城镇污水厂污泥好氧堆肥生产管理及土壤改良剂的应用领域

2015-03-27李常慧刘永德赵继红黄克毅金保生

绿色科技 2015年2期

李常慧，刘永德，赵继红,2，曹军，黄克毅，周鹏，金保生

(1.河南工业大学化学化工学院，河南郑州 450000；2.郑州轻工业学院，河南郑州 450000；3.郑州市污水净化有限公司，河南郑州 450000；4.新乡市三禾环保设备科技有限公司，河南新乡 453000)

李常慧1，刘永德1，赵继红1,2，曹军3，黄克毅3，周鹏3，金保生4

摘要：指出了污泥堆肥是在好氧条件下，利用嗜温菌、嗜热菌将污泥中的有机物分解，并杀死病菌、寄生虫卵等，提高污泥肥分的过程。从微生物角度对生产、管理和应用工程等方面进行了分析，系统阐述了污泥好氧堆肥的生产技术控制及操作管理技术，介绍了好氧堆肥生产的成品高效土壤改良剂的应用领域，提出了优化土壤改良剂生产及市场化的建议。

关键词：污泥；堆肥；土壤改良剂；应用

中图分类号：X53

文献标识码：A

文章编号：：1674-9944(2015)02-0236-03

Abstract:Sludge composting is produced through process of improving nutriment in a fertilizer, which is realized by the utilization of mesophilic bacteria and thermophilic bacteria to decompose the organic matter in the sludge and kill bacteria and parasitic ovum under the aerobic condition. From the perspective of microorganism, this article analyzes the sludge composting from the aspects of production, management and application engineering, and systematically expounds the control of productive technology and technology of operation management of the sludge aerobic composting; in addition, the article introduces the application fields of the high efficient soil conditioner that is produced by aerobic composting and proposes the suggestions for optimizing soil conditioner's production and marketization.

1引言

污泥堆肥是在好氧条件下，利用好氧的嗜温菌、嗜热菌的代谢作用，将污泥中的有机物分解，并杀灭传染病菌、病毒、寄生虫卵等，提高污泥肥分的过程，产生的肥料可以用于园艺和农业目的，是一种无害化、减容化、稳定化的综合处理技术。通过污泥堆肥过程，有机物由不稳定的状态转变为稳定的腐殖质物质，堆肥的产品不含病原菌，无臭无蝇，可以安全处理和保存，是一种良好的土壤改良剂和有机肥料[1]。

为了得到质量合格的土壤改良剂产品，在污泥堆肥生产过程中需要切实提高污泥堆肥质量。污泥堆肥方式与原材料、工艺和设备以及产品的消纳方向密切相关，呈现出条剁、单槽、连续式负压式和容器式等多种堆肥工艺形式[2]。在规模化污泥堆肥生产中，堆体的孔隙率、通风量以及环境温度作为生产的基本条件，直接影响到堆体升温发酵进程和污泥无害化处置效果，对堆肥产品的质量有较大影响。

2污泥好氧堆肥生产及过程控制

在污泥混合料中，有机质、碳氮比、水分、孔隙率和环境温度以及氧气合适条件下，其中的自然微生物通过同化作用将部分有机质转化为自身生长所需的细胞质获得养分迅速生长繁殖，通过异化作用将有机质逐级分解，代谢为各种稳定的产物，很快可以进入到规模化的生化阶段，对有机质进行矿化和腐殖化[3]。对淀粉、纤维素等多糖有机质分解，最终分解成二氧化碳和水；对蛋白质和生物碱等含氮有机物通过氨化、消化和反消化，将其分解为铵盐和硝酸盐；对含磷有机物分解产生磷酸和磷酸盐；对含硫有机质分解形成硫酸和硫酸盐；脂肪分解为脂肪酸和氨基酸；对有机质残体和芳香族有机质合成腐殖质[4]。

在整个堆体的生化代谢过程中，释放大量二氧化碳，产生一定量的分解水分，释放出大量热能持续加热堆体升高堆温，在高温条件下曝气吹脱水蒸汽干化堆体，经过多次均质翻抛再升温，易分解有机质含量不断分解减少，水分含量不断蒸发下降，团块逐层粉化，堆体渐变疏松，堆温缓降趋于常温，微生物代谢活动逐步停止，污泥高温堆肥发酵结束。在此过程中，堆体通风曝气是脱水的需要，更是好氧堆肥微生物的代谢条件，关系到最终代谢产物，影响到堆体温度、有机物分解程度、堆体发酵周期和堆肥品质。而堆肥品质的好坏，关系到堆肥后续消纳方向和应用工程经济利益。

