翻堆策略對(duì)污泥堆肥過程中理化性質(zhì)的影響

2014-09-02 06:29馬闖李明峰趙繼紅等

江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年7期

馬闖　李明峰　趙繼紅等

摘要：針對(duì)城市污泥強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛堆肥工藝，在整個(gè)堆肥周期采用固定翻堆頻率的情況下，研究不同翻堆策略對(duì)堆肥物理和化學(xué)性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：不同翻堆策略對(duì)堆體理化性質(zhì)的影響不同，翻堆作業(yè)可以顯著降低堆體溫度，加快降溫期的降溫速度。高溫后期開始翻堆（處理3）可提高堆體達(dá)到的最高溫度及整個(gè)堆肥周期的溫度，同時(shí)更有利于堆肥物料的脫水干化、提高揮發(fā)性固體降解率，但會(huì)增大氮素?fù)p失量；不同翻堆策略對(duì)物料pH值和種子發(fā)芽率沒有顯著影響，3個(gè)處理均可實(shí)現(xiàn)物料的腐熟和無害化。為了保證污泥的脫水干化效果，建議采用處理3的翻拋策略。

關(guān)鍵詞：污泥；堆肥；翻堆策略；理化性質(zhì)

中圖分類號(hào)：X703；S141.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2014）07-0394-03

收稿日期：2013-02-22

基金項(xiàng)目：國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)子課題（編號(hào)：2012ZX07204-001）；河南省重大公益招標(biāo)項(xiàng)目（編號(hào)：101100910300）；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號(hào)：142102310063）；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：14A610009）；鄭州輕工業(yè)學(xué)院博士基金（編號(hào)：2013BSJJ022）。

作者簡(jiǎn)介：馬闖（1982—），男，河南開封人，博士，講師，主要從事固體廢棄物資源化研究。E-mail：machuang819@163.com。高溫好氧發(fā)酵后的土地利用是城市污泥主要的處理處置方式之一[1]，由于強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛具有占地面積小、處理能力大的優(yōu)點(diǎn)，工業(yè)化的污泥堆肥一般采用該工藝。強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛堆肥系統(tǒng)具有半開放、單向鼓風(fēng)的特點(diǎn)，堆體內(nèi)部通常會(huì)形成溫度、濕度及氧氣濃度的層次梯度[2-4]，從而影響堆肥效率和堆肥成品的品質(zhì)。通過對(duì)發(fā)酵物料進(jìn)行翻堆處理，不但可以提供氧氣，而且有利于物料均勻，促進(jìn)水分蒸發(fā)，還可以有效改善堆體內(nèi)溫度、濕度、氧氣濃度等空間效應(yīng)，打破不同剖面的層次效應(yīng)，改進(jìn)通氣性能、減少臭氣產(chǎn)生[5]。因此，翻堆成為彌補(bǔ)強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛堆肥系統(tǒng)不足的重要手段，也成為提高其堆肥效率和發(fā)酵質(zhì)量的重要措施。針對(duì)不同的發(fā)酵物料，采用何種翻堆策略取決于物料的濕度、孔隙度、有機(jī)質(zhì)的分解速率及堆肥外部環(huán)境等。陳同斌等研究發(fā)現(xiàn)，污泥與豬糞堆肥時(shí)，升溫期和降溫期翻堆效果不理想，而高溫階段翻堆有利于提高堆肥效率[6]。有研究認(rèn)為，過早翻堆會(huì)推遲高溫時(shí)間，導(dǎo)致堆溫顯著下降，翻堆過晚則不利于再次升溫和高溫維持[7-8]。Zhao等研究發(fā)現(xiàn)，堆體每2 d翻拋1次比每 4 d 翻拋1次會(huì)散失更多的熱量[9]；李玉紅等研究牛糞高溫堆肥時(shí)發(fā)現(xiàn)，3 d/次和6 d/次的處理比9 d/次的升溫快，且溫度高，堆肥產(chǎn)品種子發(fā)芽率高[10]。翻堆一般分為人工翻堆和機(jī)械翻堆，無論采用何種翻堆方式，隨著翻堆頻率的增加，堆肥成本均會(huì)增加。因此需要探索在盡量降低翻堆頻率的同時(shí)，通過調(diào)整翻堆時(shí)機(jī)、優(yōu)化翻堆策略，提高堆肥效率和產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到堆肥成本和效率的平衡。筆者針對(duì)城市污泥強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛堆肥工藝，在整個(gè)堆肥周期固定翻堆次數(shù)，通過分析不同翻堆策略對(duì)堆肥物理和化學(xué)性質(zhì)的影響，揭示強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛堆肥的適宜翻堆時(shí)間，以期為優(yōu)化翻堆策略，提高堆肥效率和產(chǎn)品質(zhì)量提供參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在鄭州市八崗污泥處理廠進(jìn)行，供試的城市污泥為鄭州市五龍口污水處理廠的脫水污泥，污泥含水率（MC）7981%，揮發(fā)性固體（VS）含量為60.3%。調(diào)理劑為鋸末和該廠的腐熟料，其含水率分別為8.23%、34.5%，揮發(fā)性固體含量分別為95.5%、43.3%。污泥、鋸末和腐熟料按體積比 1 ∶0.2 ∶0.8 的比例均勻混合，混合后測(cè)得待發(fā)酵物料的含水率、揮發(fā)性固體含量分別為54.5%、52.4%左右。

