城市污水處理廠污泥好氧堆肥及其應用前景

王旭輝

（沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院 遼寧沈陽 110168）

引言

由于污水處理量的大幅上升，使得污泥產量也持續(xù)增加。剩余污泥中含有氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素及大量的有機質，在一定程度上可以改善土壤的理化性質，提高土壤肥力。同時，剩余污泥中含有大量的致病菌、重金屬等有毒有害物質，如果不經過科學的處理與處置，不僅會污染環(huán)境，也會嚴重危害人類的健康[1][2]。為了避免剩余污泥對環(huán)境造成污染，在處理與處置剩余污泥的過程中要遵循“減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化”的原則，使得剩余污泥能夠得到有效的再利用。

經過污泥好氧堆肥，可將剩余污泥轉化為有機肥料用于改善土壤的理化性質、增加土壤的肥力[3]，這不僅使污泥得到了有效的處理與處置，避免了污泥對環(huán)境的污染，還具有顯著的社會效益[4]。污泥好氧堆肥因其易于控制管理且運行成本較低，成為國內外污泥處理行業(yè)的主流技術之一[5][6]。

1 污泥好氧堆肥原理

污泥好氧堆肥是指在氧氣充足的條件下，兼性及專性好氧微生物將污泥中的有機質降解轉化為穩(wěn)定的腐殖質的過程[7][8]。

污泥好氧堆肥一般分為升溫階段、高溫階段、降溫腐熟階段。

升溫階段，主要在堆肥的初期，堆體溫度逐漸上升且基本維持在15℃-45℃，一般持續(xù)3-5 天，此階段堆體中的細菌、真菌、放線菌等嗜溫菌利用堆體中的糖類、淀粉等可溶性有機物作為營養(yǎng)物質，將其迅速分解成二氧化碳和水，同時釋放出大量的熱量，因此堆體溫度不斷升高[9]。

高溫階段，堆體溫度逐漸升高并達到50℃以上時即進入高溫階段。這時大多數的嗜溫菌被抑制生長甚至出現(xiàn)死亡，嗜熱菌開始活躍。此時堆體中的一些殘留物被降解，一些復雜難降解的有機物也逐漸開始被降解[9][10]。在50℃左右時嗜熱菌最為活躍，當溫度升高到60℃左右時真菌幾乎不再活動，如果溫度繼續(xù)升高，嗜熱菌也開始被抑制且不再活躍，甚至會死亡。有研究表明，高溫階段的最適宜溫度為55℃左右，且堆體中大部分的微生物在此時是最活躍的，也很容易分解有機物，此階段堆體中的病原菌、寄生蟲卵等被殺死[11][12]。

降溫腐熟階段，在高溫階段結束后大部分的微生物被殺滅，或者是不再活躍，這時就進入了降溫階段。此時堆體溫度較低，嗜溫菌又開始活躍起來，分解剩余的有機物，在此階段堆體中釋放的熱量變少，堆體的溫度逐漸降低、耗氧速率減小、孔隙度增加，逐漸穩(wěn)定進入腐熟階段[11][12]。

2 污泥好氧堆肥技術

污泥好氧堆肥技術是指，污泥中的微生物在好氧條件下將有機物降解成腐殖質并使污泥達到穩(wěn)定化、無害化的過程。一般有以下幾種形式：條垛式堆肥、強制通風靜態(tài)堆肥、發(fā)酵槽式堆肥、反應器式堆肥。

2.1 條垛式堆肥

條垛式堆肥是將堆肥物料堆置成長條垛，經過人工或機械設備翻堆為堆體提供充足的氧氣，以實現(xiàn)對有機物的分解。條垛式堆肥一般是在露天條件或棚屋下進行，該堆肥系統(tǒng)設備簡單、投資成本低，但堆肥周期長，占地面積大，需要大量的人力且容易受到外界環(huán)境的影響[13]。

2.2 強制通風靜態(tài)堆肥

強制通風靜態(tài)堆肥是在條垛式堆肥的基礎上，設置通風系統(tǒng)直接供氧，不進行人工或機械設備翻堆，該堆肥系統(tǒng)對供氣管路和排水系統(tǒng)的設置有一定的要求。該堆肥系統(tǒng)具有堆肥周期短、機械化程度高等特點，但有占地面積大、排放臭味氣體污染環(huán)境等缺點[7]。

