污水处理厂污泥好氧动态堆肥生产有机肥

knights123 · 发表于 2007-2-12 02:43:51

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[table=98%][tr][td]作　　者：田宁宁;王凯军;柯建明;[/td][/tr][tr][td][/td][/tr][tr][td][/td][/tr][tr][td]摘　　要：农业利用是城市污水处理厂剩余污泥最终处置的较好途径，污泥必须经过稳定化和无害化处理后才能农业利用。本研究在生产性规模的装置上，利用自行研制的好氧动态堆肥装置进行了污泥稳定化和无害化处理的应用研究。[/td][/tr][tr][td][align=center][table=98%][tr][td][align=center]田宁宁王凯军柯建明
（北京市环境保护科学研究院） [/align][b]　　摘　要：[/b]农业利用是城市污水处理厂剩余污泥最终处置的较好途径，污泥必须经过稳定化和无害化处理后才能农业利用。本研究在生产性规模的装置上，利用自行研制的好氧动态堆肥装置进行了污泥稳定化和无害化处理的应用研究。
　　[b]关键词：[/b]剩余污泥动态堆肥装置有机肥重金属
[b][size=3]1　引言[/size][/b]
[b]　　[/b]我国城市近年来普遍建设了污水处理厂，而且规模不断扩大、处理程度不断提高。与蓬勃发展的污水处理技术相比，污泥处理和处置技术在我国还刚刚起步，未妥善处理的污泥会带来严重的二次污染问题。随着新建污水处理厂的陆续投产，污泥产量将会有大幅度的增加，所以对污泥的处理和处置必须予以充分的重视。
　　污泥的利用和最终处置方法主要有焚烧、填埋、堆肥和投海等。与其它处置方式相比，堆肥处理不但可以达到稳定污泥的目的，同时制成肥料农业利用具有经济、简便、可资源化等优点，引起各国的重视，并进行大量的研究。
　　北京市密云污水处理厂目前处理能力为4.5万立方米／天，日产污泥40吨（含水率80％）。采用好氧动态堆肥装置已建成了一条完整的生产性规模（年产有机肥5000吨）的污泥制肥生产线，生产线已连续运行四年，有机复混肥销售情况良好。
[b][size=3]2　污泥处理和利用工艺[/size][/b]
[b]　　[/b]污水处理厂的初次污泥和二次污泥经浓缩后，一般采用带式压滤机脱水，泥饼含水率为75～85％。这样的污泥由于含水率高、粘性大、无结构强度，直接进行堆肥有难度，氧气难以通入，影响堆肥化进程，必须调整其含水率。经过水分调节的污泥进入动态堆肥装置好氧发酵成为性状良好的腐植颗粒；然后可以按照不同农肥标准添加一定比例的氮、磷、钾等化学原料，通过粉碎、搅拌后进入造粒装置，成型后经干燥、筛分成为成品包装后入库或出售。污泥处理和处置工艺流程如图1。
[align=center]　　　　　脱水污泥[b]→[/b]水分调节[b]→[/b]堆肥发酵[b]→[/b]制肥造粒[b]→[/b]农田利用[/align][align=center][b]图1 污泥处理和处置过程[/b][/align]　　污泥堆肥工艺分为好氧发酵与厌氧发酵两种工艺过程。机械化好氧堆肥技术是在有控制的条件下，利用好氧微生物对污泥中易腐有机物进行生物降解，使之成为具有良好稳定性的腐植粒状物的全部工艺过程。目前国内外正在研究开发的污泥好氧发酵堆肥技术都是采用进料、搅拌、通气、出料同时进行的高效发酵工艺装置，其核心是好氧发酵槽。而发酵槽按照形状可分为几类：立式多段发酵槽；筒仓式发酵槽；卧式旋转发酵槽；卧式敞口发酵槽。从对几类发酵装置的比较可以看出，各类发酵装置中，卧式旋转发酵装置可操作性强、容易设备化（可以同时适合大规模和小规模的生产）、建设投资低、动力消耗小符合高效、低耗的环保节能原则。本研究选择了以卧式旋转式发酵装置为基础，研制设计了污泥动态堆肥装置。
[b][size=3]3　[/size][/b][size=3][b]污泥堆肥装置设计[/b][/size]
