城市污水處理廠污泥農(nóng)肥化關(guān)鍵技術(shù)研究

1、分類號(hào)密級(jí)UDC學(xué)位論文城市污水處理廠污泥農(nóng)肥化關(guān)鍵技術(shù)研究作者姓名:柳青指導(dǎo)教師:徐新陽(yáng)教授李海波副研究員東北大學(xué)環(huán)境工程研究所沈陽(yáng)市環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士學(xué)科類別:工學(xué)學(xué)科專業(yè)名稱:環(huán)境工程論文提交日期:2007年12月28日論文答辯日期:2008年1月10日學(xué)位授予日期:2008年3月25日答辯委員會(huì)主席:胡筱敏教授評(píng)閱人:黃戊生副教授袁俊斌高級(jí)工程師東北大學(xué)2008年1月A Dissertation in Environmental EngineeringResearch on Key Technics of Urban Sewage Sludge Composting

2、as Fertilizerby Liu QingSupervisor: Professor Xu XinyangAssociated Professor Li HaiboNortheastern UniversityJanuary 2008獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明,所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。論文中取得的研究成果除加以標(biāo)注和致謝的地方外,不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果,也不包括本人為獲得其他學(xué)位而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名:日期:學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解東北大學(xué)有關(guān)保留

3、、使用學(xué)位論文的規(guī)定:即學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤,允許論文被查閱和借閱。本人同意東北大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索、交流。(如作者和導(dǎo)師不同意網(wǎng)上交流,請(qǐng)?jiān)谙路胶灻?否則視為同意。學(xué)位論文作者簽名:導(dǎo)師簽名:簽字日期:簽字日期:城市污水處理廠污泥農(nóng)肥化關(guān)鍵技術(shù)研究摘要作為污水處理過程的副產(chǎn)品,城市污水處理廠污泥是包含水、泥沙、纖維及動(dòng)植物殘?bào)w等的復(fù)雜多相體系,含水率高(>98%,體積龐大,含有激素類物質(zhì)(E1、E2等、毒性有機(jī)物(苯、氯酚等、重金屬(Cd、Cr等以及各種無機(jī)鹽等污染物,這些污染物具有長(zhǎng)期毒性和不可降解性,若無序排放

4、,將成為危險(xiǎn)的二次污染源,通過環(huán)境介質(zhì)進(jìn)入食物鏈,造成嚴(yán)重的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),影響人類健康。同時(shí),城市污泥中的有機(jī)質(zhì)和有用元素含量高,是一類可利用性極高的二次資源。污泥堆肥后進(jìn)行土地利用,是一種較好的資源化方式,也是未來污泥處理的主流發(fā)展方向。本研究以新加坡聯(lián)合國(guó)禎水處理(遼陽(yáng)有限公司污泥為研究對(duì)象,通過堆肥化實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)探討了利用污泥制備生物復(fù)合肥或土壤改良劑的可行性,在探討好氧條件下堆體微生物學(xué)特征的基礎(chǔ)上,初步獲得了污泥好氧堆肥的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。具體內(nèi)容如下:首先,自行設(shè)計(jì)了一套適合于小體積堆肥化處理的發(fā)酵裝置,并設(shè)計(jì)了能夠?qū)Χ逊拾l(fā)酵全過程進(jìn)行分階段、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控的自控系統(tǒng)-CCS控制系統(tǒng)。對(duì)該實(shí)驗(yàn)

5、平臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化和參數(shù)修正。其次,研究了高溫好氧發(fā)酵條件下,堆體含水率調(diào)整方式和堆肥調(diào)理劑篩選與添加方式,優(yōu)化了堆肥營(yíng)養(yǎng)配比參數(shù),并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn),獲得了堆肥過程的各項(xiàng)參數(shù),對(duì)堆體溫度、含水率、pH、電導(dǎo)率、揮發(fā)性固體、水溶性有機(jī)碳、氨態(tài)氮等指標(biāo)的變化進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。研究表明:室外通風(fēng)晾曬,并與調(diào)理劑混合,有利于調(diào)整生污泥水分,促進(jìn)堆肥順利啟動(dòng);鋸末、稻殼及稻草秸稈三種調(diào)理劑的調(diào)理效果次序?yàn)殇從?gt;稻草秸稈>稻殼,污泥、調(diào)理劑、回流污泥最佳混合比例為3:2:3。進(jìn)而,利用堆肥產(chǎn)品進(jìn)行種子發(fā)芽實(shí)驗(yàn)。通過與空白對(duì)照,計(jì)算了不同比例堆肥浸提液的發(fā)芽指數(shù),分析了其對(duì)植物種子的毒性作用,研究了