2.3 發(fā)酵槽式堆肥

發(fā)酵槽式堆肥是將堆肥物料放入發(fā)酵槽內，通過對堆體定期翻堆處理，使得堆肥物料在翻動過程中能夠接觸更多的氧氣，同時去除大量的水分。該形式堆肥周期短，機械化程度較高，需要的人力少，但是該堆肥方式成本高、不易于操作。

2.4 反應器式堆肥

反應器式堆肥是將污泥和調理劑等堆肥物料混合后加入反應器，向堆體通風并控制溫度的一種堆肥方式。常見的反應器式堆肥類型有：塔式堆肥系統(tǒng)、筒倉式堆肥系統(tǒng)、滾筒式堆肥系統(tǒng)。該堆肥方式的優(yōu)點是不受外界環(huán)境的影響，占地面積小，產生的氣體能夠集中收集，對周圍環(huán)境影響較小，但是存在投資成本高、維修管理費用高等問題[7]。

張鳳等采用的梨形筒式反應器，具有可移動性、堆肥物料能夠均勻混合、易于管理維護、運行費用低等優(yōu)點，克服了現(xiàn)有反應器存在的堆肥物料難以均勻混合且攪拌過程易纏繞等缺點，使得污泥好氧堆肥反應器能夠穩(wěn)定運行[14]。

3 污泥好氧堆肥的影響因素

污泥好氧堆肥受到很多因素的影響，該過程中存在著復雜的物質轉化。為了提高堆肥效率，獲得最佳的堆肥效果，則必須研究各個影響因素在好氧堆肥過程中的作用[15]。影響好氧堆肥的主要因素有：含水率、溫度、通風量、碳氮比（C/N）、pH 值、有機質含量、填充物料[10]。

3.1 含水率

堆體物料的含水率可直接影響堆肥的進程和堆肥產品的腐熟度[9][10]。一般認為，堆肥最適合的含水率為55%-60%，能夠滿足堆肥過程中微生物的生長繁殖。在保持一定溫度的條件下，含水率太高或者太低都會影響堆體中微生物的活性，不利于堆體中微生物對有機物的降解[11]。當含水率太高時會導致堆體的溫度下降，有機質的分解速率降低，而且由于堆肥物料間充滿水分，空氣流動效果差，不利于氧氣的傳輸，會造成局部厭氧或者缺氧的環(huán)境，抑制好氧微生物的生長；當含水率太低時，微生物的生長繁殖受到抑制，導致堆肥速率降低，堆肥效果較差，堆肥周期變長[12～14]。

3.2 溫度

溫度是反映堆肥效果的重要指標，決定著好氧堆肥產品的腐熟程度和產品質量。好氧堆肥過程中溫度的變化影響著各個階段微生物的種類及活性[11]，嗜溫菌最適合的溫度為30-40℃，嗜熱菌最適合的溫度為45-60℃。污泥好氧堆肥要求的溫度為50-60℃，且在50℃以上的持續(xù)時間為5-7 天，此時可滿足相應的衛(wèi)生標準。當溫度過高時，如超過80℃，堆體中的微生物活性減弱，導致堆肥效果下降[15]。

3.3 通風量

通風量直接影響堆肥產品的質量優(yōu)劣。通風量太大時，堆體溫度散失較快且堆體中的氮素容易以氨氣散失，造成氮素損失；通風量太小時，堆體中的微生物得不到足夠的氧氣來維持生命活動，且堆體內易形成厭氧環(huán)境。因此在好氧堆肥過程中只有保持適宜通風量，才能獲得優(yōu)質的產品。通風方式主要為自然通風和強制通風等方式[11]。

