兩種污泥堆肥通風(fēng)控制方式對(duì)比研究

張華，呂德龍，朱冬梅

(1.山東建筑大學(xué)山東省高等學(xué)校給水排水工程綜合實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101;2.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

隨著污水處理的迅速發(fā)展，污水污泥的無(wú)害化處置已經(jīng)引起廣泛重視[1]。脫水污泥中含有大量有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素，經(jīng)高溫堆肥處理后特別適合于做土壤改良劑，用于農(nóng)林牧地的土壤保養(yǎng)和改良修復(fù)[2－3]。同時(shí)，隨著城市園林綠化面積的不斷擴(kuò)大，在綠化植被日常養(yǎng)護(hù)過(guò)程中所產(chǎn)生的草坪修剪物、落葉、枝條等園林綠化廢棄物的產(chǎn)量也越來(lái)越大。而園林綠化廢棄物的主要成分為有機(jī)物質(zhì)，是一種具有很高潛在利用價(jià)值的有機(jī)資源。將脫水污泥與園林廢物混合后進(jìn)行高溫好氧堆肥處理，堆肥產(chǎn)品回用到林地和城市綠化中，不僅可以同時(shí)解決兩種廢物污染環(huán)境的問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種廢物的資源化利用的良性循環(huán)，符合物質(zhì)生態(tài)循環(huán)的規(guī)律，具有重要的社會(huì)價(jià)值和環(huán)境保護(hù)意義[4－6]。因此，開(kāi)發(fā)和推廣適合我國(guó)國(guó)情的脫水污泥與園林廢物的堆肥化技術(shù)，對(duì)于環(huán)境污染防治和循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。污泥堆肥技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已有許多研究[7]，由于受堆肥原材料組成、堆肥工藝及經(jīng)濟(jì)能力等的限制，有關(guān)堆肥研究成果應(yīng)用于工程實(shí)踐時(shí)，一些關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題還有待進(jìn)一步深入探索。通風(fēng)是堆肥運(yùn)行時(shí)最重要的控制參數(shù)，合理有效的通風(fēng)不僅可為堆肥微生物提供必需的氧氣，還可以保持適宜的堆體溫度、去除水分、控制惡臭、提高堆肥效率、降低能耗和保證堆肥質(zhì)量[8]。通風(fēng)控制方式主要可分為時(shí)間控制、時(shí)間—溫度控制、O2或CO2含量的反饋控制以及溫度和O2含量的反饋控制等四種方式[9]，魏源送等[10]對(duì)通風(fēng)控制方式作了較為全面的比較分析，根據(jù)我國(guó)國(guó)情，堆肥系統(tǒng)采用時(shí)間控制和時(shí)間—溫度反饋控制的通風(fēng)方式比較經(jīng)濟(jì)適宜。本研究將城市污水處理廠脫水污泥和園林廢物青草混合后進(jìn)行高溫好氧堆肥，對(duì)時(shí)間控制和時(shí)間—溫度聯(lián)合控制兩種通風(fēng)控制方式對(duì)堆肥過(guò)程的影響進(jìn)行了對(duì)比研究，量化了兩種通風(fēng)控制方式下堆肥效果的差異，確定了較佳的通風(fēng)控制方式，以期更合理的控制堆肥過(guò)程，優(yōu)化好氧堆肥工藝，為開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的堆肥工藝提供理論支持。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

所用污泥是取自濟(jì)南市某水質(zhì)凈化廠的污泥脫水間內(nèi)脫水后的生污泥。采集校園綠化草坪的青草作為污泥堆肥的調(diào)理劑，為保證采樣分析的代表性，堆肥堆料混合前將青草破碎為3～5cm長(zhǎng)。污泥和青草的性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)裝置

污泥堆肥裝置如圖1，反應(yīng)器為圓筒狀，材質(zhì)為聚丙烯(PP)，尺寸為φ600mm×1000mm，堆體高度800mm，容積約0.2m3。裝置下部設(shè)置布?xì)馐?，底部設(shè)滲濾液排出口;在反應(yīng)器壁上，距污泥堆體頂部和底部各200mm處設(shè)置兩個(gè)采樣口，并每隔200mm設(shè)置三個(gè)溫度檢測(cè)口;頂部加蓋密封用于裝填污泥混合堆料，并設(shè)置氣體排出口。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.3 試驗(yàn)方法