6、污泥堆肥的農(nóng)田利用效果,并確定了本研究污泥堆肥適宜的施用量。最后,綜合污泥堆肥產(chǎn)品的物理、化學(xué)及生物學(xué)指標(biāo),提出了一種判斷污泥堆肥腐熟程度的方法。關(guān)鍵詞:城市污泥;好氧堆肥;水分調(diào)控;調(diào)理劑;腐熟度Research on Key Technics of Urban Sewage Sludge Composting as FertilizerAbstractSewage sludge is the byproduct of sewage treatment, with a lot of water, silt, fibers, residuals of animal and plant in i

7、t. Water content and volume of sewage sludge is high, also it contains hormones, toxic organics, heavy metals and different kinds of mineral wastes, all of which have a continuous toxicity. Once discharged wantonly it would enter the food chain easily and may cause serious secondary pollution to the

8、 environment and human beings. Whereas there are some organic and useful elements in sewage sludge and made it an available resource for secondary utilization. Land use after composting is a good choice of resource utilization and may be a main means of sludge disposal in the future.Thermophilic aer

9、obic composting study is carried on based on the condition of the sludge from Liaoyang sewage treatment plant in order to find out whether the sludge can be used as biology compound fertilizer or soil amendment, and to achieve key technics of composting.First of all, the fermentation device and its

10、control system are designed.Secondly, analysis the parameters such as temperature, water content, pH value, EC, VS, WSOC and NH4+-N of thermophilic aerobic composting process based on different humic content, different kinds of compost amendment and different adding ratios of the amendment. The inve

11、stigation shows natural air-dried and then mixed with conditions is a better way of sludge dewatering. Among sawdust, rice husk and rice straw, after mixed with sawdust, the compost can achieve a better maturity, and the best adding ratio of sludge, sawdust and mature compost that returned is 3:2:3.

12、Thirdly, evaluate the toxicity of the compost production of secondary fermentation according to the GI of comparative tests and try to find the best using quantity.At last, give the maturity determination of compost production based on the physical, chemical and biological indices .Key words: munici

13、pal sludge; aerobic composting; water content controlling; amendment; maturity index目錄聲明 (中文摘要 (ABSTRACT (第一章引言.- 1 - 1.1 城市污泥現(xiàn)狀及特征.- 1 -1.1.1 城市污泥現(xiàn)狀.- 1 -1.1.2 城市污泥特征.- 1 - 1.2 城市污泥的處理處置方式.- 2 - 1.3 堆肥化技術(shù)研究進(jìn)展.- 3 -1.3.1 堆肥化的發(fā)展歷史.- 3 -1.3.2 堆肥原理.- 4 -1.3.3 堆肥工藝的分類.- 5 -1.3.4 堆肥微生物.- 7 -1.3.5 堆肥及其微生物

14、變化過程.- 8 -1.3.6 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.- 10 - 1.4 本課題的確立及意義.- 13 -1.4.1 選題背景.- 13 -1.4.2 本研究的目的及意義.- 13 - 1.5主要研究?jī)?nèi)容、關(guān)鍵問題和技術(shù)路線.- 14 -1.5.1主要研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵問題.- 14 -1.5.2技術(shù)路線.- 14 - 第二章實(shí)驗(yàn)材料、裝置及實(shí)驗(yàn)方法.- 15 -2.1 堆肥試驗(yàn)材料.- 15 - 2.2 堆肥發(fā)酵裝置的設(shè)計(jì).- 16 - 2.3 堆肥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).- 17 -2.3.2 Compost Control System堆肥自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).- 18 - 2.4 實(shí)驗(yàn)方法.- 19 -

15、2.5 采樣方法.- 20 - 2.6樣品分析方法.- 20 - 第三章污泥高溫好氧堆肥過程優(yōu)化.- 21 - 3.1 堆肥原料水分的調(diào)整方式.- 21 -3.1.1 研究方案.- 21 -3.1.2 結(jié)果與討論.- 22 - 3.2 堆肥調(diào)理劑種類的選擇.- 23 -3.2.1 研究方案.- 24 -3.2.2 結(jié)果與討論.- 24 - 3.3 調(diào)理劑的添加比例.- 26 -3.3.1 研究方案.- 26 -3.3.2 結(jié)果與討論.- 26 - 3.4 堆肥過程中參數(shù)的變化.- 28 -3.4.1 溫度的變化.- 29 -3.4.2 含水率和有機(jī)質(zhì)的變化.- 30 -3.4.3 pH和電導(dǎo)率

16、的變化.- 31 -3.4.4 氨態(tài)氮和水溶性有機(jī)碳的變化.- 33 -第四章堆肥腐熟度的判定方法研究.- 35 - 4.1 腐熟度指標(biāo).- 35 -4.1.1 物理指標(biāo).- 35 -4.1.2 化學(xué)指標(biāo).- 37 -4.1.3 生物學(xué)指標(biāo).- 38 - 4.2 發(fā)芽率實(shí)驗(yàn).- 39 -4.2.1 供試材料.- 39 -4.2.2 研究方案.- 40 -4.3 結(jié)果分析與討論.- 41 - 第五章結(jié)論.- 43 -參考文獻(xiàn).- 45 -致謝.- 51 -第一章引言1.1 城市污泥現(xiàn)狀及特征1.1.1 城市污泥現(xiàn)狀隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對(duì)環(huán)境的要求越來越高,眾多的城市污水廠相繼建成,以降低城市污水

