不同通風(fēng)量對(duì)城市污泥與鋸末共堆肥的影響

張軍，劉孟子（等）

摘要：為實(shí)現(xiàn)城市污泥減量化、無害化和穩(wěn)定化的綜合目的，以城市污泥與鋸末為原料，在一體化污泥好氧發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)采用3組不同通風(fēng)工況進(jìn)行靜態(tài)好氧堆肥試驗(yàn)，分析堆體溫度、揮發(fā)性固體、含水率、發(fā)芽指數(shù)和pH隨時(shí)間變化的特點(diǎn)。結(jié)果表明，在污泥與鋸末含水率分別為83%和11%，質(zhì)量比為4∶1時(shí)，3種通風(fēng)工況均能實(shí)現(xiàn)高溫好氧堆肥。工況2（不同時(shí)段通風(fēng)量分別為0.8、0.6、0.4、0.6、1.0、1.0 L/min）時(shí)堆肥效果最佳，溫度維持50 ℃和55 ℃以上時(shí)間最長(zhǎng)，堆肥結(jié)束時(shí)測(cè)得白菜種子發(fā)芽指數(shù)超過80%。

關(guān)鍵詞：好氧堆肥；通風(fēng)量；城市污泥；鋸末

中圖分類號(hào)：S141.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）07-1520-04

Effects of Ventilation Rate on Co-composting of Municipal Sludge and Sawdust

ZHANG Jun，LIU Meng-zi，CHEN Jun，WANG Dun-qiu，YOU Shao-hong

（School of Environmental Science and Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541004， Guangxi， China）

Abstract： Aerobic static co-composting of municipal sludge and sawdust under 3 different ventilation rate of conditions was studied in integrated fermentation device for comprehensive purpose of reduction，harmlessness and stabilization. The indexes such as temperature， VS， moisture content， germination index and pH value were analyzed to examine the feasibility of co-composting of municipal sludge and sawdust. Results showed that when the wet basis ratio of municipal sludge and sawdust was 4∶1 and mixed compost can realize co-composting under 3 different ventilation. The optimal ventilation rate was 0.8，0.6，0.4，0.6，1.0 and 1.0 （L/min） for the temperatures above 50℃ and 55℃ maintained for the longest time. GI of Chinese cabbage was exceeded 80%.

Key words： aerobic composting； ventilation volume； municipal sludge； sawdust

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠的迅速發(fā)展，污水處理量隨之增加，污泥處理問題日益突出。中國(guó)水網(wǎng)2012年公布的最新數(shù)據(jù)顯示，截至2011年底，中國(guó)累計(jì)建成城鎮(zhèn)污水處理廠3 138座，總處理能力達(dá)1.39億m3/d。根據(jù)估算，2011年中國(guó)全年濕污泥（含水率85%）產(chǎn)生量約為2 800萬t，每天約產(chǎn)生7.66萬t濕污泥。城市污泥中含有重金屬離子和病原菌、寄生蟲卵等有毒有害物質(zhì)，若不進(jìn)行妥善處理，將通過大氣、水源等進(jìn)入人類食物鏈，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境，對(duì)人類健康帶來不利影響[1]。目前國(guó)內(nèi)外污泥處置的方法主要有4類：衛(wèi)生填埋、污泥焚燒、污泥堆肥和污泥農(nóng)用[2]，與其他處理方式比較，堆肥具有周期短、投資少、資源化回收營(yíng)養(yǎng)元素和碳排放低等優(yōu)點(diǎn)。

