不同C/N比的村镇剩余污泥堆肥资源化研究

马　瑶，王宏哲，彭举威，蒋宝军(吉林建筑大学 市政与环境工程学院，长春130118)



不同C/N比的村镇剩余污泥堆肥资源化研究

马瑶，王宏哲，彭举威，蒋宝军(吉林建筑大学 市政与环境工程学院，长春130118)

摘要：污泥堆肥化是复杂的生物化学反应过程，调理剂的配比量、通风量、腐熟程度等对堆肥效果均有明显的影响.针对整个污泥好氧堆肥过程中调理剂的配比对堆肥效果的影响进行了试验研究，探讨了3种不同C/N对污泥好氧堆肥效果的影响.将脱水污泥与锯末的混合物进行堆肥处理，并通过对堆肥过程中的温度、含水率、有机质、pH、以及碳、氮、磷的含量在堆肥过程中的变化情况进行分析，探讨好氧堆肥的腐熟度问题，了解堆肥工艺参数及变化规律，最终试验的研究结果将为资源化利用村镇污水厂的剩余污泥提供技术和理论的依据与参考.

关键词：村剩余活性污泥；好氧堆肥；温度；含水率；pH值

随着我国经济的飞速增长，村镇紧跟城市环境发展的步伐，不断兴建污水处理厂，然而大量污水处理产生的剩余污泥的处理却成为我国的难题之一.剩余污泥是指污水处理厂水处理结束后经浓缩、脱水后排出泥块或泥饼，它含有大量的水分、丰富的有机物以及氮、磷、钾等营养元素，还含有重金属及病原菌等有害物质，如果不经合适处置就任意排放，不仅对环境造成二次污染，同时也会对资源造成严重的浪费[1].目前国内外的剩余污泥的主要的处置方法主要有，土地填埋、大海投弃、焚烧、堆肥化后土地利用等.其中，污泥堆肥与其他几种污泥处置方法相比，建设投资少，运行费用低，几乎不产生二次污染[2-3].而堆肥化后农用资源化，是我国当前污泥处理技术中的最符合我国国情的处置方法[4].治理污水污泥刻不容缓，好氧堆肥化还有待进一步的深入研究，本文针对堆肥影响因素，进行了调理剂配比量不同的好氧堆肥实验研究.

1实验装置与方法

1.1污泥堆肥装置

本实验使用的是不锈钢垃圾好氧堆肥发酵反应器对剩余污泥及物料进行好氧堆肥实验，此反应器由空气泵、空气流量计、主体装置构成.装置设计有强制通风系统并在装置底部设置有水浴控温的回流装置.反应器的主体结构为不锈钢桶体，主体内径29 cm，外径为30 cm，高度为50 cm，有效体积大约35 L，桶体外部有水浴控温的夹层，夹层厚度为1 cm，流量计连接的曝气管直径为1 cm.堆肥工艺路线图如图1所示.

图1　污泥好氧堆肥工艺流程图

1.2实验材料与配比

实验所使用污泥为长春市东南污水处理厂的剩余污泥，该水厂处理工艺为氧化沟处理，剩余污泥选用脱水污泥，其物理、化学性质很稳定，含有丰富的微生物种群，达到了污泥堆肥化的要求指标.实验过程中所需要的调理剂为锯末、秸秆，调理剂均采集于长春市周边家具厂及农业地区.其中，污泥性质如表1所示，调理剂的基本性质如表2所示.

表1　堆肥污泥基本性质

表2　调理剂性质

1.3实验指标测定及分析方法

1.3.1物理及化学指标测定方法

试验过程中所有原料(剩余污泥、锯末)，堆肥各时期采集的样品常规分析的化学指标分析方法如下：含水率采用烘箱内105 ℃条件下烘4 h减重法；有机质采用马弗炉内600 ℃条件下灼烧2 h减重法；电导率测定采用电导率仪测定质量比为1∶10的污泥水(去离子水)提取液；pH值测定采用pH计测定质量比为1∶10的污泥水提取液.