17、中污染物的濃度,達(dá)到控制水污染的目的。截止至2005年我國(guó)已有城市污水處理廠700多座。污泥作為污水處理過程的次生產(chǎn)品,其產(chǎn)量占到總處理水量的0.30.5%左右。作為一種可再利用物質(zhì),目前資源化率不足10%1,不僅沒有從再利用角度彌補(bǔ)污水處理成本,反而造成了次生環(huán)境危害。目前,我國(guó)污水廠干污泥年產(chǎn)量約550600萬t,預(yù)計(jì)到2010年可能還會(huì)增加23倍2,3。在我國(guó),城市污泥處置的基建投資約占污水廠總投資的30%50%,運(yùn)行費(fèi)約占污水廠總運(yùn)行費(fèi)的20%50%,而發(fā)達(dá)國(guó)家,污泥處置的基建投資占污水廠總投資的50%70%,因此從成本上分析,污泥已經(jīng)成為直接影響污水廠正常運(yùn)行的制約性因素。傳統(tǒng)衛(wèi)生填

18、埋和焚燒處置方法由于產(chǎn)生滲濾液、二嗯英、甲烷氣,占地面積大以及工程建設(shè)投資高等問題,已經(jīng)不是污泥處置的主流技術(shù);污泥海洋投棄威脅海洋生態(tài)系統(tǒng)和食物鏈,且未從根本上解決環(huán)境問題,上世紀(jì)末,國(guó)際上簽署禁止排海公約,中國(guó)是該公約的締約國(guó)。因此,尋求一種更加安全和經(jīng)濟(jì)的污泥資源化途徑,已經(jīng)成為污泥處置研究的熱點(diǎn)問題。城市污泥的根本出路和基本方向應(yīng)是資源化和能源化,污泥用作建材是近年來處于研究階段的新課題,尚有許多技術(shù)難題需要解決。而堆肥化后進(jìn)行土地利用是一種比較好的污泥處置方式。1.1.2 城市污泥特征城市污泥的特點(diǎn)直接影響到污泥處理方式和處理設(shè)施的選擇。作為廢水處理過程的副產(chǎn)品,污泥是包含水、泥沙、

19、纖維、動(dòng)植物殘?bào)w及各種絮體、膠體、有機(jī)質(zhì)、微生物、病原菌、蟲卵等的復(fù)雜多相體系4。中國(guó)的污水處理廠多采用二級(jí)生化處理工藝,污泥主要產(chǎn)自初沉、二沉及其他固液分離工序,含水率高(>98%,體積龐大,有機(jī)質(zhì)含量約為4050%,總氮含量45%,磷(P2O5含量15%,鉀(K2O含量0.51%5;對(duì)于生活污水和工業(yè)廢水混排的場(chǎng)合,污泥中還常含有激素類物質(zhì)(E1、E2等、毒性有機(jī)物(苯、氯酚等、重金屬(Cd、Cr等以及各種無機(jī)鹽6。我國(guó)各地生活水平差異較大,飲食習(xí)慣也不盡相同,飲食結(jié)構(gòu)影響到污水組分,進(jìn)而影響到污泥的組成。例如:北京高碑店污水廠污泥的總氮含量為78%,而江蘇省污水廠總氮平均含量超過2

20、0%;我國(guó)北方工業(yè)城市由于工業(yè)費(fèi)水與生活污水混排,導(dǎo)致城市污泥中重金屬含量較高,而小城鎮(zhèn)污水廠污泥重金屬含量則處于農(nóng)用安全水平?？傮w上,生活習(xí)慣、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、污水處理方式是影響污泥組成的重要因素。1.2 城市污泥的處理處置方式城市污泥處理處置途徑很多,各個(gè)國(guó)家不盡相同,同一個(gè)國(guó)家不同地區(qū)也相差很大,這主要與環(huán)境、地勢(shì)、可行性處置法、公眾對(duì)污泥處置的關(guān)心程度及政治壓力等因素的影響有關(guān)。綜合起來,處理方式主要有海洋投棄、土地填埋、污泥焚燒和土地利用四種方式。海洋投棄,污泥海洋投棄威脅海洋生態(tài)系統(tǒng)和食物鏈,且未從根本上解決環(huán)境問題,只能是解決污泥出路的一種權(quán)宜之計(jì),并沒有從根本上解決環(huán)境污染問題,因此

