生物調(diào)理劑及有機(jī)質(zhì)組分對(duì)污泥干化影響研究

譚林， 龐冬， 文方

（1.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司， 烏魯木齊 830046； 2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)， 烏魯木齊 830011；3.新疆環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院， 烏魯木齊 830011）

污廢水處理時(shí)產(chǎn)生大量污泥， 造成土地占用、水體污染、 河床淤泥等環(huán)境問(wèn)題， 實(shí)現(xiàn)減量化、 穩(wěn)定化、 無(wú)害化和資源化是目前污泥處理與處置的研究重點(diǎn)［1-2］。 由于污泥具有含水率高、 有機(jī)物豐富、不利于運(yùn)輸、 性質(zhì)不穩(wěn)定等特點(diǎn)［3-4］， 污泥干化是實(shí)現(xiàn)污泥減量化以及資源化的主要手段［5-7］。 目前，污泥生物物理干化技術(shù)相比傳統(tǒng)的干化技術(shù)， 具有能耗低和熱處理效率高的優(yōu)點(diǎn)， 處理后含水率明顯降低， 污泥分散成顆粒狀， 物理性狀明顯改善， 有利于運(yùn)輸、 填埋、 焚燒以及回收利用等［8-10］。 現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)污泥生物物理干化方面開(kāi)展了一些研究， 影響干化效果的因素主要包括通風(fēng)強(qiáng)度［11］、 通風(fēng)方式［12］、 溫度［13］、 含水率［14］， 以及調(diào)理劑種類(lèi)［15］及其與污泥的質(zhì)量配比［16-17］等。

蘑菇渣中富含多種菌體蛋白、 代謝產(chǎn)物以及未被利用的礦物質(zhì)等， 玉米芯中富含纖維素、 半纖維素和木質(zhì)素等， 因此， 蘑菇渣與玉米芯是非常好的有機(jī)肥料與土壤調(diào)理劑， 作為外加碳源， 可以提供豐富的有機(jī)物、 快速提高堆體溫度以及減少臭氣等的散發(fā)［18］。 有關(guān)蘑菇渣和玉米芯綜合利用的研究較多［19－21］， 但應(yīng)用在污泥干化中研究較少。 本研究以蘑菇渣、 玉米芯為調(diào)理劑， 使用生物物理干化技術(shù)， 研究蘑菇渣和玉米芯對(duì)污泥干化的效能， 重點(diǎn)探討了不同調(diào)理劑以及不同質(zhì)量配比對(duì)污泥干化過(guò)程的影響， 分析升溫能力、 水分脫除效果、 有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定化能力以及調(diào)理劑有機(jī)質(zhì)組分變化規(guī)律， 為廢棄物綜合利用提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

試驗(yàn)場(chǎng)地為某污泥處置企業(yè)的反應(yīng)槽， 反應(yīng)槽長(zhǎng)65 m， 寬5 m， 高2.5 m。 試驗(yàn)裝置由1 個(gè)反應(yīng)槽和6 個(gè)鼓風(fēng)機(jī)組成， 將反應(yīng)槽劃分為等面積的3 個(gè)區(qū)域， 分別進(jìn)行3 個(gè)試驗(yàn)研究。 試驗(yàn)于2016 年8 月1 日—16 日連續(xù)進(jìn)行， 歷時(shí)16 d。 試驗(yàn)裝置示意如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意Fig. 1 Experimental equipment

1.2 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)污泥由烏魯木齊市河?xùn)|污水處理廠提供。所選用的調(diào)理劑為蘑菇渣和玉米芯， 由農(nóng)戶(hù)提供。其中， 混合料是由蘑菇渣與玉米芯按1 ∶1 比例混合而成。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)重點(diǎn)探討調(diào)理劑種類(lèi)以及調(diào)理劑與污泥的質(zhì)量配比對(duì)污泥干化過(guò)程的影響， 分析升溫能力、水分脫除效果、 有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定化能力以及調(diào)理劑有機(jī)質(zhì)組分變化規(guī)律。 將污泥與調(diào)理劑按一定質(zhì)量配比， 在攪拌箱內(nèi)混合均勻， 隨后拉運(yùn)到反應(yīng)槽中，將其堆成長(zhǎng)5.0 m， 寬1.0 m， 高0.8 m 的堆體。 定期對(duì)堆體進(jìn)行機(jī)械翻拋， 對(duì)物料自下而上旋轉(zhuǎn)翻料， 翻拋周期為3～5 d。 本試驗(yàn)所用調(diào)理劑為蘑菇渣、 玉米芯和蘑菇渣的混合料（m（蘑菇渣） ∶m（玉米芯） ＝1 ∶1）。 1 號(hào)、 2 號(hào)以及3 號(hào)堆體的試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 1 Parameters of experimental design

