涪陵污水处理剩余污泥的好氧、厌氧两种堆肥处理比较

陈科平 杨 琼 杨季冬

（1.重庆市涪陵环境监测中心，重庆涪陵 408000）

（2.长江师范学院化学与化工学院，重庆涪陵 408100）

（3.重庆三峡学院化学与环境工程学院，重庆万州 404100）

城镇污水处理厂剩余污泥经过资源化再处理，可作为农业、林业、绿化用肥，均须满足三个基本要求：一是污泥需经全分析监测有毒有害物质含量不超过国家规定的污泥农业标准，严控 Hg、Cd、Cr、Pb、As等重金属绝不超标；二是污泥必须经过较严格的无害化处理，即除去污泥中的有毒有害有机物和重金属；三是堆肥成熟产品中需含有较高的植物或作物所必需的营养成分，即含有大量的矿质元素和营养元素，具有较高的肥料价值.污泥的无害处理方法有很多，其中最简单、最经济的方法是堆肥发酵.

本文以涪陵城区污水处理厂剩余污泥为对象作好氧堆肥和厌氧堆肥实验，同时对特征参数和优劣进行比较.涪陵城区污水处理厂日处理生活污水16.0 wt/d，可日产剩余污泥40.0 t/d.其组成与成分见下表.

表1 涪陵城区污水处理厂剩余污泥性质

从表1可知涪陵区内各污水处理厂的剩余污泥中含有丰富的有机质和氮、磷、钾等营养物质，含氨态氮较多.除此之外还含有大量的难降解的含氮、硫有机物，重金属，病原体和寄生虫卵等有毒有害成分，其组成和性能不稳定.如处置不及时或不断累积将会对库区环境和长江生态构成严重威胁，因而必须对这些污泥进行合理妥善的处理处置.目前堆肥处置剩余污泥常见有两种方式：好氧堆肥和厌氧堆肥，我们以实验室规模小试两种过程以比较研究两种结果，研究对象以日处理16.0 wt/d污水，日产干污泥约40.0 t的涪陵城区污水处理厂的脱水污泥（含水率为75%～80%）为样本.以资后续研究和政府投资参考.

1 堆肥实验装置及方法

1.1 实验装置

两个圆柱形堆肥反应池相互串联，一个用于好氧堆肥实验，另一个用于厌氧堆肥实验.反应池高1.0 m，柱半径0.4 m（见图1）.池中设置带叶轮的搅拌轴，由电机驱动搅拌通气均匀，池底为铁丝网面及承托物架.分别在柱体高、中、低（距离底部分别为30 cm、40 cm、60 cm）部位设置三个采样口，同时用热电偶测定堆体温度.

1.2 实验方法

强制通风供氧为好氧堆肥实验，密闭封实发酵为厌氧堆肥实验.两个发酵反应池先后启动，顺序经历好氧和厌氧堆肥过程，循环通风，交替轮流实验.一般好氧堆肥7 d，厌氧堆肥15 d后切换.根据堆料含水率的要求，将污泥与调理剂按照一定的体积比例混合，混合均匀后装入静态堆肥反应池，顺次交替进行两种堆肥试验研究.

2 堆肥实验条件

2.1 适宜温控和时间流程

根据相关要求堆肥至少要达到 55 ℃并保持 3天以上，才能保证杀灭堆肥中大肠杆菌及病原菌.堆肥过程中微生物分解有机物而释放出热量，堆温经历上升、稳定、下降三个过程.故好氧堆肥和厌氧堆肥的的温控适宜范围均在50～60 ℃.

好氧堆肥经历二次发酵，一般可控制在7 d内完成；厌氧堆肥需有合成产酸和分解产气两步，最短也需控制在15 d内完成.