21、這種污泥處置方式已很少使用。上世紀(jì)末,國(guó)際上簽署禁止排海公約,中國(guó)是該公約的締約國(guó)7。因此海洋投棄方式已禁止被使用。土地填埋,填埋是利用土壤把污泥包圍在其中,壓實(shí)并依靠自然環(huán)境氧化分解的一種處理方法8。土地填埋對(duì)污泥的無毒無害化處理成本低。然而,城市污泥衛(wèi)生填埋也存在許多問題,如對(duì)污泥的土力學(xué)性質(zhì)要求較高,需要大面積的場(chǎng)地和大量的運(yùn)輸費(fèi)用,地基需作防滲處理,以免污染地下水,填埋場(chǎng)的廢氣可能污染環(huán)境,填埋處理所需時(shí)間較長(zhǎng)等。此外,適宜污泥填埋的場(chǎng)所因城市污泥大量的產(chǎn)出而顯得越來越有限。近年來,污泥的填埋處置所占比例逐漸減小。污泥焚燒,焚燒處理是將可燃性固體廢物與空氣中的氧在高溫下發(fā)生燃燒反應(yīng),其

22、中的可燃物質(zhì)分解,回收熱能來發(fā)電等,具有占地少、處理量大、無害化徹底、回收熱能和減容減量顯著的特點(diǎn)9,可以迅速和較大程度地使污泥達(dá)到減量化,既解決了污泥的出路問題又充分地利用了污泥中的能源。但焚燒的成本通常是其它處理工藝的24倍,而且污泥焚燒常產(chǎn)生大氣污染,同時(shí)污泥必須保證比較低的含水率才能制作“合成燃料”,這就又增加了預(yù)處理的費(fèi)用。土地利用主要是將污泥用于農(nóng)田等的施肥,墾荒地、貧瘠地等受損土壤的修復(fù)及改良,園林綠化建設(shè),森林土地施用等。污泥中含有豐富的有機(jī)質(zhì)和植物所需的營(yíng)養(yǎng)成分如氮、磷、鉀等以及各種微量元素如Ca、Mg、Cu、Zn、Fe等,是非常有價(jià)值的資源。其中有機(jī)物的濃度一般為60%-7

23、0%,其含量高于普通農(nóng)家肥,因此能夠改良土壤結(jié)構(gòu),增加土壤肥力,促進(jìn)作物的生長(zhǎng)。將污泥施用于農(nóng)田,可促進(jìn)作物生長(zhǎng)。在園林用地、森林土地中施用污泥,可改善樹木、草坪、花卉的生長(zhǎng)情況,又不會(huì)進(jìn)入食物鏈,對(duì)人類健康沒有影響,是近年來發(fā)展較快的污泥利用途徑。污泥還可作為良好的有機(jī)肥料和土壤改良劑用于礦山等受損土壤的復(fù)墾,對(duì)土壤的特性有一定的改善。在國(guó)外,污泥及其堆肥作肥源農(nóng)用,已有多年的歷史,城市污泥農(nóng)用比例最高的是荷蘭,占55%;其次是丹麥、法國(guó)和英國(guó),占45%;美國(guó)占25%。與國(guó)外相比,我國(guó)對(duì)城市污泥農(nóng)用資源化的理論研究與實(shí)踐均相差甚遠(yuǎn)。我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中的國(guó)家,又是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),相對(duì)其它污泥處置方

24、式而言,城市污泥的土地利用更符合我國(guó)國(guó)情,在我國(guó)應(yīng)有巨大的發(fā)展?jié)摿?。此?污泥處理處置方式的選擇應(yīng)兼顧生態(tài)效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益之間的平衡。前三種方式都會(huì)不同程度的對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染。城市污泥的根本出路和基本方向應(yīng)是資源化利用,因此堆肥化后進(jìn)行土地利用是一種理想的污泥處理處置方式。1.3 堆肥化技術(shù)研究進(jìn)展堆肥化(Composting就是在控制條件下利用自然界廣泛分布的細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物,促進(jìn)有機(jī)廢物發(fā)生生物穩(wěn)定作用,使可被生物降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的生物化學(xué)過程10,11。1.3.1 堆肥化的發(fā)展歷史現(xiàn)代堆肥化過程雖然是在上世紀(jì)才發(fā)展起來的科學(xué)技術(shù),但原始的堆肥方

25、式很早就出現(xiàn)了。在悠久的歷史過程中,農(nóng)民們一直將這種辦法用于制造土壤有機(jī)肥料,如將人糞尿、不能食用的爛菜葉子、動(dòng)物糞便、廢物垃圾等經(jīng)堆肥化轉(zhuǎn)化為肥料。其方法是將待堆有機(jī)材料堆成垛,然后在自然條件下分解,直到達(dá)到一種穩(wěn)定的狀態(tài),即土壤可接受的程度。這種過程很少有或沒有人為控制,其產(chǎn)品中可以為土壤提供大量腐殖質(zhì)物質(zhì)和以有機(jī)狀態(tài)存在的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(如氮、磷和鉀等?，F(xiàn)代的堆肥化過程就是從這種原始的堆肥方式發(fā)展而來的。1920年,埃·霍華德在印度把落葉、垃圾、動(dòng)物以及人的糞尿在土坑內(nèi)堆成約1.5m高的土堆,隔數(shù)月翻堆一二次,共進(jìn)行為期六個(gè)月的厭氧發(fā)酵,此法稱為印多爾法,該法后來改進(jìn)為多次翻堆以促進(jìn)

