添加低比例石灰調(diào)質(zhì)的脫水污泥堆肥試驗(yàn)研究

馮 瑞，銀 奕，李子富*，張 健，劉 璇，周曉琴（.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，工業(yè)典型污染物資源化處理北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 00083；.萬(wàn)若（北京）環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京 00083）

添加低比例石灰調(diào)質(zhì)的脫水污泥堆肥試驗(yàn)研究

馮 瑞1，銀 奕2，李子富1*，張 健2，劉 璇1，周曉琴1（1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，工業(yè)典型污染物資源化處理北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.萬(wàn)若（北京）環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京 100083）

添加石灰可以快速實(shí)現(xiàn)污泥干化，抑制污泥惡臭產(chǎn)生、鈍化重金屬及殺滅病原微生物，但大量石灰（＞5%）的加入不但會(huì)增加成本，而且會(huì)明顯提高產(chǎn)物pH值，極大限制了其后續(xù)利用，因此，開展了采用添加低比例（≤5%）石灰調(diào)質(zhì)進(jìn)行污泥堆肥的研究.試驗(yàn)采用羅迪格（Leodige）高效混合設(shè)備制備石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、5%和5%+熟料的混合污泥作為堆肥原料，與未添加石灰的污泥進(jìn)行對(duì)比堆肥.采用氧溫控制系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)氧氣和溫度，實(shí)時(shí)反饋并控制系統(tǒng)通風(fēng).結(jié)果表明:堆肥15d后，添加石灰的3組堆肥pH值分別從9.06、12.17、12.34下降至弱堿性水平（＜8.3），揮發(fā)分從57.35%、45.97%、44.59%下降至44.20%、39.28%、38.42%；4組堆肥減量比均達(dá)到50%以上，除2#減量速率明顯較慢外，其他3組堆肥減量速率無顯著差異；重金屬浸出試驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，重金屬浸出濃度受pH值的影響較大，添加5%石灰的堆體，Cu、Ni、Zn的浸出液濃度最低.工程應(yīng)用中，建議采用添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的石灰與一定的熟料返混，從而提高堆肥效率及產(chǎn)品品質(zhì).

污泥堆肥；添加石灰；pH值；重金屬；耗氧速率

污泥作為污水處理的伴生產(chǎn)物，產(chǎn)量逐年上升，但其處理率較低.據(jù)住建部統(tǒng)計(jì)，2010年，全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理年產(chǎn)生濕污泥超過3000萬(wàn)t，污泥無害化處置率2010年僅為25.1%，仍有3/4的污泥被隨意棄置，占用大量土地，對(duì)環(huán)境造成極大威脅［1］.

目前，堆肥、焚燒、熱干化、石灰穩(wěn)定化為4種主流的污泥處理技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)污泥干化及控制污泥病原微生物方面被廣泛應(yīng)用［2-8］.相比于投資運(yùn)行成本高昂，工藝復(fù)雜、操作要求高的焚燒、熱干化技術(shù)，堆肥具有投資運(yùn)行費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，但堆肥物料停留時(shí)間長(zhǎng)，占地面積大；而石灰穩(wěn)定化能通過石灰與污泥中物質(zhì)的相互作用，實(shí)現(xiàn)污泥改性，并且可以殺滅病原微生物，鈍化重金屬，改善存儲(chǔ)和運(yùn)輸條件，有效實(shí)現(xiàn)污泥減量化、無害化和穩(wěn)定化［9］.另外，石灰的水合放熱反應(yīng)也可以提高堆肥系統(tǒng)溫度，實(shí)現(xiàn)堆肥系統(tǒng)在低溫等極端環(huán)境下順利啟動(dòng)［10-11］.

