（环境工程专业论文）污泥高温好氧堆肥的中试研究与工程设计.pdf

摘要 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。 本论文从实用性和生产性的角度出发，通过中试试验，对融元污水处理厂 脱水污泥好氧堆肥的控制参数进行了研究，得出如下主要结论： 1 、对融元污水处理厂污泥农用进行了可行性研究，分析了污泥样品含水率 t n 、t c 、v s 、热值以及重金属含量。结果表明该厂污泥具有较高的养分和较低 的重金属含量，符合国家污泥农用标准。 2 、用稻壳、稻壳糠、草木灰为添加剂，通过调整脱水污泥与添加剂的配比 和用量，采用人工翻堆堆肥工艺对污泥进行堆肥化处理，从处理的效果看具有 可行性。 3 、料堆能够在适温期( 温度 5 5 c ) 停留3 天以上，堆体的最高温度为6 8 。 料堆在中温期和高温期的时间约为1 0 天，此后温度不再升高。堆体达到安全与 稳定。 4 、稻壳和稻壳糠适合作为污泥堆肥的添加剂，具有蓬松堆体与调节水分的 作用。通过实验确定了污泥与添加剂的适宜的比例：污泥与稻壳的体积比在1 ： 1 2 之间，污泥与稻壳糠的体积比在1 ：o 6 1 。 5 、以融元污水处理厂污泥为对象，进行污泥堆肥化处置工程设计。比较系 统地设计了一个以污泥好氧发酵为工艺，处理量为l o o t d 的堆肥厂，并完成了 相应的设计说明、设计计算和工程图纸的绘制，同时还进行了相关的成本核算， 经济效益分析。 关键词：污泥好氧堆肥添加剂稻壳工程设计 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s ，m o r ea n dm o r e m u m c i p a ls e w a g es l u d g ei sp r o d u c e d d u e t ot h ea b s e n c eo fs o u n dt r e a t m e n tm e t h o d ， m o s to ft h es e w a g es l u d g ew a sp i l e di nt e m p o r a r yp l a c e sa n db e c o m i n g n e w p o t e n t i a l p o l l u t i o ns o u r c e s b a s e do ns e v e r a le x p e r i m e n t so ff i e l d s c a l ec o m p o s t i n gs y s t e mc a r r i e do u ti n r o n g y u a n w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t , o p e r a t i o np a r a m e t e r s o f p i l e - t u r n i n g c o m p o s t i n gp r o c e s s i n gw e r ea d v a n c e di nt h i sp a p e r m a i n c o n c l u s i o n sa r ea sf o l i o w s ： 1 t h ef e a s i b i l i t yo fp r o s p e c t i v el a n da p p l i c a t i o nr e s e a r c hw a sc a r r i e do u to i lt h e s l u d g ef r o mr o n g y u a ns e w a g et r e a t m e n tp l a n t ad e t a i l e di n v e s t i g a t i o nw a sm a d e a ：b o u t 也ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es l u d g es u c ha s m o i s t u r ec o n t e n t ；t n ；t c ；v s ；h e a t v a l u ea n dh e a v ym e t a lc o n t e n t s t h er e s u l ts h o w e dt h a t t h es e w a g es l u d g eh a d r e l a t i v e l vh i g hn u t r i e n tc o n t e n ta n dl o wh e a v ym e t a lc o n t a m i n a t i o n ，m e e t i n gc h i n a r e q u i r e m e n t sf o rs l u d g ea p p l i c a t i o nt ol a n d 2 讹c n 锄e n d m e n ts u c h 弱r i c eh u s lb r a n ，p l a n ta s hb e i n gc h o s ew