1.4 采樣與測(cè)定方法

定期采集樣品進(jìn)行檢測(cè)， 主要檢測(cè)指標(biāo)包括溫度、 有機(jī)質(zhì)、 含水率、 粗油脂、 水溶物、 半纖維素、 纖維素、 木質(zhì)素和蛋白質(zhì)。 直接測(cè)定并記錄3個(gè)反應(yīng)槽每天的環(huán)境溫度和堆體溫度， 通過(guò)采樣器采取1 kg 樣品測(cè)定每天的含水率， 并且定期在試驗(yàn)第3、 6、 11、 15 天采集樣品， 測(cè)定3 個(gè)反應(yīng)槽內(nèi)污泥的有機(jī)質(zhì)與有機(jī)質(zhì)組分含量。 采樣方法采用4 分法。 粗油脂采用索氏提取法［22］， 水溶物采用冷萃取法［23］， 半纖維素、 纖維素、 木質(zhì)素均采用NREL 法［24］， 有機(jī)質(zhì)采用土壤農(nóng)化分析法［25］， 蛋白質(zhì)采用凱氏定氮法［26］。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料性質(zhì)分析

原料的部分理化特性如表2 所示。

由表2 可知， 污泥的有機(jī)質(zhì)含量是原料中最低的， 在化學(xué)組分當(dāng)中， 粗油脂和蛋白質(zhì)的含量較高； 其余測(cè)定的生化組分較低。 這主要是由于污泥中微生物種類(lèi)較多， 導(dǎo)致粗油脂和蛋白質(zhì)的含量比較高［27］。 蘑菇渣、 玉米芯以及混合料的含水率相對(duì)污泥較低， 但是有機(jī)質(zhì)的含量高出污泥有機(jī)質(zhì)含量的3 倍多； 在3 種原料中， 蘑菇渣的粗油脂含量大約是玉米芯和混合料的4 倍； 對(duì)于水溶物而言， 3種原料相差不大， 但比污泥的水溶物含量多了7 倍多； 在蘑菇渣中， 半纖維素、 纖維素以及木質(zhì)素的含量相對(duì)玉米芯和混合料而言都是最低的， 而相對(duì)污泥和其它2 種調(diào)理劑而言， 蛋白質(zhì)卻是最高的。

表2 原料的化學(xué)組分和物理參數(shù)Tab. 2 Chemical components and physical parameters of compost materials

2.2 生物調(diào)理劑對(duì)堆體溫度變化的影響

溫度是影響污泥微生物活性、 干化周期以及效果的重要因素［28］。 不同處理中堆體溫度隨時(shí)間變化如圖2 所示。

圖2 堆體溫度變化情況Fig. 2 Changes of piles′ temperature

由圖2 可知， 試驗(yàn)溫度變化分為3 個(gè)階段： 升溫期、 高溫期和降溫期。 1 號(hào)和2 號(hào)堆體3 個(gè)階段大致相同， 溫度從第2 天起開(kāi)始急劇上升， 最高溫度及達(dá)到最高溫度的時(shí)間分別為73.9 ℃、 7 d 和71.5 ℃、 5 d； 3 號(hào)堆體達(dá)到最高溫度73.0 ℃經(jīng)歷了9 d 的時(shí)間。 這3 個(gè)時(shí)期的長(zhǎng)短不盡相同， 說(shuō)明不同調(diào)理劑以及調(diào)理劑與污泥的不同質(zhì)量配比對(duì)堆體溫度有較大的影響。 污泥中微生物好氧呼吸， 放出大量的熱量， 溫度不斷上升， 隨著有機(jī)物逐漸減少， 溫度逐漸降低［29］。 試驗(yàn)結(jié)果表明， 混合料的投加有利于熱量的產(chǎn)生， 效果要高于單獨(dú)使用蘑菇渣；在相同質(zhì)量配比下（m（污泥）∶m（調(diào)理劑） ＝2 ∶1），混合料升溫能力強(qiáng)于蘑菇渣， 主要原因是混合料中加入了玉米芯［15］； 在相同生物調(diào)理劑下， 1 號(hào)混合料升溫能力強(qiáng)于3 號(hào)混合料（1 ∶1）， 可能原因是污泥含量過(guò)低不利于微生物的生長(zhǎng)［30］。 試驗(yàn)中， 1 號(hào)堆體達(dá)到的溫度最高， 且維持高溫時(shí)間最長(zhǎng)（8 d），說(shuō)明該堆體升溫能力最強(qiáng)、 最有利于熱量的產(chǎn)生以及高溫的保持。