1.3.2污泥堆肥系统

试验采用污泥好氧堆肥反应器.脱水污泥取自长春市东南污水处理厂，调理剂锯末取自长春市周边家具加工厂.向堆体内添加锯末的目的是为了调节堆体的C/N比，并且有助于使堆体通风顺畅.为了堆体的C/N比和孔隙率在适宜好氧堆肥的条件下，组一堆体内采用污泥与填充料的质量配比约为污泥:锯末 =10∶1，组二堆体内污泥与调理剂的质量配比约为污泥:锯末=1∶1，组三堆体内污泥与调理剂的质量配比约为污泥∶锯末=1∶2.按此配比，组一堆体理论C/N比为25，组二堆体理论C/N比为20，组三堆体理论C/N比为30.脱水污泥与一定量的锯末充分搅拌混合均匀调节至合适的含水率，然后进行好氧发酵，每两天对堆体进行翻堆一次以降低堆体颗粒直径，增加堆体空隙率及透气性，并测定堆肥过程中的温度、含水率、有机质含量的变化.本次堆肥实验指标测定方法均采用《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质》(CJ-T309-2009)中所规定的测定方法；堆肥成品符合《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284-84)中所规定的标准.堆肥材料配比及运行参数见表3.

表3　材料配比及运行参数

1.3.3C/N比的确定

堆肥化过程中，碳素是堆肥微生物的基本能量来源，也是微生物细胞构成的基本材料.堆肥微生物在分解含碳有机物的同时，利用部分氮素来构建自身细胞体，氮还是构成细胞中蛋白质、核酸、氨基酸、酶、辅酶的重要成分.

据研究，一般情况下，微生物每消耗25 g有机碳，需要吸收1 g氮素，微生物分解有机物较适宜的C/N为25左右.C/N过高，微生物生长繁殖所需的氮素来源受到限制，微生物繁殖速度低，有机物分解速度慢，发酵时间长；有机原料损失大，腐殖质化系数低；并且还会导致堆肥产品C/N高，施入土壤后易造成土壤缺氮，从而影响作物生长发育.C/N过低，微生物生长繁殖所需的能量来源受到限制，发酵温度上升缓慢，氮过量并以氨气的形式释放，有机氮损失大，还会散发难闻的气味.合理调节堆肥原料中的碳氮比，是加速堆肥腐熟，提高腐殖化系数的有效途径.

1)堆肥配方计算公式

对单个组分来讲，必须知道其水分含量、氮含量(%，干重)和碳含量(%，干重)以及C/N比.若要把重量转变为体积或相反，则还要知道每一成分的比重.

2)单个原料计算公式

水重量=总重量×水分含量

干重=总重量-水重量=总重量×(1-水分含量)

氮含量=干重×(含氮%÷100)

碳含量=干重×(含碳%÷100)=氮含量×C/N比

3)混合物料一般计算公式

水分含量=

a、b、┅ =原料a、b、┅的总重量

Ma,、Mb、┅ =原料a、b、┅的水分含量

%Na、Nb、┅ =原料a、b、┅的氮含量(干重%)

%Ca、Cb、┅ =原料a、b、┅的碳含量(干重%)

2结果与讨论

2.1温度的变化

温度是影响剩余污泥好氧堆肥效果的重要因素.好氧堆肥化既可以在中温阶段30～38 ℃(85～100 ℉)进行，还可以在55～60℃(131～140 ℉)高温阶段下进行[5-8].在堆肥过程中由于微生物的好氧呼吸是放热反应，同时降解有机质并利用降解

有机质所产生的物质及能量进行微生物自身代谢以及细胞的合成，并产生CO2和水，所以堆肥过程中产生大量热量使堆体的温度上升.

三组堆体的温度变化如图2所示：三组堆体的初始温度分别为22、 20、16 ℃，三者均在6～8 d内达到最高温度，最高温度分别为42、37、22 ℃，并能在最高温度上保持3～5d左右.由于组一堆体所添加调理剂的比例适宜，C/N比维持在25，孔隙率较大，堆体通风比较充分，堆体内好氧微生物活性更高，对易降解有机物进行充分降解，所以组一的堆体温度升高更快更高.堆肥过程中由于易降解有机物的不断减少，微生物降解所产生的热量不足以弥补散失掉的热量，三组堆体的温度开始逐渐下降，并在17 d后趋于稳定.