i t h w e l l - p r o p o r t i o n e dc o m p o n e n t ，p i l e t u r n i n gc o m p o s t i n gi sv i a b l e ，b e n e f i c i a lo p t i o n i n d 删a t e r e dr a ws l u d g em a n a g e m e n to fr o n g y u a nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t i ti sa p r o v e nm e t h o df o rp a t h o g e nr e d u c t i o na n ds l u d g es t a b i l i z a t i o n 3 t h et h e r m o p h i l i cp e r i o d ( t h et e m p e r a t u r eo f p i l e so v e r5 5 。c ) c o u l d l a s to v e r3 d a v s m a x i m u r nt e m p e r a t u r eo fp i l e si s6 80 c a f t e ra b o u t10d a y so fm e s o p h i l i ca n d n 1 锄o p h i l i cp e r i o d , t h et e m p e r a t u r eo fp i l ew o u l d n o tr i s ea g a i n h e n c e ，t h ec o m p o s t w a ss a f ea n ds t a b l ea f t e rc o m p o s t i n g 4 a s 锄e n d m e n t ，r i c eh u s ka n db r a na r es u i t a b l ef o rs e w a g es l u d g ec o m p o s t i n g ， w r h i c hh a v es o m ea d va n _ t a g e ss u c ha sm a k i n gp i l ep o r o u sa n dd r y t h eo p t i m a lr a t i oo f f e e dm a t e r i a l si sg o t t e nt h r o u g he x p e r i m e n t s 5 t h es l u d g ec o m p o s t i n gp r o j e c th a sb e e nd e s i g n e da sm a t c h i n gf a c i l i t i e sf o r r d n g y u 锄s e w a g et r e a t m e n tp l a n t i nc h a p t e rf o u r , o n ec o m p o s t i n gp l a n tw h i c hc a n h a n d l e10 0t o n ss l u d g ep e rd a y h a sb e e ns y s t e m a t i c a l l yd e s i g n e d t h ec o r r e s p o n d i n g a b s t r a c t s p e c i f i c a t i o n ，d e s i g nc a l c u l a t i n ga n dt h ep r o j e c td r a w i n gh a v eb e e nc o m p l e t e d t h e c o s t i n ga n dc o s t e f f e c t i v e n e s sa n a l y s i so ft h ep r o j e c ta l s oh a v e b e e nf i n i s h e d s u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：s e w a g es l u d g e a e r o b i cc o m p o s t i n ga m e n d m e n t r i c eh u s k p r o j e e td e s i g n i i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、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印刷本和电子版，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：疑形覆印 w 咿 年易只) e t 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：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开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、已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。 