城市生活污泥堆肥技術(shù)應(yīng)用

郭志國(guó) 胡開(kāi)明 李博睿

1. 新疆天物生態(tài)環(huán)保股份有限公司 新疆 烏魯木齊 830000

2. 新疆生活垃圾與污泥處理工程技術(shù)研究中心 新疆 烏魯木齊 830000

城市生活污泥是生活污水經(jīng)污水廠處理后剩余的固體，伴隨著城市化進(jìn)程的加快和城市人口的增加，城市生活污泥產(chǎn)生量越來(lái)越大，在最近幾年的時(shí)間里出現(xiàn)了顯著增長(zhǎng)[1]。污泥成分復(fù)雜，除含有大量水分外，還存在重金屬、病原菌、有機(jī)污染物等有害成分，由于我國(guó)污泥無(wú)害化處理率極低，造成的環(huán)境污染問(wèn)題日益突出。目前，城市生活污泥處理主要方式有投海、衛(wèi)生填埋、高溫焚燒、建筑材料和堆肥利用，其中高溫好氧堆肥具有堆肥周期短、減量化效果明顯、無(wú)害化處理程度高和穩(wěn)定化的特點(diǎn)，是處理污泥較為有效、適宜的處置手段[2,3]。污泥富含有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀及中微量元素，作為堆肥原料制作高利用價(jià)值的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)肥料，堆肥可以穩(wěn)定有機(jī)物質(zhì)并在高溫發(fā)酵過(guò)程中殺死病原菌，最終產(chǎn)品用作有機(jī)肥料或土壤改良劑，不僅減少污泥對(duì)環(huán)境造成的危害，還能實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用[4]。

1 城市生活污泥的特點(diǎn)和性質(zhì)

城市生活污泥是污水處理后剩余的半固態(tài)或固態(tài)物質(zhì)，是一種由復(fù)雜的有機(jī)混合物和微生物、無(wú)機(jī)物以及水分組成的非均相絮狀物質(zhì)。一般具有密度小，顆粒相對(duì)細(xì)密，體積大、含水量高的特點(diǎn)，并且含有大量的微生物和氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[2]。在一些處理不規(guī)范的污泥中還含有重金屬、病原微生物等有害物質(zhì)，因此在資源化利用過(guò)程中需進(jìn)行預(yù)處理或根據(jù)污泥來(lái)源進(jìn)行分類(lèi)利用[5]。

2 城市生活污泥堆肥處理方法

城市生活污泥富含有機(jī)質(zhì)，是優(yōu)質(zhì)的堆肥原料之一。堆肥技術(shù)主要是利用微生物的作用，在人為控制的條件下，不穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化成較為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)，生成適合植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。堆肥技術(shù)能實(shí)現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化，堆肥產(chǎn)品中含有大量的腐殖質(zhì)，含有植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)還可以作為土壤改良劑，增加有機(jī)質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)，使土壤疏松透氣。

以城市生活為基質(zhì)，添加作物秸稈、蘑菇渣、養(yǎng)殖糞便等，采用好氧和厭氧方法可得到具有高利用價(jià)值的農(nóng)業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)所需的肥料[6,7]。其中，好氧堆肥是目前應(yīng)用最廣泛的堆肥方式，具有分解物質(zhì)徹底、周期短、臭味小、宜于機(jī)械化操作等優(yōu)點(diǎn)。好氧堆肥由四個(gè)階段組成，即升溫階段、高溫階段、降溫階段和腐熟階段。污泥經(jīng)過(guò)好氧堆肥處理后，有機(jī)物被分解、轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，含有的氮、磷、鉀等元素可為植物生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。目前，從我國(guó)污泥堆肥采用的工藝情況來(lái)看，大多數(shù)選擇發(fā)酵池式堆肥工藝，堆垛式次之[8]。

堆肥處理工藝比較

目前，堆肥處理的發(fā)酵工藝主要有：厭氧堆肥、條垛堆肥、槽式堆肥和無(wú)臭覆膜好氧發(fā)酵四種方式，其中：

厭氧堆肥生產(chǎn)周期長(zhǎng)、易產(chǎn)生惡臭；條垛堆肥占地面積大，臭氣、粉塵不易控制，生產(chǎn)過(guò)程粗放；槽式堆肥需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)和熟練的操作人員，基礎(chǔ)投資和運(yùn)營(yíng)成本較高；無(wú)臭覆膜好氧發(fā)酵是一種靜態(tài)與動(dòng)態(tài)相結(jié)合的堆肥技術(shù)，兼顧靜態(tài)與動(dòng)態(tài)堆肥的優(yōu)點(diǎn)，快速生產(chǎn)高品質(zhì)有機(jī)肥的同時(shí)，不僅建造成本低、運(yùn)行成本低、防止臭氣外溢等優(yōu)點(diǎn)，而且處理規(guī)?？筛鶕?jù)處理量相應(yīng)調(diào)整，尤其適合于北方寒冷地區(qū)的污泥處理。

