城市污泥好氧發(fā)酵過(guò)程中不同通風(fēng)設(shè)備發(fā)酵效果研究

楊俊杰　王淑艷

摘 要：本文利用工程性試驗(yàn)法對(duì)好氧發(fā)酵車間實(shí)際生產(chǎn)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行研究，分析不同通風(fēng)設(shè)備條件下，好氧發(fā)酵過(guò)程溫度、氧氣、氨氣和VOCs的變化。結(jié)果表明，不同通風(fēng)工藝設(shè)備對(duì)污泥好氧發(fā)酵過(guò)程有顯著的影響，分析各項(xiàng)參數(shù)最終表明，在污泥好氧發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中采用羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)供氧效果最好。

關(guān)鍵詞：污泥;好氧發(fā)酵;通風(fēng)設(shè)備

中圖分類號(hào)：X799.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）31-0036-04

Effects of Different Ventilation Facilities on Aerobic

Fermentation of Sewage Sludge

YANG Junjie WANG Shuyan

（Management Center of Solid Waste of Henan Province，Zhengzhou Henan 450004）

Abstract： In this paper， the engineering test method was used to study the actual production fermentation process of aerobic fermentation plant， and the changes of aerobic fermentation process temperature， oxygen， ammonia and VOCs under different ventilation conditions were analyzed. The results showed that different ventilation process equipment had a significant impact on the aerobic fermentation process of sludge. The analysis of various parameters finally showed that the use of Roots blower in the aerobic fermentation production process of sludge was the best.

Keywords： sludge;aerobic fermentation;ventilation facilitie

好氧發(fā)酵是常見(jiàn)污泥處理處置方式之一，通過(guò)好氧發(fā)酵可以使污泥減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化，同時(shí)發(fā)酵產(chǎn)品可作為很好的土壤改良劑或有機(jī)肥料實(shí)現(xiàn)二次利用[1]。污泥發(fā)酵過(guò)程會(huì)消耗O2，產(chǎn)生CO2、H2O和熱量，同時(shí)產(chǎn)生大量臭味氣體與物質(zhì)，如NH3、H2S與小分子揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）等。上述臭味物質(zhì)無(wú)論在厭氧或好氧條件下均可以產(chǎn)生，但厭氧條件下臭氣產(chǎn)生量更大[2]。NH3通常來(lái)自于微生物對(duì)污泥中氨基酸與蛋白質(zhì)的好氧降解，而VOCs和H2S通常來(lái)自于微生物對(duì)剩余污泥中有機(jī)物的厭氧消化反應(yīng)，VOCs濃度較低但閾值也低[3]。

通風(fēng)是好氧發(fā)酵過(guò)程中的重要調(diào)控手段，恰當(dāng)通風(fēng)對(duì)提升堆體溫度、保持堆體氧氣含量以及減少局部厭氧發(fā)酵與惡臭氣體產(chǎn)生有著明顯效果。國(guó)內(nèi)外對(duì)污泥好氧發(fā)酵的研究，主要以堆肥工藝與參數(shù)控制為主，如控制調(diào)理劑數(shù)量、種類，或接種不同菌劑、碳氮比、含水率等，從而優(yōu)化發(fā)酵效果。但是，對(duì)污泥好氧發(fā)酵通風(fēng)設(shè)備——鼓風(fēng)機(jī)的比選研究相對(duì)匱乏，且大部分研究都來(lái)自實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，對(duì)生產(chǎn)一線而言缺乏參考價(jià)值。為了更好地比較污泥好氧發(fā)酵工程常用的羅茨風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)的通風(fēng)供氧效果，本文選取鄭州某大型污泥處置廠生產(chǎn)車間容積為200m3的污泥發(fā)酵槽，進(jìn)行工程性試驗(yàn)，對(duì)兩種不同鼓風(fēng)機(jī)通風(fēng)發(fā)酵槽內(nèi)部溫度、氧氣濃度、NH3濃度和VOCs濃度等多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，研究不同風(fēng)機(jī)以相同設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行鼓風(fēng)時(shí)的污泥好氧發(fā)酵效果，旨在優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提升污泥好氧發(fā)酵效率。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