在堆体不同的发酵阶段，堆体的温度、水蒸汽散发状态、气味情况、堆体物料色泽、水分含量、团块粒径以及微生物菌种等方面呈现一定的规律性变化[5]。通过对污泥堆体的翻抛和曝气等手段进行调控，平均温度50℃下堆体保持8~12d以上，60℃以上保持5~8d的高温期，确保有害菌、蛔虫卵以及杂草种子有效灭活，有机质充分腐熟矿化和各种有害物变性改性，实现污泥的稳定化、无害化和减量化[6]。

2.1　堆肥生产三要素

堆体系统中的水分含量、孔隙率和温度称为堆肥生产三要素，三者之间相互关联、相互作用。

2.1.1　堆体水分

堆体水分是影响微生物生长和代谢、堆体孔隙率、堆体温度、发酵周期和堆肥质量的重要因素之一。堆体在发酵周期内其最大的脱水负荷是由设备和工艺决定的，混料超出负荷上限的水分无法脱出，反而影响到堆体的发酵周期及堆肥质量。堆体水分与各种材料的含水率和配料比相关。在生产和管理中，首先应确定出适合设备状态、季节、原材料最大混料含水率和最低秸秆添配料比等参数，指导不同季节或原材料质量不稳定情况下的混料生产。

2.1.2　堆体孔隙率

堆体孔隙率关系到堆体的透气性和发酵环境的好坏，有氧状态下微生物好氧发酵，无氧状态下则是厌氧发酵。堆体空隙率受水分含量、秸秆的种类、粗细粒径比、添加量和回流料质量以及翻抛质量的直接影响，而秸秆粒径过细、杂质率过高或使用晾晒干化的回流料对改变孔隙率的作用不大。无论什么原因影响到堆体的透气性，都可能会把堆体转化为缺氧厌氧状态，改变堆体堆肥的进程。而堆体缺氧厌氧不仅会影响到温度，还会产生硫化氢、三甲胺、甲硫醇和甲烷等厌氧臭气。

2.1.3　堆体温度

堆体温度包括堆体高温和高温期，是堆体发酵的重要指标之一。最小堆体孔隙率和最大含水率是混料堆肥的基础参数，高温和高温期是堆肥管理的阶段目标，是好氧堆肥发酵成败的关键。从原材料质量到发酵调控管理，任何一个环节出现问题，最终都会体现在堆体温度、水分含量和堆肥质量上。污泥堆肥的三个主要的热能平衡式如下。

(1)堆体热动力平衡式表示为：

Q生化能→Q总热能→q堆体升温+q水汽蒸发+q辐射传递热+q空气加热

(2)堆体水动力平衡式表示为：

H2O总量→H2O混料+H2O分解→H2O蒸发+H2O吹脱+H2O堆肥水分

(3)堆体基质动力平衡式表示为：

M总量→M堆肥+M分解

从热能平衡式(1)可以看出，分解有机质产生的Q生化能是堆体系统总热能Q总热能，是堆体升温的唯一热源。从水分平衡式(2)可以看出，堆体系统水分总量H2O总量由H2O混料和H2O分解两部分构成，堆体系统实际蒸发吹脱出的水分量与堆肥所含水分之和大于混料水分H2O混料，水汽蒸发和吹脱实现是堆肥发酵干化的主要形式。从基质平衡式(3)可以看出，有机质M分解被生化分解转化部分是堆体能量Q生化能和H2O分解的来源。

从堆体系统微生物的好氧发酵、堆肥三要素和堆体动力平衡机理不同角度都表明，污泥堆肥是堆体微生物在有氧条件下多种要素协同发酵的过程。从堆肥工程的实践中也可以看出，不同的发酵阶段不同温度和水分，预示着堆体处于不同的发酵阶段、不同的发酵状态和不同的发酵质量。在实际生产过程中，尽管设备自动化程度越来越高，工艺越来越先进，但是由于原材料、气候温度、混料生产、发酵过程管控和设备状态等诸多因素的影响，发酵周期和堆肥质量仍然难以稳定。

2.2　好氧堆肥过程控制

2.2.1　技术控制

混料是堆肥的基础环节，混合料质量的稳定性直接影响堆体发酵进程。污泥、秸秆辅料和回流料的水分含量和质量具有高不稳定性，也造成日常混料孔隙率、水分和有机质等质量下降。混料水分、孔隙率和碳氮比变化幅度过大时，直接影响到堆体升温慢、堆温低、再升温困难、高温期短的问题，如果发酵阶段调控管理不当，会影响堆肥腐熟和脱水，堆肥质量难以保证。总之，通过调整配料比，保证混料透气性和水分稳定性，减轻发酵阶段管控难度。

结合实际生产情况看，混料水分高和透气性差以及秋冬季低温因素是造成堆肥生产影响的主要问题，冬季影响因素多，问题也最为突出。如果长期使用质量不合格回流料可能会造成“混料-发酵-堆肥回流料”的恶性循环。生产运行中，设备自动化程度越高，工艺越先进，对混料质量和稳定性要求越高。

