污泥高溫好氧發(fā)酵的原理及影響因素

黃申斌 上海嘉定新城污水處理廠201806

1 污泥高溫好氧發(fā)酵的原理

城市污水廠脫水污泥本身就含有大量的細(xì)菌和真菌等。當(dāng)溫度、水分、氧量等條件合適時(shí)，這些微生物大量繁殖，并分解污泥中的有機(jī)物。污泥的高溫好氧發(fā)酵過程實(shí)際上就是污泥中微生物發(fā)酵過程。不溶性大分子有機(jī)物則先附著在微生物體外，由微生物所分泌的胞外酶分解為可溶性小分子物質(zhì)，再送入微生物細(xì)胞內(nèi)被利用。堆體中基質(zhì)的形態(tài)很復(fù)雜，只有分解為簡單形態(tài)才能為微生物利用。例如蛋白質(zhì)的分解過程是：蛋白質(zhì)-胨-肽-氨基酸-氨化物-細(xì)菌原生質(zhì)及氮?dú)饣虬睔?。碳水化合物的分解過程是：碳水化合物-單糖-有機(jī)酸-二氧化碳與細(xì)菌原生質(zhì)。通過微生物的生命活動—合成及分解過程，把一部分被吸收的有機(jī)物氧化成簡單的無機(jī)物，并提供生命活動所需要的能量，把另一部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化合成新的細(xì)胞物質(zhì)，使微生物增殖。當(dāng)分解速度緩慢下降，釋放的熱量逐漸減少時(shí)，堆溫也逐漸下降。

其生化過程可用圖1表示。

圖1 好氧堆肥的生化過程

以下表達(dá)式描述了有機(jī)物的氧化和合成：

（1）有機(jī)物的氧化

不含氮的有機(jī)物CxHyOz：

含氮的有機(jī)物CsHtNuOv·aH2O：

式中堆肥成品 (CwHxNyOz·cH2O)與堆肥物料(CsHtNuOv·aH2O)之比為0.3到0.5,堆肥成品中各元素的數(shù)目為w＝5～10、x＝7～17、y＝1，z＝2～18。

（2）細(xì)胞質(zhì)的合成 (包括有機(jī)物的氧化、并以NH3作為氮源)

（3）細(xì)胞物質(zhì)的氧化

以纖維素為例，纖維素的好氧分解如下:

2.污泥高溫好氧發(fā)酵的流程

好氧堆肥技術(shù)是依靠專性和兼性好氧細(xì)菌的作用使有機(jī)物得以降解的生化過程。好氧堆肥具有對有機(jī)物分解速度快、降解徹底、堆肥周期短的特點(diǎn)。發(fā)酵過程分為一次發(fā)酵和二次發(fā)酵兩個(gè)過程。好氧堆肥的中溫（15～45℃）與高溫（45～65℃）兩個(gè)階段的微生物代謝過程稱為一次發(fā)酵或主發(fā)酵。它是指從發(fā)酵初期開始，經(jīng)中溫、高溫階段后，溫度開始下降，且采取任何保溫措施都無法使溫度上升的整個(gè)過程，一般需要10～12d。經(jīng)過一次發(fā)酵后，堆肥物料中的大部分有機(jī)物仍然存在，需將放置于通風(fēng)環(huán)境中進(jìn)行二次發(fā)酵，也稱后發(fā)酵，使其腐熟。在此階段溫度持續(xù)下降，當(dāng)溫度穩(wěn)定在40℃左右時(shí)即達(dá)到腐熟，二次發(fā)酵一般在20～30d左右便可以完成。由于好氧堆肥溫度高，可以滅活病原體、蟲卵和垃圾中的植物種子，使堆肥達(dá)到無害化。此外，好氧堆肥的環(huán)境條件好，不會產(chǎn)生難聞的臭氣。目前采用的堆肥工藝一般均為好氧堆肥。

近幾年我國在污泥堆肥方面的研究也取得了工藝技術(shù)方面的初步成果。天津市污水處理研究所在紀(jì)莊子污水處理廠進(jìn)行的污泥高溫堆肥試驗(yàn)研究中，探索出了一套少加甚至不加調(diào)節(jié)劑，且工藝簡單、便于操作管理的污泥堆肥工藝(見圖2)。同時(shí)，提出了工藝流程和技術(shù)參數(shù)，為生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供了技術(shù)依據(jù)。