將城市污水處理廠脫水污泥與青草按8∶1(濕基質(zhì)量比)比例充分混合后進(jìn)行高溫好氧堆肥，污泥、青草和混合堆料的性質(zhì)測(cè)定見(jiàn)表1。試驗(yàn)分兩個(gè)工況:工況1為時(shí)間控制，通過(guò)TB—1025微電腦時(shí)控開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn);工況2為時(shí)間—溫度聯(lián)合控制，即在TB—1025微電腦時(shí)控開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)時(shí)間控制的同時(shí)，通過(guò)HYG—6402溫度控制儀實(shí)現(xiàn)溫度控制，溫度設(shè)定值為60℃，當(dāng)堆體溫度高于60℃時(shí)，溫度控制儀啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)對(duì)堆體進(jìn)行持續(xù)鼓風(fēng)，直至溫度降至60℃以下，時(shí)間控制貫穿整個(gè)堆肥過(guò)程。兩工況中的通風(fēng)量均為0.2 m3/(min·m3)，間歇通風(fēng)，通風(fēng)時(shí)間為 40min，停20min。每天定時(shí)采集混合堆料樣品，分析其性質(zhì)，對(duì)照兩個(gè)工況下堆肥進(jìn)程及腐熟周期的差異。

表1 堆肥物料的性質(zhì)

1.4 檢測(cè)方法

分析檢測(cè)堆肥過(guò)程中混合堆料的溫度、pH值、氨氮、總氮、總有機(jī)碳、種子發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)，方法分別為:溫度采用水銀溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)定;pH采用HI98128精密pH計(jì)測(cè)定[11];采用 KCl浸提納氏試劑光度法[12];TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法[11];TOC采用電熱板加熱—K2Cr2O7容量法[13];種子發(fā)芽指數(shù)采用靈敏度較高、發(fā)芽時(shí)間短的陽(yáng)春白菜種子進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同通風(fēng)控制方式下堆體溫度的變化

不同通風(fēng)控制方式下，堆體各層溫度的變化見(jiàn)圖2和圖3。兩種控制方式下，在堆肥初期堆體溫度上升明顯，都在第2天達(dá)到了最高溫度。之后隨著堆體中微生物可利用營(yíng)養(yǎng)成分的氧化分解減少，堆體溫度整體開(kāi)始下降。時(shí)間控制下在第14天時(shí)堆體溫度趨于穩(wěn)定并接近室溫。時(shí)間—溫度聯(lián)合控制下第12天時(shí)接近室溫，略高于室溫并隨室溫變化而變化。

圖2 時(shí)間控制下堆料溫度的變化

兩種控制方式下，堆體溫度在55℃均保持3d以上，或者50℃以上保持5～7d，滿足殺滅堆體中致病微生物的要求，保證了堆肥的衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)合格和堆肥腐熟的重要條件。僅時(shí)間控制下，堆體中部和下部出現(xiàn)了70℃以上的高溫并持續(xù)了2d，而在時(shí)間—溫度聯(lián)合控制下，溫度控制有效的控制了堆體過(guò)高溫度的出現(xiàn)，未出現(xiàn)70℃以上的高溫，避免了過(guò)高溫度對(duì)堆體中有益微生物的殺滅作用。

圖3 時(shí)間—溫度聯(lián)合控制下堆料溫度的變化

2.2 不同通風(fēng)控制方式下堆體氮元素的變化

2.2.2 總氮(TN)的變化

不同通風(fēng)控制方式下堆體總氮(TN)的變化見(jiàn)圖5。由于微生物通過(guò)氨化作用、硝化作用以及反硝化作用對(duì)堆料中的有機(jī)氮進(jìn)行氮的轉(zhuǎn)化、固定及釋放等共同作用下，在堆肥初期兩種狀態(tài)下的TN變化不明顯，之后兩種工況下TN含量都出現(xiàn)了明顯的下降，氮損失率逐漸增加，堆肥末期TN含量下降逐漸減緩，并慢慢穩(wěn)定，第17天堆肥結(jié)束時(shí)兩種工況下TN 的含量分別為7.24mg/g和8.24mg/g，最終氮的損失率分別為49.53%和42.67%。氮含量的降低直接導(dǎo)致堆肥肥效的下降，使污泥最終資源化利用價(jià)值降低。因此，堆肥條件的控制對(duì)減小氮元素的損失至關(guān)重要[16]。時(shí)間—溫度聯(lián)合控制方式下的氮元素的損失率低于時(shí)間控制方式下的。

圖4 不同通風(fēng)控制方式下堆料的變化

圖5 不同通風(fēng)控制方式下堆料總氮的變化

2.3 不同通風(fēng)控制方式下堆料總有機(jī)碳(TOC)的變化

不同通風(fēng)控制方式下總有機(jī)碳的變化見(jiàn)圖6。由于同時(shí)存在著有機(jī)質(zhì)被微生物分解轉(zhuǎn)化為CO2、H2O等更穩(wěn)定的低分子產(chǎn)物的作用，以及微生物利用中間產(chǎn)物合成自身物質(zhì)的作用，堆肥過(guò)程中堆料的TOC呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，最終第17天堆肥結(jié)束時(shí)，時(shí)間控制和時(shí)間—溫度聯(lián)合控制方式下堆料TOC的含量分別降至13.44%和19.29%，相當(dāng)于有機(jī)質(zhì)含量 23.17%和 33.26%，降解率分別為43.32%和31.55%。污泥作為綠化基質(zhì)使用時(shí)有機(jī)質(zhì)含量的最低限值為25%[14]，時(shí)間控制下有機(jī)質(zhì)降解率雖然更高，但肥效降低，有機(jī)質(zhì)含量低于了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[14]要求。而時(shí)間—溫度聯(lián)合控制方式下堆肥的有機(jī)質(zhì)含量符合要求。