26、好氧發(fā)酵,進(jìn)一步發(fā)展成為貝蓋羅爾法。1932年荷蘭建立了改良貝蓋羅爾法的范曼奈爾法工藝堆肥廠。1933年丹麥出現(xiàn)了Dano堆肥法,運(yùn)用臥式回轉(zhuǎn)窯發(fā)酵倉(cāng)進(jìn)行好氧發(fā)酵,標(biāo)志著連續(xù)性機(jī)械化堆肥的開端。1940年,Earp.Thomas堆肥法的問世,美國(guó)使用機(jī)械化發(fā)酵槽,并相繼研制出密閉發(fā)酵槽和箱型間歇堆肥等新工藝,導(dǎo)致了高速堆肥的迅速發(fā)展。目前歐美國(guó)家已經(jīng)開發(fā)了十多種快速的好氧堆肥工藝。據(jù)調(diào)查,1993年美國(guó)321個(gè)堆肥廠中有126個(gè)采用強(qiáng)制通風(fēng)與機(jī)械化翻堆相結(jié)合的條堆系統(tǒng),其特點(diǎn)是比較經(jīng)濟(jì)。另有97個(gè)堆肥廠采用機(jī)械化的發(fā)酵裝置。法國(guó)的70多個(gè)堆肥廠基本上都實(shí)現(xiàn)了半機(jī)械化,用的最多的是滾筒式發(fā)酵裝置

27、。德國(guó)和日本的堆肥裝置的款式有立式、臥式和筒倉(cāng)式等。機(jī)械化程度高的堆肥設(shè)備,占地面積小,受氣候條件的影響小,但建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用較高。我國(guó)堆肥歷史悠久,早在1149年的宋代農(nóng)書中就已經(jīng)記載了農(nóng)村廣為采用的堆肥技術(shù)?，F(xiàn)代堆肥技術(shù)是從20世紀(jì)初發(fā)展起來的。在垃圾堆肥技術(shù)方面,八十年代同濟(jì)大學(xué)等單位進(jìn)行了較為深入的研究;近些年來,在天津、上海、無錫、北京等地建立了規(guī)模不等的城市垃圾堆肥廠12。目前,我國(guó)堆肥技術(shù)的應(yīng)用正在由靜態(tài)發(fā)酵向高溫快速動(dòng)態(tài)發(fā)酵轉(zhuǎn)變,國(guó)內(nèi)有關(guān)單位對(duì)好氧堆肥工藝的控制因素及指標(biāo),如腐熟度、微生物特性及產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)等方面進(jìn)行了較為全面的研究,并在實(shí)踐中得到了應(yīng)用和發(fā)展。在城市污泥與垃圾

28、混合堆肥技術(shù)方面,同濟(jì)大學(xué)通過對(duì)堆肥原料的空隙率與堆肥過程評(píng)價(jià)參數(shù)的相關(guān)分析進(jìn)行了城市污泥與垃圾混合堆肥的配比研究13;中國(guó)城市華北設(shè)計(jì)研究院對(duì)堆肥工藝參數(shù)進(jìn)行了研究,這都為污泥和垃圾混合堆肥的工廠化和大規(guī)模生產(chǎn)提供了工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)14。在城市污泥堆肥方面15,農(nóng)業(yè)部環(huán)保所與天津市污水處理研究所分別用通氣式固定垛和立式發(fā)酵倉(cāng)系統(tǒng)對(duì)天津市紀(jì)莊子污水處理廠的污泥進(jìn)行堆肥化處理,取得了較好的效果;西北農(nóng)業(yè)大學(xué)和西安市污水處理廠合作,采用自然通風(fēng)固定垛發(fā)酵系統(tǒng),對(duì)西安市污水處理廠的污泥進(jìn)行堆肥化處理,該研究成果已通過西安市科委組織的鑒定。還有一些城市建造了機(jī)械化堆肥的示范工程,開始研制翻堆機(jī)、

29、篩分機(jī)和破碎機(jī)等專用設(shè)備。但目前在污泥堆肥方面尚未進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)。1.3.2 堆肥原理自然界中很多微生物具有氧化分解有機(jī)物的能力。堆肥是指在控制條件下(一定的水分、C/N比和通風(fēng)條件,利用自然界廣泛分布的細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物,促進(jìn)有機(jī)廢物發(fā)生生物穩(wěn)定作用,使可被生物降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的類似土壤的腐殖物質(zhì)的生物化學(xué)過程,一般又稱為堆肥化。在這種堆肥化過程中,有機(jī)物由不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)物質(zhì),對(duì)環(huán)境尤其是土壤不構(gòu)成危害。根據(jù)處理過程中微生物對(duì)氧氣要求的不同,堆肥可分為好氧堆肥和厭氧堆肥。前者是指在通氣條件下借好氧微生物活動(dòng)使有機(jī)物降解的過程。由于好氧堆肥溫度一般在5060,極限