通風(fēng)供氧是高溫好氧堆肥成功的關(guān)鍵因素之一。通風(fēng)的主要作用是為微生物提供氧氣、調(diào)節(jié)堆肥進(jìn)程中的溫度和降低含水率。選擇合理的通風(fēng)策略和通風(fēng)量能實(shí)現(xiàn)堆肥快速升溫、減少臭氣產(chǎn)生、提高堆肥品質(zhì)、降低能耗和保證堆肥質(zhì)量[3，4]。通風(fēng)控制方式包括時(shí)間控制、時(shí)間-溫度控制、O2或CO2含量反饋控制和溫度-O2含量反饋控制四種[5]。本試驗(yàn)應(yīng)用污泥倉(cāng)式高溫好氧堆肥裝置，以城市污泥和鋸末為原料，采取氧氣-溫度聯(lián)合反饋通風(fēng)的控制方式對(duì)高、中、低三組不同通風(fēng)量條件下的堆肥效果進(jìn)行了研究，以期為倉(cāng)式好氧堆肥技術(shù)的工藝優(yōu)化和成套技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和大規(guī)模推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 堆肥原料 污泥取自桂林市七里店污水處理廠，鋸末取自桂林市雁山區(qū)木材加工站，取回后過篩。堆肥原料的基本性質(zhì)如表1所示。

1.1.2 試驗(yàn)裝置 試驗(yàn)采用直徑為0.45 m、高度為0.6 m、容積為50 L的污泥倉(cāng)式好氧發(fā)酵罐（圖1）。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 上堆前，根據(jù)堆肥物料性質(zhì)的差異，按污泥與鋸末質(zhì)量比為4∶1進(jìn)行充分混合，使堆體的C/N比在25～30之間，含水率調(diào)節(jié)至67%左右。充分混合后裝入容積為50 L的倉(cāng)式好氧堆肥發(fā)酵罐。

國(guó)內(nèi)多名學(xué)者對(duì)堆肥過程中通風(fēng)控制方式及通風(fēng)量進(jìn)行了研究[6-8]，但因各自采用的堆體物料、反應(yīng)器及控制策略不同而得出的結(jié)論也不盡相同。本試驗(yàn)根據(jù)堆肥進(jìn)程中溫度的動(dòng)態(tài)變化和氧氣消耗規(guī)律將堆肥分為4個(gè)階段（圖2），分階段采用氧氣-溫度反饋通風(fēng)的策略，由溫度探頭（PT-100鉑電極）和氧氣探頭（O2 I/-01型O2傳感器）探測(cè)堆體內(nèi)溫度和氧氣的實(shí)際值，并將信號(hào)傳送至可編程邏輯控制器（PLC）和上位組態(tài)軟件，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的通風(fēng)流量自動(dòng)調(diào)整通風(fēng)電機(jī)閥門的開度，以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)流量的精確控制。

1.2.2 通風(fēng)量的設(shè)置 陳同斌等[9]將整個(gè)堆肥過程分成4個(gè)階段，即緩慢升溫階段、快速升溫階段、高溫維持階段和降溫階段。為了更加直觀地表示堆肥進(jìn)程中溫度的動(dòng)態(tài)變化，此次試驗(yàn)將堆體進(jìn)程分為適應(yīng)期（0 ℃

1.2.3 采樣及測(cè)定 堆肥開始后，通過發(fā)酵罐頂部預(yù)留的取樣孔，依據(jù)5點(diǎn)取樣法每天取樣，風(fēng)干后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)測(cè)定。

含水率采用減重法測(cè)定，取鮮樣置于電熱烘箱（GZX-9240MBE）內(nèi)在105 ℃下烘24 h。VS含量采用重量法測(cè)定，置于550 ℃的馬弗爐中灼燒12 h。TOC采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定[10]。TN用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮法測(cè)定[11]。

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）：取5 g新鮮堆肥樣品與50 mL去離子水充分混合并振蕩2 h，在轉(zhuǎn)速為5 000 r/min下進(jìn)行離心分離，取5 mL濾液放入鋪有兩張濾紙直徑為9 cm的無菌培養(yǎng)皿中，每個(gè)培養(yǎng)皿均勻播20粒太原二青白菜種子，30 ℃下恒溫培養(yǎng)48 h，測(cè)定發(fā)芽率和根長(zhǎng)，計(jì)算GI。

