黑臭水體底泥無(wú)害化處置及資源化利用堆肥技術(shù)

楊 星，張家興，霍興陽(yáng)，孫萬(wàn)林，宋絢臻，李九智

(華北地質(zhì)勘查局五一九大隊(duì)，河北 保定 071000)

0 引言

底泥疏浚法是目前國(guó)內(nèi)外治理污染河湖的主要措施，底泥疏浚法效果明顯，但疏浚后的底泥含水率高，且底泥中含有大量有機(jī)質(zhì)、病原微生物等，若不經(jīng)處理而在環(huán)境中堆棄，對(duì)環(huán)境和衛(wèi)生均易造成不良影響。大部分疏浚底泥性質(zhì)與普遍土壤接近，且有機(jī)質(zhì)、氮、磷等養(yǎng)分豐富，有害物質(zhì)含量在國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)(如GBT 23486—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》)，因此具有很高的利用價(jià)值[1-2]。將疏浚底泥無(wú)害化處置并進(jìn)行資源化利用，既可保護(hù)環(huán)境，又可節(jié)約資源，這種底泥治理方式是當(dāng)今河湖水環(huán)境治理研究的熱點(diǎn)[3]。

1 堆肥處理技術(shù)

1.1 技術(shù)介紹

將黑臭水體底泥脫水后，與各種輔料和復(fù)合菌劑按一定比例混合均勻進(jìn)行堆垛發(fā)酵，黑臭水體底泥及發(fā)酵輔料中含有大量的多糖、氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，剛混合完成的堆垛中含有大量氧氣，絲狀菌微生物可對(duì)黑臭水體底泥中易分解的糖等有機(jī)物進(jìn)行分解、代謝，釋放能量，使肥堆溫度快速上升，芽胞桿菌開(kāi)始大量繁殖，分解包裹黑臭水體底泥的胞外聚合物(EPS)，釋放出水與大量熱量使肥堆溫度上升至60 ℃以上，殺滅有害病原菌與蟲(chóng)卵，放線(xiàn)菌開(kāi)始活躍，釋放大量的體外酵素，快速降解黑臭水體底泥中大分子有機(jī)物質(zhì)為植物可以吸收利用的小分子有機(jī)質(zhì)[4]。這些菌劑好氧發(fā)酵與厭氧發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生大量纖維素酶、半纖維素酶、木質(zhì)素酶、淀粉酶、葡萄糖異構(gòu)酶等胞外酶和胞內(nèi)酶來(lái)分解黑臭水體底泥的有機(jī)物。堆肥過(guò)程原理如圖1所示。

圖1 黑臭水體底泥兼氧發(fā)酵腐熟堆肥過(guò)程原理Fig.1 Principle of aerobic fermentation and composting of sediment in black and odorous water

黑臭水體底泥經(jīng)復(fù)合微生物菌劑(絲狀菌、高溫放線(xiàn)菌、芽孢桿菌、乳酸菌)高溫發(fā)酵及中低溫發(fā)酵最終充分腐熟，可有效去除病原微生物、蛔蟲(chóng)卵等大分子有機(jī)物質(zhì)；同時(shí)底泥中的重金屬經(jīng)復(fù)合微生物的吸附(生物氧化)、生物代謝等作用，使重金屬的形態(tài)向氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)變，以降低重金屬的遷移性和生物有效性[5-7]。對(duì)于少數(shù)污染物超標(biāo)的腐熟料可與當(dāng)?shù)厍菪蠹S便堆肥產(chǎn)物經(jīng)合理配比及深加工，在達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下應(yīng)用于不進(jìn)入食物鏈的園林綠化及花卉種植等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)最終的資源化利用。底泥堆肥技術(shù)路線(xiàn)如圖2所示。

圖2 底泥堆肥技術(shù)路線(xiàn)Fig.2 Technical roadmap of sediment composting

1.2 堆肥試驗(yàn)

1.2.1 原材料處理

底泥：底泥脫水至含水率達(dá)到80%左右。

輔料：為增大接觸面積利于發(fā)酵，要對(duì)玉米秸稈、麥麩進(jìn)行粉碎。玉米秸稈粉碎成粒徑約為1 cm，麥麩粉碎成粉末狀態(tài)。

復(fù)合微生物菌劑：絲狀菌、高溫放線(xiàn)菌、乳酸菌和枯草芽孢桿菌的有效活菌數(shù)比約為5∶2∶2∶1。

1.2.2 堆肥材料配比

含水率約80%的底泥100 kg，輔料10 kg(粉碎玉米秸稈3 kg，麥麩7 kg)，復(fù)合微生物菌劑300 g，水適量。

1.2.3 堆肥試驗(yàn)操作

在堆肥試驗(yàn)場(chǎng)地開(kāi)挖“十”字形溝，深寬各20 cm，在溝上縱橫鋪滿(mǎn)硬堅(jiān)的作物秸稈(玉米秸稈)，作為堆肥底部的通氣溝。