圖2 污泥堆肥的工藝流程

3.污泥高溫好氧發(fā)酵的影響因素

污水處理廠污泥的堆肥化，是污泥在好氧的條件下，利用微生物對易于分解的有機(jī)物進(jìn)行分解的過程。如果不受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用方面的制約，原料污泥中所含有一定量的石灰、鐵鹽、鋁鹽等高分子絮凝劑，在堆肥處理的過程中，不會存在多大的障礙。但倘若在污泥處理過程中，添加的石灰過多，將會導(dǎo)致pH值過高，從而使堆肥化作業(yè)變得困難起來。為了提供微生物活動的適宜環(huán)境，原料中應(yīng)具有一定的含水率、有機(jī)物量、pH值和透氣性等。

（1）含水率

水分是微生物生存環(huán)境十分重要的條件之一，必須保持一定的含水率。通常含水率高，其微生物的活性增大，便于進(jìn)行有機(jī)物的分解。但倘若含水率過高，其透氣性便會顯著降低，又會使堆肥化中的好氧性反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為厭氧性狀態(tài)下的厭氧反應(yīng)。自污水處理廠來的污泥，經(jīng)過污泥處理工藝后，其污泥狀態(tài)，又因污泥處理過程的不同而各異。脫水后的污泥，其含水率約在65%～85%左右，大多在75%左右。而且脫水過程中，微生物的活動并未停止，但在污泥加熱脫水的過程中，其含水率可達(dá)45%以下，其好氧性發(fā)酵有時(shí)不能充分進(jìn)行，含水率過低，微生物活動能力降低。因此，從微生物學(xué)考慮，好氧性發(fā)酵需要調(diào)整適宜的含水率。污泥含水率的調(diào)整方法需根據(jù)堆肥化的方法、污泥脫水時(shí)使用絮凝劑的種類等情況而選定。如采用投加絮凝劑脫水的時(shí)候，可向污泥原料中添加稻殼、植物屑等粗大有機(jī)物，以調(diào)整混合原料含水率達(dá)60%～70%，對于污泥脫水過程中添加石灰的情況，可采用自然干燥及與有機(jī)堆肥混合，調(diào)整其含水率在50%～65%狀態(tài)，或利用太陽能加熱蒸發(fā)方式，調(diào)整含水率。

C.Liang[20]在實(shí)驗(yàn)中通過考察溫度和含水率對堆肥活動的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)物料含水率對堆肥活動的影響要大于溫度的影響程度。50%的含水率是維持物料中微生物正?；顒有枰淖畹椭担?dāng)物料的含水率在60%～70%時(shí)微生物的活動最活躍。另發(fā)現(xiàn)物料含水率在30%～60%之間時(shí)，含水率越高，微生物活動越活躍。

（2）C/N比

C/N是微生物體細(xì)胞維持與增殖的主要因素，微生物體內(nèi)(細(xì)菌)的C/N比約為5～10。通常平均為5～6，C含量增大，微生物的增殖會因N素不足而受到制約，從而減緩有機(jī)物的分解。通常C/N比較低時(shí)，堆肥化較易實(shí)施。而當(dāng)原料中C/N比低于5以下，又會導(dǎo)致堆肥化難于實(shí)施，因此，C/N比的大小，直接影響有機(jī)物的分解速度。污水處理廠污泥的有機(jī)物組成，一般以蛋白質(zhì)、油脂、纖維素等成份組成，同時(shí)，又因污水的種類、有無消化處理，污泥處理工藝情況的不同而相異。

一般消化污泥與混合污泥相比，有機(jī)物含量要低，碳水化合物、脂質(zhì)的含水率也偏低，污泥中C/N比約在6～8左右，微生物的構(gòu)成基本相同，作為發(fā)酵條件的營養(yǎng)成份(C/N)，能夠滿足微生物的活動。而對于污水處理廠污泥，有時(shí)C/N比處于10～20的范圍，要過分增大C/N比則是非常困難的。在C/N比較小的條件下，堆肥化作業(yè)過程中將產(chǎn)生部分NH3排入空氣，有時(shí)可能會帶來對周邊環(huán)境的污染。

（3）pH值

投加聚合物脫水的污泥，其pH值約在6～7，呈弱酸性，對堆肥發(fā)酵不會構(gòu)成障礙。對于利用投加石灰脫水的污泥，脫水時(shí)添加FeCl3約為7%～15%，消石灰約為30%～50%，其pH值達(dá)到11～12，呈強(qiáng)堿性。在這種狀態(tài)下要進(jìn)行好氧性發(fā)酵顯然不可能，可采用返送投加成品有機(jī)物堆肥。以降低pH值。并據(jù)發(fā)酵槽的種類、原料污泥發(fā)酵中的情況進(jìn)行混合，該狀態(tài)下不必設(shè)置前調(diào)整用的中和裝置。發(fā)酵中產(chǎn)生的CO2會與Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

