（环境工程专业论文）白龙港污水处理厂污泥一次发酵通风量研究.pdf

摘要 摘要 白龙港污水处理厂是上海市三座大型污水处理厂之一，采用的是一级加强 污水处理工艺，日产污泥量1 0 5 0 m 3 ( 折合含水率为8 0 ) ，拟订的污泥处理处置方 式为脱水加填埋。但由于污泥量大、桔性强、含水率高，给填埋操作造成了困 难，且目前填埋场的设计寿命仅有三年。 如果先采用好氧堆肥化技术使污泥迅速达到无害化，稳定化和一定程度的 减量化，将缩短后续处置的周期。而且，随着上海经济建设的发展和环境要求 的提高，需要提供大量的城市绿化用营养土，土中的重金属不进入食物链，这 为大量污泥的再利用提供了机遇。因此，采用堆肥化加填埋( 或土地利用) 的 处理处置方式来解决白龙港污水处理厂的脱水污泥是合理的。 在污泥堆肥化一次发酵中，通风量是一个很重要的控制参数，只有选择了合 适的通风量，才能保证堆肥化的顺利进行，使得堆料中各物质向理想的方向转 变。白龙港污水处理厂的脱水污泥有机物含量较低，不到6 0 ，如果通风量选择 不当，可能将使堆体高温所持续的时间达不到无害化的要求，同时由于堆肥化 过程的复杂性，通风量是很难从理论上计算的，必须通过试验确定。 本文的研究j 下是在这样的背景下开展的，在o 2 2 m 3 堆料规模的基础上探讨 白龙港脱水污泥进行一次发酵合适的通风量，丌展了如下的三期试验： 第一期试验借鉴城市生活垃圾好氧静态堆肥化处理技术规范推荐的风 量，研究使得白龙港脱水污泥一次发酵顺利进行的通风量大致范围。试验结果 表明：为了使堆料在5 5 以上保持三天，通风量不宜超过o 1m 3 ( m i n m 3 堆料) ： 同时通过此期试验中耗氧速率及v s 变化的分析，得出此类污泥一次发酵时间为 6 或7 天。 第二期试验研究上期试验中得出的通风量是否具有一定的“兼容性”。即所 选择的通风量适合哪一范围的物料配比，并找到其中的最佳配比。结果表明： 通风量o 1m 3 ( m i n m 3 堆料) 适合较宽范围配比的物料，并能使堆料5 5 以上保 持三天，风量0 1m 3 ( r a i n m 3 堆料) 所对应的最佳配比为污泥：木屑：回料= 4 - 3 ：1 ( 体积比) 。但是堆料中回料所占比例较大时，若采用通风量o 1m 3 ( m i n m 3 堆料) ，将使堆体温度在高温阶段的变化不平稳，同时考虑到堆肥化起始阶段堆 体温度迅速达到高温的最小风量为0 0 5 3m 3 ( m i n m 3 堆料) ，建议采用连续通 摘要 风方式进行一次发酵时，最佳通风量为0 0 6 , - , 0 0 8m 3 ( m i n m 3 堆料) ，这即能 满足无害化要求，又能使堆体温度在高温阶段变化平稳，同时使堆体在较短时 间内达到高温。 第三期试验从节能的角度进一步优化通风量，研究时间控制方式下的间歇 通风。当堆料配比为污泥：回料= 1 ：1 时，通过耗氧速率的测定，得出此配料下 满足微生物最佳氧浓度要求的通风频率为：通风3 0 m i n ，停4 5 m i n ，风量为 0 0 7 6 m 3 ( m i n m 3 堆料) 。与连续通风的试验结果相比，上述的间歇通风频率可 以保证堆体的高温持续时间满足无害化的要求，但在前两天由于堆体的氧浓度 降到1 1 以下，建议在堆肥化前4 8 h 采用连续通风，以满足微生物分解有机物对 氧的需求；由于间歇通风方式下通过堆体总的风量较少，使得堆料含水率的变 化较低，为了对此进行改进，到了一次发酵后期可将间歇通风改为连续通风， 以去除水分。 通过这三期试验完成了初期所制定的目标，为工程化开展提供了有价值的 数据，并通过试验数据的定性分析进一步充实了堆肥化基础理论。 关键词：堆肥化，一次发酵，通风量，间歇通风，耗氧速率，一级加强脱水污 泥 a b s t r a c t a b s t r a c t b a i l o n gh a r b o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ti so n eo ft h r e el a r g e s tw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n t si ns h a n g h a i i tt a k e se 1 1 l l a n c e dp r i m a r yt r e a t m e n tp r o c e s s a c c o r d i n g t ot h ei n i t i a ld e s i g n ，t h ea m o u n to ft r e a t e dw a a t e w a t e rw i l lb e12 0 1 0 4 m p e rd a y , a n dt h ev o l u m eo f s l u d g e ， 10 5 0 m ( t h em o i s t u r ec o n t e n t 8 0 ) ， f r o n t w a s t e w a t e r - t r e a t m e n to p e r a