兼氧发酵堆肥处置城镇生活污泥模式及应用

2013-09-07叶庆新叶宝水罗文邃

中国环保产业 2013年8期

叶庆新，叶宝水，罗文邃

（厦门绿标生物科技有限公司，福建厦门 361100）

1 概述

随着人口的迅速增长和城市化进程的加快，城市污水处理事业发展迅速，随之而来的是城市污水的伴生产物城市污泥的产量越来越大。城市污泥含有大量有机质、氮、磷等养分，又含有重金属、有机污染物和病原菌等有害物质，若处置不当，可能对生态环境和人类自身健康造成很大危害。

传统的污泥处置方式主要为投海、填埋、焚烧和土地回用。投海、填埋的处置方式相对简单，但污染环境且消耗大量土地资源；污泥焚烧处置的成本高，并需消耗大量燃料，同时产生废气形成二次污染；而污泥中的大量有害物质又限制了其土地回用，因此污泥处置问题日益成为制约污水处理行业发展的“瓶颈”，对污泥进行合理的处置已成为一个十分迫切的问题[1]。

2 传统污泥堆肥发酵处置模式及其优缺点分析

21世纪以来，世界各国在污泥处置利用方面的发展趋势为弃用投海、减少填埋，大力增加能源回收和农林土地利用。城市污泥中含有较高的有机质等植物生长需要的多种营养元素，是重要的有机肥源[2]，将污泥发酵堆肥进行土地利用是目前污泥资源化利用的发展方向。目前污泥堆肥工艺主要有好氧发酵和厌氧发酵两种方式。

污泥好氧发酵工艺通过供氧使好氧菌生长代谢活跃，使污泥发酵升温实现高温腐熟，该技术是处置城市污泥的一种经济有效的好方法，具有使有机有害物质分解彻底、堆肥周期短、臭味小、易控制等优点，利用微生物群落在特定的环境中对多种有机物分解，将污泥变成为稳定的可利用的腐殖质，作为肥料回用田地或用于土壤改良。中国科学院地理科学与资源研究所陈同斌研究员研发出的CTB自动控制污泥好氧发酵工艺是目前较为成熟的好氧发酵工艺，然而污泥中所含的微生物的种类和数量有限，传统自然条件下升温时间要求较长，发酵过程中的温度上升较慢，需要持续地供氧，发酵成本高。

而传统的沼气堆肥则为典型的厌氧发酵工艺，利用厌氧微生物代谢改变污泥原来的性质，可以释放作为能源的沼气，发酵后的污泥脱水性、可压缩性等特性得到较大的改善，富含营养物质，可以作为有机肥料使用，但厌氧发酵工艺有机物分解缓慢、发酵周期长（4～6个月）、占地面积过大、厌氧环境要求高，不适合大规模的工业化污泥处置。

3 新型的污泥发酵工艺——污泥兼氧发酵

基于传统污泥堆肥发酵模式的优缺点，一种新型的污泥兼氧发酵模式可用于改善传统污泥发酵模式的不足，该模式无需严格的厌氧环境或人工曝气，即可实现污泥的快速发酵腐熟，使污泥等固体废弃物得到无害化和资源化利用，变废为宝。

研究发现，在好氧堆肥过程中，对有机物具有降解能力的微生物主要是高温放线菌和高温真菌[3、4]，嗜热真菌能产生热稳定性纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶、淀粉酶、葡萄糖异构酶以及其它代谢产物等，对于废物的堆置发酵等过程可起到很好的生物转化作用[5、6]，也证实了嗜热放线菌能较容易地利用半纤维素，并能在一定程度上改变木质素的分子结构，继而分解溶解的木质素。

实践过程中发现，在自然环境中的高温放线菌与嗜热真菌并不活跃，这是造成好氧发酵升温慢、耗时长的主要原因，即天然温度环境下高温放线菌与嗜热真菌的作用发挥有限。此外，好氧发酵需要大量消耗氧气，当局部供氧不足时会出现局部的缺氧环境，使好氧发酵不够充分。厌氧发酵的环境要求高，工业化运行需大量资金投入，而厌氧发酵可以很好地弥补好氧发酵产生的局部厌氧环境带来的发酵不足问题。因此，如果能使好氧发酵与厌氧发酵和谐兼容，则可以互相协同完成污泥的发酵。

基于上述分析，设计出的兼氧发酵模式，通过综合利用好氧、厌氧和兼氧微生物，使污泥内部与外部同时发酵、繁殖，弥补单一好氧或厌氧发酵的不足，即通过筛真菌（嗜热真菌如丝状菌、酵母菌）、高温放线菌、细菌（芽孢杆菌、乳酸菌）等多种污泥发酵过程的优势菌种，加入米糠等载体，复配驯化组成复合发酵菌剂，以牛、羊等畜禽类粪便、中药渣、食用菌下脚料以及谷壳、糖泥、糠醛渣、农作物秸秆等农作物生产废料作为发酵辅料，将城市污泥与辅料，以及复合发酵菌剂按一定比例混合堆垛后，即可进行污泥兼氧堆肥发酵，该模式发酵过程及原理描述如下：

污泥及发酵辅料中含有大量的多糖、氨基酸等营养物质，刚混合完成的堆垛含有大量的氧气，此时好氧的芽孢杆菌、兼性的酵母菌利用垛内及表面的氧气进行好氧发酵，分解污泥里的多糖、氨基酸等有机物产生大量的热，肥温上升；随着垛内及表层的氧气消耗，芽孢菌群的活性降低，兼性酵母、偏厌氧的乳酸菌开始活跃，对污泥进行兼氧发酵，使肥温继续上升，进入高温发酵阶段。从肥温表征上看，该过程一般在24～48小时后即可使肥堆温度升到60℃甚至70℃以上（不同的环境条件及污泥成分会有所差别），从而激发高温放线菌与嗜热真菌的活性，释放大量纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶、淀粉酶、葡萄糖异构酶等来分解污泥中的有机物，分解的污泥有机物又可作为细菌的代谢营养。之后2～5天达到高峰温值，低温菌活性降低，高温菌活跃，有害的微生物、寄生虫卵在这一阶段多数被杀死、分解。之后温度开始下降，当温度降到50℃以下时，堆垛内部高温发酵接近完成，随后对堆垛进行翻刨，使整个堆垛的发酵充分进行。当翻刨后肥温无法上升到50℃以上时，污泥高温发酵阶段完成，高温放线菌与嗜热真菌的活性降低、消退，而进行休眠的低温菌开始复苏进入中低温（35℃～50℃）发酵阶段，这一阶段分解高温发酵阶段产生的大量大分子残渣成为植物可利用的小分子物质，该过程可维持20～40天，最终使污泥转化为可用于园林绿化的有机肥。

通过上述细菌、真菌、放线菌的复合协同作用，使污泥的发酵得以高效、快速完成，又避免了人工曝气等大量耗氧耗能的操作，同时可使木屑、秸杆等农作物废料充分利用，实现资源化处理。而该兼氧发酵的菌剂可通过加入米糠等辅料载体制成菌剂，方便使用与保存。经过实际试验，该模式在污泥发酵堆肥上的效果理想，有利于污泥发酵堆肥技术的推广使用，有望能解决城镇生活污泥的处置与资源化利用问题。