学位论文作者签名：关僻绎 2 妙口7 年多月2 - e t 第一章引言 第一章引言 第一节课题研究背景 1 1 1 城市污水厂污泥的现状 随着我国社会经济快速发展和城市化水平的不断提高，城市污水处理率逐 年提高。从全国废水排放情况可以看出( 根据中国环境年鉴2 0 0 3 统计) ，2 0 0 2 年 全国工业和城镇生活废水排放总量为4 3 9 5 亿吨，比上年增加1 5 。其中工业 废水排放量2 0 7 2 亿吨，比上年增加2 3 i 城镇生活污水排放量2 3 2 3 亿吨，比 上年增加0 9 t 1 1 。截至2 0 0 6 年，我国共有城市污水处理厂9 3 9 座，日处理污水 能力6 3 7 0 万吨，照此推算，每天产生含水率8 0 左右的市政污泥约4 万多吨【2 】。 污水厂污泥年排放量达到1 6 0 0 万吨。根据我国环境保护“十一五”规划明确要求， 到2 0 1 0 年，所有城市的污水处理率不低于6 0 。建设部计划从现在到2 0 1 0 年， 新建城市污水处理厂1 0 0 0 余座，污水厂污泥年排放量将达到3 0 0 0 万吨( 含水率 8 0 ) 。大量污水处理设施的运行将有效地改善水质环境状况，可伴随污水处理 产生的脱水污泥又成为新的环境问题。我国的城市污水厂污泥大部分还是未经 处理就运到城市郊外堆积起来，对我国的城市发展造成严重的环境隐患。因此， 解决污泥处理处置的技术问题，用新的思路方法实现城市污水厂污泥的有效处 置利用，成为我国城市现今面临的迫切要求。 近年来，我国在污泥的处理处置方面开展了大量工作。但是由于经济技术 原因，我国污泥处理能力还十分薄弱，主要表现在：( 1 ) 符合环境保护要求的污 泥处理率低、工艺不完善，大部分污水厂不具有完整的污泥处理工艺。( 2 ) 污泥 处理设计水平低，设施落后，投资少。没有污泥处理专用设备，未能形成标准 化和系列化，缺少符合环境保护要求的污泥无害化技术示范工程，技术经济分 析数据较少。( 3 ) 政策不健全、监管不到位。国内绝大部分城市尚未开展污泥处 理处置的规划工作，使得污泥的处理处置处于无序状态，给监控、管理带来困 难。( 4 ) 相关标准缺乏系统性、科学性。目前我国与污泥处理处置相关的标准仅 对部分重金含量进行了限制，而对有机污染物、病原菌并没有准确、完整的指 第一章引言 标，也缺乏对污泥受纳土壤重金属含量最高允许值。以上这些管理和技术上的 缺陷使得大量城市污泥只能临时堆放，致使许多大城市出现了污泥围城的现象 并已开始向中小城市蔓延，大量积累的污泥，不仅占用大片土地，而且其中的 有害成分如重金属、病原菌、寄生虫、有机污染物及臭气等成为城市环境卫生 的一大公害，并给生态环境带来了极大的安全的隐患。尽管花费了大量人力、 物力治理污水，但污水处理的伴生产品污泥却得不到充分有效的控制，大大抵 消了污水处理的环保意义，污泥的出路问题已成为当前急需解决的重大环境问 题之一。 1 1 2 国内外污泥处置概况 由于污泥问题日趋严重，鉴于污泥可能产生二次污染以及可持续发展的要 求，污泥必须进行处理处置以降低二次污染的风险并实现资源再利用。污泥处 理厂污泥的处理处置由于技术的复杂性、污泥性质受地域水质的影响、污泥处 置观念落后等原因，一度进展缓慢并成为一个世界性的难题。城市污泥的处置 问题是利用适当的技术措施，为污泥提供出路，同时要认真考虑污泥处置所产 生的各种环境和经济问题，并按一定的要求妥善地解决。污泥的最终出路不外 乎部分或全部利用，以及某种形式返回到环境中去【3 】。 污泥的处理与处置其基本原则即污泥减量、稳定、无害化及综合利用，其 目的是使污泥中容易腐化发臭的有机物得到稳定化处理，有毒有害物质得到无 害化处理，有用物质得到综合利用，变害为利。目前城市污泥的处置途径很多， 因各国具体情况的不同而有很大差异。城市污泥的处理处置途径大致可分为四 种：土地填埋，大海投弃，焚烧处理，堆肥【4 。5 】。通过表1 1 四种污泥处理处置 的综合比较可以看出，污泥的土地利用方式是较好的污泥处理处置方式，不但 对污泥进行了处理，同时化害为利，对污泥进行资源化利用。 表1 1 传统污泥处理处置方法 方法名称基本概念优点分析问题分析 靠海的污水处理厂将其方法简单，在一定范围 在某种程度上时一种 液态剩余污泥直接排海 内利用水体的自净能将污泥由陆地专一到 海洋投弃的污泥处置方法。力，经济、费用低。 海洋的消极方法，污泥 进入水体后导致水生 环境恶化。 2 第一章引言 续表1 1 传统污泥处理处置方法 方法名称基本概念优点分析问题分析 基本方式是污泥经脱水处理成本低，不需要高需要占用大量土地、耗 工艺后，铺于填埋场并度脱水，初步解决污泥费可观；存在渗滤液污 卫生填埋分层覆土，后加以封围。出路问题。染地下水、病原体继续 繁殖、臭味、污泥导致 的气体爆炸等问题。 