污泥生物干化技术及应用前景展望

彭 闻，张 勇，赵卫兵，杨磊锋

（机科发展科技股份有限公司，北京 100044）



污泥生物干化技术及应用前景展望

彭 闻，张 勇，赵卫兵，杨磊锋

（机科发展科技股份有限公司，北京 100044）

摘 要：生物干化技术是在好氧发酵的基础上，利用可降解有机物分解代谢作用时产生的生物热量，通过通风、翻堆等过程控制手段，促进物料中水分快速散失，降低含水率的干化工艺。污泥生物干化过程受物料性质、温度、含水率、调理剂、通风、机械翻堆等因素的影响。与其他污泥干化技术相比，生物干化技术更经济、节能、环保且具有良好的应用和发展推广前景。

关键词：城市污泥；生物干化；影响因素；前景

随着我国城镇化的快速发展，城镇人口数量不断增多，对城市的污水处理量和处理要求大幅提高，随之而来的在污水处理过程中产生的污泥量也急剧增加。据国家住房城乡建设部统计数据，截至2013年3月底，全国建成的城镇污水处理厂累计有3451座，污水处理量约1.45亿立方米/日，与2012年相比新建污水处理厂111座，新增处理量约300万立方米/日［1］。按照吨水产泥量（污泥的含水率80%）0.05%～0.08%估算，我国年产污泥量在2650万～4200万吨，预计到2020年我国的污泥年产量将达到6000万～9000万吨。

我国大多数污水处理厂产生的脱水污泥含水率高达约80%，具有体积大、性质不稳定等特点，污泥储存及运输不便，大大限制了污泥在较大范围中的应用。因此污泥干化处理成污水为污泥首要解决的问题。但污泥的自然干化效率较低、容易造成二次污染，热干化需外加热源，有投资和运行费用等问题。而生物干化利用自身的发酵生物热，无需外加热源，因而是一种经济、节能、环保的干化技术。结合我国目前的经济实力和发展现状，生物干化技术将会越来越受到重视。

1　生物干化技术

生物干化的概念是1984年美国学者研究牛粪生物干燥的运行参数时提出的，也称为生物干燥［2］。生物干化技术是在好氧发酵的基础上，利用可降解有机物分解代谢作用时产生的生物热量，外加通风、翻堆等过程控制手段，促使物料中水分快速散失，降低含水率的干化工艺。Wiemer等研究表明，生物干化技术处理城市生活垃圾后，其含水率明显降低，大大提高了垃圾的热值，产品可制作成衍生燃料（RDF），也可作为垃圾焚烧的预处理手段［3］。德国、意大利、希腊等多个国家现都已建成生物干化工程，具有良好的应用前景。因此，理论上生物干化技术是一种经济、节能、环保的污泥处理技术。

2　生物干化技术与好氧堆肥技术的区别

生物干化技术与好氧堆肥技术的本质区别在于：生物干化的主要目的是快速散发污泥中的水分降低其含水率，并使物料保持较高的热值，便于焚烧或作为肥料等后续再利用，而好氧堆肥则是以污泥中有机物的腐熟化和稳定化为主要目标。生物干化侧重于快 速降低含水率，对稳定化、腐熟化指标没有明确的要求，与好氧堆肥在产物与评价指标也存在差异。基于目标的不同，生物干化在控制参数方面，发酵周期更短，有机物降解更少，通风量更大，翻堆频次更高。

3　污泥生物干化技术的影响因素

污泥生物干化技术是在污泥好氧发酵技术上衍生出来的一种新技术。生物干化是多种因素和变量相互影响和作用的复杂理化过程，其影响因素包括物料性质、温度、含水率、调理剂、通风、机械翻堆等，各影响因素之间存在一定的耦合效应。

3.1物料性质

有机质是发酵过程中微生物生长和繁殖的基本能量来源，适宜的有机质含量对生物干化过程极为重要。研究表明，在好氧发酵过程中，适宜发酵的有机质含量为40%～80%，城市污泥中富含大量的有机质和促进微生物活性所需的养分，易被微生物降解［4］。通过对我国98座城镇污水处理厂产生的污泥成分进行分析统计，城市污泥中有机质的平均含量为380g/kg，并且我国污水厂的污泥有机质含量呈逐年上升趋势，说明我国城市污泥有机质含量满足生物干化的基本要求［5］。

