我國污泥堆肥相關技術研究進展

吳孔陽 傅柏春 楊學義

摘要：我國城鎮(zhèn)污水廠建設普遍存在“重水輕泥”現(xiàn)象，導致大量污泥不能進行穩(wěn)定化、無害化和資源化處理處置，我國污泥處理處置和生態(tài)環(huán)境將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。簡要介紹了我國污泥處理處置現(xiàn)狀，著重就污泥堆肥相關技術進行介紹，并對污泥堆肥技術的發(fā)展方向作簡要探討。

關鍵詞：污泥堆肥；超高溫好氧；重金屬；綜合利用

中圖分類號： X703文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0039-03

收稿日期：2015-10-31

基金項目：河南省高等學校重點科研項目計劃資助（編號：15A180050）。

作者簡介：吳孔陽（1985—），男，河南商城人，博士，講師，主要從事微生物學方面研究。E-mail：kywu2007@126.com。

2015年4月2日，國務院正式發(fā)布《水污染防治行動計劃》，亦稱“水十條”，其中該計劃明確了推進污水處理設施產(chǎn)生污泥處理處置的意見，并指出污泥應進行穩(wěn)定化、無害化和資源化處理處置，禁止處理處置不達標的污泥進入耕地，地級及以上城市污泥無害化處理處置率應于2020年底前達到90%以上[1]。在當前我國水環(huán)境非常嚴峻的背景下，出臺該行動計劃，將加大水污染防治力度，進一步提升污泥處理處置水平。另外，從《“十二五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設施建設規(guī)劃》數(shù)據(jù)上分析，目前我國污泥處理處置率低，任務艱巨，實現(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化、資源化迫在眉睫[2]。近年來國內專家學者從污泥成分、產(chǎn)品出路、技術法規(guī)和相關政策等方面對污泥處理處置進行了歸納分析和探討[3-6]，本研究將主要從污泥堆肥相關技術方面介紹，以期為我國污泥處理處置相關研究提供一定的參考。

1我國污泥處理處置現(xiàn)狀簡述

污泥是在污水進行處理之后所產(chǎn)生的（半）固態(tài)的物質，其中除含有水、氮、磷、鉀等成分外，還含有大量病原微生物、重金屬等有害有機物質[7-8]。我國污泥處置目標不確定，投資不足，污泥在污水處理廠內未能實現(xiàn)穩(wěn)定化處理，易在運輸和處置環(huán)節(jié)出現(xiàn)二次污染隱患[9]。目前我國剩余污泥處理處置工程量龐大，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，目前污泥處理處置方式中，土地填埋占60%～65%，發(fā)酵堆肥加農用占10%～15%，污泥自然干化綜合利用占4%～6%，污泥焚燒占2%～3%，露天堆放和外運占15%～20%，而現(xiàn)實環(huán)境中，絕大部分屬于土地填埋、露天堆放和外運的污泥隨意處置，真正實現(xiàn)安全處置的比例不超過20%[10]。

2我國污泥處理處置技術存在的主要問題

國內對于剩余污泥的處理處置技術研究起步較晚，在技術方面仍然很落后。已有的污泥處理處置工藝多采用國外技術，主要包括污泥濃縮、污泥穩(wěn)定、污泥脫水、污泥干化焚燒、污泥衛(wèi)生填埋、土地利用及其他污泥處置方法。分析我國現(xiàn)行污泥處理處置方式，不難發(fā)現(xiàn)，存在的主要問題是污泥處理處置技術尚未完全成熟，污泥高效綜合利用效率偏低。即使目前開發(fā)投入使用的一些新的污泥處理技術，如“機械預濃縮—化學調理—隔膜壓濾”的工藝、“泥水一體化”工藝等最終污泥處置方式仍然以填埋、做營養(yǎng)土或建筑材料等[11-12]。然而污泥以填埋的方式進行處理通常不能達到無害化的要求，由于大多數(shù)的污泥填埋場是露天的，在有地表流水的情況下，沒有經(jīng)過無害化與穩(wěn)定化的污泥很容易變成未處理前的形態(tài)，造成對環(huán)境比較大的污染隱患[4]。此外，目前常見的污泥干化技術、焚燒技術等存在臭味難控制、占地面積大等問題[13]。

3污泥堆肥相關技術

根據(jù)微生物對氧氣的需求，通常將污泥堆肥處理方法劃分為好氧堆肥發(fā)酵和厭氧堆肥發(fā)酵。而好氧堆肥發(fā)酵又可以分為3種類型：條垛式發(fā)酵、槽式發(fā)酵、反應器發(fā)酵。條垛式工藝僅采用機械翻拋，充氧效果差，發(fā)酵時間長，發(fā)酵成品質量差[14]。反應器發(fā)酵處理量較小，實際應用受限，工程應用案例少見[15]。近年來，國內科研人員對污泥好氧堆肥工藝研究較多，且在實際工程應用中效果良好，比如桂厚瑛等研究開發(fā)的陽光棚開放槽污泥堆肥好氧發(fā)酵工藝[16]和萬若（北京）環(huán)境工程技術有限公司采用的ENS污泥堆肥工藝等[17]。本研究就近年來在污泥堆肥相關技術上的研究作一概述。