t i o n sa n dp r o c e s s e sw i l lb ep r o d u c e d t h es e w a g es l u d g e t r e a t m e n ti s d e w a t e r i n ga n dt h a t s d is p o s a ll a n d f i l l t h ed e w a t e r e ds l u d g ei s c h a r a c t e r i z e db yh i g hm o i s t u r ec o n t e n ta n dv i s c o s i t y i ti sn o ts t a b i l i z e da n dh a st h e p o t e n t i a lf o rp u t r e f a c t i o n a l lt h e s ep r o v i d ed i f f i c u l t i e sf o rl a n d f i l l w h a t sm o r e ， a c c o r d i n gt ot h ev o l u m eo fp r o d u c i n gs e w a g es l u d g ep e rd a y , t h ep r e s e n td e s i g n e d a r e ao fl a n d f i l lo n l yc a nb eu s e di nt h r e ey e a r s i fu s i n gt h ec o m p o s t i n gt e c h n o l o g yt r e a t st h i sk i n ds l u d g e ，i tw i l ln o to n l y m a k ei ts t a b i l i z e d ，b u ta l s of a c i l i t a t et h el a n d f i l lo p e r a t i o na n de x t e n du s i n gp e r i o do f t h el a n d f i l l b e s i d e s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs h a n g h a iu r b a n i z a t i o n ，i tn e e d sal o to f n u t r i m e n t a ls o i lf o rt h eu r b a nl a n d s c a p eg r e e n i n g t h i sg i v e sa no p p o r t u n i t yf o rr e u s e o fs t a b i l i z e ds l u d g e t h e r e f o r e ，i tr a t i o n a lt os o l v et h ep r o b l e mo fd e w a t e r e ds e w a g e s l u d g eo fb a i l o n gh a r b o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tb yt r e a t i n g i ti nm e a n so f c o m p o s t i n ga n dd i s p o s i n gt h a ti nw a y so f l a n d f i l lo rl a n da p p l i c a t i o n i nt h ec o u r s eo fc o m p o s t i n g ，a i rm u s tb es u p p l i e dt oac o m p o s t i n gm a t e r i a lt o s u p p l yo x y g e nf o rb i o l o g i c a ld e c o m p o s i t i o n ，r e m o v em o i s t u r ef r o mt h ee o m p o s t i n g m a s sa n dr e m o v eh e a tt oc o n t r o lp r o c e s st e m p e r a t u r e s ot h ea e r a t i o ni sa ni m p o r t a n t t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ro fm o d e mc o m p o s t i n g a sc o m p o s t i n gi sac o m p l i c a t e dp r o c e s s ，t h ea e r a t i o na m o u n ti sd i f f i c u l tt ob e c a l c u l a t e di nt h e o