該試驗(yàn)位于鄭州市某污泥處置廠內(nèi)，設(shè)計(jì)規(guī)模為日處理污泥600t。污泥處理工藝為高溫固態(tài)好氧槽式發(fā)酵（翻拋加強(qiáng)制通風(fēng)）工藝。供試污泥含水率（MC）為80.12%，揮發(fā)性固體（VS）含量為62.4%。調(diào)理劑為鋸末和腐熟料，其含水率分別為9.02%、35%，VS含量分別為96.3%、44.2%。污泥、鋸末和腐熟料采用100：15：85的比例均勻混合，混合后待發(fā)酵物料的含水率、VS含量分別為55.8%、53.4%左右，每個(gè)發(fā)酵槽容量為200m3，上料約150t。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)間設(shè)置在春季，分別選取兩個(gè)不同通風(fēng)風(fēng)機(jī)的發(fā)酵槽進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。處理1：選取羅茨風(fēng)機(jī)，其特點(diǎn)是能夠滿足大通風(fēng)量風(fēng)壓動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制打壓;處理2：選取離心風(fēng)機(jī)，其特點(diǎn)是便于維修，造價(jià)低廉，但通風(fēng)過(guò)程中無(wú)法強(qiáng)制打壓，鼓風(fēng)穿透力較弱。

試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)溫度、O2濃度、NH3濃度和VOCs濃度進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于污泥堆體內(nèi)距表層污泥30cm處。此范圍內(nèi)污泥受于外界環(huán)境干擾較小，且堆體疏松度較好，可以代表整個(gè)發(fā)酵槽內(nèi)的污泥發(fā)酵情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同通風(fēng)設(shè)備對(duì)溫度變化的影響

污泥好氧發(fā)酵作為一種生物反應(yīng)系統(tǒng)，反應(yīng)的速度與溫度有關(guān)。一般溫度每升高10℃，生化反應(yīng)的速率增大2倍。因此，堆體內(nèi)的溫度越高，反應(yīng)的速度越快。然而，當(dāng)溫度超過(guò)一定限值后，催化反應(yīng)酶失活，部分微生物死亡，反應(yīng)速度反而會(huì)下降。發(fā)酵過(guò)程的平均溫度可以反應(yīng)不同發(fā)酵天數(shù)溫度變化情況，兩個(gè)處理方案堆體溫度變化均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，如圖1所示。

圖中曲線變化原因是微生物在堆肥初期生命活動(dòng)劇烈，迅速降解有機(jī)物從而產(chǎn)生大量熱量，后期微生物生命活動(dòng)逐漸停止導(dǎo)致溫度降低。同時(shí)，兩個(gè)處理方案的最高溫度、高溫持續(xù)時(shí)間以及升溫速率并不相同。其中，處理1最高溫度達(dá)到67.8℃，55℃以上持續(xù)天數(shù)為15d，并且升溫期升溫速率較快，在第4d即達(dá)到最高溫度，發(fā)酵效果較好;處理2最高溫度為64.5℃，55℃以上持續(xù)天數(shù)為13天，升溫速率相對(duì)較慢，在第7天才達(dá)到最高溫度。雖然兩個(gè)處理方案均能滿足污泥無(wú)害化要求，但處理2方案效果不如處理1方案。

2.2 不同通風(fēng)設(shè)備對(duì)氧氣濃度變化的影響

適當(dāng)?shù)难鯕鉂舛仁菨M足微生物生命活動(dòng)的必要條件。通常認(rèn)為堆體內(nèi)氧氣含量在10%以上時(shí)，適合好氧菌生存。發(fā)酵過(guò)程中上述兩個(gè)處理方案堆體內(nèi)部氧氣濃度均呈現(xiàn)為先降低后升高的趨勢(shì)，這是由于前期易降解有機(jī)質(zhì)較多，微生物代謝速率高，有機(jī)物降解過(guò)程消耗大量的氧氣，在高溫期后期和降溫期微生物生命活動(dòng)逐漸減弱，需氧量減少導(dǎo)致氧氣濃度逐漸回升，如圖2所示[4]。

對(duì)比兩個(gè)處理方案可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)處理方案氧氣濃度均在15%以上，但處理2方案氧氣濃度始終低于處理1方案，因此可以判斷處理1方案供氧效果要優(yōu)于處理2方案。但僅從氧氣數(shù)據(jù)不能夠充分說(shuō)明兩種設(shè)備效果，需要進(jìn)一步對(duì)NH3和VOCs氣體產(chǎn)生狀況進(jìn)行分析。

