不同調(diào)理劑對(duì)污泥堆肥過程溫度和氧氣變化的影響

李明峰，劉永德，高愛華，馮 晨，于建華

(1.鄭州市污水凈化有限公司，河南 鄭州 450051；2.河南工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 鄭州 450001)

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不同調(diào)理劑對(duì)污泥堆肥過程溫度和氧氣變化的影響

李明峰1，劉永德2，高愛華1，馮 晨1，于建華1

(1.鄭州市污水凈化有限公司，河南 鄭州 450051；2.河南工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 鄭州 450001)

以玉米芯、花生殼和小麥秸稈作為有機(jī)調(diào)理劑，研究了添加不同調(diào)理劑對(duì)污泥好氧發(fā)酵過程的參數(shù)溫度、氧氣以及初始參數(shù)含水率變化的影響。研究結(jié)果表明: 不同的調(diào)理劑對(duì)過程參數(shù)溫度、氧氣和初始參數(shù)含水率均有一定的影響。添加不同調(diào)理劑的混合物料，花生殼和小麥秸稈的升溫速率最高，且高溫期時(shí)間較長(zhǎng)，物料內(nèi)部氧氣含量在每個(gè)鼓風(fēng)周期內(nèi)逐漸遞增，而耗氧速率則反之。添加不同調(diào)理劑的混合物料，花生殼和小麥秸稈微生物大量繁殖且耗氧速率顯著，而添加玉米芯的物料最后脫水效果最佳，花生殼和小麥秸稈次之。考慮到玉米芯和花生殼對(duì)生產(chǎn)成本的影響，建議用污泥和小麥秸稈進(jìn)行污泥好氧堆肥。

污泥；堆肥；氧氣；溫度；調(diào)理劑

1　引言

污泥好氧堆肥是目前主要的處置農(nóng)產(chǎn)品有機(jī)物的方式，其本質(zhì)就利用好氧微生物的作用，對(duì)有機(jī)物進(jìn)行氧化吸收分解最終形成穩(wěn)定的無害化的無機(jī)物的過程。污泥進(jìn)行堆肥處理后不僅可以作為營(yíng)養(yǎng)土出售又可以實(shí)現(xiàn)污泥的“四化”，減少對(duì)環(huán)境的二次污染[1，2]。通常污泥的碳氮比較低，需添加調(diào)理劑調(diào)節(jié)物料的碳氮比，使堆肥時(shí)能夠快速升溫提高堆肥品質(zhì)[3～5]。Iranzo[6]在研究中發(fā)現(xiàn)，僅用城市污泥自身發(fā)酵，由于碳氮比只有7左右，導(dǎo)致微生物活性不高；添加有機(jī)稻殼碳氮比調(diào)整為20左右后，微生物活性最強(qiáng)，耗氧速率最佳。Kulcu等[7]用松果調(diào)節(jié)堆肥的自由空域，分別做了4個(gè)處理發(fā)現(xiàn)：將自由空域控制在32.8%比控制在22.6%、26.7%和39.7%堆體降解有機(jī)質(zhì)的速率最大。姚嵐等[8]的研究結(jié)果表明，添加秸稈的污泥高溫期維持5d以上，且完全達(dá)到了無害化的要求；pH值穩(wěn)定在8左右，脫水效果較好，堆肥一切順利。因此，根據(jù)不同地區(qū)實(shí)際情況篩選最佳的調(diào)理劑是保證成功堆肥的基礎(chǔ)。筆者采用靜態(tài)強(qiáng)制鼓風(fēng)堆肥工藝，研究不同調(diào)理劑對(duì)污泥好氧發(fā)酵堆肥過程的影響，以期為堆肥工藝條件的優(yōu)化，為有機(jī)廢棄物資源化提供技術(shù)支持。

2　材料和方法

2.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)污泥來自于鄭州市五龍口污水處理廠的脫水污泥，其含水率為79.89%，有機(jī)質(zhì)含量為52.84%。所選用的調(diào)理劑玉米芯、花生殼和小麥秸稈均來源于周邊村莊農(nóng)業(yè)廢棄物，其含水率分別為6.94%、6.79%和6.24%，粒徑均為0.2 cm左右，有機(jī)質(zhì)含量分別為96.38%、95.46%和89.23%。