污泥的性质符合生物干化的要求，但是污泥普遍含水率较高，单独发酵无法满足微生物快速生长和繁殖的条件，需要添加干料或者辅料来调节初始的发酵条件。在生物干化的初始微生物反应阶段，通常需要向湿污泥中投加一定比例的秸秆、花生壳、木屑等农作物作为调理剂或通过回流干化污泥以调节适宜的含水率、孔隙率和C/N。通过投加调理剂可以提高污泥的孔隙率，提高堆体的透气性，有利于氧气的传输，减少风压降低能耗，同时也改善湿污泥的较低C/N比。秦莉等研究表明，发酵物料的C/N必须达到适宜的范围，碳氮比一般为20∶1～40∶1，最为理想的碳氮比控制范围在25∶1～30∶1，如果碳氮比过高或过低，均会影响物料的发酵效果［6］。

pH值对微生物的生物活性至关重要，其是微生物生长和繁殖的初始环境条件。一般认为适宜发酵的pH值应控制在5.2～8.8，最佳pH值范围为7.6～8.7［7］。pH值适宜时，微生物可最大程度地发挥活性。微生物在降解有机物的生化过程中，需要微碱性或中性的理化条件，pH值过低或过高都会影响微生物的生物活性和有机物的降解速率。来源于城市污水处理厂的污泥，由于添加了脱水剂，一般呈弱碱性，在进行发酵前不必对pH进行调整可直接进行堆制。

此外，污泥的粒径也是生物干化的一个重要因素，污泥生物干化反应是通过附在固体颗粒表面的水膜中进行的，污泥颗粒粒径越小，其表面积越大，就越有利于生物反应的进行。但粒径太小，则堆体的孔隙率将大幅降低，从而抑制通风供氧，粒径过大时，通过堆体的气流易形成短流，颗粒内部没有氧气进入，导致颗粒内部供氧不足形成厌氧反应。因此小颗粒更有利于提高氧气利用率，促进生物降解反应。发酵过程中最适宜的粒径为1.3～7.6mm，下限更适用于连续翻堆的好氧动态发酵系统，上限更适用于静态堆垛发酵系统［8］。

3.2温度

温度是微生物活性最为显著的影响因素，温度的变化是反应生物发酵过程是否正常最敏感和最直接的指标，其与含水率、通风量以及其他影响因素存在相互耦合的关系。生物干化是通过生物热蒸发水分的过程，从堆体逸出的空气其含水率接近饱和。当周围环境温度升高时，空气的含水量也将随之升高，且呈指数变化规律。因此堆体温度越高则其水分蒸发速率越快，干化作用越显著。但堆体温度并非越高越好，当堆体温度超过一定的温度时，将会严重影响微生物的活性。整个生物干化过程中微生物的数量和优势种群随温度呈现交替变化的过程，一般分为升温阶段、高温阶段和降温阶段。在高温阶段（50℃～60℃）微生物降解有机物的能力最强，水分蒸发效果更好，因而在确保微生物较高活性的条件下，维持较长的高温周期，可达到更好的脱水效果。

3.3含水率

含水率是生物干化过程中重要的工艺控制参数，直接影响微生物的活性。过高的含水率将会堵塞物料中的孔隙，导致发酵过程处于厌氧状态，严重影响好氧微生物的生物活性。含水率太低则会使微生物缺少繁殖所需的水分，抑制微生物的新陈代谢，不利于发酵产生高温。因此在生物干化过程中，需要将含水率维持在一定的范围内。物料初始含水率一般应控制在55%～65%，最佳含水率约为60%。含水率与有机物降解速率有着密切的关系，当物料含水率小于45%时，微生物活性减弱，有机物降解速率明显降低。