李春萍等［12］研究石灰添加量為5%～15%的污泥干化實(shí)驗(yàn)得出污泥在120h后含水率可從86%降至60%以下，但是干化速率在不同石灰添加量間差異并不顯著.石灰處理（石灰添加量≥5%）還可抑制惡臭物質(zhì)硫化物的產(chǎn)生，使污泥臭味強(qiáng)度顯著降低，且未檢出大腸桿菌，可以滿足安全運(yùn)輸和衛(wèi)生儲(chǔ)存的要求，而隨著石灰量的增加這種強(qiáng)化效果的提升并不明顯［9，13-15］，因此5%的石灰添加量即可使污泥達(dá)到無害化，但是石灰干化處理存在產(chǎn)物pH值高居不下，有機(jī)物含量較高的缺點(diǎn)，很難進(jìn)行土地利用.因此本文采用石灰處理與堆肥結(jié)合的工藝，旨在降低pH值及有機(jī)質(zhì).Wong等［16］研究石灰處理聯(lián)合堆肥發(fā)現(xiàn)，低比例石灰添加量（≤1.63）即可大幅度減少重金屬中可交換態(tài)和酸可提取態(tài)的含量，使產(chǎn)物pH值在8以下；Singh等［17］研究了1%、2%、3%石灰添加量下水葫蘆聯(lián)合堆肥，可使Zn、Cu、Ni的浸出液濃度低于標(biāo)準(zhǔn)限值，有機(jī)物降解率約為10%.目前對(duì)石灰處理污泥的研究重點(diǎn)多在重金屬的鈍化效果上，而石灰處理對(duì)污泥堆肥過程的影響及后續(xù)土地利用則較少涉及.因此本文探討低比例石灰調(diào)質(zhì)污泥堆肥方式的處理效果，通過研究1%和5%石灰添加量對(duì)污泥堆肥過程的影響，考察溫度、耗氧速率、pH值、揮發(fā)分（VS）、減量比、重金屬浸出液濃度等變化規(guī)律，為污泥土地利用提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

污泥堆肥試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由3部分構(gòu)成:堆肥容器、ENS氧溫控制系統(tǒng)［18］、保溫系統(tǒng).

圖1 試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Diagram of the experimental composting reactor

堆肥容器為不銹鋼筒體，直徑22cm，高13cm，容積約4L.容器上端設(shè)進(jìn)氣口，氣管由進(jìn)氣口盤至容器底部，距離底部5cm處設(shè)填料層，形成氣室，使空氣均勻擴(kuò)散，同時(shí)起到承托物料和收集堆肥滲瀝液的作用.填料層上部鋪設(shè)一層紗布，防止物料落入，頂部蓋子預(yù)留探槍插口和排氣口.

ENS氧溫控制系統(tǒng)包括:氧溫控制器（氧溫控制PLC和氧溫顯示屏，）、氧溫集成探槍、空氣泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì).探槍斜插入物料中，在線測(cè)定堆體溫度和氧氣濃度.氧溫控制器的主要功能是實(shí)現(xiàn)氧氣-溫度-通風(fēng)的聯(lián)鎖控制，本試驗(yàn)通風(fēng)量為1.0L/min［16］.

保溫系統(tǒng):由于本實(shí)驗(yàn)體積較小，為了考察堆體的堆肥效果，需要為物料提供外加熱源.本試驗(yàn)的保溫系統(tǒng)為數(shù)顯恒溫水浴鍋，設(shè)定溫度為55℃.

1.2 試驗(yàn)材料及測(cè)定方法

表1 試驗(yàn)用物料基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of the materials

試驗(yàn)污泥取自小紅門污水處理廠脫水污泥，考察4個(gè)不同堆體，其配比參數(shù)如表2所示，熟料來源為CK組堆肥結(jié)束后的腐熟產(chǎn)品，基本性質(zhì)見表1.通過加入烘干污泥調(diào)節(jié)含水率.