2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

按照試驗(yàn)的污泥/調(diào)理劑質(zhì)量比(m/m)為4∶1，共設(shè)置3個(gè)處理方法。分別為：處理1污泥+玉米芯；處理2污泥+花生殼；處理3污泥+小麥秸稈。經(jīng)過處理混合后含水率分別為62.81%、63.31%和63.89%。

將混合后待發(fā)酵物料積于能夠耐腐蝕耐高溫模擬發(fā)酵罐中。試驗(yàn)所用裝置底部均安裝了特制微型羅茨風(fēng)機(jī)和布?xì)?、鼓風(fēng)系統(tǒng)，裝置頂部有預(yù)留孔可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)堆體溫度、氧氣、氨氣、硫化氫等氣體的。好氧發(fā)酵控制過程的原理是利用自動(dòng)控制系統(tǒng)中的溫度反饋來控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行，其發(fā)酵過程中的溫度、氧氣數(shù)據(jù)利用復(fù)合探桿自動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)傳輸。采用烘干法測(cè)定含水率[9]。

3　結(jié)果與分析

3.1堆體各處理的溫度變化

溫度是成功堆肥的關(guān)鍵參數(shù)同時(shí)也是重要指標(biāo)，它直接反映能否發(fā)酵成功和實(shí)現(xiàn)無害化[5]。在好氧堆肥過程中，添加不同的調(diào)理劑對(duì)堆體的溫度和發(fā)酵品質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生影響，因而適宜的調(diào)理劑不僅能促使堆體溫度升高而且延長(zhǎng)高溫時(shí)間。

如圖1所示，3個(gè)處理的溫度動(dòng)態(tài)變化曲線基本一致。各處理溫度均經(jīng)歷了升溫起，高溫期和降溫期3個(gè)階段。堆肥剛開始進(jìn)行，物料中富含易分解的有機(jī)物，微生物迅速大量的繁殖，物料內(nèi)部產(chǎn)生大量生物熱能，從使物料溫度快速升高，1d內(nèi)各處理全部完成。

在快速升溫期各處理間的溫度差別并不是很大，快速升溫結(jié)束后進(jìn)入高溫持續(xù)期(>50 ℃)；在高溫期階段，不同的處理溫度存在著一定的差異，在高溫前期，處理1的溫度最低，處理2次之，處理3的溫度最高，3個(gè)處理過程呈現(xiàn)出明顯的層次性。處理3的溫度最高，處理2 溫度次之，處理1的溫度較差。處理3的高溫期維持11 d溫度最高，各處理第12 d開始進(jìn)入降溫期，溫度變化曲線基本相同。

圖1　污泥堆肥過程中溫度的動(dòng)態(tài)變化

堆肥期間，處理1和處理2分別添加的是玉米芯和花生殼兩種調(diào)理劑，因而從圖1還可以看出，不同調(diào)理劑的添加對(duì)堆體溫度變化是有一定影響的。升溫期，微生物活性不強(qiáng)，添加玉米芯(處理1)堆體蓬松孔隙率大不易壓實(shí)，鼓風(fēng)時(shí)堆體氧氣保有量充足，微生物活性增強(qiáng)。因鼓風(fēng)會(huì)吹脫帶走一部分堆體內(nèi)部的溫度，所以堆體儲(chǔ)熱較差，高溫時(shí)間短。添加花生殼組(處理2)堆體相對(duì)處理1蓬松度和孔隙度小，鼓風(fēng)可以滿足微生物需求，微生物消化吸收分解有機(jī)物產(chǎn)生的熱量在堆肥內(nèi)儲(chǔ)存，堆體物料高溫期時(shí)間和最高溫度得以保證。該階段的溫度低于處理3。處理3添加小麥秸稈，堆體空隙度和蓬松度適中，微生物活動(dòng)所需氧氣均得以滿足，因而堆體物料高溫期和最高溫度得以保證同時(shí)能達(dá)到無害化和穩(wěn)定化的要求。

3.2堆體的氧氣動(dòng)態(tài)變化

3.2.1鼓風(fēng)結(jié)束時(shí)堆體的氧氣含量

污泥發(fā)酵采用靜態(tài)間歇式強(qiáng)制鼓風(fēng)，鼓風(fēng)剛結(jié)束時(shí)堆體的充氧量可以反映堆體物料的通氣性[10],其過程是好氧微生物消耗堆體內(nèi)氧氣后，通過鼓風(fēng)又可以補(bǔ)充堆體內(nèi)氧氣[11]。