　　根据对已有设备类型、操作性能和基建等项费用的比较，在卧式旋转发酵罐的基础上进行了改造，设计出一套污泥堆肥装置。设计滚筒直径为1.2m，出料口和进料口直径分别为0.4m和0.6m（如图2）。滚筒总长12m，进料与出料口同时起到空气补给和气体排出口的作用。由于进料和出料口的存在，滚筒中实际物料堆放厚度就受到限制，超过一定高度的熟化污泥会自动从出料口流出。这样滚筒中物料的体积就应进行核算。
[align=center]http://www.h2o-china.com/paper/picture/wsclcwnh1.gif[/align][align=left]　　滚筒有效容积[/align][align=left]　　　　　　　　　http://www.h2o-china.com/paper/picture/wsclcwnh2.gif[/align]　　式中：d为滚筒直径；
　　　　　L为滚筒长度；
　　　　　k为物料充满度；一般为0.25～0.6；
　　计算得到滚筒的有效容积为3.4～8.1m3。
　　滚筒采用齿圈齿轮传动方式旋转滚动，利用计时装置自动定时运转。
[b][size=3]4　[/size][/b][size=3][b]动态污泥堆肥装置操作参数选择[/b][/size]
　　从传统堆肥的基本原理看，影响好氧堆肥的主要因素是温度、水分、含水率和供氧量。好氧传统堆肥的核心问题是供氧受到限制。使用研制出的污泥动态堆肥装置，通过自然通风、连续强制通风、间断强制通风三种方式对含水率，通风与温度的关系等进行了实验，目的在于探索堆肥装置的最佳运行参数。
　　（1）污泥的前处理
　　由于从密云污水处理厂压滤机脱除下来的污泥含水率高达80％以上，不易直接进行堆肥试验。需采取前处理（干燥），采用自然晾晒的方式，污泥层厚5～8cm。根据天气和季节情况晾晒3～5天，污泥凉晒前后的含水率变化见表1。
[align=center][b]表1[/b][b]　不同季节污泥晾晒后含水率值[/b][/align][table=359][tr][td=1,2,113]晾晒时间（天）
[/td][td=3,1]含水率（％）
[/td][/tr][tr][td=1,1,86]春季
[/td][td=1,1,71]夏季
[/td][td=1,1,79]秋季
[/td][/tr][tr][td=1,1,113]0
[/td][td=1,1,86]82.5
[/td][td=1,1,71]83.8
[/td][td=1,1,79]81.6
[/td][/tr][tr][td=1,1,113]1
[/td][td=1,1,86]78.8
[/td][td=1,1,71]80.2
[/td][td=1,1,79]76.4
[/td][/tr][tr][td=1,1,113]2
[/td][td=1,1,86]73.2
[/td][td=1,1,71]78.6
[/td][td=1,1,79]71.3
[/td][/tr][tr][td=1,1,113]3
[/td][td=1,1,86]64.5
[/td][td=1,1,71]73.7
[/td][td=1,1,79]63.4
[/td][/tr][tr][td=1,1,113]4
[/td][td=1,1,86]60.8
[/td][td=1,1,71]68.8
[/td][td=1,1,79]57.1
[/td][/tr][tr][td=1,1,113]5
[/td][td=1,1,86]56.5
[/td][td=1,1,71]66.4
[/td][td=1,1,79]50.8
[/td][/tr][/table]　　由表1可见，一般情况下3天左右的晾晒，就可以使污泥的含水率降低到70%以下，基本可以达到进入堆肥装置的含水率要求。中小型污水处理厂的污泥产量较少，如果场地条件容许，气候条件良好，则采用自然晾晒是最经济、简便的污泥干燥方式。
　　（2）污泥含水率的影响
　　通过试验得出不同含水率的堆温变化。在同等的通气条件下，含水率较高则堆温较低，反之亦然。在自然通风的条件下，进料的含水率在70％和60％时，55℃以上的堆温均能保持三天，但是含水率达到70％，污泥容易在滚动中成团，甚至形成直径40 cm的泥球，影响设备正常工作。但当进料含水率在20％以下时，整个罐体温度改变不大，发酵作用不明显（见表2）。