（4）透氣性

對好氧性微生物而言，空氣的供給是不可缺少的，其發(fā)酵槽中的含氧量不應(yīng)低于10%，過量地供給空氣會影響槽內(nèi)原料的溫度升高。空氣的供給量應(yīng)根據(jù)發(fā)酵槽內(nèi)的含氧量及產(chǎn)生的CO2濃度情況，進(jìn)行適度調(diào)節(jié)控制。

當(dāng)脫水污泥直接投入發(fā)酵槽內(nèi)時(shí)，由于污泥自重的壓縮，將使槽內(nèi)堆積物之間的間隙顯著減少，失去良好的透氣性能。這種情況下會使好氧性微生物因缺氧而死亡，厭氧性微生物活躍起來，厭氧發(fā)酵將導(dǎo)致惡臭的發(fā)生。為了改善原料的透氣性，可采取以下兩種方式：

①添加輔助原料

向堆肥料中添加木屑、秸稈、稻殼等粗大有機(jī)物，以改善其透氣性能，或采取通過返送投加已發(fā)酵好的成品肥料進(jìn)行混合，可取得同樣的效果。對于以城市垃圾與污水處理廠污泥混合為原料的堆肥發(fā)酵槽，能夠改善C/N比，調(diào)整含水率，改善透氣性等。

②調(diào)整粒度與返送混合

污水處理廠的脫水污泥，有的呈粘土狀，在發(fā)酵過程中，應(yīng)進(jìn)行攪碎、返送、混合，可以起到增加原料間隙、改善透氣性能的作用。

（5）接種菌種

將發(fā)酵完好的部份有機(jī)肥料進(jìn)行返送，并與原料污泥混合，這與活性污泥法中回流剩余污泥所起的作用相似。但對于連續(xù)式發(fā)酵槽，在進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)后，再添加菌種，便沒有太大實(shí)際效果。對于多段式發(fā)酵槽，在運(yùn)轉(zhuǎn)開始時(shí)，添加菌種，則有利于促進(jìn)發(fā)酵的進(jìn)行。

（6）發(fā)酵時(shí)間

易于腐爛、發(fā)酵分解的有機(jī)物，通常在前發(fā)酵階段即可分解、穩(wěn)定，稱為一次發(fā)酵，即前發(fā)酵。對于纖維等分解性較差的有機(jī)物，一般要在第二階段發(fā)酵分解，又稱為二次發(fā)酵即后發(fā)酵。雖然一次發(fā)酵與二次發(fā)酵的準(zhǔn)確界面不易明確劃分，然而，一次發(fā)酵終結(jié)后，即使不中斷送氣，也會因其進(jìn)行厭氧發(fā)酵而產(chǎn)生惡臭氣味。

一次發(fā)酵的時(shí)間，應(yīng)在10～12d左右，隨發(fā)酵的原料狀況，發(fā)酵方法的不同而相異。其發(fā)酵時(shí)間的確定，有必要通過先期的試驗(yàn)來進(jìn)行，一般小型試驗(yàn)槽與大型發(fā)酵裝置相比，其堆肥化時(shí)間偏短。

二次發(fā)酵的時(shí)間，則按堆肥的用途要求來確定，通常在要求較細(xì)化施肥的情況下，其二次發(fā)酵時(shí)間定在20d以上為宜。

結(jié)束語

脫水污泥含水率高，含大量病原菌和寄生蟲卵，如果任意堆放必將占用大量的土地，散發(fā)臭氣，造成二次污染，浪費(fèi)資源。對于寸土寸金的上海來說，這個(gè)問題將尤為突出。將脫水污泥直接填埋，將會產(chǎn)生惡臭和易爆氣體，污染環(huán)境并造成安全隱患，各國法律都不允許，這就要求必須找到一種經(jīng)濟(jì)合理的處理方法。

[1]劉慶余等.城市污泥發(fā)酵處理中微生物對有機(jī)物的降解[J].中國環(huán)境科學(xué),1995,15(3):215-218.

[2]G.A.Kuteretc,Effects of aeration and temperature on composting of municipal sludge in a full-scale vessel system，J.WPCF,VOL.57，NO.4,April 1985.

[3]杜彥武.城市生活垃圾與糞便混合好氧堆肥化處理的試驗(yàn)研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2003.

[4]T.Haug,Engineering principle of sludge composting，J.WPCF,VOL.51，NO.8,August 1979.