r y t h ee f f e c t i v ew a yt og e ts u i t a b l ev a l u ei se x p e r i m e n t t h e r e s e a r c hp r o c e d u r ei sd e s i g n e da sf o l l o w s ：f i r s t l y , s t u d y i n gr o u g h l yr a n g eo fa e r a t i o n a m o u n tf o rc o m p o s t i n g ，a n da n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo fa e r a t i o no nc o m p o s t i n g 。 s e c o n d l y , s t u d y i n gw h i c hm i x t u r er a t i or a n g eo fc o m p o s t i n gm a t e r i a lt h a tt h ec h o s e n a e r a t i o na m o u n ti sa p p l i e dt o ，d e t e r m i n i n gt h eb e s tm i x t u r er a t i oa n da n a l y z i n gt h e a b s t r a c t i n f l u e n c eo fm a t e r i a lm i x t u r er a t i oo nc o m p o s t i n g l a s t l y , i n t e r m i t t e n ta e r a t i o nw a s s t u d i e dt of u r t h e ro p t i m i z et h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r t h r o u g h s e v e nm o n t h s t e s t ，g e t t i n g t h e s em a i nc o n c l u s i o n sa b o u t a e r a t i o n ：( 1 ) w h e n t h ea m o u n to fa e r a t i o n s u r p a s s e do 0 5 3 m 。( r a i n 。m ) ，t h e t e m p e r a t u r er i s i n g r a t ew a s n o t h i n g w i t ha e r a t i o ni nt h e e a r l yp h r a s e o f c o m p o s t i n g ( 2 ) t h ea m o u n to fa e r a t i o nc o u l d b ec h o i c eb e t w e e n0 0 6 m ( m i n m 3 ) a n d 0 0 8 m 3 ( r a i n m 3 ) w h e nc o m p o s t i n gt h i sk i n ds e w a g es l u d g ei nc o n t i n u o u sw a yo f a e r a t i o n ( 3 ) t h et i m e o fp r i m a r yf e r m e n t a t i o nw a sa d v i s e dt ob es i xo rs e v e n d a y s ( 4 ) b a s i n go nm e a s u r i n go x y g e nu p t a k er a t e ，t h e 疗e q u e n c yo fi n t e r m i t t e n t a e r a t i o nw a sa e r a t i n gi n3 0m i na n ds t o p p i n gi n4 5m i n t h ea m o u n to fa e r a t i o nw a s 0 0 7 6 m 3 m i n m b u ti nt h ee a r l y4 8h o u r s ，i no r d e rt os a t i s f yt h eo x y g e nd e m a n d f r o mo r g a n i cd e c o m p o s i t i o n ，t h es e w a g es l u d g es h o u l db ec o m p o s t e di nc o n t i n u o u s a e r m i o n a n di nt h el a t e rp h r a s eo fp r i m a r yf e r m e n t a t i o n ，i no r d e rt or e d u c em o i