[align=center][b]表2 [/b][b]不同含水率时堆温的变化[/b][/align][table=454][tr][td=1,2,92]含水率（％）
[/td][td=1,2,71]次数
[/td][td=5,1]堆温（℃）
[/td][/tr][tr][td=1,1,62]1
[/td][td=1,1,40]2
[/td][td=1,1,41]3
[/td][td=1,1,61]4
[/td][td=1,1,71]5
[/td][/tr][tr][td=1,3,92]70
[/td][td=1,1,71]1
[/td][td=1,1,62]70
[/td][td=1,1,40]64
[/td][td=1,1,41]58
[/td][td=1,1,61]46
[/td][td=1,1,71]45
[/td][/tr][tr][td=1,1,71]2
[/td][td=1,1,62]68
[/td][td=1,1,40]62
[/td][td=1,1,41]55
[/td][td=1,1,61]43
[/td][td=1,1,71]43
[/td][/tr][tr][td=1,1,71]3
[/td][td=1,1,62]68
[/td][td=1,1,40]63
[/td][td=1,1,41]57
[/td][td=1,1,61]44
[/td][td=1,1,71]42
[/td][/tr][tr][td=1,3,92]60
[/td][td=1,1,71]1
[/td][td=1,1,62]72
[/td][td=1,1,40]67
[/td][td=1,1,41]59
[/td][td=1,1,61]46
[/td][td=1,1,71]44
[/td][/tr][tr][td=1,1,71]2
[/td][td=1,1,62]70
[/td][td=1,1,40]65
[/td][td=1,1,41]57
[/td][td=1,1,61]44
[/td][td=1,1,71]42
[/td][/tr][tr][td=1,1,71]3
[/td][td=1,1,62]72
[/td][td=1,1,40]68
[/td][td=1,1,41]60
[/td][td=1,1,61]44
[/td][td=1,1,71]41
[/td][/tr][tr][td=1,1,92]20
[/td][td=1,1,71]1
[/td][td=1,1,62]36
[/td][td=1,1,40]32
[/td][td=1,1,41]32
[/td][td=1,1,61]30
[/td][td=1,1,71]29
[/td][/tr][/table]　　堆肥过程中，微生物分解有机物和自身生长繁殖过程中需要一定的水分，有机物在水的作用下溶解，以利于微生物的摄取，同时水分蒸发散热也可以起到调节堆温的作用。甚至当含水率太低时，微生物在水中摄取营养物质的能力降低，停止对有机物分解。但含水率过高使堆料互相粘结，将堵塞空气的通道，从而使堆肥呈厌氧状态。含水率过低，又会影响反应过程。这是因为微生物是借在物料之间的游离水的运动中摄取食物和营养物质的。如果微生物缺少这种靠液体运动而游动的机会，那么就会在严重缺少营养物质的状态下丧失分解有机物的能力。
　　综合几方面因素，确定了控制进料水份在60％左右，即污水厂的脱水泥饼经自然晾晒3～5天就可以做为堆肥装置的进料。这样可以比较经济地解决进料含水率的调整问题，采用其它诸如掺混干燥物或烘干之类的调整含水率的方法都多少影响了机械堆肥的经济性。
　　（3）不同通风方式的影响
