两种污泥堆肥通风控制方式对比研究

张华，吕德龙，朱冬梅

(1.山东建筑大学山东省高等学校给水排水工程综合实验室，山东 济南 250101;2.山东建筑大学土木工程学院，山东 济南 250101)

随着污水处理的迅速发展，污水污泥的无害化处置已经引起广泛重视[1]。脱水污泥中含有大量有机质和营养元素，经高温堆肥处理后特别适合于做土壤改良剂，用于农林牧地的土壤保养和改良修复[2－3]。同时，随着城市园林绿化面积的不断扩大，在绿化植被日常养护过程中所产生的草坪修剪物、落叶、枝条等园林绿化废弃物的产量也越来越大。而园林绿化废弃物的主要成分为有机物质，是一种具有很高潜在利用价值的有机资源。将脱水污泥与园林废物混合后进行高温好氧堆肥处理，堆肥产品回用到林地和城市绿化中，不仅可以同时解决两种废物污染环境的问题，同时实现两种废物的资源化利用的良性循环，符合物质生态循环的规律，具有重要的社会价值和环境保护意义[4－6]。因此，开发和推广适合我国国情的脱水污泥与园林废物的堆肥化技术，对于环境污染防治和循环经济发展具有重要意义。污泥堆肥技术在国内外已有许多研究[7]，由于受堆肥原材料组成、堆肥工艺及经济能力等的限制，有关堆肥研究成果应用于工程实践时，一些关键性技术问题还有待进一步深入探索。通风是堆肥运行时最重要的控制参数，合理有效的通风不仅可为堆肥微生物提供必需的氧气，还可以保持适宜的堆体温度、去除水分、控制恶臭、提高堆肥效率、降低能耗和保证堆肥质量[8]。通风控制方式主要可分为时间控制、时间—温度控制、O2或CO2含量的反馈控制以及温度和O2含量的反馈控制等四种方式[9]，魏源送等[10]对通风控制方式作了较为全面的比较分析，根据我国国情，堆肥系统采用时间控制和时间—温度反馈控制的通风方式比较经济适宜。本研究将城市污水处理厂脱水污泥和园林废物青草混合后进行高温好氧堆肥，对时间控制和时间—温度联合控制两种通风控制方式对堆肥过程的影响进行了对比研究，量化了两种通风控制方式下堆肥效果的差异，确定了较佳的通风控制方式，以期更合理的控制堆肥过程，优化好氧堆肥工艺，为开发适合我国国情的堆肥工艺提供理论支持。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

所用污泥是取自济南市某水质净化厂的污泥脱水间内脱水后的生污泥。采集校园绿化草坪的青草作为污泥堆肥的调理剂，为保证采样分析的代表性，堆肥堆料混合前将青草破碎为3～5cm长。污泥和青草的性质见表1。

1.2 试验装置

污泥堆肥装置如图1，反应器为圆筒状，材质为聚丙烯(PP)，尺寸为φ600mm×1000mm，堆体高度800mm，容积约0.2m3。装置下部设置布气室，底部设渗滤液排出口;在反应器壁上，距污泥堆体顶部和底部各200mm处设置两个采样口，并每隔200mm设置三个温度检测口;顶部加盖密封用于装填污泥混合堆料，并设置气体排出口。

图1 实验装置示意图

1.3 试验方法

将城市污水处理厂脱水污泥与青草按8∶1(湿基质量比)比例充分混合后进行高温好氧堆肥，污泥、青草和混合堆料的性质测定见表1。试验分两个工况:工况1为时间控制，通过TB—1025微电脑时控开关实现;工况2为时间—温度联合控制，即在TB—1025微电脑时控开关实现时间控制的同时，通过HYG—6402温度控制仪实现温度控制，温度设定值为60℃，当堆体温度高于60℃时，温度控制仪启动鼓风机对堆体进行持续鼓风，直至温度降至60℃以下，时间控制贯穿整个堆肥过程。两工况中的通风量均为0.2 m3/(min·m3)，间歇通风，通风时间为 40min，停20min。每天定时采集混合堆料样品，分析其性质，对照两个工况下堆肥进程及腐熟周期的差异。

表1 堆肥物料的性质

1.4 检测方法

分析检测堆肥过程中混合堆料的温度、pH值、氨氮、总氮、总有机碳、种子发芽指数等指标，方法分别为:温度采用水银温度计进行测定;pH采用HI98128精密pH计测定[11];采用 KCl浸提纳氏试剂光度法[12];TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[11];TOC采用电热板加热—K2Cr2O7容量法[13];种子发芽指数采用灵敏度较高、发芽时间短的阳春白菜种子进行发芽试验[14]。

2 结果与讨论

2.1 不同通风控制方式下堆体温度的变化

不同通风控制方式下，堆体各层温度的变化见图2和图3。两种控制方式下，在堆肥初期堆体温度上升明显，都在第2天达到了最高温度。之后随着堆体中微生物可利用营养成分的氧化分解减少，堆体温度整体开始下降。时间控制下在第14天时堆体温度趋于稳定并接近室温。时间—温度联合控制下第12天时接近室温，略高于室温并随室温变化而变化。