3.4 碳氮比（C/N）

碳源和氮源是維持微生物生長繁殖的重要營養(yǎng)元素。在好氧堆肥過程中，適宜的C/N 比能夠使得堆體中的微生物獲得均衡的營養(yǎng)成分，保證堆體中的微生物更好的生長繁殖。一般認為，堆肥前的C/N比應保持在20-30 之間[11]。若C/N 比太低，則氮素過量，這樣會導致堆肥產品中的氮素大量損失；若C/N比太高，則碳素過量而缺乏氮素，此時微生物的生長因缺乏氮源而受到抑制。城市污水處理廠污泥的C/N比一般低于12，因此在堆肥時通常需要加入調理劑來調節(jié)C/N 比[15]。一般常用的調理劑有木屑、秸稈、樹葉等。

3.5 pH值

pH 值是影響好氧堆肥過程的一個重要參數，微生物的生長繁殖需要適合的pH 范圍。在整個堆肥過程中，pH 值隨著時間和溫度的變化而變化，能夠間接反映微生物生存環(huán)境的優(yōu)劣。pH 值的高低會影響好氧堆肥的效率，適宜微生物正常生長繁殖的pH 范圍在7.5-8.5 之間。若pH 值過高，堆肥物料中的氮素會以氨氣的形式排放而導致氮素損失。污泥好氧堆肥過程中有足夠的緩沖作用，堆體的pH 值一般能夠穩(wěn)定在大多數微生物活動的范圍，因此其pH 值不需要調節(jié)。

3.6 有機質含量

有機質含量也是污泥好氧堆肥過程當中的一個影響因素，是污泥好氧堆肥過程當中微生物生長繁殖的物質基礎和能量來源。不同的污水處理廠污泥中有機質含量差異比較大，因此在污泥好氧堆肥過程中，必須有合適比例的有機質含量[10]。有機質含量過高會導致堆體供氧不足，容易出現(xiàn)厭氧環(huán)境；有機質含量過低則會導致堆體中的微生物缺乏足夠的營養(yǎng)物質，使得微生物活性降低，產生的熱量變少，難以達到堆肥所需的最佳溫度范圍，從而影響堆肥產品的價值[11]。

3.7 填充物料

通常情況下，為了調節(jié)好氧堆肥的碳氮比和含水率，需要在堆肥前加入一定比例的填充物料。適當的填充物料能夠增加污泥的孔隙率，有利于堆體中氣體的流通，避免發(fā)生厭氧堆肥。

常用的填充料有沸石、木屑、樹葉、秸稈、活性炭、蛭石、動物糞便及殘余飯菜等。再加入填充物料之前，需要對填充物料進行預處理，例如剪切、破碎、研磨到一定的大小，以保證填充物料和污泥能夠均勻混合。

4 污泥好氧堆肥發(fā)展前景

通過污泥好氧堆肥，污泥含水率明顯降低，體積減小，變?yōu)槭杷傻念w粒狀，污泥中的揮發(fā)性物質不斷減少，臭味逐漸減弱，污泥的性質變得更加穩(wěn)定，轉化成了穩(wěn)定的腐殖質，以便后續(xù)的處理和使用[16]。污泥好氧堆肥的技術要求低，投資成本少，因此易于實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產，且適于大范圍推廣。但目前仍存在堆肥效率低、氮素損失大、產品肥效差等問題，因此要提高堆肥效率，提升堆肥品質，則需要合理控制含水率、C/N 比、通風量、溫度等影響因素，使得污泥好氧堆肥能夠更加順利的進行，進而生產出優(yōu)質安全、高肥效的農用肥料。

由于污泥好氧堆肥技術具有經濟實用、不產生二次污染等特點，目前已成為環(huán)保領域內的一個研究熱點。隨著我國農業(yè)產業(yè)結構的不斷調整，農業(yè)種植面積逐年穩(wěn)定擴大，使得有機肥料在未來有巨大的需求量。因此在未來的發(fā)展中，污泥好氧堆肥將會有更大的效益、更廣闊的前景。

結語

污泥好氧堆肥作為污泥處理與處置的一種方法，已經受到了越來越多的研究者關注。由于其操作簡單、投資較低的特點，有利于實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)生產。利用污泥好氧堆肥的方式將污泥轉化成為肥料，避免了污泥對環(huán)境的污染，使得有害物質資源化，同時將污泥轉化成為可以利用于土地的肥料，符合污泥處理與處置的基本原則，有利于促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。