3.1調理劑在污泥堆肥中的應用

污泥堆肥化實質上是污泥中有機物在微生物的作用下，通過一系列生化反應實現(xiàn)有機物的轉化和穩(wěn)定化。自然環(huán)境條件下，堆肥周期長，效果差，容易導致大量氮損失等，添加調理劑可以很好地改善傳統(tǒng)堆肥方法的不足。張晶等開展了利用稻草、木屑和麩皮作為調理劑進行室內城市污泥堆肥模擬試驗的研究，結果發(fā)現(xiàn)白腐真菌能夠提高堆體的溫度、真菌數(shù)量、纖維素酶和半纖維素酶活性水平，降低氮素損失，促進硝態(tài)氮累積，全面提高堆體有效N、P、K含量[18]。研究發(fā)現(xiàn)調理劑添加量對污泥堆肥過程溫度和氧氣變化也會產(chǎn)生影響，馬闖等研究了不同鋸末調理劑添加量對污泥堆肥過程中溫度和氧氣變化的影響，結果表明，污泥和鋸末以質量比 3.5 ∶[KG-*3]1 或 4 ∶[KG-*3]1 的比例可以進一步提高堆體升溫速率，縮短達到高溫好氧發(fā)酵所需溫度的時間，延長堆體維持高溫的天數(shù)[19]。另外，調理劑粒徑對污泥堆肥影響同樣不容忽視。吳傳棟等研究發(fā)現(xiàn)，新型可循環(huán)LWK調理劑的平均粒徑為308 mm時，調理劑能夠明顯降低污泥堆體的氮素損失[20]。在堆肥化過程中，氨揮發(fā)是高溫好氧堆肥過程中氮素損失的主要途徑[21]，研究發(fā)現(xiàn)以沸石作為調理劑可以顯著降低氨揮發(fā)累積速率[22]。

3.2污泥堆肥過程中臭氣的控制

污泥堆肥過程中釋放的惡臭氣體已成為制約堆肥無害化生產(chǎn)的主要因素。惡臭氣體來源于堆肥過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機物，包括含硫化合物、含氮化合物和揮發(fā)性脂肪酸，組分復雜，消除這些氣體較為困難。研究發(fā)現(xiàn)污泥成分及理化性質差異會影響堆肥過程中臭氣的產(chǎn)生和排放，比如碳氮比、pH值、含水率、顆粒度、有機質含量和微生物含量等[23]。研究人員開展了對污泥堆肥過程中氨氣排放特征的研究。鐘佳等通過原位觀測，研究了不同條件下機械翻堆條垛污泥堆肥過程中氨氣的排放特征，結果表明強制通風+機械翻堆條垛工藝（ATP）條件下氨氣排放因子略低于機械翻堆條垛工藝，并認為ATP是一種環(huán)境友好的污泥堆肥工藝[24]。趙晨陽等研究了連續(xù)流強制通風槽式污泥堆肥工藝的氨氣排放特征，結果發(fā)現(xiàn)較低的碳氮比雖小幅增加了氨氣的排放量，卻有助于減少總氮損失（試驗組16.1%，對照組21.8%），并且采用“初期降低，末期升高”的通風方式，可以減少氨氣累積排放量（試驗組66.86 g/m2，對照組72.04 g/m2）[25]。

目前有關污泥堆肥過程中臭氣處理方法主要有物理方法、化學方法和生化方法，其中生化除臭方法具有效率高、成本低和環(huán)保等優(yōu)勢，成為近年來發(fā)展較快、應用較廣的主要工藝[26]。韓萌在研究蚯蚓堆肥處理污泥工藝中，探討了以蚯蚓糞為主要填料的生物過濾器去除堆肥臭氣的可行性，分別研究了容積負荷、載氣類型、填料組成、溫度等工藝條件對生物過濾器處理性能的影響，當在最適技術參數(shù)條件下，氨氣去除率可達到100%，生物過濾器能夠有效去除氨氣[27]。陳益清等考察了菌劑掛膜、活性污泥掛膜和自然掛膜形成的生物滴濾塔對H2S去除的影響，結果表明采用活性污泥掛膜形成的生物滴濾塔處理H2S的能力比菌劑掛膜和自然掛膜的高，硫的轉化率高達60%[28]。另外對原有生物除臭濾池填料的升級和改造，也是研究人員關注的問題，如果出現(xiàn)生物除臭濾池填料老化，會影響實際除臭效果。深圳深南電環(huán)保有限公司將原先生物濾池除臭系統(tǒng)中的樹皮填料更換為炭質生物媒填料，惡臭氣體凈化徹底，極大地改善了周邊環(huán)境空氣質量[29]。