　　在污泥好氧发酵过程中，通风是堆肥过程的控制手段，要达到最佳条件就要控制通风。通风的目的一方面为好氧微生物分解有机物提供释放能量时所需的氧气，维持堆层好氧状态；另一方面则有蒸发水分、干燥堆肥物料、驱散热量，控制堆肥过程温度的作用。通风量过大时，水分的大量蒸发导致温度降低不利于微生物繁殖。反之通风不足，好氧微生物则因缺氧而活性减慢甚至停止反应。根据理论计算，对于城市生活污水污泥来讲，每氧化1克有机物约需要2克O2，但使物料干化所需的空气量大于生化反应的需氧量。除了通气量，通风方式也直接影响着发酵反应的进程，主要有自然通风、连续强制通风和间断强制通风几类。通过几种供氧方式进行了试验以找出适当的通风方式，结果见表3。
[align=center][b]表3 [/b][b]通风方式与温度变化 [/b][b]单位：℃[/b][/align][table=433][tr][td]通风方式
[/td][td=3,1]自然通风
[/td][td=3,1]连续强制通风
[/td][td=3,1]间断强制通风
[/td][/tr][tr][td]时间测点
[/td][td]上午
[/td][td]下午
[/td][td]晚上
[/td][td]上午
[/td][td]下午
[/td][td]晚上
[/td][td]上午
[/td][td]下午
[/td][td]晚上
[/td][/tr][tr][td]1
[/td][td]72
[/td][td]72
[/td][td]71
[/td][td]52
[/td][td]51
[/td][td]50
[/td][td]70
[/td][td]70
[/td][td]69
[/td][/tr][tr][td]2
[/td][td]68
[/td][td]68
[/td][td]66
[/td][td]48
[/td][td]48
[/td][td]47
[/td][td]72
[/td][td]70
[/td][td]70
[/td][/tr][tr][td]3
[/td][td]70
[/td][td]70
[/td][td]68
[/td][td]47
[/td][td]49
[/td][td]49
[/td][td]63
[/td][td]62
[/td][td]61
[/td][/tr][tr][td]4
[/td][td]71
[/td][td]67
[/td][td]66
[/td][td]50
[/td][td]48
[/td][td]46
[/td][td]68
[/td][td]67
[/td][td]69
[/td][/tr][tr][td]5
[/td][td]66
[/td][td]65
[/td][td]63
[/td][td]45
[/td][td]45
[/td][td]43
[/td][td]66
[/td][td]66
[/td][td]65
[/td][/tr][/table]　　结果表明自然通风和间断强制通风两种通风方式升温效果都比较好，最高可达到72℃。而连续强制通风方式，由于空气带走大量水份的同时也带走热量，使得升温困难，普遍温度在50℃以下，这对杀死致病菌和寄生虫卵是不利的。
　　间断通风时，温度平均在65℃，最高达到了68℃的高温，前3天都可以保持在＞50℃以上，满足了污泥无害化处置的基本条件，三种通风方式达到稳定状态时的各点温度见图4。
[align=center]http://www.h2o-china.com/paper/picture/wsclcwnh3.gif
[align=left]　　另外从堆肥的进、出料性状可以知道，间断通风的处理效果是令人满意的。首先出料的含水率已经降到了44.4％，可以满足后续工艺使用。同时也证明在翻堆时强制通风是去除水份的最恰当时机，滚筒滚动时，物料会随着筒体的缓慢滚动而一层层滑落。理想状态下，料层是薄薄一层逐渐剥落，这样可以使翻堆过程很均匀彻底，物料充分地与空气接触，同时蓄积的水蒸汽也被吹出滚筒，使物料变干，这也是污泥继续干化的有效手段。[/align][align=left][b][size=3]5[/size][/b][size=3][b]　二次堆肥效果[/b] [/size][/align][align=left]　　二次堆肥发酵是将一次发酵出料翻倒均匀，使微生物获得了一次重新接种的机会。在一次发酵中未分解完全的一些较难分解的有机物，得以继续分解。二次发酵采用室内平地堆积，堆高1m，堆长2m，堆宽1.5m，表4为二次发酵过程的温度变化。[/align][/align][align=center][b]表4 [/b][b]二次堆肥发酵温度变化[/b][/align][table=421][tr][td]天数