利用自然界广泛存在的处理成本低，堆肥后的需要占用大量土地，处 细菌、放线菌、真菌等产品可作农肥或土壤改 理周期较长，存在重金 微生物，有控制地促进 良荆，是污水污泥处置属潜在威胁，环境卫生 堆肥技术 固体废弃物中可生物降中一条经济有效的出等问题。 解的有机物向稳定的类路。 腐殖质生化转化。 利用污泥中有机成分处理时间短、占地面积技术和设备复杂，一次 高，具有一定热值的特小、残渣量少、可达到性投资大：能耗高，操 污泥焚烧点来处置污泥。完全灭菌的目的，并能作管理复杂，运行管理 实现一定的热能回收利费亦高：存在“二恶英” 用。 等气体污染。 利用污泥中含有丰富的实现了定的肥效利污泥中重金属造成土 有机营养成分氮、磷、用，不失为污泥资源化壤及作物的二次污染： 钾等元素的特点，投放的一种重要途径。污泥中的病毒、病原体 土地利用 到农( 林) 业耕地、牧业对环境造成影响；氮磷 草地、园林绿地等土地 等物质浓度过高造成 中进行利用的方法。对地下水的污染。 1 1 2 1 国外污泥处理与处置概况 污泥填埋经济可行，处理过程简单，技术要求相对较低，所以在发达国家 污泥处理处置初期采用较多的是污泥填埋方式。1 9 9 2 年，欧盟大约4 0 的污泥 采用了填埋处理，在日本填埋的污泥量也占了3 5 怕j 。随着社会的发展，污泥填 埋逐渐呈现出几个问题，首先是适合填埋的场地越来越少，填埋场填埋负荷压 力开始增大；其次是运输费用增加，可能造成的潜在危害使填理场建设技术要 求增高，费用增加，填埋受到一定限制。欧盟于1 9 9 9 年公布了固体废弃物土地 填埋法令( 于2 0 0 6 年实施) ，要求所有欧盟国家用于土地填埋的固体废弃物中有 机物含量必须逐年递减，其中污水厂污泥也是该法令规定的固体废弃物种类之 一吲。污泥投海处理曾在英国、美国、日本较多采用。由于对海洋系统可能造成 的不可测危害，并且人们越来越关注海洋的生态环境效应，美国1 9 9 1 年开始全 3 第一章引言 面禁止污泥的海洋投放【8 】。欧共体也规定1 9 9 8 年1 月3 1 日以后，不得在水体中 处置污泥。 焚烧处理费用高，但减量化效果明显，加拿大和日本污泥焚烧处理分别占 到4 0 和6 0 ，英国通过焚烧处置污泥的量占7 ，美国占2 l 阴。在发达国家， 污泥的土地利用被认为是最具发展潜力的方式，由于填埋、投海、焚烧越来越 受到限制或禁止，污泥的土地利用受到了越来越多的关注。美国和英国的污泥 农用率分别达6 2 和6 0 【1 0 1 。污泥堆肥在日本、加拿大、美国等国家研究和应 用都较早，在日本污泥堆肥己市场化，但也受到污泥堆肥技术、市场、臭气、 重金属等问题的制约。不过污泥的土地利用已成为一个共识的发展趋势。 表1 2 部分国家污泥农用利用量比例【i l 】 国家污泥农用比例国家污泥农用比例国家污泥农用比例 德国 2 5荷兰5 3 丹麦 4 3 瑞士 5 0 法国 2 7 英国 5 1 比利时5 7葡萄牙 8 0 瑞典 6 0 西班牙 6 l 意人利 3 4卢森堡 8 0 1 1 2 2 国内污泥处理与处置概况 在我国，由于技术的制约和重水轻泥意识的影响，污泥处理处置起步较晚， 上个世纪8 0 年代初城市污水厂的污泥主要用于农田直接利用，以后由于化肥速 效肥的大量使用，以及污泥直接土地利用存在的污染，污泥基本以填埋为主。 8 0 年代中期建造的大型城市污水厂，污泥处理也采用中温厌氧消化，污泥消化 系统装备及技术基本引进国外。1 9 9 6 年，中国有1 0 0 座城市污水处理厂，处理 量为1 0 2 2 万m 3 d ，产生大约5 0 1 2 0 万吨干污泥和4 3 8 0 - 一8 3 9 5 吨湿污泥，但是 只有四分之一的城市污水处理厂有污泥稳定装置，不到十分之一的污水处理厂 有完备的污泥处理装置。与国外先进国家相比，污泥处理与处置还有定差距。 我国大多数较早建设的污水处理厂没有完善的污泥处理系统，新建的较大型污 水处理厂虽然都有比较完善的污泥处理工艺，但真正完全投入运行情况良好的 还不多，利用污泥消化产生的沼气发电更少。究其原因，一方面是我国经济实 力所限，另一方面是我国污泥处理起步较晚，缺乏设计及运行经验。 我国从“八五”时期就开始着手开展污泥工业化堆肥技术研究，“九五”期间机 械科学研究总院环保所、北京环科院等单位完成了唐山、秦皇岛和北京密云3 项污水处理厂污泥堆肥示范工程，但目前保持正常运行的仅有唐山西郊污水处 4 第一章引言 理厂污泥堆肥项目。国内虽然陆续建设了北京大兴、太原、烟台、洛阳等市政 污泥堆肥工程，以及天津石化、山东晨鸣纸业等工业污泥堆肥项目，但目前正 常运行的总数加起来不足2 0 座，处置规模1 0 3 0 0 t d 不等，但运行项目存在技 术水平参差不齐、处理标准各异、产出物料用途不明确等问题，以及重金属、 臭气排放等制约因素，严重影响了污泥堆肥产业的发展。另外，经济因素也是 制约污泥堆肥产业发展的瓶颈。国内污水处理厂污泥处理处置费用( 包括污泥浓 缩脱水) 约占工程投资和运行费用的2 4 0 5 ，而美国及欧洲等发达国家的污泥 处理投资已占污水处理厂总投资的5 0 - - 7 0 。由于污水处理厂污泥处理处置高 昂的投资及运行费用，使得国内大部分污水处理厂未对污泥进行稳定处理或处 理工艺的配套设施不完善，部分建有完善污泥处理设施的污水处理厂也因其运 行费用较高而难以正常运行【2 】。