2.2 适宜的含水量

堆肥发酵过程中水分参与微生物的新陈代谢，厌氧堆肥中水还要参与反应，最后的分解反应都要产生水，所以水在下部渗出，导致堆层中、上层水分少，下层水分多.水分蒸发散热可调节堆肥温度，还能直接影响堆肥反应速度的快慢、堆肥的质量，甚至关系到堆肥工艺的成败.因故，一般认为，好氧堆肥的最佳含水量为50%～60%，厌氧堆肥则在80%以上.

2.3 适宜的C/N比

微生物在新陈代谢中获得能量需要C源，合成细胞蛋白质需要 N源，可见微生物作用过程中对C/N比值的要求是很重要的.在微生物新陈代谢过程中，相当多的碳转化成二氧化碳，另一些碳则转为原生质和储存物.而氮主要在合成作用中转成原生质.虽在两种堆肥过程中初始碳氮比是有差异的，但均为决定分解速度的重要因素，实验表明初始碳氮比在 30～35︰1之间是最理想的.为了保证好氧堆肥适当的碳氮比及水分含量，在堆肥前必须向堆肥污泥中加入锯末、木屑、粉煤灰以及生活垃圾等富含有机质的填充料.

2.4 控制通风量

在串联的两个堆肥反应池中，通风控制间歇循环进行.好氧堆肥须强制通风，厌氧堆肥须密闭不通风.在堆肥的前期，通风主要是为了提供微生物所需要的氧气，以降解有机物.在堆肥的后期，则应加大通风量，蒸发水分以降低堆体温度.厌氧过程中不需要通氧，在产气阶段需要及时排气.

2.5 控制pH

在堆肥初始过程中pH值最好在6.5左右，最后待堆肥腐熟时的pH值应为8左右.加入不同类型的填充剂对堆肥混合物的pH值有较大影响，石灰可以防止pH值的降低，锯末或桐壳灰可以避免pH升高.好氧或厌氧堆肥的pH值均应控制在6～9之间最合适.

3 两种堆肥的特点比较

好氧堆肥是在有氧的条件下，好氧微生物通过自身的生命活动促进氧化、还原及合成等过程，氧化被吸收的有机物成简单的无机物，还原高价态为低价态，并放出生物生长活动所需要的能量；同时合成转化新的细胞质，繁衍壮大微生物自身.一般一次发酵在2～4 d左右，二次发酵在3～7 d便可完成.由于好氧堆肥温度高，可以灭活病原体、虫卵，使堆肥达到无害化.但由于好氧堆肥必须通氧，因此堆制成本并不低.

厌氧堆肥要在无氧条件下，厌氧微生物分解污泥中有机物主要经历合成酸化和分解产气两个阶段，共需漫长的 15～30 d.在酸化过程中，菌、产氢产酸菌将水解产生的小分子物质进一步转化为醋酸等挥发性脂肪酸，以及醇类、氨、二氧化碳、硫化物、氢和能量，并形成新的细胞物质.在分解过程中微生物分解有机酸和醇，生成甲烷和二氧化碳，pH值迅速上升，产生大量的沼气.

4 两种堆肥的参数特征

评判堆肥的腐熟度和成效要求是：（1）在微生物协同作用下，有机质矿化、固化，腐殖化，堆肥从而达到稳定化、无害化；（2）使用成熟的堆肥不影响土壤耕作和作物生长，不会传递转移积累有害成分，没有对植物的有害成分和动物病原菌，堆肥安全使用可资源化.堆肥成效评价有物理学、化学和生物学的众多指标，以下为实验室测定好氧堆肥和厌氧堆肥的成效参数.

4.1 物理指标

堆体温度变化主要经历三个阶段，即升温期、持续高温期、降温期、稳定期.在一定程度上堆体温度可以反应堆肥的进程，因此要评价堆肥腐熟度，温度是一个直接指标（如表2）.

4.2 化学指标

若堆肥腐熟，应含有较低的碳氮比，富含一定的铵态氮，有机酸的变化以及有一定的含水率变化.按好氧堆肥7 d、厌氧堆肥15 d完成后取样，分析按《土壤和农业化学常规分析方法》操作（如表3）.