图2 时间控制下堆料温度的变化

两种控制方式下，堆体温度在55℃均保持3d以上，或者50℃以上保持5～7d，满足杀灭堆体中致病微生物的要求，保证了堆肥的卫生学指标合格和堆肥腐熟的重要条件。仅时间控制下，堆体中部和下部出现了70℃以上的高温并持续了2d，而在时间—温度联合控制下，温度控制有效的控制了堆体过高温度的出现，未出现70℃以上的高温，避免了过高温度对堆体中有益微生物的杀灭作用。

图3 时间—温度联合控制下堆料温度的变化

2.2 不同通风控制方式下堆体氮元素的变化

2.2.2 总氮(TN)的变化

不同通风控制方式下堆体总氮(TN)的变化见图5。由于微生物通过氨化作用、硝化作用以及反硝化作用对堆料中的有机氮进行氮的转化、固定及释放等共同作用下，在堆肥初期两种状态下的TN变化不明显，之后两种工况下TN含量都出现了明显的下降，氮损失率逐渐增加，堆肥末期TN含量下降逐渐减缓，并慢慢稳定，第17天堆肥结束时两种工况下TN 的含量分别为7.24mg/g和8.24mg/g，最终氮的损失率分别为49.53%和42.67%。氮含量的降低直接导致堆肥肥效的下降，使污泥最终资源化利用价值降低。因此，堆肥条件的控制对减小氮元素的损失至关重要[16]。时间—温度联合控制方式下的氮元素的损失率低于时间控制方式下的。

图4 不同通风控制方式下堆料的变化

图5 不同通风控制方式下堆料总氮的变化

2.3 不同通风控制方式下堆料总有机碳(TOC)的变化

不同通风控制方式下总有机碳的变化见图6。由于同时存在着有机质被微生物分解转化为CO2、H2O等更稳定的低分子产物的作用，以及微生物利用中间产物合成自身物质的作用，堆肥过程中堆料的TOC呈现波动下降趋势，最终第17天堆肥结束时，时间控制和时间—温度联合控制方式下堆料TOC的含量分别降至13.44%和19.29%，相当于有机质含量 23.17%和 33.26%，降解率分别为43.32%和31.55%。污泥作为绿化基质使用时有机质含量的最低限值为25%[14]，时间控制下有机质降解率虽然更高，但肥效降低，有机质含量低于了国家标准[14]要求。而时间—温度联合控制方式下堆肥的有机质含量符合要求。

图6 不同通风控制方式下堆料有机碳的变化

2.4 不同通风控制方式下种子发芽指数(GI)的变化

种子发芽率可以作为一种对植物毒性最敏感、最有效、且最能反映堆肥产品腐熟度的指标，所以可以通过种子发芽指数检测堆肥浸提液的生物毒性的方法来评价堆肥的腐熟程度[17－18]。国外较早的研究认为，当GI＞50%时说明堆肥已腐熟并达到了可接受的程度，即基本没有毒性[19－20]。但是随着堆肥毒性相关研究的开展，众多研究者普遍认为，在所有情况下，当GI达到80% ～85%时，堆肥就可以认为没有植物毒性或者说堆肥已腐熟[14，21]。而我国标准[14]要求污泥GI＞60%时方可资源化用作绿化基质[22－23]。

图7 不同通风控制方式下GI值的变化

两种工况下GI的变化如图7，都经历了先下降后逐渐上升的过程。即在堆肥过程中，存在堆料的生物毒性抑制种子发芽和生物毒性逐渐消失两个阶段。这是因为在堆肥初期，堆体中的有机物快速分解产生了大量的挥发性有机酸、醛类、多酚及氨氮等物质，对植物具有一定的毒性，抑制和阻碍了种子的发芽和生长。随着堆肥过程继续进行，堆体中的挥发性有机酸等物质逐渐被微生物分解和转化，堆肥对种子发芽的抑制作用逐渐减弱，堆肥腐熟度不断增加，两种工况下的堆肥GI值分别于第8天和第7天升至60%以上，但是此时GI波动较大，不稳定，当两种工况堆肥分别进行到第13天和第11天时，GI值升至83.46%和88.02%，并趋于稳定，第17天堆肥结束时已完全达到腐熟状态。时间—温度联合控制通风方式下植物毒性消失得更早。

综合以上各指标的变化认为，时间—温度联合控制通风方式下污泥堆肥的最佳腐熟周期为12d，时间通风控制方式下污泥堆肥的最佳腐熟周期为14d。

3 结论

两种控制方式下，堆肥温度均可达55℃，并维持3d以上;时间—温度控制方式对堆肥过程中堆体温度的控制比仅时间控制更有效。时间—温度控制下浓度比时间控制下提前1d达到堆肥腐熟(≤0.43mg/g)的要求，同时氮损失率42.67%少于时间控制下的49.53%，而有机质含量符合资源化标准要求。时间—温度联合控制下GI值在第8天升至60%以上，植物毒性消失得更早，GI稳定超过80%时的最佳腐熟周期为12d，而时间通风控制方式下GI值在第7天升至60%以上，最佳腐熟周期为14d。因此，时间—温度联合控制方式与时间控制方式相比，具有更好的温度控制效果、更高的堆肥产品有机物含量、更低的氮损失率和更短的堆肥周期。时间—温度联合控制方式优于时间控制方式。

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