發(fā)芽指數(shù)（GI）=■×100%

2 結(jié)果與分析

2.1 堆體中心溫度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化

溫度變化特性如圖3所示。工況1第3天堆體溫度達(dá)到55 ℃，較工況2、3提前1 d，表明在堆肥初期通風(fēng)量越小堆體溫度上升越快[6]。在3種通風(fēng)工況下，工況1、工況2、工況3堆體溫度在50 ℃以上分別持續(xù)7、8、6 d，在55℃以上維持了4、6、5 d。研究表明，堆體溫度在50 ℃以上維持5～7 d或55 ℃條件下維持3 d以上，可以殺滅病原菌和雜草種子[12]。由表3可知，3種通風(fēng)工況均可實(shí)現(xiàn)高溫好氧堆肥。工況2時(shí)，堆體溫度最快進(jìn)入高溫期，且堆體溫度維持在50 ℃和55 ℃以上的時(shí)間最長(zhǎng)，因此堆肥效果最佳。與工況3相比，可以保持相對(duì)較小的通風(fēng)量，符合低功耗連續(xù)運(yùn)行的策略。

持續(xù)高溫期過后，堆肥進(jìn)入物料脫水期以完成堆體的快速腐熟。到第16天，測(cè)得工況1、工況2、工況3堆體溫度分別降至26.0、24.3、23.5℃，接近環(huán)境溫度22.7℃。其中，由于工況3在物料脫水期保持了較高的通風(fēng)量，使得堆體可以較好地完成物料脫水和快速腐熟，故與環(huán)境溫度最相近。

2.2 VS的變化

有機(jī)物是微生物賴以生存和繁殖的基本條件，在一定程度上堆肥過程中有機(jī)物的變化可以反映堆肥的進(jìn)程，有機(jī)物的降解率可用來判斷堆肥的腐熟度[13，14]。研究表明，在高溫好氧堆肥中，適合堆肥的有機(jī)物含量變化范圍為20%～80%[15]。當(dāng)有機(jī)物含量低于20%時(shí)，堆肥產(chǎn)生的熱量不足以使堆肥進(jìn)入持續(xù)高溫期，從而達(dá)不到高溫滅菌的效果。當(dāng)堆體有機(jī)物含量高于80%時(shí)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)氧氣的過度消耗，甚至出現(xiàn)厭氧狀態(tài)而產(chǎn)生臭氣，降低了堆肥穩(wěn)定性且污染環(huán)境。許多研究證明，所有的有機(jī)物都是揮發(fā)性固體，故測(cè)定原料中VS的量就可以知道原料中有機(jī)物的大致比例。如圖4所示，3種工況下堆體的VS含量均隨堆制時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。已有學(xué)者研究表明，堆肥中高溫階段持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，有機(jī)物的降解越顯著，特別是在80 ℃以上的超高溫期[16，17]。結(jié)合表3可知，工況2在50 ℃以上的高溫期持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，更有利于堆肥過程中有機(jī)物的降解，這對(duì)縮短堆肥時(shí)間、保證堆肥質(zhì)量和降低運(yùn)行成本有一定的幫助。

2.3 含水率的變化

在好氧堆肥過程中，水分的主要作用是為微生物吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)提供良好的介質(zhì)，使堆體保持適宜的溫度，為微生物的生長(zhǎng)繁殖和新陳代謝提供合適的環(huán)境條件[18]。堆肥過程中含水率的變化主要是兩個(gè)方面共同作用的結(jié)果，一是堆體中有機(jī)物氧化分解產(chǎn)生水分，二是在高溫期液態(tài)水吸熱變成水蒸氣揮發(fā)。由圖5可知，至堆肥結(jié)束時(shí)工況1、2、3含水率分別為61.2%、52.1%、49.8%，較初始含水率67%分別下降了5.8、14.9、17.2個(gè)百分點(diǎn)。理論上，3種工況都經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)高溫期，應(yīng)有利于水蒸氣的形成，但工況1的含水率變化不明顯，而工況2和3均下降了10%以上?？赡苁怯捎谠诙逊屎笃?，即物料脫水期工況1的通風(fēng)量不足，不利于水分的去除致使部分水蒸氣在發(fā)酵倉(cāng)頂部凝結(jié)成小水滴再次滴落到堆體。因此，在物料脫水期保證足夠的通風(fēng)量更有利于降低堆體的含水率，實(shí)現(xiàn)堆肥減量化的目的。