表2 4組堆肥物料配比及基本特征Table 2 Proportion and basic characteristics of four composting trials

采樣方法:堆肥周期內(nèi)于每日上午10:00左右在堆體中心和邊緣不同深度處分別取樣，每次取樣質(zhì)量30g，分別測(cè)定含水率、pH值、VS、重金屬浸出液濃度.含水率、VS采用減重法測(cè)定，pH值采用電極法［19-20］，重金屬浸出試驗(yàn)采用《固體廢物浸出毒性浸出方法——水平振蕩法（HJ 557-2009）》［21］，每個(gè)樣品測(cè)定3次，以平均值作為最終數(shù)據(jù).溫度、耗氧速率通過ENS氧溫控制系統(tǒng)自動(dòng)記錄，耗氧速率需經(jīng)計(jì)算得出.

2 結(jié)果與討論

2.1 耗氧速率的變化

耗氧速率可直接反映堆肥微生物的活動(dòng)狀況.耗氧速率降低至0.0003～0.0017%/s后，可認(rèn)為有機(jī)質(zhì)分解趨于穩(wěn)定，堆肥接近終點(diǎn)［22-23］.

圖2 耗氧速率的變化曲線Fig.2 Changes in oxygen uptake rate during co-composting process

從圖2可看出，4組堆肥分別經(jīng)過10、26、 267、68h 的遲滯期后，耗氧速率達(dá)到最大值，分別為:0.0365%/s、0.0327%/s、0.0032%/s、0.0027%/s.與對(duì)照組相比，1#堆肥達(dá)到峰值的時(shí)間滯后了約16h，峰值比對(duì)照組略低，2#的遲滯期延長(zhǎng)了約20倍，且峰值降低為對(duì)照組的1/10.這是因?yàn)榧尤?%的石灰，對(duì)物料前期水解的抑制作用較弱，經(jīng)過較短的調(diào)整期，微生物能夠較快適應(yīng)，石灰添加量為5%時(shí)，高pH值殺滅了大量中性菌，微生物活性較低，微生物調(diào)整期延長(zhǎng)，但是加入一定量的熟料可以給堆肥體系帶來大量“活躍”的微生物，使堆肥系統(tǒng)對(duì)高pH值的適應(yīng)能力增強(qiáng)，遲滯期縮短了約4倍.Liang等［24］認(rèn)為耗氧速率在達(dá)到峰值前，并非波動(dòng)上升，而是在短時(shí)間內(nèi)驟升至最高值.Tremier等［25］采用氧氣吸收率評(píng)價(jià)分析微生物代謝情況，也得到相似的曲線.

2.2 溫度的變化

圖3 溫度的變化曲線Fig.3 Changes in temperature during co-composting process

4組堆肥溫度在進(jìn)入高溫期前均經(jīng)歷了一定的遲滯期，且遲滯期隨石灰量的增加而延長(zhǎng)（圖3），與耗氧速率的變化基本一致，由于耗氧速率是衡量微生物活性高低最直接的指標(biāo)，進(jìn)而在宏觀上以溫度的形式體現(xiàn).與對(duì)照組相比，1#堆肥的遲滯期延長(zhǎng)了1.36倍，溫度峰值和高溫期持續(xù)時(shí)間均大于對(duì)照組（高溫期持續(xù)時(shí)間分別為106、139h），表明1%的石灰加入量對(duì)堆肥系統(tǒng)幾乎沒有抑制作用，微生物活性仍較高，另外由于石灰可以緩沖堆肥過程中pH值的下降以及適量Ca可以提高微生物的代謝水平，因此產(chǎn)熱量大于對(duì)照組［26］.2#、3#堆肥的遲滯期分別延長(zhǎng)了23.27倍和5.09倍，表明加入5%的石灰對(duì)微生物的活性產(chǎn)生了明顯的抑制作用，但加入一定的熟料返混，可以明顯縮短遲滯期，提高堆肥效率.盡管從溫度來看2#、3#沒有達(dá)到滅菌的要求，但是由于其pH值較高，符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理技術(shù)規(guī)程》（CJJ/131-2009）［27］中pH值應(yīng)維持在11.5以上24h的滅菌要求.綜上所述，高溫期的持續(xù)時(shí)間與石灰的加入量呈正相關(guān)，但是隨著石灰量的增加，堿度升高，微生物的活性明顯降低［17，28］，堆肥周期延長(zhǎng).