4.3 生物学指标

堆肥过程中，腐殖质的形成，生化需氧量（BOD5）的降低，微生物种群数量增加至稳定，都是堆肥腐熟的衡量指标.同样在堆肥完成后取样，我们以近红外光谱法分析得到堆肥的BOD5值（如表4）.

表2 剩余污泥堆肥后的温度、颜色及气味变化

表3 剩余污泥堆肥后的化学指标变化

表4 剩余污泥堆肥后的生物学指标变化

5 两种堆肥的优势比较

好氧堆肥是通过微生物吸收有机物质的生物活动，溶解转化降解有机物质，在氧化还原污泥有机质的同时，将一部分有机质转化合成同化为细胞生物质.好氧堆肥可控制、易操作，具有对有机物分解速度快、降解彻底、堆肥周期短的特点.还由于好氧堆肥温度高，可以灭活病原体、虫卵，好氧堆肥发酵所产生的气味很小，使堆肥达到无害化，消除难闻的臭气，不恶化环境.但由于好氧堆肥必须通氧运行，因此堆制成本较高.

厌氧堆肥是在无氧条件下，厌氧菌分解污泥中有机物，在分解初期产酸，有机酸积累，pH值下降.其后是甲烷菌开始分解有机物和醇，产物是甲烷和二氧化碳.随着甲烷菌的繁殖，有机酸迅速分解，pH值又迅速上升，此分解为碱性发酵阶段.经厌氧堆肥处理，污泥形态由粘结块状变为疏松分散，且颗粒均匀.铵态氮含量也大大提高，且还有一定的磷和钾，更有利于植物吸收，适用于农业用肥和土壤的改良.厌氧堆肥同时产生甲烷为主的沼气，可提供清洁能源，但厌氧堆肥耗时较长.

无害化堆肥处理可以改变污泥的重金属元素的形态，但不能降低其中的重金属元素的含量.可对污泥处理过程作进一步的改进，在堆肥前加入锯末和粉煤灰等钝化调理剂，在堆肥过程中将重金属尤其是Pb、Cd、Hg等离子转型失活稳固在钝化态中，从而降低重金属的活性含量，提高污泥资源的利用率.

污泥堆肥后期应采取一定的化学方法除臭，在调节pH值的同时，加入比表面积较大生物化学填料，通过生物化学作用除臭，增加泥土气息，使堆肥结果更为亲善.

6 好氧厌氧交替堆肥展望

综合好氧堆肥和厌氧堆肥的优势和劣势，为了更好地处置剩余污泥，使之无害化、稳定化，实现资源化，我们也初步探索了交替式好氧厌氧堆肥的处置技术.具体的实验设施是改进本实验的两个堆肥反应池，将其串联交替使用，厌氧堆肥所产生的沼气可返回到好氧堆肥作为加热能源使用，从而使两种堆肥方式有机联动，优劣互补，堆肥成效更显著，资源化利用效率更高.

在人工控制条件下好氧堆肥利用微生物的代谢作用，将有机固体废物分解、腐熟，转化成稳定的腐殖土.而厌氧发酵是在微生物作用下的生物氧化还原反应，其过程包括液化阶段，产酸和产气阶段.根据其机理，我们探索研发交替好氧厌氧堆肥技术并应用于剩余污泥处置.实验突出在污泥和有机质添加剂及锯末和粉煤灰等钝化调节剂的比例筛选上，最佳堆体温度控制，好氧菌种和厌氧菌种添加量等影响因素的加强优化试验，同时对重金属离子的消除钝化失活稳固，以及堆肥后期的除臭也纳入进一步的探索中.本实验的目的是进一步探索交替好氧厌氧堆肥技术应用在城市污泥和有机垃圾堆肥处理过程中的相关参数变化与堆肥过程的影响因素，为交替式好氧厌氧堆肥的应用提供技术支持.

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