1.2試驗(yàn)方法

將混合后待發(fā)酵物料用鏟車堆積于發(fā)酵槽中，堆體的長(zhǎng)、寬、高分別為30、4.5、1.7 m。根據(jù)需要，用羅茨鼓風(fēng)機(jī)自堆體底部強(qiáng)制間歇式通風(fēng)供氧，通風(fēng)量為140 m3/min。堆肥過程由計(jì)算機(jī)根據(jù)堆肥實(shí)時(shí)溫度反饋控制羅茨鼓風(fēng)機(jī)。在試驗(yàn)中采用德國(guó)巴庫斯翻拋機(jī)進(jìn)行翻拋，翻拋深度為1.6 m。

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理，每個(gè)堆肥周期均翻拋3次：處理1，在發(fā)酵后6、13、15 d翻拋；處理2，在發(fā)酵后8、11、14 d翻拋；處理3，在發(fā)酵后10、12、14 d翻拋。試驗(yàn)于夏季進(jìn)行，共發(fā)酵15 d。

1.3采樣與分析方法

在整個(gè)發(fā)酵周期中，采用溫度探頭自動(dòng)監(jiān)測(cè)堆體溫度。試驗(yàn)過程中，各堆體每3 d取1次樣品（最后一次取樣為發(fā)酵15 d時(shí)），分別測(cè)定其含水率、揮發(fā)性固體（VS）含量、pH值、電導(dǎo)率（EC）、種子發(fā)芽指數(shù)（GI）、總氮（TN）等?；?yàn)分析方法分別為：含水率采用烘干法，揮發(fā)性固體采用灼燒法，pH值采用pH酸度計(jì)測(cè)定法，電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀測(cè)定法，發(fā)芽指數(shù)采用小白菜發(fā)芽試驗(yàn)法，總氮采用半微量凱氏定氮法[11]。

2結(jié)果與分析

2.1堆體各處理的溫度變化

在好氧堆肥過程中，堆體的溫度是好氧堆肥的關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)也是判斷堆肥是否成功、能否最終實(shí)現(xiàn)無害化的重要指標(biāo)之一[12]。不同翻堆策略堆肥過程中的溫度變化趨勢(shì)如圖1所示，可以看出，3個(gè)處理的溫度變化趨勢(shì)基本相同；堆肥過程中各處理堆體溫度的變化均經(jīng)歷了3個(gè)階段：快速升溫期、高溫持續(xù)期、降溫期；堆肥初期，堆料中易分解的有機(jī)質(zhì)在微生物的作用下迅速分解，堆體產(chǎn)生大量的熱量導(dǎo)致堆體溫度快速上升，各處理均在1 d內(nèi)完成快速升溫過程后進(jìn)入高溫持續(xù)期（>50 ℃），在快速升溫期各處理間溫度差別不大；進(jìn)入高溫期后，不同處理溫度存在一定的差異，在堆肥的高溫前期，處理2的溫度最高，處理1次之，處理3最低，3個(gè)處理呈現(xiàn)出明顯的層次性并持續(xù)到堆肥后6 d；6 d時(shí)，處理1進(jìn)行了翻堆作業(yè)，顯著降低了處理1的溫度，7 d后，處理2、處理3的溫度逐漸超過處理1，以處理3溫度最高并波動(dòng)持續(xù)到 12 d，之后各處理均進(jìn)入降溫期，處理2與處理3的溫度相差不大，但均高于處理1。同時(shí)，由于堆肥過程中需要維持一段時(shí)間的高溫才能滿足堆肥無害化、穩(wěn)定化的要求，溫度過低時(shí)無法完成無害化，而溫度過高則會(huì)對(duì)微生物造成滅活作用[13]。處理1、處理2、處理3的溫度在50 ℃以上的持續(xù)時(shí)間均在10 d左右，完全達(dá)到了GB 7959—1987《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的堆溫應(yīng)在50～55 ℃以上并持續(xù)5～7 d的要求?？梢?種翻拋策略均可以成功進(jìn)行污泥堆肥，實(shí)現(xiàn)污泥無害化。endprint