图2　堆肥过程中温度的变化

2.2含水率和有机质的变化

水分对于微生物的生长及代谢，堆体中有机物的分解是至关重要的，含水率的多少是体现堆肥过程好坏的一项重要指标，最佳的好氧堆肥的含水率最好可以控制在50%～60%的范围内.当污泥的含水率过低时可以通过加入高含水率的物料来进行调节[9-10].同时在污泥堆肥过程中，含水率的变化主要是由于有机物的氧化分解产生水分，另外由于通风曝气及搅拌作用以水蒸气形式挥发而降低.堆肥结果如图3所示，三组堆体的含水率整体上都呈现下降的趋势，三者初始含水率分别为69.52%、66.70%和68.32%，堆肥结束时分别为41.29%、43.23和54.56%，分别下降了28.23%、23.47%和13.76%.组一堆体与组二堆体的含水率比组三的含水率降低的更明显，污泥减量化效果更显著.

图3　堆肥过程中含水率的变化

堆肥过程中，有机质是微生物赖以生存和繁殖的重要物质基础，有利于堆肥过程正常进行的有机质含量为20%～80%[11].本实验中组一堆体的有机质含量由最初的62.51%下降到了51.80%，组二堆体的有机质含量由最初的58.77%下降到了49.62%，组三堆体的有机质含量由最初的63.39%下降到了52.38%.三组堆体的有机质含量都呈下降趋势，主要是由于有机物的降解，初期有机质下降速度迅速，后期降解速度相对平缓并且趋于稳定.

2.3pH值的变化

pH值是影响堆肥进行的因素之一，也是影响微生物活动的环境因素.只有适宜的pH值才能有好的堆肥效果，适宜的pH值不仅仅能够为微生物提供一个良好的生存环境，也能保留堆体中有效成分[12].堆体的pH变化一方面由于噬温性微生物的生长繁殖温度升高，反应产物为有机酸，从而导致pH值的降低，另一方面是由于含氮有机物分解产生NH4+—N而导致pH值上升[13-14].图4是本试验三组堆体的pH变化曲线，从图4中可以看出，堆肥初期pH值随堆肥的进行而升高，三组堆体的pH值分别从初始的6.69、6.69和6.70上升到7.12 、7.21和7.26，其中组三堆体的pH值在上升到7.26的过程中有两次先下降后上升的过程，这主要与有机酸的阶段性积累及NH4+—N的散失有关.随着堆肥的进行，三组堆体的pH值逐渐下降并趋于稳定.到堆肥结束时，三组堆体的pH值分别为7.01、7.11和6.79.

图4　堆肥过程中pH值的变化

3结论

1)通过三组堆体的对比实验，经过30 d以上的好氧堆肥，质量比为(污泥∶锯末)10∶1的堆体堆肥效果较好.在堆肥过程中含水率、有机质都有了明显的降低，温度维持在中温发酵，pH值在合理范围内变化，符合堆肥的要求标准.

2)堆肥后的产品含有较高营养元素，并且堆肥成品符合《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284-84)中所规定的标准.对此村镇污水厂的剩余污泥进行农用资源化具有可行性.

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Recycling study on rural surplus sludge compost of different proportion of C/N

MA Yao, WANG Hong-zhe, PENG Ju-wei, JIANG Bao-jun

(School of Municipal & Environmental Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, china)

Abstract：Sludge composting is a complex biochemical reaction process. The conditioner, ventilation rate and degree of rotten have obvious effect on compost. At present, there have been many studies of the influence factors of sludge compost, so for the entire ratio of sludge conditioner in the process of aerobic composting of compost effect were studied. The effect of three different C/N on sludge aerobic compost was emphatically investigated. The dewatered sludge compost was treated with a mixture of sawdust, and the composting process of temperature, moisture content, organic matter, pH and the change of the content of carbon, nitrogen, phosphorus were analyzed in the composting process. The aerobic composting rotten degree problem was discussed, and the composting process parameters and change rule were understood. The final test results would provide technical theory basis and reference for the recycling use of the villages and towns sewage plant sludge.

Key words：village surplus activated sludge; aerobic composting; temperature; moisture content; pH

中图分类号：X703

文献标识码：A

文章编号：1672-0946(2016)01-0029-04

作者简介：马瑶(1990-)，女，硕士，研究方向：污泥处理处置与资源化技术.

基金项目：吉林省环境保护厅科研项目(吉环科字第2011-28号)

收稿日期：2015-09-10.