圖6 不同通風(fēng)控制方式下堆料有機(jī)碳的變化

2.4 不同通風(fēng)控制方式下種子發(fā)芽指數(shù)(GI)的變化

種子發(fā)芽率可以作為一種對(duì)植物毒性最敏感、最有效、且最能反映堆肥產(chǎn)品腐熟度的指標(biāo)，所以可以通過(guò)種子發(fā)芽指數(shù)檢測(cè)堆肥浸提液的生物毒性的方法來(lái)評(píng)價(jià)堆肥的腐熟程度[17－18]。國(guó)外較早的研究認(rèn)為，當(dāng)GI＞50%時(shí)說(shuō)明堆肥已腐熟并達(dá)到了可接受的程度，即基本沒(méi)有毒性[19－20]。但是隨著堆肥毒性相關(guān)研究的開(kāi)展，眾多研究者普遍認(rèn)為，在所有情況下，當(dāng)GI達(dá)到80% ～85%時(shí)，堆肥就可以認(rèn)為沒(méi)有植物毒性或者說(shuō)堆肥已腐熟[14，21]。而我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)[14]要求污泥GI＞60%時(shí)方可資源化用作綠化基質(zhì)[22－23]。

圖7 不同通風(fēng)控制方式下GI值的變化

兩種工況下GI的變化如圖7，都經(jīng)歷了先下降后逐漸上升的過(guò)程。即在堆肥過(guò)程中，存在堆料的生物毒性抑制種子發(fā)芽和生物毒性逐漸消失兩個(gè)階段。這是因?yàn)樵诙逊食跗?，堆體中的有機(jī)物快速分解產(chǎn)生了大量的揮發(fā)性有機(jī)酸、醛類、多酚及氨氮等物質(zhì)，對(duì)植物具有一定的毒性，抑制和阻礙了種子的發(fā)芽和生長(zhǎng)。隨著堆肥過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，堆體中的揮發(fā)性有機(jī)酸等物質(zhì)逐漸被微生物分解和轉(zhuǎn)化，堆肥對(duì)種子發(fā)芽的抑制作用逐漸減弱，堆肥腐熟度不斷增加，兩種工況下的堆肥GI值分別于第8天和第7天升至60%以上，但是此時(shí)GI波動(dòng)較大，不穩(wěn)定，當(dāng)兩種工況堆肥分別進(jìn)行到第13天和第11天時(shí)，GI值升至83.46%和88.02%，并趨于穩(wěn)定，第17天堆肥結(jié)束時(shí)已完全達(dá)到腐熟狀態(tài)。時(shí)間—溫度聯(lián)合控制通風(fēng)方式下植物毒性消失得更早。

綜合以上各指標(biāo)的變化認(rèn)為，時(shí)間—溫度聯(lián)合控制通風(fēng)方式下污泥堆肥的最佳腐熟周期為12d，時(shí)間通風(fēng)控制方式下污泥堆肥的最佳腐熟周期為14d。

3 結(jié)論

兩種控制方式下，堆肥溫度均可達(dá)55℃，并維持3d以上;時(shí)間—溫度控制方式對(duì)堆肥過(guò)程中堆體溫度的控制比僅時(shí)間控制更有效。時(shí)間—溫度控制下濃度比時(shí)間控制下提前1d達(dá)到堆肥腐熟(≤0.43mg/g)的要求，同時(shí)氮損失率42.67%少于時(shí)間控制下的49.53%，而有機(jī)質(zhì)含量符合資源化標(biāo)準(zhǔn)要求。時(shí)間—溫度聯(lián)合控制下GI值在第8天升至60%以上，植物毒性消失得更早，GI穩(wěn)定超過(guò)80%時(shí)的最佳腐熟周期為12d，而時(shí)間通風(fēng)控制方式下GI值在第7天升至60%以上，最佳腐熟周期為14d。因此，時(shí)間—溫度聯(lián)合控制方式與時(shí)間控制方式相比，具有更好的溫度控制效果、更高的堆肥產(chǎn)品有機(jī)物含量、更低的氮損失率和更短的堆肥周期。時(shí)間—溫度聯(lián)合控制方式優(yōu)于時(shí)間控制方式。

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