污泥经堆肥化处理后进行土地利用，因施用方便、 经济效益高且对环境影响小，值得研究与开发l l2 1 。 我国对污泥处置的政策主要依据我国现行的城市污水处理及污染防治技 术政策中的第五章污泥处理的有关条款，其具体叙述为： “城市污水处理产生的污泥，应采用厌氧、好氧和堆肥等方法进行稳定化处 理。也可采用卫生填埋方法予以妥善处置。” “日处理能力在1 0 万立方米以上的污水二级处理设施产生的污泥，宜采取厌 氧消化工艺进行处理，产生的沼气应综合利用。日处理能力在1 0 万立方米以下 的污水处理设施产生的污泥，可进行堆肥处理和综合利用。采用延时曝气的氧 化沟法，s b r 法等技术的污水处理设施，污泥需达到稳定化。采用物化一级强 化处理的污水处理设施，产生的污泥须进行妥善的处理和处置。” “经过处理后的污泥，达到稳定和无害化要求的，可农田利用；不能农田利用 的污泥，应按有关标准和要求进行卫生填埋处置。” 污泥的农用必须要经过严格的处理，以防止污泥中的重金属、微生物、病 原菌及有毒有害有机污染物对农业土壤的污染。堆肥过程可以在一定程度上解 决污泥的这些污染问题。 相对于国外污泥处置标准，我国至今还没有一个较为健全科学的污水污泥 处置标准体系，难以指导污泥处置工作的开展和污泥处置的工程实践，严重影 响污泥的最终处置，污水处理厂污泥无序外运，随意丢弃的现象屡有发生。农 用污泥堆肥参照执行农用污泥中污染物控制标准( g b 4 2 8 4 8 4 ) ，城镇污水处 理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 的主要相关指标也是基于该标准制定的； 5 第一章引言 而g b 4 2 8 4 8 4 为1 9 8 4 年制订颁布的，距今已有二十多年，部分重金属指标甚至 严于欧美等发达国家水平( 对照见表1 3 ) ，与我国目前的实际情况存在较大出入， 也极大地限制了污泥堆肥技术的推广。基于现状，住房和城乡建设部2 0 0 7 年颁 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 ) 、城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质 ( c j 2 4 8 2 0 0 7 ) 、城镇污水处理厂污泥处置混合性填埋泥质( c j 2 4 9 2 0 0 7 ) 等四项 标准。此外，城镇污水处理厂污泥处置中的农用、土地改良用泥质等四项标准 已列入国家有关部门2 0 0 7 年行业标准制订计划。由于所颁布的标准还只是泥质 标准，仍需要结合我国国情，逐步开展技术政策、技术规程的研究，形成具有 我国特点的系列标准规范、技术规程，规范我国的污泥处置工作，使城镇污水 处理厂产生的污泥得到妥善处置，实现污泥减量化、稳定化、无害化，并逐步 提高资源化利用率【2 】。 表1 3 不同国家农用污泥中重金属浓度限值( m 眺g 干污泥) 1 3 1 c dc un ip bz n h g c r 德国士壤p h 5 - 6 58 0 02 0 09 0 02 0 0 089 0 0 德国土壤p h 6 1 0 8 0 02 0 09 0 02 5 0 089 0 0 瑞典26 0 05 01 0 08 0 02 51 0 0 荷兰 1 2 57 53 82 2 53 0 00 7 57 5 丹麦 0 8 1 0 0 03 01 2 04 0 0 00 81 0 0 法国4 02 0 0 01 0 01 6 0 02 0 02 02 0 0 0 南非 1 5 75 0 52 0 05 0 53 5 3 51 01 7 5 0 美国 3 9 1 5 0 04 2 03 0 05 0 056 0 0 中国土壤p h 6 5 52 5 01 0 03 0 05 0 056 0 0 中国土壤p h i 6 5 2 05 0 02 0 01 0 0 01 0 0 01 51 0 0 0 2 0 0 9 年2 月，住房和城乡建设部、环境保护部和科学技术部联合发布城 镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策( 试行) ，其中关于对污泥处理 处置保障措施的政策规定最为引人注目：“国务院有关部门和地方主管部门应加 强污泥处理处置标准规范的制定和修订，规范污泥处理处置设施的规划、建设 和运营。”；“地方人民政府应进一步提高污水处理费的征收力度和管理水平，污 水处理费应包括污泥处理处置运营成本；通过污水处理费、财政补贴等途径落 实污泥处理处置费用，确保污泥处理处置设施正常稳定运营。”；“各级政府应加 大对污泥处理处置设施建设的资金投入，对于列入国家鼓励发展的污泥处理处 置技术和设备，按规定给予财政和税收优惠；建立多元化投资和运营机制，鼓 6 第一章引言 励通过特许经营等多种方式，引导社会资金参与污泥处理处置设施建设和运营。” 这标志着我国对污泥处理处置将迈出了一大步，在不久的将来会得到极大的发 展。 总之，在大多数国家中，土地利用和填埋仍是污泥处置的主要途径，而随 着可填埋范围的日益减少，土地利用将是一个主要的发展方向。 