2.3 pH值的變化

圖4 堆肥系統(tǒng)pH值的變化曲線Fig.4 Changes in pH during co-composting process

由圖4可以看出，3組加入石灰的堆肥系統(tǒng)初始pH值均明顯高于對(duì)照組（6.74），分別為9.06、12.17、12.34，經(jīng)過12d后，加入石灰的3組堆肥的pH值最終可以下降到弱堿性水平（pH＜8.3）， CK組pH值最終為7.6.這是因?yàn)殡S著堆肥過程產(chǎn)生了大量CO2和水平衡，多余的CO2會(huì)促使CaO轉(zhuǎn)變成CaCO3，從而使pH值降低［16-17，28-29］.袁進(jìn)等［30］在堆肥過程中對(duì)兩組物料分別加入CH3COOH和NaOH改變pH值，發(fā)現(xiàn)pH值低于5.2或高于8.8時(shí)，堆肥無法進(jìn)行.而本研究中加入1%石灰的堆體初始pH值為9.06，在第2d即下降到中性，該現(xiàn)象表明微生物的適應(yīng)性較強(qiáng)，在pH值為9.06時(shí)仍較為活躍，水解速率較快，由此產(chǎn)生的大量有機(jī)酸、CO2中和了OH-，使pH值降低.當(dāng)石灰添加比例為5%時(shí)，pH值超過12，細(xì)菌總數(shù)明顯下降，大腸桿菌、糞大腸桿菌均為檢出［6-7］.但是，后期pH值存在驟降點(diǎn)，且pH值驟降點(diǎn)與溫度和耗氧速率的峰值基本一致，這表明pH值下降的主要原因是存活下來的微生物經(jīng)過一定適應(yīng)期后大量增殖，分解有機(jī)物產(chǎn)生有機(jī)酸中和了一部分堿性.另外，有機(jī)物和Ca（OH）2的相互作用也會(huì)消耗一定的堿度.加入熟料的污泥堆肥，pH值變化和2#相似，只是驟降點(diǎn)向左平移了5d，即調(diào)整期縮短了約5d，這是因?yàn)槭炝媳旧砀缓⑸飶亩s短了微生物的調(diào)整期.

2.4 揮發(fā)分的變化

圖5 VS的變化曲線Fig.5 Changes in VS co-composting process

從圖5可以看出，加入石灰的堆肥初始VS低于CK組，且VS隨著石灰量的增加而降低，一方面是因?yàn)闊o機(jī)物的加入，另外石灰與污泥中有機(jī)物的相互作用，也會(huì)使有機(jī)物轉(zhuǎn)化并去除［6］.在堆肥過程中，VS呈下降趨勢(shì)，有機(jī)物逐漸轉(zhuǎn)變成腐殖質(zhì)，從而進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的階段.4組堆肥的VS下降率分別為17.0%、22.9%、14.6%、13.8%，1#堆肥的VS下降率大于對(duì)照組，這是因?yàn)楹难跛俾矢叻迤诰S持時(shí)間較長(zhǎng)，微生物快速分解的穩(wěn)定期延長(zhǎng)，因此在1%石灰添加量下，VS下降以有機(jī)物被微生物分解，最終以CO2的形式逸散［31］為主，另外石灰和微生物的協(xié)同作用也在一定程度促使VS降低.2#、3#由于初始pH值較高，微生物活性很低，經(jīng)過較長(zhǎng)的適應(yīng)期后，VS逐漸降低，因此有機(jī)物分解較慢，此外，蛋白質(zhì)、糖類、脂肪等有機(jī)物在高溫高堿度條件下（pH＞12）可與Ca（OH）2生成無機(jī)鈣鹽或發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)和螯合反應(yīng)［32-33］.有研究表明［6，34］，污泥中50%～90%為胞外聚合物（EPS），而EPS中75%～89%為多聚糖和蛋白質(zhì)，在高溫高堿度下蛋白質(zhì)可被分解成三甲胺和二甲基二硫，隨尾氣排出.