3.4调理剂

调理剂的类型和投加比例对生物干化效果具有重要影响。在生物干化过程中，向污泥中投加调理剂，提高物料C/N比，防止污泥碳氮比过低抑制生物活动，并且还能增加物料的透气性，改善堆体的自由空域，有利于好氧发酵环境的形成。蒋建国等人分别以秸秆和锯末为调理剂进行了实验，前者的调节作用更优于后者，秸秆比锯末更利于促进微生物活性，代谢作用持续时间更长，物料升温更快，脱水速率更大［9］。李艳霞等研究发现，调理剂配比高的物料更易于堆体快速升温，配比高导致堆体的自由空域较高，有利于氧气的存储和传输，更易于物料的好氧发酵过程［10］。

3.5通风

通风是生物干化过程中重要的工艺过程控制方式，通过通风能为好氧微生物提供氧气，同时还能散去堆体中的热量和带走水分。生物干化的升温阶段，通风的主要目的是为有机物分解提供氧气，通风量可略微降低有利于堆体快速升温，一般不超过0.4L/min·kg。在高温阶段，一方面通风满足有机物降解需氧量，另一方面通过加大通气量，在带走水分的同时带走多余的热量，但不宜过大（以不影响堆体温度降幅过大为准）。在降温阶段，需要较大的风量带走多余的水分，起到干化和冷却的作用。水分的去除量受通风量与堆体温度的共同影响，通风范围在4～6m3/h·m3时，污泥的含水率下降最快，生物干化效果较好。

不同的通风方式对生物干化会产生不同影响，一般采用的通风方式有：连续通风、间歇时间控制通风、温度反馈控制通风、氧含量控制通风等。间歇时间控制通风与连续通风相比更利于堆体的温度升高和干化效果，温度反馈控制方式对通风的控制更为精确，适用于规模化的生产调控。而氧含量控制通风由于氧含量测定仪的误差较大，不适用于大规模生产的需要。为了在生物发酵周期内去除更多水分，应根据不同的发酵阶段采用不同的通风方式，对生物干化过程进行实时在线监测和反馈控制，这样更有利于提高生物干化效率。

3.6机械翻堆

翻堆是通过翻倒、搅拌、混合等方式使物料、氧气、温度和水分等均匀化，起到混合物料、供给空气、增加空隙率、散失水分等作用，提高生物干化的脱水效率。翻堆对于现代化、机械化的生物发酵技术具有重要的作用，也是动态发酵与静态发酵技术的区别依据。吕育财等人研究发现，翻堆后可使堆体内氧气体积分数达18.5%，翻堆结束后堆体内的氧气在半小时内耗尽，翻堆后虽堆体温度下降，但在微生物好氧呼吸的作用下，堆体温度迅速上升，在30min内即可恢复到翻堆前温度［11］。韩竞耀等研究表明，翻堆能进一步改善污泥干化效果，在适宜通风量条件下，每两天翻堆1次，产物含水率为53%，水分去除率达0.47kg/kg［12］。

4　污泥生物干化的应用前景

4.1资源化前景

生物干化明显改善了污泥的生物、化学和力学的稳定性等性质，污泥减量化作用效果显著，更便于污泥的运输和存储，也为后续的土地利用、焚烧和填埋等多种用途奠定了良好的基础。无论后续采用何种处理方式，污泥干化、减量化将成为污泥处理首要解决的问题，因此污泥干化作用将起到日益重要的作用。国家颁布的《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质》（GB/T23485-2009）已明确规定污泥用于混合填埋时，污泥含水率必须低于60%。同时国家对污泥用于单独焚烧、土地利用和园林绿化等处置方式，也分别严格规定了对污泥的要求。污泥经过生物干化后，含水率均能达到上述用途的要求，拓宽了污泥的资源化利用。

4.2技术经济前景

生物干化是利用自身的发酵生物热，无需外加热源，同时微生物代谢过程活化了污泥内部水分，使其更易散失，提高了污泥的脱水效率。目前国内外污泥干化技术多采用热干化的形式，其电能消耗量大，成本过高。新的热干化技术如太阳能或太阳能—地源热泵、微波干化等新型技术在能源消耗上已有一定的改善。但太阳能干化技术占地面积大、受自然条件影响大、效果不稳定等问题，决定了其无法取代传统的热干化技术，而且太阳能干化技术效率较低无法适应较大规模污泥处理的应用。与热干化技术相比，生物干化的明显优势在于好养生物通过发酵过程产生生物热来起到干化效果，属于内源热，热量由内向外传递，水分也由内向外同向散发，温度和湿度梯度方向一致，提高了传热系数，干化效率显著提高，并且节约能源［13］。因此，理论上生物干化技术是适合我国目前的经济实力和发展现状的一种经济、节能、环保的污泥处理技术。