第二节课题研究的内容与意义 1 2 1 本文研究的内容 ( 1 ) 测定融元污水处理厂污泥成分与特性。 ( 2 ) 探讨融元污水处理厂污泥堆肥化的可行性，在中试规模下，采用人工翻 堆进行污泥堆肥实验。 ( 3 ) 通过对比试验，考查稻壳和稻壳糠等不同添加剂对堆肥进程的影响，确 定中试规模下的工艺参数并探讨污泥与添加剂最佳比例。 ( 4 ) 对融元污水处理厂污泥堆肥化处置进行工程化设计，系统设计日处理污 泥( 含水率8 0 ) 为1 0 0 吨的污泥堆肥厂，并进行相关的成本核算和经济效益分析。 1 2 2 本文研究的意义 城市污水处理厂的污泥既会造成污染，又可以进行利用。在当今能源和资 源越来越紧缺的情况下，合理应用污泥中的有效成分，充分利用污泥的资源性， 是污泥处理与处置资源化的最佳出路。将污泥作为农肥，既可节省花费的用量， 又可弥补化肥使用造成的土壤板结等缺点。污泥的资源化土地利用是一种无害 化程度高，耗资成本低，在国际上发展和推广十分迅速的现代化污泥处理与处 置方式。借鉴发达国家的经验和教训，在污泥的处理和处置方面要避免走高成 本，高潜在污染和资源浪费的路，确立以低成本资源化为主要目标的技术体系。 污泥的资源化土地利用在产生重大生态环境效益和社会效益的同时，也可以产 生客观的经济效益。对于我国这样一个发展中国家来说，高效低耗污泥堆肥处 理技术的开发研究及使污泥堆肥产品实现商品化和产业化，具有重大的现实意 义和长远意义。 7 第一章引言 本文以污水处理厂污泥资源化综合利用开发项目为依托，首先通过污泥堆 肥中试实验，研究了污泥堆肥主要参数与变化规律。其次进行了污泥的堆肥处 置工程设计，为相关的单位提供较为详实的工艺参数和设计方案作为参考。 8 第二章文献综述 2 1 1 污泥堆肥原理 第二章文献综述 第一节污泥堆肥的原理与工艺 污泥的好氧堆肥化过程实际上就是污泥的微生物发酵过程。在这个过程中， 污泥中可溶性小分子有机物通过微生物的细胞壁和细胞膜而被微生物吸收利用 【1 4 】。不溶性大分子有机物则先附着在微生物体外，由微生物所分泌的胞外酶分 解为可溶性小分子物质，在送入微生物细胞内被利用。通过微生物的生命活动一 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。 利用混合的微生物群落在特定的环境中对多相的有机物进行分解，并将污泥改 良成稳定的腐殖质f ”】。参与分解作用的微生物以细菌为主，还包括放线菌、酵 母菌和真菌等。微生物群落在营养、水分和通风条件合适的情况下，将污泥中 的有机物分解转化为二氧化碳、水、无机物和生物体细胞物质，同时释放能量， 逐渐形成高温，杀死对热敏感的病原体。 有学者认为整个堆肥化过程分为三个阶斟1 6 j ： ( 1 ) 适温阶段：此阶段主要是适温的细菌以及放线菌、酵母菌和霉菌将糖类、 脂类、蛋白质和其它的碳水化合物分解，同时释放大量的热，使堆肥的环境温 度升至4 0 5 0 ，而纤维素等难降解的物质只能少量分解。 ( 2 ) 高温阶段：随着热量的继续积累，堆体温度进一步升高，对适温菌产生 抑制作用。当微生物群落生理代谢使温度升至5 5 以上时，高温菌将适温菌取 代而大量生长，代谢活跃，使有机物( 如纤维素等) 进一步分解，同时高温也将病 原体、寄生虫( 卵) 杀死。因此高温阶段对整个过程来讲，是一个重要的阶段。 ( 3 ) 腐熟阶段：当污泥中的有机物被大量消耗后，高温菌因营养不足，生长 繁殖速度变缓，代谢活力下降，则分解等过程，将一部分有机物氧化成简单的 无机物，并获得生命活动所需的能量，而将另一部分有机物转化为生物体所必 需的营养物，组成新的细胞物质，使其生长和繁殖。污泥中微生物对有机物的 作用可分为异化作用和同化作用，与微生物的组成和活力有很大的关系u n 。在 9 第二章文献综述 异化作用过程中，部分有机物被完全氧化成能量低的无机产物，这种过程可表 示为： c ；h y o z + 0 2 j c 0 2 + h 2 0 + 能量 ( 2 1 ) 异化作用为同化作用提供所需的能量，微生物利用能量将剩下的有机物转 化构成细胞体或作为营养储备在细胞内。细胞物质的形成过程( 同化作用) 可用下 式表示： c 。h y o z + 有机氮化合物j 查奎细胞物质+ c o ：+ h ：o ( 2 2 ) 当有机物减少时，微生物细胞内的储备物就会被分解利用，在这些物质消 耗完后，细胞的构成物质将被氧化，即进入内源呼吸期，这种细胞物质氧化过 程可表示为： 细胞物质+ 0 2 堕一c 0 2 + h 2 0 + n h 3 + 能量 ( 2 3 ) 在堆肥初期，微生物分解有机物产生热量，使堆肥温度迅速上升，当达到 4 0 5 0 时，中温菌受到抑制，高温菌进入激发态，继续分解剩余的有机物( 如纤 维素) 。此时污泥中的寄生虫( 卵) 和病原菌被杀死。随着有机物减少，温度降低， 环境条件对微生物产生抑制，使其活性逐渐下降，数量也减少，并可能进入内 源呼吸阶段。 2 1 2 好氧堆肥工艺流程 污泥的堆肥工艺流程是从固体垃圾堆肥工艺的基础上发展而来的。前处理 是物料堆肥的准备阶段，加入调理剂调整适当的含水率、粒度和p h 值，以达到 最佳的堆肥条件。