s t u r e c o n t e n to fc o m p o s t i n gm a t e r i a l ，t h es e w a g es l u d g ew a ss u g g e s t e dt ob ec o m p o s t e di n c o n t i n u o u sa e r a t i o n k e yw o r d s ：c o m p o s t i n g ，p r i m a r yf e r m e n t a t i o n ，i n t e r m i t t e n ta e r a t i o n ，o x y g e nu p t a k e r a t e ，d e w a t e r e ds l u d g e i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的e r j l ；l j 本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：起f l 鹏 2 “年。3 月届日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：关理扛 学位论文作者签名：划同乌 缈易年多月汐日 2 口“年弓月届 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：赵8 鹏 2 溺年3 月 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 污泥问题及处理处置的概述 1 1 1 污泥的性质与问题 污泥是污水处理过程中形成的副产物，是一种含水率高( 二沉池浓缩污泥含 水9 7 ，脱水污泥含水8 0 左右) 、呈黑色或黑褐色的流体状物质。按原水的性质 和水处理方法可分为：生活污水污泥、工业废水污泥和给水污泥；按污泥成分可 分为有机污泥和无机污泥；按亲水性又可分为亲水性污泥和疏水性污泥；若按 产生的不同阶段可分为：生污泥、浓缩污泥、消化污泥、脱水污泥和干化污泥等 。在非特指的情况下，污泥一般指市政排水污泥。 污泥的成分很复杂，一般是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物 和无机物组成的集合体，除含有大量的水分外，还含有难降解的有机物、重金 属和盐类，以及少量的病原微生物和寄生虫卵等。 污泥量般占污水处理量的0 6 9 6 _ 田7 ( 体积，含水率为9 7 5 ) ，如果深度 处理，污泥量将会增加o 5 一l 倍，表1 1 中给出了上海市规划污水处理量和污泥 处理量预测值口1 ，由表1 1 可知，2 0 0 5 年上海市污水处理厂污泥产量为7 7 2 吨干固 体日，折合含水率8 0 污泥泥饼3 8 6 0 m 3 日。而在我国其他一些城市化水平较高 地区，如武汉市每天产生的3 0 多吨污泥，预计三年后将从现有基础上增至8 2 5 吨； 深圳则每天产生含水率7 5 - 喝5 的污泥2 5 0 n 屯；大连市目前已建六座污水处理， 厂，每天产生含水率8 0 左右的污泥2 0 0 p 屯：而北京市每天产生2 2 0 1 1 屯的城市污泥。 表1 1 上海市规划污水处理莓和污泥处理量预测值 规划年限近期( 2 0 0 5 年)中期( 2 0 1 0 年)后期( 2 0 2 0 年) 污水处理量( m 3 d ) 4 6 6 x 1 0 5 2 5 x 1 0 4 7 9 5 x i 0 4 污泥产量( t d d s ) 7 7 28 6 01 2 8 6 由于污泥中浓缩了锌、铜和铅等重金属化合物( 如表1 2 所示) 以及有毒的 有机化合物、杀虫剂等，如果处理处置不当，这些有毒有害物质将进入食物链， 导致严重的健康问题。因而，如何将产量巨大、成分复杂的污泥，经过科学处 第一章文献综述 理使其无害化、资源化，已成为我国乃至世界环境领域深为关注的课题之一 表1 2 我国4 4 个城市污水处理厂污泥中重金属含量统计结果伽( 单位：m g k g ) 项目 c dc up b z nc rn i h g a s 平均值3 0 33 3 8 9 81 6 4 0 97 8 9 8 22 6 1 1 58 7 8 0 5 1 l4 4 5 2 最大值2 4 1 03 0 6 8 4 02 4 0 0 o o 4 2 0 5 0 01 4 1 1 8 04 6 7 6 04 6 o o5 6 0 0 0 醚小值 0 1 0o 2 04 1 3 0 9 53 7 01 1 0 o 1 2 o 1 9 巾值 1 6 7 1 7 9 0 01 0 4 1 29 4 4 。o o1 0 l 。7 0 4 0 8 5l 。9 01 4 6 0 中国污泥标准 5 2 02 5 0 k 5 0 03 0 0 1 0 0 05 0 0 1 0 0 06 0 0 10 0 0 1 0 0 k 2 0 05 1 57 5 7 5 ( g b4 2 8 4 ) 1 。1 。