堆肥期間，處理1分別在6、13、15 d時(shí)進(jìn)行了1次翻堆作業(yè)，處理2分別在8、11、14 d進(jìn)行了1次翻堆作業(yè)，處理3于10、12、14 d進(jìn)行了1次翻堆作業(yè)。由圖1可見，通過翻堆作業(yè)可以顯著降低堆體溫度，加快降溫期的降溫速度；同時(shí)，每次翻堆后堆體溫度均有小幅度上升，翻堆的時(shí)間越早則升溫速度越快，溫度恢復(fù)得越好。與高溫中期開始翻堆（處理2）相比，高溫前期開始翻堆（處理1）會(huì)降低堆體達(dá)到的最高溫度及整個(gè)堆肥周期的溫度，高溫后期開始翻堆（處理3）可提高堆體達(dá)到的最高溫度及整個(gè)堆肥周期的溫度。

2.2堆體含水率的動(dòng)態(tài)變化

堆肥物料的干化和脫水是堆肥化處理的主要目的之一，尤其是對(duì)于含水率較高的城市污泥更是堆肥成功與否的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。翻堆能使堆料混合均勻，促進(jìn)水分蒸發(fā)，有利于堆肥物料干燥[14]。不同翻堆策略堆肥過程中的含水率變化趨勢(shì)如圖2所示，可以看出3個(gè)處理的含水率變化趨勢(shì)基本相同，隨著堆肥的進(jìn)行，脫水作用明顯，含水率均逐漸降低，各處理堆肥前7 d的脫水速率均要高于后 7 d；處理1、處理2、處理3的含水率分別由開始堆肥時(shí)的53%左右降為42.3%、38.5%、36.7%；3個(gè)處理中以處理3的脫水效果最好，處理2次之，處理1最差?？梢娕c高溫前期（處理1）和高溫中期開始翻堆（處理2）相比，高溫后期開始翻堆（處理3）更有利于堆肥物料的脫水，從而取得更好的干化效果。

2.3堆體揮發(fā)性固體的動(dòng)態(tài)變化

堆肥化處理是微生物活動(dòng)降解有機(jī)物的過程，表現(xiàn)為堆肥物料中揮發(fā)性固體含量的逐漸降低。由圖3可知，3個(gè)處理的揮發(fā)性固體含量在堆肥過程中均呈明顯的下降趨勢(shì)，且表現(xiàn)為堆肥前期（前4 d）降低較快，后期相對(duì)較慢。堆肥前期易降解的有機(jī)物（如可溶性糖、有機(jī)酸、淀粉等）分解速率較快，而中后期隨著易降解物質(zhì)的減少，微生物需要利用較難降解的有機(jī)物質(zhì)（如纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等）作為碳源，分解相對(duì)緩慢[15]。處理1的揮發(fā)性固體含量從52.1%降為46.8%，處理2的揮發(fā)性固體含量從51.8%降為45.5%，處理3的揮發(fā)性固體含量從51.6%降為44.1%，3個(gè)處理的揮發(fā)性固體含量分別下降了10.2%、12.2%、14.5%，說明翻堆策略對(duì)有機(jī)物的降解有顯著影響；高溫后期開始翻堆（處理3）能促進(jìn)揮發(fā)性固體的降解，有利于促進(jìn)堆肥的腐熟，這與處理3溫度較處理1、處理2相比更高（圖1）、微生物活性更大、降解有機(jī)物的能力更強(qiáng)有關(guān)。