表1 堆肥處理不同模式比較

3 影響污泥好氧堆肥的因素

3.1 溫度和濕度

溫度和濕度是影響污泥堆肥效果的重要因素，在堆肥周期內(nèi)需要嚴(yán)格控制堆肥處于適宜的溫度和濕度。在堆肥過(guò)程中，若溫度過(guò)低將會(huì)延長(zhǎng)堆肥周期和肥效下降；溫度過(guò)高可能會(huì)對(duì)微生物活性產(chǎn)生有害影響；堆肥濕度控制不好，可能會(huì)造成肥料肥效下降甚至導(dǎo)致堆肥失敗，如濕度過(guò)低，含水量不足，可能會(huì)導(dǎo)致堆肥在初期產(chǎn)生脫水現(xiàn)象。

3.2 碳氮比

碳氮比指堆肥混合物料中碳元素與氮元素質(zhì)量之比，是微生物活動(dòng)的重要營(yíng)養(yǎng)條件。微生物在一定的碳氮比范圍內(nèi)才能正常生長(zhǎng)，因此是評(píng)價(jià)堆肥腐熟度的方法之一。研究表明，污泥堆肥較為適宜的初始碳氮比為25-30∶1，當(dāng)其高于35∶1時(shí)導(dǎo)致微生物缺乏足夠的氮源而無(wú)法快速生長(zhǎng)繁殖，使堆肥周期進(jìn)展緩慢；當(dāng)其低于20∶1時(shí)，微生物生長(zhǎng)可能會(huì)過(guò)于旺盛，甚至?xí)霈F(xiàn)局部厭氧，部分氮轉(zhuǎn)化為氨而排放到大氣中，降低堆肥質(zhì)量，污染環(huán)境的同時(shí)還會(huì)造成資源浪費(fèi)。

3.3 pH值

堆肥過(guò)程中原料的pH值是影響微生物生長(zhǎng)繁殖的一個(gè)重要因素，微生物生長(zhǎng)適宜的pH值范圍一般在6.5-8.5，過(guò)高或過(guò)低都會(huì)對(duì)堆肥處理造成影響。具體的，大多數(shù)細(xì)菌的最適pH值為6.5-7.5；霉菌的最適pH值為4.0-5.8，酵母菌的最適pH值為3.8-6.0；放線菌的最適pH值為6.5-8.0。污泥等有機(jī)固廢發(fā)酵是多種微生物菌群共同作用的結(jié)果，每個(gè)階段隨著溫度的變化，不同微生物菌群隨著發(fā)酵物料溫度、pH的變化，菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性變化，最終對(duì)發(fā)酵物料進(jìn)行腐熟。

pH值對(duì)發(fā)酵的影響主要有幾個(gè)方面：（1）影響發(fā)酵過(guò)程代謝產(chǎn)物的合成途徑。對(duì)污泥發(fā)酵終端產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)影響大，有益類(lèi)生化腐殖酸黃腐酸生成少，相對(duì)氨氣硫化器其他有害氣體產(chǎn)生多；（2）影響原生質(zhì)膜的性質(zhì)，改變膜電荷狀態(tài)，影響發(fā)酵過(guò)程微生物菌群活性，造成發(fā)酵效率慢；（3）影響產(chǎn)物的穩(wěn)定性。pH的變化，直接影響不同微生物群落的活性，不同微生物群落的作用，發(fā)酵生成的終端產(chǎn)物不同，最終影響產(chǎn)物的穩(wěn)定性。

3.4 含水率

在堆肥過(guò)程中，由于微生物只能攝取溶解性養(yǎng)料，而且有機(jī)物質(zhì)的分解和微生物的活動(dòng)都離不開(kāi)水分，所以含水率是好氧堆肥的關(guān)鍵因素，直接影響堆肥工藝的成效。含水率過(guò)高，妨礙通氣造成厭氧狀態(tài)，易產(chǎn)生氨氣、硫化氫等惡臭氣體，含水率超過(guò)70%，溫度難以快速上升，分解速度明顯降低。含水率過(guò)低影響微生物的生長(zhǎng)繁殖，不利于微生物分解有機(jī)質(zhì)，導(dǎo)致厭氧發(fā)酵。當(dāng)含水率低于40%，不能滿足微生物的生長(zhǎng)需要，有機(jī)物質(zhì)難以分解，含水率下降到20% 以下時(shí)，微生物活動(dòng)基本停止。