2.3 生物調(diào)理劑對(duì)堆體含水率變化的影響

含水率的控制是實(shí)現(xiàn)污泥減量化與資源化的前提［31］。 不同調(diào)理劑以及調(diào)理劑與污泥的不同質(zhì)量配比對(duì)水分變化的影響如圖3 所示。

圖3 堆體含水率變化情況Fig. 3 Changes of piles′ moisture content

3 組堆體的總體趨勢(shì)大致分為3 個(gè)階段： 下降－上升－緩慢下降。 前6 d 含水率緩慢下降， 下降趨勢(shì)大致相同， 此時(shí)主要是通風(fēng)促使水分緩慢蒸發(fā)［12］。從第8 天開(kāi)始， 堆體含水率迅速下降， 1 號(hào)堆體經(jīng)歷4 d 時(shí)間含水率達(dá)到最低值35.10%， 2 號(hào)堆體經(jīng)歷3 d 時(shí)間含水率達(dá)到最低值40.10%， 而3 號(hào)堆體在第10 天含水率就達(dá)到最低值33.79%， 此時(shí)含水率的降低可能是因?yàn)楹醚跷⑸镎Ｉ顒?dòng)產(chǎn)生大量的熱外加通風(fēng)作用使得水分快速蒸發(fā)［32］。 3組堆體含水率達(dá)到最低值后， 又開(kāi)始逐漸回升， 可能是因?yàn)闇囟冉档停?水分蒸發(fā)速率下降以及有機(jī)物的分解又產(chǎn)生了水分， 這與張喻等［21］得出的結(jié)論相似。 當(dāng)反應(yīng)結(jié)束時(shí)3 組堆體的含水率分別為39.99%、 38.40%、 39.20%， 與開(kāi)始相比， 分別下降了15.51%、 15.90%、 14.40%。 表明3 組堆體的含水率下降都很明顯， 水分脫除效果很好， 含水率都低于40%， 都達(dá)到了園林綠化用泥質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)［33］。

2.4 污泥干化過(guò)程中有機(jī)質(zhì)組分含量變化

有機(jī)質(zhì)在微生物生長(zhǎng)和繁殖過(guò)程中起到非常重要的作用， 是必不可少的條件之一［34］。 對(duì)不同試驗(yàn)分別測(cè)了3 次有機(jī)質(zhì)含量， 結(jié)果如表3 可知。

3 組堆體干化前后的有機(jī)質(zhì)含量變化并不是很大， 原因是調(diào)理劑中含有豐富的有機(jī)質(zhì)且易降解成分含量較低［15］。 為進(jìn)一步研究有機(jī)質(zhì)作用原理， 分析了干化效果較好的1 號(hào)和2 號(hào)堆體的有機(jī)質(zhì)組分變化， 結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4 可以看出， 2 組堆體中水溶物和蛋白質(zhì)含量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而緩慢升高； 1 號(hào)和2 號(hào)堆體的木質(zhì)素含量都是先降低后升高， 但總體變化不大； 粗油脂含量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)， 2 號(hào)堆體的下降速率要高于1 號(hào)， 但最終趨于穩(wěn)定； 就纖維素而言， 2 組堆體的變化趨勢(shì)都是先升高后降低， 但1號(hào)波動(dòng)幅度遠(yuǎn)大于2 號(hào)， 在第11 天達(dá)到了最大值（124 mg／g）， 這是因?yàn)? 號(hào)堆體中添加調(diào)理劑的纖維素含量遠(yuǎn)高于2 號(hào)； 1 號(hào)堆體中半纖維素呈現(xiàn)緩慢降低的趨勢(shì)， 而2 號(hào)堆體呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)。