3.3污泥堆肥過程中重金屬形態(tài)變化的研究

污泥來源不同，重金屬成分及含量差別較大，污泥中的重金屬問題一直是污泥堆肥產(chǎn)品農用的主要因素之一，研究污泥堆肥過程中重金屬形態(tài)及其生物遷移規(guī)律具有重要意義[30-31]。諸多研究發(fā)現(xiàn)污泥堆肥過程中，一些重金屬總量和化學形態(tài)結構發(fā)生明顯改變，其可交換態(tài)比例會減少，生物有效性降低，比如重金屬Cd[31-33]，但也有與之相反的研究結果，孫西寧等發(fā)現(xiàn)除Cd外，經(jīng)過堆肥化處理后所有重金屬的有效態(tài)含量均呈下降趨勢。造成這種結果上的差異，很有可能是由不同研究人員所采用的原料及堆肥工藝所致。另外王社平等以不同種類及不同比例的調理劑處理后形成的污泥堆肥成品為材料，采用順序提取法分析堆肥、種植小白菜前后重金屬形態(tài)的變化，研究表明污泥經(jīng)過堆肥處理后，堆料中重金屬Cu、Zn的X-（KNO3+H2O）態(tài)含量降低，能達到重金屬鈍化的目的，減少生物毒性[34]。文獻[34]提及X-分布為KNO3、H2O、NaOH、EDTA、HNO3提取態(tài)或殘渣態(tài)（Residuat）；Sposito浸提法認為X-KNO3態(tài)和X-H2O態(tài)為植物最易吸收的形態(tài)，稱之為生物有效態(tài)，故原引用文獻的作者將其合為X-（KNO3+H2O）態(tài)。盡管研究表明，經(jīng)過污泥堆肥工藝后，污泥中重金屬含量降低，并能夠符合相關控制標準，但是連續(xù)過量利用這種污泥，勢必造成重金屬在土壤中的累積和植物體的富集[35]。

3.4發(fā)展中的污泥堆肥新技術

污泥厭氧堆肥通常運行周期長，實際應用同樣受限，研究人員開發(fā)了微生物燃料電池型厭氧堆肥技術，利用生物產(chǎn)電加速污泥有機物利用，且效果明顯[36-37]。楊文卿等采用自制的好厭氧堆肥綜合反應器系統(tǒng)進行污泥厭氧堆肥實驗，可以在21 d內完成一個堆肥周期，且堆肥過程各指標變化規(guī)律性強，堆肥效果穩(wěn)定[38]。

北京綠源科創(chuàng)環(huán)境技術有限公司聯(lián)合中國科學院于2013年研發(fā)出超高溫污泥好氧發(fā)酵技術，與普通高溫好氧堆肥工藝相比，超高溫污泥好氧發(fā)酵技術優(yōu)勢明顯，二者比較見表1。超高溫好氧發(fā)酵堆肥技術可以實現(xiàn)堆體持續(xù)超高溫發(fā)酵，達到深度污泥穩(wěn)定化和無害化目的，極大地提高污泥發(fā)酵質量和效率，這對于好氧發(fā)酵技術在污泥處置上的推廣應用具有極為重要的現(xiàn)實意義[39]。

4展望

長期以來，我國農田大量施用化肥，土壤酸化板結問題突出，通過施用有機肥，可以不斷改良土壤。今后對有機肥的需求量將會不斷增大，經(jīng)污泥堆肥技術處理的有機肥，如果能夠符合土地利用的要求，那么對于污泥資源化利用來說，無疑是一種理想的選擇。因此，要進一步提高污泥堆肥的產(chǎn)品質量，解決污泥中重金屬、臭氣等問題。

要全面實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化、無害化和資源化處理處置，今后還有很長的路要走。就污泥堆肥技術而言，盡管我國開展了許多相關研究，并在實際工程應用中取得一定成果，但是仍然存在一些問題，比如污泥堆肥產(chǎn)品的質量及出路問題。國外城市污泥土地利用的比例均在不斷提高，而我國因加工成本較高、溢價能力有限，以及管理部門的謹慎態(tài)度，使得城市污泥在土地利用上受到一定的限制[3]。隨著污泥堆肥相關技術研究的深入以及國際交流合作的推進，將逐步改善現(xiàn)有堆肥方法的不足或提高堆肥產(chǎn)品的質量，徹底解除目前堆肥過程中存在的難題。同時，通過管理部門出臺污泥土地利用相關法律法規(guī)，消除污泥產(chǎn)品對公眾的擔憂，積極引導污泥堆肥產(chǎn)品進入土地利用，開辟資源循環(huán)利用新道路。

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