2.5 減量比的變化

堆肥減量是蒸發(fā)作用和好氧分解作用的共同結(jié)果，污泥減量是污泥生物干化效率的重要指標(biāo).4組堆肥在15d后減量比均達(dá)到50%以上，減量比與時(shí)間呈線性關(guān)系（r2＞0.98）.減量速率隨石灰量的增加而降低，但是，除2#減量速率明顯較慢外，其他3組堆肥減量速率并無顯著差異.這表明熟料的加入，可弱化石灰的抑制作用，加快減量速率.

圖6 減量比隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 Changes in reduction ratio during co-composting process

2.6 石灰處理對(duì)重金屬浸出效果的影響

表3 重金屬浸出濃度（mg/L）Table 3 Leaching concentration of heavy metals in four composting trials （mg/L）

Cu、Ni、Zn是中國(guó)市政污泥中3種濃度最高的重金屬［35］，重金屬危害與浸出濃度和形態(tài)分布均有關(guān)系，可分為可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、Fe-Mn氧化態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)［36］.水浸提形態(tài)重金是生物有效性最高、危害最大的重金屬形態(tài)［37］.4組堆肥重金屬浸出濃度如表3所示.CK組堆肥前重金屬浸出濃度和原泥相差不大，堆肥后Cu、Ni、Zn三者的濃度均有下降，表明堆肥過程能起到鈍化重金屬的效果［38］.

從表3可以看出，添加石灰的3組堆肥1#、2#、3#在堆肥結(jié)束時(shí)Cu、Ni、Zn的浸出濃度均比對(duì)照組較低.Cu、Ni、Zn的浸出濃度在4組堆肥中差異顯著（單因素方差分析）.（Cu: F=30.829，P＜0.001； Ni: F=17.963， P＜0.001； Zn: F=40.802，P＜0.001）.通過LSD方法（最小顯著性差異法）分析得出Zn的浸出濃度除2#和3#間差異不顯著外，其他任意組兩兩對(duì)比均存在顯著差異（P＜0.05），因此石灰添加量對(duì)Zn的浸出濃度影響最大，浸出濃度隨石灰添加量的增加而降低（石灰添加量≤5%），Cu和Ni的浸出濃度隨石灰添加量增加而降低的趨勢(shì)不是很明顯.另外，可以看出，Zn和Cu的浸出濃度在堆肥第1d時(shí)明顯小于結(jié)束時(shí)的濃度.這是因?yàn)镃u和Zn的浸出濃度受pH值的影響較大，堆肥第1d，物料由于石灰處理，pH值分別上升至9.06、12.17、12.34，Cu浸出濃度迅速降至0.05mg/L以下，Zn的浸出濃度降低至原泥的1/3，Ni的濃度也有小幅下降，隨著堆肥的進(jìn)行，pH值漸漸趨于中性，另外由于VS降低從而產(chǎn)生重金屬濃縮效應(yīng)［39］， Cu和Zn的濃度又有所上升，但仍低于對(duì)照組.這是因?yàn)槌跗诩尤胧姨岣吡宋勰嗟膒H值，降低了重金屬的可溶性，而在堆肥后期，pH值逐漸降低至弱堿性，增加了部分重金屬的可溶性，但由于堆肥本身及石灰的雙重鈍化重金屬作用，因此，重金屬含量有所降低，且低于對(duì)照組.葛驍?shù)龋?0］認(rèn)為pH值會(huì)影響可還原態(tài)及生物有效性重金屬的含量.Chen等［41］認(rèn)為Zn在pH＜7.5時(shí)，主要以Zn2+存在，在7.5＜pH＜11.5時(shí)會(huì)向氫氧化物（Zn（OH）2）形式轉(zhuǎn)變，另外， pH值在7～12之間時(shí)由于Ca2+的存在也會(huì)形成更復(fù)雜的物質(zhì)如［CaZn2（OH）6·2H2O］，從而使可溶Zn濃度降低.