2.4 種子發(fā)芽指數(shù)

用種子發(fā)芽指數(shù)作為檢測(cè)堆肥對(duì)植物毒性的生物學(xué)指標(biāo)，GI不僅能檢測(cè)堆肥的毒性，還能在一定程度上預(yù)測(cè)堆肥毒性的發(fā)展[19]。有研究表明，當(dāng)GI>50%時(shí)，堆肥對(duì)土壤的毒性已經(jīng)基本消失，堆肥已經(jīng)達(dá)到腐熟的程度[20]。另有研究指出，當(dāng)把GI為90%的堆肥應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)[21]。綜上所述，當(dāng)GI為50%～90%時(shí)最為適宜。至堆肥結(jié)束時(shí)工況1、工況2和工況3的GI分別上升至68.5%、82.4%和72.5%，均超過50%，其中以工況2最高（圖6），表明堆肥經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)高溫期后已經(jīng)基本消除毒性。

2.5 pH的變化

pH的動(dòng)態(tài)變化可以直觀地揭示堆肥過程。適宜的pH可使微生物有效地發(fā)揮作用，保留堆體中有效的氮成分，減少氨氮的損失，pH太高和太低都會(huì)影響堆肥的效率。一般認(rèn)為pH在7.5～8.5時(shí)可獲得最大堆肥速率[22]。3種工況中，隨著堆體溫度的升高， pH的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律為先上升，然后經(jīng)過幾次波動(dòng)，最后呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。在快速升溫期由于微生物對(duì)有機(jī)氮進(jìn)行分解，產(chǎn)生大量NH3引起pH上升，到堆肥后期由于有機(jī)物分解產(chǎn)生大量H+及NH3降低造成pH下降。如圖7所示，3種工況的pH大部分時(shí)間為7.5～8.5，有利于堆體的快速分解，因而不需要調(diào)整堆體的pH。

3 結(jié)論

1）根據(jù)堆肥過程溫度的動(dòng)態(tài)變化，將堆肥過程分為適應(yīng)期、快速升溫期、持續(xù)高溫期和物料脫水期，結(jié)合堆體中心點(diǎn)溫度和氧氣含量的變化規(guī)律，分階段控制通風(fēng)量有利于堆體快速升溫和有機(jī)質(zhì)的降解，減少通風(fēng)能耗。

2）根據(jù)堆體溫度、VS、含水率的動(dòng)態(tài)變化及白菜種子GI的檢測(cè)結(jié)果，城市污泥與鋸末質(zhì)量比為4∶1，工況1（不同階段通風(fēng)量分別為0.4、0.3、0.2、0.3、0.5、0.5 L/min）、工況2（不同階段通風(fēng)量分別為0.8、0.6、0.4、0.6、1.0、1.0 L/min）和工況3（不同階段通風(fēng)量分別為1.2、0.9、0.6、0.9、1.5、1.5 L/min）時(shí)均可實(shí)現(xiàn)高溫好氧堆肥。從高溫滅菌和降低能耗的角度看，工況2通風(fēng)量適度，堆體溫度在50 ℃以上持續(xù)8 d、55 ℃以上持續(xù)6 d，較工況1和工況3時(shí)間長(zhǎng)，滅菌效果好，節(jié)能；從有機(jī)物的降解程度上看，工況2的VS含量降低最為明顯，可縮短堆肥周期和降低運(yùn)行成本；從堆肥的腐熟度指標(biāo)上考慮，堆肥結(jié)束后測(cè)得工況2的白菜種子GI>80%，表明堆肥的毒性基本消失。整體比較工況2的低功耗連續(xù)通風(fēng)方式堆肥效果最佳。

3）在高、中、低3種不同通風(fēng)工況下，城市污泥與鋸末質(zhì)量比為4∶1時(shí)，堆肥過程中pH大部分時(shí)間為7.5～8.5，有利于堆體的快速分解，不需進(jìn)行pH的調(diào)整。