2.3 不同通風(fēng)設(shè)備對(duì)NH3變化的影響

在污泥好氧發(fā)酵過(guò)程中，有機(jī)氮在微生物脫氨作用下生成NH+4-N和游離態(tài)NH3，最終以氣態(tài)NH3形式釋放到堆體外[5]。隨著有機(jī)物質(zhì)礦化，有機(jī)氮不斷轉(zhuǎn)化為NH+4-N，而NH+4-N進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成氨氣并釋放到堆體外。因此，好氧發(fā)酵過(guò)程中有機(jī)氮的礦化是一個(gè)不可避免的過(guò)程，也是好氧發(fā)酵正常進(jìn)行的標(biāo)志之一。通常認(rèn)為NH3是污泥完全好氧發(fā)酵的最終產(chǎn)物之一。同時(shí)，NH3與VOCs等其他氣體相比，嗅閾值很高，相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)環(huán)境影響較小。兩個(gè)處理方案中，NH3產(chǎn)生濃度均呈現(xiàn)先升高后降低的規(guī)律。這是由于前期微生物生命活動(dòng)劇烈，有機(jī)氮快速被分解產(chǎn)生大量的NH3，在堆肥后期溫度降低、NH+4-N溶解度增加導(dǎo)致NH3釋放濃度降低，如圖3所示。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)處理方案NH3氣體均在第5天達(dá)到最大值，分別為112.5mg/m3和76.5mg/m3。但在堆肥前8天，處理1方案NH3釋放濃度要高于處理2方案;第8天后，兩個(gè)處理方案NH3釋放濃度相差不大，均在60mg/m3以下。

2.4 不同通風(fēng)設(shè)備對(duì)TVOCs釋放特征影響

TVOCs是污泥堆肥發(fā)酵過(guò)程所產(chǎn)生的少量氣體，但TVOCs嗅閾值很低，且伴有強(qiáng)劣的刺激性臭味，易在大氣中與其他物質(zhì)反應(yīng)，對(duì)大氣產(chǎn)生二次污染，通常認(rèn)為是污泥局部厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的。兩個(gè)處理方案TVOCs釋放濃度均呈現(xiàn)先升高后降低并再次升高降低的規(guī)律，這是由于堆肥初期微生物生命活動(dòng)劇烈，好氧速率高，導(dǎo)致堆體內(nèi)局部氧氣供應(yīng)不足，不能滿足好氧發(fā)酵的需求，使得微生物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生大量TVOCs氣體，如圖4所示。

兩個(gè)處理堆體內(nèi)部TVOCs釋放濃度均在高溫前期維持較高水平，第5天左右迅速下降，并在高溫后期有顯著的回升，呈現(xiàn)出兩個(gè)波峰。第一個(gè)TVOCs釋放高峰值出現(xiàn)在污泥堆肥第1～4天，此時(shí)處于升溫期;第二個(gè)TVOCs釋放高峰值出現(xiàn)在第10～14天，此時(shí)處于降溫期，TVOCs主要來(lái)源為堆體某些局部發(fā)生厭氧反應(yīng)。因此，在好氧發(fā)酵調(diào)控過(guò)程中需要注意這兩個(gè)時(shí)間段的臭氣控制。

兩個(gè)處理堆體在第4天與第5天達(dá)到最大值，TVOCs濃度分別為1 635.50μg/m3和1 080.42μg/m3。在整個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)，處理1方案TVOCs釋放濃度平均值為564.4μg/m3，處理2方案TVOCs釋放濃度平均值為699.9μg/m3。兩者進(jìn)行對(duì)比可以看出，處理2方案TVOCs釋放濃度明顯高于處理1方案，可得處理2方案內(nèi)部氧氣供應(yīng)相對(duì)不足，微生物厭氧發(fā)酵現(xiàn)象相對(duì)頻繁。

綜合來(lái)看，處理1方案比處理2方案多排放了6.5%的NH3氣體，但卻減少了24.0%的TVOCs氣體排放，有效地減少了臭氣二次污染。

3 結(jié)論

與采用離心風(fēng)機(jī)相比，采用羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)供氧可以提高整個(gè)堆肥周期的升溫速率、高溫持續(xù)時(shí)間、平均溫度和氧氣含量。盡管多排放了部分嗅閾值較低的NH3，但卻減少了更多惡臭組分TVOCs氣體的排放，能夠有效降低堆肥過(guò)程產(chǎn)生的臭氣。綜合考慮污泥好氧發(fā)酵溫度、氧氣，NH3和TVOCs狀況，在污泥好氧發(fā)酵工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中，推薦采用羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)供氧。

參考文獻(xiàn)：

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