3 結(jié)論

3.1 分別添加1%和5%的石灰進(jìn)行聯(lián)合堆肥15d后可使污泥pH值從9.06、12.17、12.34下降至8.2、8.27、8.09，揮發(fā)分從57.35%、45.97%、44.59%下降至44.20%、39.28%、38.42%，解決了污泥石灰處理中pH值和VS較高的問題，使污泥穩(wěn)定程度提高，有利于污泥土地利用.

3.2 經(jīng)過15d后堆肥減量比均達(dá)到50%以上，減量速率除2#較小外，其他3組堆肥減量速率無顯著差異.

3.3 重金屬浸出液濃度隨石灰添加量的增加而降低.在5%的石灰添加量下，Cu、Ni、Zn的浸出濃度均最低.

3.4 工程中建議采用5%石灰添加量同時(shí)混以一定量的熟化污泥或富含微生物的土壤，以期提高堆肥效率.

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致謝：本試驗(yàn)氧溫監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)用是在萬(wàn)若（北京）環(huán)境工程技術(shù)有限公司工作人員協(xié)助下完成，在此表示感謝.

Experimental study on composting of dewatered sewage sludge by addition of low ratio lime mixture. FENG Rui1，

YIN Yi2， LI Zi-fu1*， ZHANG Jian2， LIU Xuan1， ZHOU Xiao-qin1（1.Beijing Key Laboratory of Resource-oriented Treatment of Industrial Pollutants， School of Civil and Environmental Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China；2.EnviroSystems Engineering and Technology Co.， Ltd， Beijing 100083， China）. China Environmental Science， 2015，35（5）：1442～1448

With addition of lime， rapid sludge dewatering and sludge stabilization could be achieved. However， high cost and high pH are occurred due to the increase of lime usages （＞ 5%）， and the utilization possibility of the final product is greatly limited due to the high pH values. The effect of co-composting by addition of low ratio lime mixture （≤5%） during the sludge composting process was studied. Four laboratory scale composting trials were set up， in which the lime mass fraction of 1%， 5% and 5% were mixed with sludge as compost raw materials respectively， and in the trial 3some matured compost materials were also added， and the trial CK without lime was used as control. Oxygen-temperature control system was applied to control ventilation with real-time feedback. The results showed that pH values of sludge mixtures significantly decreased from 9.06， 12.17 and 12.34to weak alkaline level （＜8.3） and volatile solid of sludge decreased from 57.35%、45.97%、44.59% to 44.20%、39.28%、38.42% respectively after composting processes. The over 50% of weight reduction in three trials could be achieved， while there was no significant difference for reduction rate except trail 2. In addition， heavy metal concentrations in the leachates were strongly influenced by pH. Moreover， Cu， Ni， Zn concentrations in the leachates with 5% lime addition were lowest. For practical application， lime mass fraction of 5% mixing with a certain amount of matured compost materials for sludge composting is recommended in order to improve composting efficiency and product quality.

sludge composting；lime addition；pH value；heavy metals；oxygen uptake rate

X705

A

1000-6923（2015）05-1442-07

馮 瑞（1990-），女，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，碩士，主要從事固體廢物處置及資源化利用.

2014-09-27

中奧國(guó)家國(guó)際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目（2013DFG92620）；北京市科技計(jì)劃（D141100001214003）

* 責(zé)任作者， 教授， zifulee@aliyun.com