2 污泥的处理处置方法 1 1 2 1 污泥的处理 污泥主要处理方法可分为预处理，生物处理和热化学处理： 污泥的预处理，其主要目的是为后续的污泥处理和利用过程提供更为适宜 的物流特性条件，其中脱水占有重要地位，是污泥在处理过程必经的一个技术 单元，水分的去除方法可分为浓缩和机械脱水，浓缩包括重力浓缩，气浮浓缩， 离心浓缩以及水力旋流浓缩；而机械脱水可分为真空过滤脱水、加压过滤脱水 和离心脱水。其中离心脱水是国内外目前常用的机械脱水方式。 常用的污泥生物处理方法为堆肥化和厌氧消化。污泥堆肥化实质上是利用微 生物对污泥进行好氧发酵的处理过程，借助于混合微生物群落，对多种有机物 进行氧化分解，使其转化类腐殖质的物质。其优点为利用生物能，缺点为占地 面积大，周期长，易产生臭气等：厌氧消化，即污泥中的有机物质在无氧的条 件下被厌氧菌群最终分解成甲烷和二氧化碳的过程。它是目前国外主要的污泥 处理方式，日本、欧美等国家和地区采用该法处理污泥占所产污泥量的一半以 上。其优点为工艺能耗低，工艺过程中可产生高能量的沼气，如果加以利用可 减少污水处理厂能耗的5 0 9 6 左右；局限性在于工艺复杂、操作难度大和停留时间 长。 热化学处理技术主要有以下几种：觉结，焚烧处理技术是通过利用污泥中 有机成分高，具有一定热值的特点来处理污泥。主要可分为两大类：一类是脱水 污泥直接送焚烧炉焚烧；另一类是将脱水污泥先干化再焚烧h 1 。与其他的污泥处 2 第一章文献综述 理方法相比较，焚烧的优势在于其产物为无菌、无臭的无机残渣，迅速地实现 了无害化和减量( 减少9 5 ) 的目的，但投资和操作费用较高，焚烧过程中会产生 飞灰、炉渣和烟气等难以处理的物质，可能造成二次污染；煮一7 = 化，污泥热干 化技术指利用热破坏污泥的胶凝结构，去除水分，并对污泥进行消毒灭菌。干 化温度可达9 5 c 以上，能够有效的杀灭病原菌，污泥显著减容。产品稳定无臭， 用途多，可以用作肥料、土壤改良剂等哺1 。但如果污泥进行完全干化，当到含水 】o 以下时能耗将会很大，同时设备投资高；黼它是一种正在发展的新的能 量回收型污泥处理技术，尤其是其中的低温热解，在催化剂作用下无氧加热干 燥污泥至一定温度( 8 0 - - 1 0 0 k n m 2 ，如果无 法满足必须加入填加剂，但这缩短了填埋场的寿命；若脱水后的污泥和垃圾混 合填埋，要求污泥的含固率 1 3 5 ，抗剪强度 2 5 k n m 2 。但污泥填埋也存在一 些问题，尤其是填埋渗滤液和气体。渗滤液是一种被严重污染的液体，如果填 埋场选址或运行不当，这种液体就会进入地下水层，污染地下水环境。填埋场 产生的气体( l f g ) 主要是甲烷，若不采取适当措施会引起爆炸和燃烧。另外， 污泥填埋还要耗费可观的费用，同时适合污泥填埋的场所也因城市污泥的大量 产出而越来越有限。 污泥土地利用因投资少、能耗低、运行费用低、有机部分可转化成土壤改 良剂成分等优点，被认为是最有发展潜力的一种处置方式，这种处置方式是把 稳定后的污泥应用于农田、菜地、果园、草地、市政绿化、育苗基质及严重扰 动的土地修复与重建等。从污泥的成分看，其中有机物、氮、磷等的含量与一 般农家厩肥相当，如表1 3 中所示。若稳定后施用于土地中，对土壤物理、化学 及生物学性状将会有一定的改良作用，同时污泥中的有机物质还可明显改善土 壤的结构，使土壤的容重下降，孔隙增多，土壤的通气透水性和田间持水量提 高睁】。施用污泥还可提高土壤的阳离子交换量，改善土壤对酸碱的缓冲能力，提 供养分交换和吸附的活性位点，从而提高土壤保肥性。污泥中丰富的各种养分， 能明显地增加土壤氮和磷，并能有效地向植物提供养分。此外，污泥可以使土 壤中微生物量增加和代谢强度提高而改变土壤的生物学性状n0 1 。所以污泥土地 表1 3 污泥中的营养成分与农家肥比较 污泥或肥料类别有机成分瞄 氮慌磷钾 天津纪庄子污水厂 4 8 5 3 2 4 3 91 2 3 5o 3 2 o 4 3 太原杨家堡污水厂 3 9 1 9 71 7 2o 5 3 上海曲阳水质净化厂 6 9 1 1 10 1 40 2 鸡粪 4 9 2 3 40 9 31 6 1 猪粪 6 3 2 0 8o 8 91 1 2 牛粪 6 6 1 6 70 4 3o 9 5 羊粪 6 42 0 10 4 91 3 2 4 第一章文献综述 利用是一种积极的，生产性的污泥处置方法。 我国作为一个发展中国家，其广阔的土地资源是发展污泥土地利用的天然 优势。因此无论从经济因素还是从养分利用因素出发，污泥的土地利用是一种 符合中国国情的处置方法。 1 1 3 国内外污泥处理处置情况m 1 六十年代末，西方国家开始开展大规模现代化污水处理，那时的污泥处鼹 方式是把污泥经过脱水减量化后运往农业区或林地进行土地应用。但随着控制 污染和保护环境的呼声提高，此后大量污水处理设施在兴建同时建设污泥无害 化处理设施，改交了原来直接把生污泥应用于农田的状态。这一时期污泥无害 化处理的主要技术和设施是污泥的中温厌氧消化和机械脱水。污泥消化虽可以 抑制病菌，改善污泥的卫生状态，但是降解不了重金属。