[/td][td]开始
[/td][td]1
[/td][td]2
[/td][td]3
[/td][td]4
[/td][td]5
[/td][td]6
[/td][td]7
[/td][td]8
[/td][td]9
[/td][td]10
[/td][/tr][tr][td]温度（℃）
[/td][td]25
[/td][td]30
[/td][td]33
[/td][td]32
[/td][td]30
[/td][td]28
[/td][td]27
[/td][td]27
[/td][td]26
[/td][td]25
[/td][td]25
[/td][/tr][/table]　　可以看出二次发酵温度随时间缓慢下降，温度没有回升现象，并且没有蚊蝇孳生现象出现。这说明在堆肥发酵阶段有机物已得到分解，虫卵已被杀死，污泥达到腐熟和稳定。二次堆肥发酵证实了污泥动态堆肥装置中可以在较短的停留时间（5天）内，高效、彻底地对污泥进行稳定化和无害化处理，并为后续造肥工艺提供了有利的条件。
[b][size=3]6　[/size][/b][size=3][b]病原微生物的去除[/b][/size]
　　好氧堆肥过程是放热过程，嗜温菌与嗜热菌由适于环境的变化到死亡，完成分解有机物的作用。同时，在堆肥升温过程中又可杀死病原微生物和寄生虫卵等使污泥无害化。试验证明堆温达到＞50℃时，并保持3天绝大部分病原微生物可被杀灭。自然通风、连续通风、间断通风这几种运转方式都可以达到杀灭病原微生物的目的。生污泥的大肠菌值在10－7～10－9之间，蛔虫卵数在3.8×103～3.7×104个／kg之间变化，经过在滚筒中5日的高温发酵，出料的大肠菌值≤10～2，蛔虫卵为0，完全可以达到无害化目的。
　　另外做为有机复混肥的添加辅料，污泥投加率一般只有5～10％。在常用的复混肥园盘造粒生产线中，物料要经过混合、粉碎、成型、烘干、筛分等多个工艺段。在烘干段成型的肥料要在100℃温度下烘烤约20分钟，能够进一步杀灭残存的病原微生物。
[b][size=3]7　[/size][/b][size=3][b]污泥中重金属问题[/b][/size]
　　污泥是污水处理过程中产生的剩余物质，含有植物生长发育所需的氮、磷、钾及维持植物正常生长发育的多种微量元素和能改良土壤结构的有机质。同时也含有重金属和其它有毒有害物质（病原微生物、寄生虫(卵)、及某些难降解的有机毒物）。由于污水来源、污水处理厂处理工艺及季节不同，污泥的组成差异较大。对于大型城市污水处理厂，若有大量含重金属的工业废水排入系统，会造成污水污泥中重金属含量偏高，因此对这类大型城市污水厂的最终处置就应慎重对待，避免引起重金属等的二次污染。中、小型城镇污水处理厂主要以处理生活污水为主，因而一般不存在污泥中重金属超标的问题。
[align=center][b]表5[/b][b]　污水处理厂污泥重金属含量 [/b][b]单位：mg[/b][b]／kg[/b][/align][table=401][tr][td]项目
[/td][td]Hg
[/td][td]Cd
[/td][td]Zn
[/td][td]Cu
[/td][td]Pb
[/td][td]Cr
[/td][td]As
[/td][td]苯并(a)芘
[/td][/tr][tr][td]北京高碑店污水厂
[/td][td]1.31
[/td][td]0.13
[/td][td]1410
[/td][td]601
[/td][td]0.603
[/td][td]0.648
[/td][td]/
[/td][td]4.84
[/td][/tr][tr][td]北京密云污水厂
[/td][td]ND
[/td][td]0.5
[/td][td]594
[/td][td]96
[/td][td]27
[/td][td]29
[/td][td]24