圖2　鼓風(fēng)結(jié)束時(shí)堆體的氧氣動(dòng)態(tài)變化

由圖2可以看出，各處理鼓風(fēng)結(jié)束時(shí)堆體氧氣含量均在15%以上時(shí)有顯著性差異。處理2出現(xiàn)在發(fā)酵第3d，而處理3在第8 d以后，處理1就較差。隨著堆肥的進(jìn)行，各處理的氧氣含量逐漸增加，通過鼓風(fēng)堆肥結(jié)束時(shí)堆體內(nèi)氧氣含量基本可以達(dá)到19%左右，處理1除外。由于處理1的溫度(圖1)整個(gè)發(fā)酵過程中較前兩個(gè)處理低，微生物活性弱。堆肥過程中，鼓風(fēng)結(jié)束時(shí)處理2的氧氣含量要好于處理1和3，這表明采用花生殼、小麥秸稈可以使堆體有良好的空隙結(jié)構(gòu)，達(dá)到良好的鼓風(fēng)供氧，保持堆體的好氧狀態(tài)。

3.2.2鼓風(fēng)前堆體的氧氣含量

鼓風(fēng)前堆體物料內(nèi)氧氣含量直接反映了堆體物料內(nèi)微生物的活性所需要的氧氣和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的通氣性，其過程是在一個(gè)鼓風(fēng)周期內(nèi)堆體物料內(nèi)氧氣經(jīng)微生物消耗后處于好氧或者厭氧的狀態(tài)[12]。

由圖3可以看出，前期階段3個(gè)處理過程的最低氧氣含量都比較低，伴隨著物料發(fā)酵的進(jìn)行，最低氧氣含量呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)?？傮w情況下，處理2的最低氧氣始終高于處理1和3，在堆肥前7 d過程中處理1要高于處理3，從第7 d以后處理3高于處理1。到發(fā)酵結(jié)束時(shí)，3個(gè)處理間差距逐漸縮小，最低氧氣含量均在16% 以上。結(jié)果表明處理2和3堆體的孔隙結(jié)構(gòu)較好，鼓風(fēng)狀況也良好，微生物始終處于好氧狀態(tài)，能滿足鼓風(fēng)間隔期間好氧微生物對(duì)氧氣的需求。

圖3　鼓風(fēng)前堆體的氧氣動(dòng)態(tài)變化

3.2.3堆體的耗氧速率的動(dòng)態(tài)變化

由圖4所示，在發(fā)酵的過程中，耗氧速率總體趨勢(shì)是先高后小，最后趨于平緩。具體表現(xiàn)是升溫期高，高溫期減小，降溫期趨于平緩。各處理耗氧速率的最大值均在堆肥快速升溫期(第1 d)，這是由于在升溫期，物料富含大量易分解的有機(jī)物和適宜水分，有利于微生物迅速大量繁殖和有機(jī)質(zhì)分解，故微生物活性高耗氧速率快。隨著堆肥的進(jìn)行中，進(jìn)入高溫期后，由于中低溫菌被滅活和易分解的有機(jī)物逐漸減少，微生物活性減弱，耗氧速率逐漸變小。

發(fā)酵前期處理3的耗氧速率最高，處理2和處理1次之，隨著好氧發(fā)酵的進(jìn)行，差距逐漸縮小。第10 d以后，處理1和處理2耗氧速率基本相同，但是發(fā)酵前5 d處理3的耗氧速率最高，處理2和處理1次之。處理2的耗氧速率變化緩慢，由于堆體的孔隙度和蓬松度不是太好，發(fā)酵進(jìn)行中可能出現(xiàn)壓實(shí)現(xiàn)象，阻礙氧氣向堆體內(nèi)部擴(kuò)散，導(dǎo)致微生物活性降低，耗氧速率變化緩慢。處理1從第5 d后耗氧速率逐漸增加，第7 d之后高于處理2和處理3的耗氧速率。從整個(gè)堆肥過程中，處理1的耗氧速率要顯著高于處理2和處理3，表明處理1的微生物活性高于處理2、3，氧氣利用效率高。