2.2.2　管理控制

堆肥生产管理包括原材料、混料生产、发酵过程和堆肥质量动态调控管理等过程：主要是检查和管控原材料质量；根据原材料和季节变化，调整配料比管控混料质量；通过调整翻抛和曝气参数，控制高温和高温期，以保证在周期内生产出质量合格堆肥基料。堆肥生产管理水平体现在日常堆肥过程质量的管控，特别是对出现问题槽堆的处置调整能力方面。

堆肥品质包括物理指标、化学指标、生物学指标、肥效指标和有害物指标。管理人员凭借管理经验可以通过堆肥温度变化、水气蒸发状态、翻抛气味、团块形态、堆肥干散程度和物料色泽等相应变化，基本上可以直观判断出堆肥质量的概况。因此，提高管理人员的业务管理能力对于堆肥系统的运行是十分必要的。

3高效土壤改良剂的应用领域

3.1　开发生产高效土壤改良剂

在优质好氧堆肥质量基础上，进行高效土壤改良剂配置生产，再次进行重金属钝化处理，用专用微生物进行二次定向发酵，提高乳酸菌、固氮菌和根瘤菌等肥效微生物和腐殖质的含量，也可以根据工程实际需要有针对性地进行有机肥、无机肥混配，制成高效土壤改良剂，提高改良剂肥效和安全性以及附加值，再应用于相关工程。

3.2　高效土壤改良剂使用原则

在堆肥应用工程中，首先，应遵循控制污染、避免肥害和规避风险的基本原则，避免盲目性和简单化操作，因造成地下深层污染问题而受挫。其次，要学习和研究工程行业特点及基本规则，不断提高专业技术知识和工程驾驭能力，妥善处理好各种实际问题。第三，承接可以充分发挥出高效土壤改良剂的优势相关工程。

3.3　高效土壤改良剂应用领域

要严格在国家政策的范围内使用污泥高效土壤改良剂，可以广泛应用于粮食和果品之外的其它种植领域，适时开展：①各种废弃矿山(被扰动的矿山地表层)生态修复工程；②盐碱地和沙漠地区的绿化工程；③园林和绿化带工程；④垃圾填埋场表层覆盖生物防臭工程等堆肥生态环境修复型应用工程等方面的研究和开拓工作。

3.4　应用工程注意事项

生态环境修复应用工程，是在土肥和绿化传统基础上，融合现代生物、环保工程技术的新理念新方法，在土壤和地下水不被污染的条件下，进行被破坏地表环境的生态修复与绿化。堆肥企业是非专业绿化工程单位，对早期工程不能求大贪多，要进行充分调查，专业论证，精细核算，制定周密的技术实施方案，根据堆肥的质量和数量分步实施，充分做好防范可能的风险预案。

在应用工程中，要根据工程环境基础和客户要求情况，通过相关工程技术，采取针对性措施，将堆肥产品用于环境生态修复和园林植物绿化，解决污泥堆肥的安全去向和二次污染问题，符合国家相关政策和发展方向，还可以整合废物资源，为企业增值创收。

4结语

污泥堆肥是一种无害化、减容化、稳定化的污泥综合处理处置技术。通过污泥堆肥过程，有机物由不稳定的状态转变为稳定的腐殖质物质，堆肥的产品不含病原菌，无臭无蝇，可以安全处理和保存，是一种良好的土壤改良剂和有机肥料。堆肥产品——高效土壤改良剂完全可以作为有机肥料广泛用于各种废弃矿山和被扰动地表层生态修复、盐碱地绿化、沙漠地区绿化和垃圾填埋场表层覆盖等工程，推动市政污泥堆肥行业的健康良性发展。

参考文献：

[1]周群英，高延耀.环境工程微生物学[M].2版.北京：高等教育出版社，2000：265~270.

[2]李艳霞，王敏健，王菊思.固体废弃物的堆肥化处理技术[J].环境污染治理技术与设备， 2000，1(4)：39~45.

[3]高定，张军，陈同斌，等.好氧生物堆肥过程中有机质降解模型的研究进展[J].中国给水排水，2010，26(11)：153~156.

[4]郑国砥，陈同斌，高定.城市污泥堆肥过程中不同类型有机物的动态变化[J].中国给水排水， 2009，25(11)：117~120.

[5]李海清，罗世田.城市垃圾好氧堆肥化处理技术[J].煤炭技术，2006，25(11)：9~11.

[6]李建国.堆肥腐熟度指标的探讨[J].城市环境与城市生态，1990 (2) ：8~12.

Production Management of Sludge Aerobic Composting in

Urban Sewage Plant and Applications of Soil Conditioner

Li Changhui1, Liu Yongde1, Zhao Jihong1,2, Cao Jun3, Huang Keyi3, Zhou Peng3, Jin Baosheng4

(1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou450000,

China;2.ZhengzhouUniversityofLightIndustry,Zhengzhou450000,China;