污泥本身高粘高濕特性，自身的絮凝劑結(jié)合微生物群體和其他有機(jī)物，造成污泥高濕高粘，成團(tuán)不易分散，影響污泥發(fā)酵過(guò)程中通氣供氧，往往造成污泥厭氧發(fā)酵，達(dá)不到好氧堆肥發(fā)酵的目的。通過(guò)添加一定比例的外源農(nóng)業(yè)固廢，一是中和污泥自身的水分，二是打破污泥高粘高濕的絮凝結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)一種分散狀態(tài)，以利于后期污泥均勻通氣供氧，保障好氧發(fā)酵過(guò)程。

3.5 通風(fēng)供氧

通風(fēng)量與微生物活動(dòng)的強(qiáng)烈程度和有機(jī)物的分解速度密切相關(guān)，堆肥時(shí)必須保證充分供氧。如果通風(fēng)量不足，會(huì)出現(xiàn)厭氧現(xiàn)象，導(dǎo)致升溫效果差，產(chǎn)生臭氣；通風(fēng)量過(guò)高則會(huì)使堆肥冷卻，導(dǎo)致病原菌的大量存活而達(dá)不到無(wú)害化要求。

結(jié)合污泥特性，目前市場(chǎng)較為成熟的解決工藝有翻拋機(jī)翻堆，打破污泥團(tuán)性結(jié)構(gòu)，利用物料的均勻布?xì)?；其次是近幾年推廣較好的覆膜正壓發(fā)酵。

4 污泥堆肥技術(shù)推廣應(yīng)用及其產(chǎn)品在土地改良中的應(yīng)用

4.1 污泥堆肥技術(shù)推廣應(yīng)用

發(fā)酵槽膜覆蓋發(fā)酵技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)較恒定的氣候環(huán)境，在鼓風(fēng)的作用下，在發(fā)酵槽內(nèi)能夠形成一個(gè)微高壓內(nèi)腔，使堆體供氧均勻充分，溫度分布均勻，為微生物好氧發(fā)酵構(gòu)建了一個(gè)適宜的小環(huán)境，同時(shí)，水蒸氣和二氧化碳能夠借助功能膜的微孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散出去，維持了發(fā)酵堆體膜內(nèi)外的氣流平衡，保證好氧發(fā)酵進(jìn)行得更加充分徹底，發(fā)酵溫度保持在70℃以上達(dá)7天以上，最高溫度達(dá)到95℃，致病性病原菌和雜草種子得到有效殺滅，有效減少臭氣排放和氨的流失，提高資源化產(chǎn)品養(yǎng)分含量和品質(zhì)。

利用覆膜發(fā)酵工藝，結(jié)和市政污泥、餐廚垃圾進(jìn)行協(xié)同處置，達(dá)到較好的有機(jī)固廢處理處置的效果。具體處理工藝如圖1所示。

圖1 槽式膜覆蓋高溫好氧發(fā)酵技術(shù)處理市政污泥等有機(jī)固廢物流程圖

堆肥技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)污泥的穩(wěn)定化、減量化、無(wú)害化和資源化利用，堆肥產(chǎn)品作為有機(jī)肥或土壤改良劑具有增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤理化性質(zhì)的作用。黃殿男等人研究表明，污泥作為土壤改良劑具有增加沙化土壤的保水能力,提高沙化土壤有效鉀含量，土壤理化性質(zhì)接近適宜耕作土壤[9]。孟繁宇等人研究污泥對(duì)鹽堿地和小麥生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明土壤容重、pH值和堿化度有效降低，養(yǎng)分含量明顯增加，有效促進(jìn)小麥種子在鹽堿環(huán)境中發(fā)芽并長(zhǎng)勢(shì)較好[10]。王曉輝等人研究表明，堆肥污泥可以調(diào)節(jié)土壤的pH值，提高土壤肥力，有機(jī)質(zhì)含量增加，合理的投加量可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[11]。儲(chǔ)雙雙等人研究表明，污泥堆肥合理利用能顯著增加黃梁木的株高、地徑和生物量，促進(jìn)氮磷鉀的吸收[12]。董曉蕓等人研究表明，使用污泥堆肥產(chǎn)品可提高土壤酶活性、氮、鉀和總有機(jī)碳含量，重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于國(guó)家農(nóng)用地污染標(biāo)準(zhǔn)[13]。冀拯宇等人研究表明，使用污泥堆肥可以在短時(shí)間內(nèi)有效提升沙質(zhì)潮土的土壤肥力，改善土壤微生物學(xué)特性[14]。王社平等人研究表明，施用適量污泥堆肥能有效增加草莓產(chǎn)量[15]。

5 展望

城市生活污泥富含農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，具有良好的農(nóng)業(yè)應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)，堆肥將是我國(guó)污泥處理的主要發(fā)展方向，尋找更為安全、高效的堆肥處理方法，實(shí)現(xiàn)污泥最大程度的資源化利用。