一次发酵是最关键的好氧发酵的中心环节，在这个环节，腐 殖质开始形成，绝大部分病原菌被杀死。二次发酵是物料的进一步腐熟阶段， 是持续时间最长的环节，难降解的有机物进一步被分解，物料趋于稳定，得到 熟化产品。后处理是对产品进一步调整，以方便包装、保存、运输和使用，或 是与其它肥料混合，做成复合型的有机肥。工艺流程中一般包含回流堆肥，以 便将驯化的菌种接入堆肥的初级阶段，补充发酵微生物。一个完整的堆肥工艺 应包括四个工艺流程，分为前处理( 含水率调整、p h 值调整、粒度调整、接种) 、 一次发酵、二次发酵和后处理四个过型博j ，堆肥工艺流程见图2 1 。 l o 第二章文献综述 调理剂 回流污泥 剖熹兰h 一酵l 叫二次发酵卜_- 叫后处理卜堆肥产 jl 充调理剂 1 回流结构调理剂 图2 1 堆肥工艺流程图 口 日口 常见的堆肥工艺有敝式和密封式两种，其中敞式堆肥又可分为自然通风敞 式堆肥和机械通风敞式堆肥等工艺【1 9 1 。自然通风敞式堆肥是在露天条件下，将 堆肥混合物料按一定的几何形状堆制而成，平时可以不用翻堆，有时也通过人 工或机械装置定期翻堆，以维持好氧条件。机械通风敞式堆肥的占地面积较自 然通风敞式堆n e d , ，在处理生污泥时能有效控制堆肥过程中产生的臭气，堆肥 过程中温度均匀，杀灭病菌效果好。机械通风堆肥的基建费用比自然通风低， 但运行费用高。密封式堆肥( 机械连续堆制法) 是将堆肥混合物料在一个密闭 的反应器内进行动态的好氧生物发酵后，送到后发酵室进行静态熟化。该工艺 可对堆肥过程中的温度、空气流量和氧浓度进行控制，堆肥的质量高，能防止 臭气散发和杀死全部的病原菌。目前一般用于污泥和城市垃圾混合堆肥，其工 艺过程如图： 图2 2 密闭式堆肥工艺流程图 第二章文献综述 第二节堆肥化的发展 对堆肥进行科学化的探讨始于二十世纪初，特别是进入二十世纪后，随着 人口的增加和城市化进程的加快，一些发达国家开始研究将堆肥化技术用于城 市污泥的大规模处理，并不断提高其机械化水平。 1 9 2 0 年，英国农学家艾霍华德( a h o w a r d ) 首先在印度提出了当时称之为 “印多尔法”的堆肥化技术，但仅限于厌氧发酵。其方法是：将落叶、垃圾、人及 动物的粪尿在土坑内堆成约1 5 m 高的堆体，隔数月翻动一到二次，进行六个月 的厌氧发酵。 1 9 2 5 年，贝盖洛尔( b a n g a l o r e ) 对“印多尔法”进行了改进。为了促进堆肥的好 氧发酵，将固体废弃物和人粪肥分层交替堆积，并将翻动次数由一至二次改为 多次，堆期为4 6 个月。这就是以好氧发酵为目的的贝盖洛尔堆肥法。从此以 后，世界各国对有机固体废弃物的堆肥化技术进行了系统的规模化研究，并取 得了很大的进展。贝盖洛尔堆肥法在印度、德国、英国、美国、新西兰、澳大 利亚和亚洲等地广泛应用。 1 9 3 1 年，荷兰v a w 公司对贝盖洛尔堆肥法进行了改进，建成了范曼奈法工 艺堆肥厂。其改进主要是在搅拌方法上采用了起动抓斗车翻动，而在混合原料 堆制过程( 2 0 d - 1 8 0 d ) 中不做任何处理。生产过程为：将未经破碎的垃圾用水调节， 在室外堆放4 至6 个月( 厌氧分解) ，然后破碎、分选得产品。因臭气、苍蝇和老 鼠等问题，翻堆采用远处遥控的方法。 19 3 2 年，意大利人贝卡_ 里( g g b e c c a r i ) l f i 1 政府领取了他的堆肥法专利。其方 法特点是：先将落叶、垃圾、人及动物的粪尿在密闭的系统内进行厌氧发酵， 然后再通入空气进行好氧分解。此后，维迪尔( v e r d l i e r ) 又对其进行改进，首次采 用了将厌氧发酵过程中产生的渗出液循环使用的流程，并通过充分供给空气， 缩短发酵周期。上述诸方法主要为在厌氧条件下的发酵过程，其共同特点是： 周期长，有机物分解不完全，且堆肥过程中产生臭气。 1 9 3 3 年，在丹麦出现达诺( d a n o ) 堆肥法，这是一种运用卧式回转窑发酵仓 进行好氧发酵的方法，它标志着连续性机械化堆肥工艺的开端。其显著特点是 发酵周期短，一般只需3 d 4 d 。该发酵装置在2 0 世纪7 0 年代初最为盛行，目前 世界上约有1 5 0 多家这样的工厂。与达诺同期，在法国开发出了巴登堆肥法， 其特点是先将垃圾中不易堆肥的无机物去除，然后再与排水系统中的消化污泥 1 2 第二章文献综述 一起露天堆置发酵4 6 个月，最后再分选、破碎。 1 9 4 0 年，厄普托马斯( e a r p t h o m a s ) 在美国取得了立式多段发酵塔堆肥专利。 该方法采用多段竖炉发酵仓，发酵仓内物料从上至下逐层移动，并加强了发酵 过程中的通风和搅拌强度，使得发酵温度高、周期短( 1 3 个月) 。厄普托马斯堆 肥法的问世，导致了高速堆肥的迅速发展。至此堆肥化技术己经初步形成了现 代化的生产方式与规模，在城市固体废弃物的处理上起到了重要作用。 2 0 世纪中期，美国在垃圾堆肥化方法上进行了许多有益的探索。1 9 4 9 年， 堆肥作为固体废弃物处理的一种工艺传入美国。自那时起，美国已采用至少1 6 种不同形式的堆肥工艺。