30、可達(dá)8090,故也稱高溫堆肥。后者是利用非好氧微生物發(fā)酵代謝轉(zhuǎn)化有機(jī)物的過程。現(xiàn)代堆肥基本都采用好氧工藝,相比于厭氧堆肥,它具有分解物質(zhì)徹底,堆置周期短,臭味小,易于機(jī)械化作業(yè)的特點(diǎn)。本文中提到的堆肥均指好氧堆肥,其物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程見圖1.1所示。 圖1.1 有機(jī)物好氧堆肥分解Fig. 1.1 Aerobic decomposition of oranganic matters在堆肥過程中,污泥中的溶解性有機(jī)物質(zhì)透過微生物的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜而被微生物所吸收,固體的和膠體的有機(jī)物先附著在微生物體外,由生物所分泌的胞外酶分解為溶解性物質(zhì),再滲入細(xì)胞。微生物通過自身的生命代謝活動(dòng),進(jìn)行分解代謝(氧化還原過

31、程和合成代謝(生物合成過程把一部分被吸收的有機(jī)物氧化成簡(jiǎn)單的無機(jī)物,并放出生物生長(zhǎng)活動(dòng)所需的能量,把另一部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化合成新的細(xì)胞物質(zhì),使微生物生長(zhǎng)繁殖,產(chǎn)生更多的生物體。1.3.3 堆肥工藝的分類由于分類的角度不同,按照目前堆肥工藝的特點(diǎn)可分為如下四種基本類型。(1按照微生物對(duì)氧的要求分類好氧堆肥,好氧堆肥是依靠專性和兼性好氧細(xì)菌的作用使有機(jī)物得以降解的生化過程,好氧堆肥具有對(duì)有機(jī)物分解速度快、降解徹底、堆肥周期短的特點(diǎn)。一般一次發(fā)酵在412d左右,二次發(fā)酵在1030d便可完成。由于好氧堆肥溫度高,可以滅活病原體、蟲卵和垃圾中的植物種子,使堆肥達(dá)到無害化。此外,好氧堆肥的環(huán)境條件好,不會(huì)產(chǎn)生

32、難聞的臭氣。目前采用的堆肥工藝一般均為好氧堆肥,但由于好氧堆肥必須維持一定的氧濃度,因此運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用比較高。厭氧堆肥,厭氧堆肥是依賴專性和兼性厭氧細(xì)菌的作用降解有機(jī)物的過程。厭氧堆肥的特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單。通過堆肥自然發(fā)酵分解有機(jī)物,不必由外界提供能量,因而運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低。若對(duì)于所產(chǎn)生的甲烷處理得當(dāng),還有加以利用的可能。但是,厭氧堆肥具有周期長(zhǎng)(一般需36個(gè)月、易產(chǎn)生惡臭、占地面積大等缺點(diǎn),因此厭氧堆肥不適合大面積推廣應(yīng)用。(2按溫度范圍中溫好氧堆肥,中溫好氧堆肥一般所需溫度為1545。由于溫度不高,因此不能有效地殺滅病原菌。但國(guó)外有學(xué)者研究認(rèn)為:堆肥溫度在45時(shí)對(duì)有機(jī)物的降解率要比溫度在60以上高,而在4

33、060條件下進(jìn)行堆肥對(duì)物料的干化效果最好。高溫好氧堆肥,好氧堆肥所產(chǎn)生的高溫一般在5065,極限可達(dá)8090,能有效地殺滅病菌,且溫度越高,令人討厭的臭氣產(chǎn)生就會(huì)減少,因此高溫堆肥已為各國(guó)公認(rèn),采用較多。高溫堆肥最適宜的溫度為5560。(3按堆肥過程中物料運(yùn)動(dòng)形式靜態(tài)堆肥,靜態(tài)堆肥是把收集的新鮮有機(jī)廢物一批一批地堆制。堆肥物一旦堆積以后,不再添加新的有機(jī)廢物和翻倒,待其在微生物生化反應(yīng)完成后,成為腐殖土后運(yùn)出。靜態(tài)堆肥適合于中、小城市廚余垃圾、下水垃圾的處理。動(dòng)態(tài)連續(xù)(或間歇式堆肥,動(dòng)態(tài)連續(xù)(或間歇式堆肥采用連續(xù)或間歇進(jìn)、出料的動(dòng)態(tài)機(jī)械裝置進(jìn)行堆肥。具有堆肥周期短(37d,物料混合均勻,機(jī)械化