表3 3 組堆體有機(jī)質(zhì)含量變化情況Tab. 3 Changes of organic matters content of 3 piles

圖4 干化過(guò)程中有機(jī)質(zhì)組分含量變化情況Fig. 4 Changes of organic components during drying process

2.5 主要影響因子分析

為更直觀地顯示有機(jī)質(zhì)含量的主要影響因素對(duì)溫度和含水率的影響， 對(duì)干化過(guò)程的物理參數(shù)與有機(jī)質(zhì)組分進(jìn)行冗余分析（RDA）， 結(jié)果如圖5 所示。

圖5 干化過(guò)程物理特征與有機(jī)質(zhì)組分冗余分析二維排序Fig. 5 Bidimensional ordering of RDA of physical characteristics of drying process and organic components

從圖5 可以看出， 1 號(hào)堆體中半纖維素、 水溶物和蛋白質(zhì)與排序軸的夾角相對(duì)較小且箭頭線較長(zhǎng)， 2 號(hào)堆體中水溶物、 粗油脂和半纖維素與排序軸的夾角相對(duì)較小且箭頭線較長(zhǎng)， 可知水溶物、 粗油脂、 半纖維素和蛋白質(zhì)對(duì)干化過(guò)程物理參數(shù)變化起到了很好的解釋。

有機(jī)組分變量解釋的重要性排序如表4 所示。在1 號(hào)堆體中， 重要性大小排序依次為： 半纖維素、 水溶物、 蛋白質(zhì)、 粗油脂、 纖維素、 木質(zhì)素，半纖維素、 水溶物和蛋白質(zhì)的因子解釋量都達(dá)到了40% 以上， 其中半纖維素更高達(dá)80%； 2 號(hào)堆體中， 水溶物對(duì)物理參數(shù)的重要性達(dá)到了75%， 水溶物、 粗油脂和半纖維素的因子解釋量達(dá)到40%以上。 當(dāng)投加混合料（2 ∶1）時(shí)， 影響溫度與含水率最主要的因素是半纖維素； 投加蘑菇渣（2 ∶1）時(shí)，影響溫度與含水率最主要的因素是水溶物。 因此，影響干化過(guò)程中溫度與含水率變化的主要因素是半纖維素和水溶物， 與牛明杰等［35］研究發(fā)現(xiàn)半纖維素和水溶物分別在穩(wěn)定期和高溫期降解量大有關(guān)。

表4 有機(jī)組分變量解釋的重要性排序Tab. 4 Importance sequencing of organic components variates

3 結(jié)論

（1） 3 組堆體試驗(yàn)溫度均從第2 天開(kāi)始急劇上升， 均大致經(jīng)歷了升溫期、 高溫期和降溫期3 個(gè)階段。 添加的生物調(diào)理劑都能夠快速提高堆體溫度，其中1 號(hào)堆體添加的混合料（污泥與調(diào)理劑質(zhì)量比為2 ∶1）達(dá)到的溫度最高（73.9 ℃）， 且達(dá)到60 ℃高溫持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)（8 d）， 說(shuō)明該混合料作為生物調(diào)理劑更能加強(qiáng)堆體升溫能力， 更有利于熱量的產(chǎn)生以及高溫的保持。

（2） 干化過(guò)程中， 3 組堆體的含水率總體有明顯下降的趨勢(shì)， 且最終含水率都降低到40% 以下，達(dá)到了園林綠化用泥質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。

（3） 干化結(jié)束時(shí)， 有機(jī)質(zhì)含量總體變化不大，更加有利于污泥干化后的利用。 有機(jī)質(zhì)組分變化明顯， 1 號(hào)和2 號(hào)堆體的有機(jī)質(zhì)組分中近似保持一樣趨勢(shì)的有粗油脂、 水溶物、 木質(zhì)素； 而趨勢(shì)不同或相反的有機(jī)質(zhì)組分有纖維素和半纖維素。 通過(guò)RDA分析， 半纖維素和水溶物間接性地影響含水率和溫度的變化。