国外在通过大量的生 态学研究和总结了实际工程经验的基础上，科学的确定了污泥最终处置标准中 的重金属要求( 发达国家的污泥土地使用标准对重金属的要求比国内宽松) ，通 过让污水厂监督管网排水户的方式将责任体联在一起，对重金属的排放实施了 有效的管理使消化污泥达到法定的初级无害化水平。 与此同时，他们还开发建设了一些更高水平的污泥无害化和资源化处置的技 术及设施，主要有机械堆肥、热干化、制成建材等，呈现出多元化努力的状况。 近十来年，在发达国家新缝和改建的污泥处理项目中，有向热解、焚烧等更 高端技术设施发展的趋势，以提高污泥资源化的水平。满足更高的环境要求。 纵观国外近几十年的污水处理和污泥处置的实践，我们看到一条可以借鉴 的基本发展路线。那就是，即便是发达国家，也要根据国情，科学和事实求是 的确定他们的环境标准和阶段目标，并切实加强污泥处置工程的落实和管理； 在污泥处理和处置的思路上从污泥无害化着手，把它作为满足环境基本要求和 社会经济发展基本条件的主要措施和手段：在认识水平上，不应当只将污泥简 单的看作废弃物( w a s t es e w a g es l u d g e ) 来进行管理，而应将其视为一种能 量及资源的载体( b i o s o i l d ) 进行利用。 在我国，早期的污水处理厂，由于没有严格的污泥排放监管，普遍是将污 水和污泥处理单元剥离开来，为了追求污水处理率，尽可能地简化，甚至忽略 了污泥处理处置单元；有的还为了节省运行费用将已建成的污泥处理设施长期 第一章文献综述 闲置，甚至将未做任何处理的湿污泥随意外运、简单填埋或堆放，给生态环境 带来了极不安全的隐患。目前我国虽然开始关注污泥问题，但仍然停留在技术 层次，2 0 0 3 年起，我国主要大城市开始尝试规划污泥处理处置，对其技术方案 进行了论证，如：广州市近期采取生污泥填埋，远期将用于农肥；深圳市目前 产生的污泥均运往下坪固体废弃物填埋场进行填埋处理，远期拟订采取热干化 加焚烧工艺；上海市则根据不同情况，采取处理分散化、处置集约化、技术多 元化的方针；天津市计划建设3 座污泥处理场，采用污泥消化发电工艺，但尚 无污泥最终处置的方法；北京市污泥处理处置专项规划还未经审批，土地利用 将是主要发展趋势。武汉市每天产生的3 0 多吨污泥均送住垃圾填埋场填埋，计 划将来在汉阳、洪山各建一座污泥堆肥处理厂；江岸、青山则各建设一座污泥 建材处理厂，分别将污泥变成肥料或建筑材料。 1 2 污泥堆肥化 堆肥化是依靠自然界中广泛存在的细菌、放线菌、真菌等微生物的复合菌 落，在有控制的特定环境中对多相有机物进行分解并促进其向稳定的腐殖质转 化的生物学过程引。由于堆肥化技术在实际应用中可以到达无害化、减量化、 资源化的效果，并且具有工艺设备简单、节省投资与运行费用等特点，显示了 较焚烧、填埋等其他方法的许多优越性，引起了世界各国的广泛重视，并迅速 成为环保领域内的一个研究重点。 堆肥化过程有好氧堆肥和厌氧堆肥两种，由于厌氧堆肥处理速度较慢，目 前污泥堆肥化基本上采用的是好氧堆肥。 好氧堆肥过程由四个阶段组成，即升温阶段，高温阶段，降温阶段和腐熟 阶段【1 3 】。每个阶段都存在不同的细菌、放线菌、真菌和原生动物。它们利用不 同有机物和前阶段的产物作为食物和能量来源，一直进行到稳定的腐殖质物质 形成为止。可用下式对好氧堆肥化反应进行描述p 】： c s h t n u o v a h 2 0 + b 0 2 c w h x n r o z c h 2 0 + e h 2 0 ( 液) + f c 0 2 + g n h 3 + 能量 ( 堆肥原料) ( 熟堆肥) 堆肥成品c w h 。n 。o ：c h 2 0 与堆肥原料c s h t n 。o 。a h 2 0 之比为0 3 o 5 。通 常可取如下数值范围：w = 5 1 0 ，x = 7 - 1 7 ，y = 1 4 ，z = 2 8 。 6 第一章文献综述 l 一一，一一一 图1 2 堆肥化的工艺流程 堆肥化的工艺过程主要分为前处理，一次发酵，二次发酵和后处理四个部分， 如上图1 2 所示，其中虚线表示可供选择的流程。 在实际的污泥堆肥化工程中，这四个部分都进行了细化，工艺流程更为复 杂。 1 2 1 污泥堆肥化系统 堆肥化系统的分类目前还没达成统一，但都大同小异。s t e n t i f o r d 等根据操 作过程的特点，将堆肥化系统分作干预过程和非干预过程；m a n s e r 等将堆肥化 系统分为简单条垛堆肥系统和复杂机械堆肥系统；h a u g 则根据反应器类型j 固 体流向、反应器的床层和空气供给方式进行分类【l4 1 。在这里为了叙述的方便， 根据污泥在堆肥过程中运动状况、发酵方式以及提供空气的方法，将污泥堆肥 化系统粗略分为条垛系统、强制通风静态垛系统和发酵槽系统。 条垛系统一般是将混合好的污泥和辅料简单堆积成窄长条垛，并通过定期 机械搅拌方式供给空气，使污泥进行好氧发酵。在条垛系统中料堆的规模必须 恰当，太小，保温性能差，受气候影响较大，在处理等量的料堆时，所需的场 地比大料堆要大：但料堆过高，可能会在堆体中心发生厌氧，产生臭味，影响 周围环境。适宜规模参数为：底宽2 6 m ，高i m ，长度不限【1 5 】，【l6 1 。在露天的条 垛系统中，场地必须结实，以便翻堆机出入，同时要有一定的坡度并配有良好 的排水系统，用以收集堆料渗滤液和雨水。 