34、程度高,便于大規(guī)模機(jī)械化連續(xù)操作運(yùn)行等特點(diǎn),適用于大中城市固體有機(jī)廢物的處理。但是,動(dòng)態(tài)堆肥要求高度機(jī)械化,并需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)和高度熟練的操作人員。并且動(dòng)態(tài)堆肥一次性投資和運(yùn)轉(zhuǎn)成本較高。目前動(dòng)態(tài)堆肥工藝在發(fā)達(dá)國(guó)家已得到普遍的應(yīng)用。(4按堆肥堆制方式露天式堆肥,露天式堆肥即露天堆積,物料在開放的場(chǎng)地上堆成條垛或條堆進(jìn)行發(fā)酵。通過自然通風(fēng)、翻堆或強(qiáng)制通風(fēng)方式,以供給有機(jī)物降解所需的氧氣。這種堆肥所需設(shè)備簡(jiǎn)單,投資成本較低。其缺點(diǎn)是發(fā)酵周期長(zhǎng),占地面積大,受氣候的影響大,有惡臭,易招致蚊蠅、老鼠的滋生。這種堆肥僅宜在農(nóng)村或偏遠(yuǎn)的郊區(qū)應(yīng)用。裝置式堆肥,裝置式堆肥也稱為封閉式堆肥或密閉型堆肥,是

35、將堆肥物密閉在堆肥發(fā)酵設(shè)備中(如發(fā)酵塔、發(fā)酵筒、發(fā)酵倉(cāng)等,通過風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng),提供氧源,或不通風(fēng)厭氧堆肥。裝置式堆肥的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械化程度高,堆肥時(shí)間短,占地面積小,環(huán)境條件好,堆肥質(zhì)量可控調(diào)等,因此適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。(5按發(fā)酵歷程一次發(fā)酵,好氧堆肥的中溫與高溫兩個(gè)階段的微生物代謝過程稱為一次發(fā)酵或主發(fā)酵。它是指從發(fā)酵初期,經(jīng)中溫、高溫然后到達(dá)溫度開始下降的整個(gè)過程,一般需1012天,以高溫階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。二次發(fā)酵,經(jīng)過一次發(fā)酵后,堆肥物料中的大部分易降解的有機(jī)物質(zhì)己經(jīng)被微生物降解了,但還有一部分易降解和大量難降解的有機(jī)物存在,需將其送到后發(fā)酵倉(cāng)進(jìn)行二次發(fā)酵,也稱后發(fā)酵,使其腐熟。在此階段溫度

36、持續(xù)下降,當(dāng)溫度在40左右時(shí)即達(dá)到腐熟,一般需1030天。此外,根據(jù)堆肥過程中所采用的機(jī)械設(shè)備的復(fù)雜程度,有簡(jiǎn)易堆肥和機(jī)械肥之分。1.3.4 堆肥微生物表1.1 不同種群微生物的特征Tab. 1.1 Character of differ of population microbial微生物種群項(xiàng)目特征描述個(gè)體特征球菌,直徑0.52.0m;桿菌(0.51.0m×(1.05m;螺旋菌(0.25×(260m,革蘭陰性菌鏡檢呈紅色細(xì)菌種群菌落特征各種細(xì)菌在一定的培養(yǎng)條件下形成的菌落特征不同,其特征可用大小、形狀、光澤、顏色、透明度和表面形狀等描述個(gè)體特征單細(xì)胞,有分枝的菌絲組成,

37、直徑大約1m,分為:營(yíng)養(yǎng)菌絲,無隔膜,直徑0.20.8m,長(zhǎng)100600m;氣生菌絲,疊生于營(yíng)養(yǎng)菌絲上,顏色較深;孢子絲,形狀為直形、波曲形和螺旋形,生長(zhǎng)到一定時(shí)形成孢子,各種菌絲都可能帶有顏色。放線菌種群菌落特征有菌絲組成,一般圓形、光平或有許多褶皺。一類菌絲質(zhì)地細(xì)密、表面呈較緊密的絨狀或堅(jiān)實(shí)、干燥、多皺,菌落小,如鏈霉菌;一類黏著力差,結(jié)構(gòu)成粉質(zhì)狀,如諾卡放線菌個(gè)體特征有分枝或不分枝的菌絲組成,菌絲直徑210m,有或無隔膜,比細(xì)菌或放線菌大幾倍到幾十倍,分營(yíng)養(yǎng)菌絲和氣生菌絲霉菌種群菌落特征同放線菌相似,由分枝狀菌絲組成,菌落較疏松,呈絨毛狀、絮狀或蜘蛛網(wǎng)狀,一般比細(xì)菌群落大幾倍到幾十倍個(gè)體

