强、且可溶的旷还原成 旷，使其难溶且易固定。 ( 二) 氧化反应 某些微生物能从氧化重金属离子的过程中获得能源，达到影响重金属活性 的效果。如化能自养亚砷酸盐氧化菌因为含有亚砷酸盐脱氢酶，能将a s ”氧 化成a s 5 + ，在大大降低其生物毒性的同时，微生物将获得的能量将二氧化碳固 定为细胞的有机碳，促进自身的生长繁殖。 ( 三)细胞外沉淀 细胞外沉淀是指细胞周围物质在