4.3政策前景

《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施规划》中明确提出，到2015年，县城及重点镇污泥无害化处置率达到30%，其他设市城市达到70%，直辖市、省会城市和计划单列市达到80%。“十二五”期间，全国累计建设城镇污泥厂处理量约518万吨（干泥）/年，其中，建制镇37万吨/年，县城98万吨/年，设市城市383万吨/年；西部地区106万吨/年，中部地区124万吨/年，东部地区288万吨/年。同时“十二五”期间，国家有关部门又颁布了一系列的政策、标准与技术指南文件，鼓励我国污泥处置产业的发展，促进污泥处理技术的研究、应用和推广。生物干化的独特技术优势，完全符合我国污泥 “稳定化、无害化、减量化、资源化” 处理原则，必将具有良好的应用前景。

参考文献：

［1］ 国家住建部.关于全国城镇污水处理设施2013年第一季度建设和运行情况的通报［Z］.2013.

［2］ JeweHWJ，DonderoNC，Van Soest P J，et al.High temperature stabilization and moisture removal from animal wastes for byproduct recovery［R］.Final reportpreparedfor thecooperative state research service，USDA，Washington，DC. 1984.SEA/CR 616-15-168-169.

［3］ Wiemer K， Kern M. Abfall-Wirtschaft：Neuesausforschung und praxis. Witzenhausen：M.I.C.Baeza-Verlag Publisher，1996. 571-603.

［4］ 王逊，屈森虎，陈媛，等.城市污泥堆肥用于林业土壤基质的可行性研究［J］.环境科技，2011，S1：110-115.

［5］ 郭广慧，杨军，陈同斌，等.中国城市污泥的有机质和养分含量及其变化趋势［J］.中国给水排水，2009，13：120-121.

［6］ 秦莉，沈玉君，李国学，等.不同C/N比对堆肥腐熟度和含氮气体排放变化的影响［J］.农业环境科学学报，2009，12：2668-2673.

［7］ 袁进，魏永杰，于芳芳. 污泥堆肥处理影响因素研究［J］.化肥工业，2008，35 （3）：32-35.

［8］ 李季，彭生平.堆肥工程实用手册［M］.北京：化学工业出版社，2011.

［9］ 蒋建国，杨勇，贾莹，等.调理剂和通风方式对污泥生物干化效果的影响［J］.环境工程学报，2010（5）：1167-1170.

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［11］ 吕育财，王俊刚，李宁，等.间歇式曝气与人工翻堆对堆肥化进程的影响［N］.中国农业大学学报，2013，18（1）：69-75.

［12］ 韩竞耀，何品晶，张冬青，等.通风量和翻堆对生活垃圾好氧生物干化的影响［J］.环境卫生工程，2008（3）：23-25.

［13］ 邹惠芬，费颖超，赵雷，等.污泥生物干化机理的探讨，沈阳建筑大学学报（自然科学版）［N］.2 0 l 3，29（1）.

Sludge Bio-dried Technique and Application Prospects

PENG Wen， ZHANG Yong， ZHAO Wei-bing， YANG Lei-feng
（Machine Development of Science and Technology Co.， Ltd， Beijing 100044， China）

Abstract:On the basis of aerobic fermentation， the biological dried technique uses degradable organic matters decomposition and produces the bio-quantity of heat， it promotes the water quick dissipation of materials and reduces the containing water rate through aeration and turning over process. In comparison with other sludge dried technique， the biological dried technique is provided with economy， energy saving， environmental protection and a favorable prospect in application， development and popularization.

Keywords:urban sludge； biological dewater； infuence factor； prospect

中图分类号：X703

文献标志码：A

文章编号：1006-5377（2016）05-0037-04