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3 結(jié)論

1）根據(jù)堆肥過程溫度的動(dòng)態(tài)變化，將堆肥過程分為適應(yīng)期、快速升溫期、持續(xù)高溫期和物料脫水期，結(jié)合堆體中心點(diǎn)溫度和氧氣含量的變化規(guī)律，分階段控制通風(fēng)量有利于堆體快速升溫和有機(jī)質(zhì)的降解，減少通風(fēng)能耗。

2）根據(jù)堆體溫度、VS、含水率的動(dòng)態(tài)變化及白菜種子GI的檢測(cè)結(jié)果，城市污泥與鋸末質(zhì)量比為4∶1，工況1（不同階段通風(fēng)量分別為0.4、0.3、0.2、0.3、0.5、0.5 L/min）、工況2（不同階段通風(fēng)量分別為0.8、0.6、0.4、0.6、1.0、1.0 L/min）和工況3（不同階段通風(fēng)量分別為1.2、0.9、0.6、0.9、1.5、1.5 L/min）時(shí)均可實(shí)現(xiàn)高溫好氧堆肥。從高溫滅菌和降低能耗的角度看，工況2通風(fēng)量適度，堆體溫度在50 ℃以上持續(xù)8 d、55 ℃以上持續(xù)6 d，較工況1和工況3時(shí)間長(zhǎng)，滅菌效果好，節(jié)能；從有機(jī)物的降解程度上看，工況2的VS含量降低最為明顯，可縮短堆肥周期和降低運(yùn)行成本；從堆肥的腐熟度指標(biāo)上考慮，堆肥結(jié)束后測(cè)得工況2的白菜種子GI>80%，表明堆肥的毒性基本消失。整體比較工況2的低功耗連續(xù)通風(fēng)方式堆肥效果最佳。

3）在高、中、低3種不同通風(fēng)工況下，城市污泥與鋸末質(zhì)量比為4∶1時(shí)，堆肥過程中pH大部分時(shí)間為7.5～8.5，有利于堆體的快速分解，不需進(jìn)行pH的調(diào)整。

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3 結(jié)論

1）根據(jù)堆肥過程溫度的動(dòng)態(tài)變化，將堆肥過程分為適應(yīng)期、快速升溫期、持續(xù)高溫期和物料脫水期，結(jié)合堆體中心點(diǎn)溫度和氧氣含量的變化規(guī)律，分階段控制通風(fēng)量有利于堆體快速升溫和有機(jī)質(zhì)的降解，減少通風(fēng)能耗。

2）根據(jù)堆體溫度、VS、含水率的動(dòng)態(tài)變化及白菜種子GI的檢測(cè)結(jié)果，城市污泥與鋸末質(zhì)量比為4∶1，工況1（不同階段通風(fēng)量分別為0.4、0.3、0.2、0.3、0.5、0.5 L/min）、工況2（不同階段通風(fēng)量分別為0.8、0.6、0.4、0.6、1.0、1.0 L/min）和工況3（不同階段通風(fēng)量分別為1.2、0.9、0.6、0.9、1.5、1.5 L/min）時(shí)均可實(shí)現(xiàn)高溫好氧堆肥。從高溫滅菌和降低能耗的角度看，工況2通風(fēng)量適度，堆體溫度在50 ℃以上持續(xù)8 d、55 ℃以上持續(xù)6 d，較工況1和工況3時(shí)間長(zhǎng)，滅菌效果好，節(jié)能；從有機(jī)物的降解程度上看，工況2的VS含量降低最為明顯，可縮短堆肥周期和降低運(yùn)行成本；從堆肥的腐熟度指標(biāo)上考慮，堆肥結(jié)束后測(cè)得工況2的白菜種子GI>80%，表明堆肥的毒性基本消失。整體比較工況2的低功耗連續(xù)通風(fēng)方式堆肥效果最佳。

3）在高、中、低3種不同通風(fēng)工況下，城市污泥與鋸末質(zhì)量比為4∶1時(shí)，堆肥過程中pH大部分時(shí)間為7.5～8.5，有利于堆體的快速分解，不需進(jìn)行pH的調(diào)整。

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