38、特征多單細(xì)胞,呈卵圓狀、圓狀、圓柱狀或檸檬裝,大小(11.5m×(530m酵母菌種群菌落特征與細(xì)菌相似,但較前者菌落大而且厚,菌落表面濕潤(rùn)、粘稠、易被挑起,菌落多白色,少數(shù)為紅色污泥堆肥化是微生物作用下有機(jī)物的生化降解過程,微生物是堆肥過程的主體。堆肥中發(fā)揮作用的微生物主要是細(xì)菌和放線菌,還有真菌和原生動(dòng)物等。隨著堆肥化過程中有機(jī)物的逐步降解,堆肥微生物的種群和數(shù)量也隨之發(fā)生變化。細(xì)菌是堆肥中形體最小、數(shù)量最多的微生物,它們分解了大部分的有機(jī)物并產(chǎn)生熱量。不同微生物的特征見下頁(yè)表1.1。1.3.5 堆肥及其微生物變化過程城市污泥堆肥的過程是一個(gè)生物化學(xué)反應(yīng)的過程,不論是好氧堆肥還是厭

39、氧堆肥,起主導(dǎo)作用的有機(jī)物質(zhì)分解成為肥料、二氧化碳、水及氨氣等,并釋放出能量。適宜于高溫好氧堆肥的微生物種類很多,主要有細(xì)菌、真菌和放線菌,有時(shí)還有酵母和原蟲參加。好氧堆肥化從開始堆積到腐熟的微生物生化過程比較復(fù)雜,但大致可分為以下三個(gè)階段16,17。(1中溫階段(亦稱產(chǎn)熱階段堆肥初期,堆肥基本呈中溫,嗜溫性細(xì)菌較為活躍,并利用堆肥中可溶性有機(jī)物旺盛繁殖。它們?cè)谵D(zhuǎn)化和利用化學(xué)能的過程中,有一部分變成熱能,由于堆料有良好的保溫作用,溫度不斷上升。適合于中溫階段的微生物種類極多,以中溫、需氧型為主,其中最主要的是一些無芽孢細(xì)菌。細(xì)菌特別適于分解水溶性單糖類,放線菌和真菌對(duì)于分解纖維素和半纖維素具有

40、特殊功能。(2高溫階段當(dāng)堆肥溫度上升到45以上時(shí),即進(jìn)入堆肥過程的第二階段高溫階段。此時(shí),嗜溫性微生物受到抑制甚至死亡,取而代之的是一系列嗜熱性微生物(真菌、放線菌等。堆肥中殘留的和新形成的可溶性有機(jī)物繼續(xù)分解轉(zhuǎn)化,復(fù)雜的和一些難分解的有機(jī)化合物如半纖維素、纖維素、蛋白質(zhì)等也開始被逐漸分解,腐殖質(zhì)開始形成,堆肥物質(zhì)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。高溫階段,各種嗜熱性微生物的類群和種類是相互接替的,一般在50左右進(jìn)行活動(dòng)的主要是嗜熱性真菌和放線菌;溫度上升到60時(shí),真菌幾乎完全停止活動(dòng),僅有嗜熱性放線菌和細(xì)菌在活動(dòng);溫度上升到70以上時(shí),對(duì)大多數(shù)嗜熱性微生物已不適宜,微生物大量死亡或進(jìn)入休眠狀態(tài),除一些孢子外,所

41、有的病原微生物都會(huì)在幾小時(shí)內(nèi)死亡,其它種子也被破壞。因此本研究的控制溫度設(shè)置為60,以保證堆肥微生物在最好的條件下繁殖,促進(jìn)堆肥過程的快速進(jìn)行。與細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖規(guī)律一樣,根據(jù)微生物的活性,可將其在高溫階段的生長(zhǎng)過程分為三個(gè)時(shí)期:a 對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期:這一時(shí)期,嗜熱性微生物處于對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期,營(yíng)養(yǎng)過剩,其活性增長(zhǎng)速度與有機(jī)物濃度無關(guān),僅與溫度及供氧量有關(guān)。b 減速增長(zhǎng)期:在易分解和部分較難分解有機(jī)物不斷消耗和新細(xì)胞不斷合成后,堆肥中有機(jī)物含量急劇下降,直至有機(jī)物不再過剩,且成為微生物進(jìn)一步生長(zhǎng)的限制因素,嗜熱性微生物便從對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期過度到減速增長(zhǎng)期。此時(shí),微生物增長(zhǎng)速度將直接與剩下的營(yíng)養(yǎng)物濃度成正比。c 內(nèi)源呼吸期:此時(shí)繼續(xù)通入空氣,微生物仍不斷地進(jìn)行代謝活動(dòng),但因堆肥中易分解和部分較易分解有機(jī)物幾乎耗盡,微生物的代謝進(jìn)入內(nèi)源呼吸期,雖然在有機(jī)物充足時(shí)內(nèi)源呼吸也存在,但細(xì)胞的合成遠(yuǎn)大于消耗,故其表現(xiàn)不