將經(jīng)過(guò)前期處理的原材料充分混合均勻后，進(jìn)行逐層堆積。適當(dāng)在各層上均勻地噴灑水，控制堆體含水率在60%～75%。如此一層一層地堆積，直至高度達(dá)到1 m左右[8]。每層堆積的厚度，一般是15～25 cm，上層宜薄，中、下層稍厚，每層加入的水用量，要上層多，下層少，方可順流而下，上下分布均勻[9]。堆積完成后，在堆制期間，定期監(jiān)測(cè)堆體內(nèi)的含水率和溫度。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度和含水量變化

溫度和含水量變化如圖3～4所示。此次堆肥試驗(yàn)堆體溫度上升較快，在堆肥第4天溫度達(dá)到60 ℃左右，經(jīng)后續(xù)5次翻拋，歷經(jīng)3次溫度高峰，溫度在堆肥第13天達(dá)到峰值，為72.1 ℃。此次堆肥堆體60 ℃以上高溫持續(xù)約10 d，能達(dá)到完全殺滅蟲(chóng)卵的效果，同時(shí)，持續(xù)的高溫反應(yīng)了堆體內(nèi)微生物的活性高，對(duì)有機(jī)物的分解效率高。堆體含水率在整個(gè)堆肥試驗(yàn)中緩慢降低，從初始的含水率70%降至最終的30%左右，達(dá)到了堆肥預(yù)期的效果。

圖3 堆體中部溫度變化情況Fig.3 Temperature change in the middle of reactor

圖4 堆體中部含水量變化情況Fig.4 Change of water content in the middle of reactor

2.2 底泥堆肥前后檢測(cè)結(jié)果變化

底泥堆肥前后檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 底泥堆肥前后數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Comparison of data before and after composting

(1)底泥中的糞大腸菌群數(shù)由堆肥試驗(yàn)前的65個(gè)/g降至32個(gè)/g，表明堆肥試驗(yàn)的高溫階段對(duì)糞大腸菌群的殺滅效果較好，殺滅率能達(dá)到50%左右，且重金屬的含量均符合NY525—2012《有機(jī)肥料》要求，實(shí)現(xiàn)了黑臭底泥的無(wú)害化處置。

(2)底泥中的有機(jī)質(zhì)含量由堆肥試驗(yàn)前的61%降至53%，總養(yǎng)分含量由11.38%增加至14.70%，表明堆肥試驗(yàn)中微生物活躍，消耗分解有機(jī)質(zhì)，轉(zhuǎn)化為部分養(yǎng)分，對(duì)有機(jī)質(zhì)的去除率能達(dá)到15%左右，總養(yǎng)分提升約30%[10]。

(3)底泥的含水率由初始的70%降至22.12%，達(dá)到了NY525—2012《有機(jī)肥料》對(duì)肥料含水率的要求。

(4)堆肥試驗(yàn)后的材料符合NY525—2012《有機(jī)肥料》要求，可以用作有機(jī)肥料，實(shí)現(xiàn)了黑臭底泥的資源化利用。

3 結(jié)論

本次堆肥試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了黑臭水體底泥無(wú)害化處置及資源化利用的目標(biāo)，堆肥試驗(yàn)成功，可在后續(xù)生產(chǎn)實(shí)踐中推廣應(yīng)用。堆肥過(guò)程采用兼氧發(fā)酵工藝，無(wú)需曝氣等高耗能操作，具有投資小、工藝簡(jiǎn)單和發(fā)酵速度快的特點(diǎn)；可同時(shí)對(duì)多種有機(jī)廢棄物進(jìn)行處置利用，產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣；處置后的產(chǎn)品可用于深加工，制成高質(zhì)量有機(jī)肥料，用于園林綠化或花卉種植等領(lǐng)域，在避免重金屬進(jìn)入食物鏈途徑的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)資源的回收，同時(shí)可減少化肥施用造成的土地污染，一舉多得[11]。