强制通风静态垛系统是在条垛系统的基础上丌发出来的。对于强制通风静 态垛系统，通风管道的布置很重要，穿孔通风管道可置于堆肥场地表面或地沟 7 第一苹文献综述 内，通风方式可采取正压通风、负压通风或两者结合使用。在强制通风静态垛 系统中，污泥堆肥化可在露天进行，但为减轻天气的影响，有些污泥堆肥厂加 盖了大棚。它对场地的要求与条垛系统基本一致。 发酵槽系统是指在封闭或敞开的容器内进行好氧堆肥化的一次发酵，与前 面两种堆肥系统相比，能使操作人员更好的控制堆肥化工艺，发酵槽系统可分 为三类【1 7 】：垂直推流式( v e r t i c a lp l u g f l o w ) ，水平推流式( h o r i z o n t a lp l u g f l o w ) 和搅拌仓式( a g i t a t e db i n ) 。前两个推流式系统中，污泥都直线移动，一般不回 流，可以连续生产，两者区别在于垂直推流式中脱水污泥经混合后由槽的顶部 加入，底部收集；而水平推流式，污泥是从一端加入，熟化后从另一端排出。 在搅拌仓式中，污泥被搅拌机械不停地搅拌，保证在发酵过程中污泥与辅料混 合均匀，并多次回流，只能批量生产。 上述的三种污泥堆肥化系统在实际应用过程中各有各的特点【婚】：条垛系统 的生产能力强，成本低，对原料( 污泥和辅料) 性质的变化有较强的适应能力， 缺点是占地面积大，操作环境较差，易受到天气影响。强制通风静态垛系统机 械化程度高，成本较低，能很好的控制堆肥化过程中温度和通气，是目前国外 应用最多的污泥堆肥化系统，缺点是占地面积大，为了控制臭气，通风产生的 大量废气需要处理。而发酵槽系统能有效地控制臭气、灰尘和其他污染环境的 因素，占地面积小，自动化程度高，但投资、操作和维修的费用较高。 1 2 2 污泥堆肥化的控制因素 在污泥堆肥化处理中，为了加快微生物对有机物的降解转化，提高处理能 力，可对以下因素进行控制： c n 比，碳能供给微生物生命活动中所需要的能量，而氮是微生物合成蛋白 质的主要原料。为了确保堆肥化中微生物降解和转化有机物的顺利进行，必须 控制堆肥化初期的c n 比，一般应在2 5 3 0 之间。通常污水厂污泥的c n 比低 于1 2 n 引，若直接堆肥，氮将转化为氨挥发出来，不仅影响环境而且造成肥效损 失，因此必须添加各种调理剂如稻草、麦秆、稻壳和木屑等提高c n 比。 含水率，在堆肥化中，微生物是通过摄取溶解性养料来生存生长，故水分 不能太低，但含水率过高，会充满物料中的空隙，阻碍氧的进入，导致厌氧， 使有机物分解速率和温度明显下降。c l i a n g 等人研究了污泥堆肥化中含水率、 8 第一章文献综述 温度和微生物之间的关系，发现含水率对微生物活性的影响很大且为首要影响 因素，5 0 含水率是污泥堆肥化中微生物能够迅速生长的低限值，而6 0 9 卜7 0 是微生物活性达到最大的适宜含水率n9 l 。污水厂污泥经脱水后，含水率依然在 8 0 左右，故在堆肥化之前必须调节。 空隙率，堆肥空隙率是堆体中可由流体( 空气、水) 自由占据的空间体积 与堆体总体积之比，空隙率过低，将使外部的氧很难扩散到堆料内部，造成厌 氧状态，一般静态堆肥的空隙率不应小于5 0 ，动态堆肥应不小于3 5 h 钉。污水 厂的污泥大都进行了脱水处理，非常黏稠和致密，同时泥饼本身的强度很差， 在堆积过程中由于自重压紧，很容易形成大团块，因此污泥单独堆肥是很难满 足堆肥空隙率要求。必须加入膨胀剂如秸秆、塑料、花生壳以及木屑等，构成 起支撑作用的骨架，保证污泥与空气的充分接触。 温度，通常环境温度对污泥好氧堆肥化的正常升温影响不大，即使在寒冷 的天气，只要操作得当，污泥堆肥能顺利达到高温，并能维持一段时间。在堆 肥化过程中，温度最好控制在5 5 6 0 ，温度过高会降低微生物的活性，而太低 则延长堆肥比时间，降低了处理能力。同时必须在此温度下维持3 5 天，以达 到无害化目的。 通风，通风是污泥好氧堆肥化顺利进行的基本条件，一是为微生物提供分 解有机物时所需要的氧气；二是排出污泥堆肥化过程中产生的热量和水分，为 微生物提供良好的生存环境。由于在堆肥化的四个阶段都存在不同的优势微生 物，所发生的生化反应是不同的，因此各阶段的通风量应该不同，为了满足这 方面要求以及尽可能减少能耗，目前常用时间控制和时间一温度联合控制的方法 来控制通风。徐红等啪1 研究了时间一温度联合控制的强制通风污泥堆肥技术，得 出通风量应保持3 3 m v ( h t ) 左右在条垛系统中，主要是通过定期的翻堆来达 到通风目的，一般应在开始2 3 周内每隔3 - 4 天翻堆一次，然后一周左右翻堆 一次即可。若以温度作为指标，当堆心温度达到5 5 - 6 0 c 时，就要进行翻堆，在 腐熟之前，至少翻动5 次引。 1 2 3 污泥堆肥腐熟度 腐熟度对于污泥堆肥而言，是指污泥中有机物经微生物作用后降解到成分 稳定、不再变化的程度。腐熟污泥施于土壤后能提高肥效，增加农作物产量， 9 第一章文献综述 不会对作物生长产生阻碍。目前，堆肥腐熟度的指标很多，从简单的堆肥颜色、 气味的判断到复杂的堆肥中某种有机功能团的存在与否的确定，范围很广。