3.3堆體含水率動(dòng)態(tài)變化

含水率是污泥堆肥發(fā)酵的重要初始參數(shù)，物料的脫水效果直接反映堆肥發(fā)酵的品質(zhì)效果。添加合適的調(diào)理劑對(duì)污泥堆肥發(fā)酵升溫效果的影響也尤為重要。如圖5所示，添加不同調(diào)理劑堆肥，3個(gè)處理的含水率變化趨勢(shì)基本一致。物料含水率隨著堆肥發(fā)酵時(shí)間均逐漸降低，脫水效果的層次效應(yīng)顯著。

圖4　堆體的耗氧速率的動(dòng)態(tài)變化

處理1、2和3含水率分別由開始堆肥時(shí)的 62.01%、63.11%和64.32%，降為50.47%、53.26%、55.61%，水分含量分別下降了18.61%、15.47%和13.54%。3個(gè)處理中處理1的脫水效果明顯高于處理2和處理3，處理3最差。從發(fā)酵第7d后，3個(gè)含水率曲線變化明顯。處理1含水率降幅較大，由于添加的玉米芯具有良好的骨架通氣性強(qiáng)，有利于氣體的吹脫和蒸發(fā)擴(kuò)散。處理2由于添加的調(diào)理劑使堆體的透氣性基本適宜，有助于高溫期溫度維持一定時(shí)間，微生物活動(dòng)產(chǎn)生一部分代謝水分，堆體水分蒸發(fā)沒有處理1明顯。處理3由于升溫速率較快，高溫期溫度穩(wěn)定維持時(shí)間較長(zhǎng)，微生物活動(dòng)所需氧氣供應(yīng)充足，活性很高生產(chǎn)水分較多，所以含水率降幅較小。

圖5　污泥堆肥過程中含水率動(dòng)態(tài)變化

4　結(jié)論

研究表明，添加不同調(diào)理劑對(duì)過程參數(shù)溫度、氧氣和初始參數(shù)含水率均有一定的影響。處理2和處理3的混合物料升溫速率最高，且高溫期時(shí)間較長(zhǎng)。物料內(nèi)部氧氣含量在每個(gè)鼓風(fēng)周期內(nèi)逐漸遞增，而耗氧速率則反之，發(fā)酵過程中微生物大量繁殖，耗氧速率顯著。各處理的物料含水率隨著發(fā)酵的進(jìn)行逐漸降低，其中，處理1脫水效果較好，處理2和處理3次之?？紤]到玉米芯和花生殼對(duì)生產(chǎn)成本的影響，建議污泥和小麥秸稈進(jìn)行污泥好氧堆肥。

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Effect of Different Bulking Agents on the Dynamic Changes of Temperature and Oxygen During Sewage Sludge Composting

Li Mingfeng1,Liu Yongde2,Gao Aihua1,Feng Chen1,Yu Jianhua1

(1.ZhengzhouSewagePurificationCo.Ltd.,Zhengzhou,Henan450051,China;2.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou,Henan450001,China)

Corn cob, peanut shell and wheat straw were used as organic bulking agents in the present study, and we explored the influence of different bulking agents on the temperature, oxygen and moisture content of the initial parameters change during the process of sludge aerobic fermentation. The results showed that each different bulking agents had certain impact on the process parameters such as temperature, oxygen and moisture content of the initial parameters. When adding the mixture of different materials, peanut shell and wheat straw, the highest heating rate

swage sludge; composting; oxygen; temperature; bulking agent

2016-06-20

鄭州市重大科技專項(xiàng)(編號(hào)：141PZDZX045)

李明峰(1985—)，男，助理工程師，碩士，主要從事固體廢棄物資源化研究工作。

S141.4

A

1674-9944(2016)16-0029-04

and a longer high temperature period occurred. Oxygen content in internal material incrementally increased gradually in each cycle of the blast, and oxygen consumption rate was on the contrary. When adding the mixture of different agents, peanut shells and wheat straw had microbial blooms and significant growing oxygen consumption rate, while the final dehydration effect of added corn cob material was the best, followed by peanut shells and wheat straw. Considering the influence of corn cob and peanut shells on the cost of production, it was recommended to use sludge and wheat straw for sludge aerobic composting.