[/td][td]/
[/td][/tr][tr][td]污泥农用国标
[/td][td]15
[/td][td]20
[/td][td]1000
[/td][td]500
[/td][td]1000
[/td][td]1000
[/td][td]75
[/td][td]3
[/td][/tr][/table]　　从表5可以看出，北京密云污水厂的污泥中重金属含量完全符合农用污泥的国家标准，可以长期施用。而高碑店污水处理厂污泥中锌、铜含量均超过污泥农用标准，但当做为有机复混肥的填充料时，一般污泥添加量只有5～15％，所以成品肥料中重金属不会超标。当制做污泥颗粒肥时，则应根据施用场地的土壤条件，计算污泥安全施用量来确定施肥量。以避免重金属在农田土壤中过度积累，保护农业生态环境。
[b][size=3]8　[/size][/b][size=3][b]污泥施肥应用前景分析[/b][/size] 　　有机质是反应土壤肥力状况的主要指标，常用它作为评价土壤肥力的参考标准。以北京市为例，北京土壤有机质平均含量为1.6%，土壤有机质大多处于中低肥力水平。在1997年监测的43块农田中24块为中低肥力组，占取样总数的56%。高肥力组的19块农田有13块分布在近郊区，也就是说北京市远郊区县有85%的农田有机质处于中低水平。由于土壤有机质偏低，限制了远郊区农作物产量的进一步提高。
　　提高土壤有机质不仅可提高作物的产量，而且可改善农产品品质。而提高土壤有机质只有增施有机肥。近几年由于人粪尿大部随生活污水进入污水处理厂，再加上规模化大型猪（牛）场的出现使牲畜粪便回用困难，使农用有机肥源大幅度减少。一年两熟耕作制的推广，不仅增加了土壤有机质的消耗，还使作物秸杆回收困难。这一切都使土壤有机质含量逐年下降。因此，寻求低廉、施用方便的有机肥是提高土壤肥力的主要措施。
　　北京市高碑店污水处理厂日处理污水100万吨，排放污泥（含水率80%）达900吨。全北京市日排污水240万吨，如果都进行生化二级处理，日排污泥量可达2400吨，全部制肥的话，每天可生产污泥颗粒肥（含水率20%左右）600吨，全年可生产污泥颗粒肥21.9万吨。因此，污泥是农业生产正在寻求的、质高价廉的有机肥源，在广大郊区有广泛的应用前景。如果每亩农田施用200公斤，则可供109万亩农田施用。
[b]9　结论[/b]
[b]　　[/b]（1）城市污水厂剩余污泥好氧堆肥，生产有机肥是一种有效的污泥处理利用方式，污泥好氧动态堆肥装置是较为理想的机械化堆肥装置。
　　（2）污泥含水率是影响堆肥过程的重要因素，适合的含水率为50～65％，在这一范围内，污泥进入堆肥系统中，可以有较好的通透性，更好地进行好氧发酵反应，通过分解污泥来使堆温升高。
　　（3）堆肥的一个主要目的是实现污泥的无害化。在污泥动态堆肥装置中的堆肥过程达到55℃以上的高温，并维持超过3日的时间，可以充分地杀灭病原微生物，其中蛔虫卵的杀灭率达到100％，大肠杆菌值降低约5～7个数量级，达到无害化标准。
　　（4）在污泥动态堆肥装置中，采用间断性强制通风方式，温度积蓄良好，堆温保持较高，间断性的翻堆和通风又可以有效地带走水分。因而污泥无害化和水分脱除都是最好的，能量消耗也比较低，是建议使用的堆肥通风方式。
　　（5）通过对堆肥成品的二次堆肥试验可以看出，在污泥中已较好地完成了污泥稳定化过程。易腐有机物得到降解，病原微生物得到杀灭，堆肥成品松散、无恶臭，达到无害化要求。
　　（6）中、小型城镇污水处理厂主要以处理生活污水为主，因而一般污泥中重金属超标问题不严重，但应采取技术措施避免引起重金属的二次污染。
[b][size=3]参考文献：[/size][/b]
[b]　　[/b][1]严煦世主编《水和废水技术研究》，中国建筑工业出版社，1992。pp790～819
　　[2].金儒森、刘永龄著“污泥处置”中国建筑工业出版社，北京，1982。 pp263～296
　　[3]田宁宁等，污水处理厂污泥处置及利用途径研究《环境保护》2000.2 pp18～20
[/td][/tr][/table][/align][/td][/tr][/table]