如露天堆肥法、弗莱塞艾温逊( f e a z e r e e s o n ) 法、迈初 ( m t r ow e a s f ) 垃圾堆肥系统、斯奈尔( s n e l l ) 垃圾堆肥系统、纳图莱兹( n a t u r i z e r ) 垃 圾堆肥系统、丹诺( d a n o ) 堆肥系统、费尔德哈地( f a i r f i e l dh a r d y ) 堆肥系统和瑞 克尔( r i k e r ) 堆肥系统等。处理的废物种类有：混合垃圾、厨房垃圾、混合垃圾和 消化污泥、混合垃圾和生污泥等。其处理规模最小为4 t d ，最大为3 6 0 f f d 。 进入6 0 年代，科学堆肥技术迅速发展。堆肥法不仅用于城市垃圾，也开始 处理城市污水厂的污泥。6 0 年代初，我国首次在北京高碑店污水处理厂进行污 泥自然通风堆肥试验并获得成功，确定了污泥好氧堆肥发酵工艺的主导地位。 7 0 年代初，美国的洛杉矶、费城、丹佛等地通过对传统的厌氧发酵工艺进 行改良，相继开发出常规条垛堆肥化工艺、充气条垛工艺和静态垛充气堆肥化 工艺。 7 0 年代中期，在美国环保局的支持下，新泽西州的r u t g e r s 大学提出了更有 利于堆肥化进行和臭气控制的强制通风方式。 8 0 年代前后，随着科技的不断进步，许多国家利用各种发酵装置进行封闭 式污泥发酵工艺试验。1 9 7 8 年，法国成功的开发了t r i g e 污泥堆肥化工艺。不久， 德国人o g e r 提出了b a v 反应槽封闭充气堆肥化工艺，并在法国首先得到推广应 用。 第三节堆肥化系统的分类 堆肥化系统分类目前主要依据堆肥物料的发酵方式、工艺过程、发酵状况 以及提供空气的方法等，具体就是看物料在什么样的发酵设备中发酵，机械化 程度如何，供氧状况如何。从生物发酵的角度分类，可以分为需氧堆肥和厌氧 1 3 第二章文献综述 堆肥。从发酵的形式分类，可分为封闭式与敞开式堆肥系统。根据技术的复杂 程度，一般分为三类：条剁式、静态剁式、发酵仓系统。 2 3 1 条剁式系统 条垛式堆肥是将原料简单堆积成窄长条垛，在好氧条件下进行分解。条剁 堆肥是将前处理后的堆料堆成高1 2 m ，宽2 3 m 的条剁，上面用塑料布或简易 棚挡雨，定期使用机械或人工翻堆方法进行自然通风供氧，使物料在好氧条件 下分解。在条剁堆肥系统中，翻堆是一个很重要的操作环节，翻堆必须保证整 体物料相对位置的转变。条剁系统对场地要求很高，路面设计要求与公路相似， 并要求一定的坡度，配有排水系统，规模必须适当，必须配有相当数目的人手。 条垛式堆肥系统尽管是一个低水平的系统， 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【2 0 1 。条垛式堆肥的缺点也是很明显的：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；相对于其它的堆肥 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，这会对公众的生活造成影响：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比例大的填充剂【2 1 1 。 2 3 2 强制通风静态垛系统 条垛式系统处理废弃物时会产生强烈的臭味和大量的病原菌。因此，e p s t e i n 等人在条垛系统的基础上开发了通风系统，这就是后来被广泛应用的强制通风 静态垛系统的开端【z 引。强制通风静态垛系统是通过风机和埋在地下的通风管道 进行强制通风供氧的系统【2 3 1 。对于强制通风静态垛系统，通风系统决定其能否 正常运行，也是温度控制的主要手段e 4 1 。在堆肥过程中，通风不仅为微生物分 解有机物供氧，同时也去除二氧化碳和氨气等气体，并蒸发水分使堆体散热， 保持适宜的温度1 2 习。相对于条垛式系统来说，强制通风静态垛系统能更有效地 确保达到高温，杀灭病原菌。它与条垛式系统的不同之处在于：堆肥过程中不 进行物料的翻堆；堆体内的有氧状态是通过鼓风机向堆体内通风来提供。强制 1 4 第二章文献综述 通风静态垛系统有很多优点：设备的投资相对较低；与条垛式系统相比，能够 更好地控制温度和通气情况；产品的稳定性较好，且能更有效地杀灭病原菌和 控制臭味；由于控制条件较好，强制通风静态垛系统堆腐时间相对较短，一般 为2 3 周；由于堆腐时间相对较短，填充料的用量少，占地面积也相对较小【z 6 】。 但是，强制通风静态垛系统同样也有很多缺点，最重要的一点是，由于堆肥是 露天进行的，因此易受气候条件的影响。加盖大棚可以解决这个问题，但同时 也会加大投资。与条垛式堆肥系统相比，在足够大体积和合适的堆腐条件下， 强制通风静态垛系统受寒冷气候的影响比较d 、, 2 7 1 。 2 3 3 发酵仓系统 发酵仓系统是使物料在部分或全部封闭的容器内，控制通风和水分条件， 使物料进行生物降解和转化【2 引。发酵仓系统有很多分类方法。按物料的流向划 分，可分为：水平流向反应器、竖直流向反应器。竖直流向反应器包括：搅动 固定床式、包裹仓式；水平流向反应器包括：旋转仓式、搅动仓式【2 9 1 。美国环 保局( u s e p a ) 把发酵仓系统分为：推流式( p l u gf l