但 这些指标大部分是从垃圾堆肥化的研究中得出来的，是否能用到污泥堆肥中， 有待讨论，如c n 比这个很常用的堆肥腐熟度指标就可能不适合污泥堆肥，因 为污泥的c n 比很低，在堆肥过程中可能将不会有较大变化。再如p h 值，挥发 性物质以及萃取液的电导率也都不易作为污泥堆肥腐熟度的指标【2 1 1 。在如何判 定污泥堆肥腐熟上，k e l a s a r i d i 等人建议采用萃取液的s o u r ( 比耗氧速率) 和o d ：。( 2 0 小时需氧量) ，因为在实验中他们发现两者与堆肥化持续的时间具有 一致性且相关性很好啪1 ：国内李承强等人在对脱水污泥与四种填充料( 木屑、麦 壳、玉米芯和稻壳) 进行好氧堆肥试验时，发现氨氮在各轮实验中的变化规律一 致，并与发芽指数g i ( g e r m i n a t i o ni n d e x ) 具有较好的负相关关系，认为氨氮可 以作为污泥堆肥腐熟度评价指标【2 3 1 。这有一定的合理性，因为当无机氮的硝化 率达到一定水平时，就标志着污泥中异养型微生物活动由基质中可利用物质衰 减进入到了代谢减速期，而这是与污泥中有机物质稳定化有较确定的关系【l4 1 。 1 2 - 4 国内外堆肥化技术的研究应用进展 在堆肥化研究上，国外走在了前面，美国m s f i n s t e i n 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堆肥过程 的方法。日本h k u b o t a 等对堆肥工艺进行了系统研究并提出腐熟度的判别标准。 v m c k i n l e y 等对污泥堆肥微生物进行了研究。t g s h e a 等探讨了调理剂的性 质和选择 2 4 】。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 s v 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。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。英国万历普厂引用了d a n o 公司的机械 堆肥技术年产粉状肥料4 力吨，美国洛杉矶、佛罗里达、宾夕伐尼亚等地都建 有与这同类的工厂i j j 。 国内的堆肥化技术工艺相比而言就发展缓慢。近几年在污泥高温堆肥方面 i o 第一章文献综述 的研究，取得了工艺技术方面的初步成果。何品晶等报道：污水厂脱水污泥与 城市垃圾混合堆肥的适宜配比为2 6 0 旷3 8 ( w t ) ：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 ( w t ) t 14 1 。占新华等采用光谱分析技术对污泥堆 肥过程中水溶性有机物的组成与结构特性变化进行了研究。得出：堆肥过程中有 机物质的变化规律先是大分子的物质( 如蛋白类、多糖类等) 被降解，然后是腐 殖质类物质的逐渐合成【2 5 1 。李艳霞通过试验计算了污泥堆体的产热和散热平衡， 得出了最小的污泥堆肥体积为0 6 4 m 3 ，在合适的工艺条件下，污泥堆体能在任 何的环境温度顺利升温f 2 6 】。中国科学院生态环境研究中心、中国科学院地理研 究所联合成功丌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，研制成功时间一温度反馈通风控制 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【2 7 】【2 8 】。 目前，国内对堆肥化技术的研究还处于起步阶段，存在着不少亟待解决的 问题。可以考虑今后从以下几方面进行研究： 1 、注重堆肥化新技术、新理论的开发和研究，依靠微生物、数学和环境工程等 一系列基础理论知识，建立起一个新的、综合性的堆肥化系统。 2 、研究和探讨在堆肥化过程中污泥的各种有害物质，如重金属、病原体等的变 化，并结合卫生统计学的有关知识，为最终堆肥产品的利用和消纳提供指导 性的意见。 3 、研究机械化、半机械化的堆肥化工艺，促进堆肥工厂化、商品化。 4 、分离、筛选分解纤维素和木质素等难分解物质的微生物，开发堆肥化进程的 各种填加剂、接种剂并尽快商品化。 5 、对堆肥腐熟度指标进行系统深入的研究，制订一个合理统一的评判腐熟度的 标准 由于本人的研究来源课题目前已处于中试阶段，故上述的第三点将成为我 研究的中心，即主要从工程化的角度对堆肥化过程进行研究。 第二章研究背景和思路 2 1 研究背景 第二章研究背景和思路 白龙港污水处理厂是上海市三座大型污水处理厂之一，采用的是一级加强 污水处理工艺，近期污水日处理量为1 2 0 1 0 1 m 3 ，日产污泥量1 0 5 0 m ： ( 折合含水 率为8 0 ) ，污泥处理处置方式为脱水加填埋。但由于污泥产量巨大，同时纯污 泥填埋技术没有得到解决，使得原拟订的污泥处理处置方式的优势没有表现出 来。为了对其进行解决，同济大学城市污染控制国家工程研究中心承担了其中 的“污泥填埋处置前处理工艺研究”子课题，主要是通过堆肥化技术使污泥