2.4堆體總氮含量的動(dòng)態(tài)變化

高溫堆肥過程中普遍存在氮素?fù)p失的現(xiàn)象，不僅會(huì)污染環(huán)境，而且會(huì)降低肥料中的養(yǎng)分含量。堆肥過程中的氨基酸、蛋白質(zhì)進(jìn)行脫羧作用和脫氨作用后排出NH3，造成總氮含量的下降。由圖4可知，3個(gè)處理污泥堆肥過程中總氮含量變化趨勢(shì)相同，均呈逐漸下降趨勢(shì)，且表現(xiàn)為堆肥前期（前4 d）降低較快，后期相對(duì)較慢，與揮發(fā)性固體動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)一致。各處理總氮含量分別由堆肥開始時(shí)的20.5、20.1、20.3 g/kg，降為堆肥結(jié)束時(shí)的18.8、17.5、17.1 g/kg，分別下降了8.3%、12.9%、15.8%，可見在整個(gè)堆肥過程中處理3的氮損失最嚴(yán)重，而處理1的氮損失最小，這可能與處理1在高溫前期（6 d時(shí)）就進(jìn)行翻堆作業(yè)，從而有效降低了堆體溫度并抑制了微生物活性，降低了有機(jī)質(zhì)礦化速度和NH3產(chǎn)生量有關(guān)。

2.5堆體pH值的動(dòng)態(tài)變化

pH值是影響微生物生命活動(dòng)的重要因素之一，一般認(rèn)為堆肥物料的pH值應(yīng)該以6～9 為宜，pH值太高或太低都不利于堆肥化過程順利進(jìn)行。由圖5可以看出，在堆肥開始的前4 d，3個(gè)處理 pH值均有不同程度的上升，這可能是由于堆體升溫較快，第5天時(shí)已經(jīng)進(jìn)入高溫期第4天，在微生物的作用下含氮有機(jī)物礦化和氨化作用產(chǎn)生的大量NH3致使 pH值上升；處理1在第8天的pH值有所下降，后持續(xù)升高，最后穩(wěn)定在8.7左右；處理2在第5天后pH值逐漸下降，到第11天達(dá)到最低（7.8左右），第11天后pH值逐漸增加，到堆肥結(jié)束時(shí)達(dá)到8.7左右；處理3在整個(gè)堆肥過程中，除第5至第14天，pH值均持續(xù)升高；堆肥結(jié)束時(shí)，3個(gè)處理的pH值分別為8.7、8.7、8.5左右，均符合無害化要求，可見翻堆策略對(duì)堆體pH值沒有顯著影響。

2.6堆體種子的發(fā)芽指數(shù)動(dòng)態(tài)變化

污泥好氧發(fā)酵后的土地利用是資源化的最終出路，種子發(fā)芽指數(shù)（GI）是檢驗(yàn)堆肥腐熟度最直接、最有效的方法，并且可以預(yù)測(cè)堆肥毒性的大小。一般來說，堆肥種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到50%時(shí)，可認(rèn)為其對(duì)植物基本沒有毒害，若種子發(fā)芽指數(shù)超過80%，則可認(rèn)為堆肥完全腐熟[16]。由圖6可知，各處理的種子發(fā)芽指數(shù)變化趨勢(shì)相似，均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)；在堆肥第11天，各處理的種子發(fā)芽指數(shù)均達(dá)到50%以上，對(duì)植物已經(jīng)基本沒有毒害作用；堆肥結(jié)束時(shí)，各處理的種子發(fā)芽指數(shù)均可達(dá)到80%左右，表明各處理均能夠?qū)崿F(xiàn)物料的腐熟和無害化，能夠滿足植物生長(zhǎng)的需要。

3結(jié)論

不同翻堆策略對(duì)堆體理化性質(zhì)的影響不同，翻堆作業(yè)可以顯著降低堆體溫度，加快降溫期的降溫速度。高溫后期開始翻堆（處理3）可提高堆體達(dá)到的最高溫度及整個(gè)堆肥周期的溫度。采用處理3的翻拋策略更有利于堆肥物料的脫水干化、提高揮發(fā)性固體（VS）降解率，但會(huì)增大氮素?fù)p失量，因而要注意控制氨氣的釋放。不同翻堆策略對(duì)物料pH值和種子發(fā)芽率沒有顯著影響，3個(gè)處理均可實(shí)現(xiàn)物料的腐熟和無害化。由于污泥堆肥更側(cè)重的是脫水干化和無害化，為了保證污泥的脫水干化效果，建議采用處理3的翻拋策略。

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