不同调理剂对污泥堆肥过程温度和氧气变化的影响

李明峰，刘永德，高爱华，冯 晨，于建华

(1.郑州市污水净化有限公司，河南 郑州 450051；2.河南工业大学 化学化工学院，河南 郑州 450001)



不同调理剂对污泥堆肥过程温度和氧气变化的影响

李明峰1，刘永德2，高爱华1，冯 晨1，于建华1

(1.郑州市污水净化有限公司，河南 郑州 450051；2.河南工业大学 化学化工学院，河南 郑州 450001)

以玉米芯、花生壳和小麦秸秆作为有机调理剂，研究了添加不同调理剂对污泥好氧发酵过程的参数温度、氧气以及初始参数含水率变化的影响。研究结果表明: 不同的调理剂对过程参数温度、氧气和初始参数含水率均有一定的影响。添加不同调理剂的混合物料，花生壳和小麦秸秆的升温速率最高，且高温期时间较长，物料内部氧气含量在每个鼓风周期内逐渐递增，而耗氧速率则反之。添加不同调理剂的混合物料，花生壳和小麦秸秆微生物大量繁殖且耗氧速率显著，而添加玉米芯的物料最后脱水效果最佳，花生壳和小麦秸秆次之。考虑到玉米芯和花生壳对生产成本的影响，建议用污泥和小麦秸秆进行污泥好氧堆肥。

污泥；堆肥；氧气；温度；调理剂

1　引言

污泥好氧堆肥是目前主要的处置农产品有机物的方式，其本质就利用好氧微生物的作用，对有机物进行氧化吸收分解最终形成稳定的无害化的无机物的过程。污泥进行堆肥处理后不仅可以作为营养土出售又可以实现污泥的“四化”，减少对环境的二次污染[1，2]。通常污泥的碳氮比较低，需添加调理剂调节物料的碳氮比，使堆肥时能够快速升温提高堆肥品质[3～5]。Iranzo[6]在研究中发现，仅用城市污泥自身发酵，由于碳氮比只有7左右，导致微生物活性不高；添加有机稻壳碳氮比调整为20左右后，微生物活性最强，耗氧速率最佳。Kulcu等[7]用松果调节堆肥的自由空域，分别做了4个处理发现：将自由空域控制在32.8%比控制在22.6%、26.7%和39.7%堆体降解有机质的速率最大。姚岚等[8]的研究结果表明，添加秸秆的污泥高温期维持5d以上，且完全达到了无害化的要求；pH值稳定在8左右，脱水效果较好，堆肥一切顺利。因此，根据不同地区实际情况筛选最佳的调理剂是保证成功堆肥的基础。笔者采用静态强制鼓风堆肥工艺，研究不同调理剂对污泥好氧发酵堆肥过程的影响，以期为堆肥工艺条件的优化，为有机废弃物资源化提供技术支持。

2　材料和方法

2.1试验材料

试验污泥来自于郑州市五龙口污水处理厂的脱水污泥，其含水率为79.89%，有机质含量为52.84%。所选用的调理剂玉米芯、花生壳和小麦秸秆均来源于周边村庄农业废弃物，其含水率分别为6.94%、6.79%和6.24%，粒径均为0.2 cm左右，有机质含量分别为96.38%、95.46%和89.23%。

2.2试验设计与方法

按照试验的污泥/调理剂质量比(m/m)为4∶1，共设置3个处理方法。分别为：处理1污泥+玉米芯；处理2污泥+花生壳；处理3污泥+小麦秸秆。经过处理混合后含水率分别为62.81%、63.31%和63.89%。

将混合后待发酵物料积于能够耐腐蚀耐高温模拟发酵罐中。试验所用装置底部均安装了特制微型罗茨风机和布气、鼓风系统，装置顶部有预留孔可以实现在线监测堆体温度、氧气、氨气、硫化氢等气体的。好氧发酵控制过程的原理是利用自动控制系统中的温度反馈来控制风机运行，其发酵过程中的温度、氧气数据利用复合探杆自动监测实时传输。采用烘干法测定含水率[9]。

3　结果与分析

3.1堆体各处理的温度变化

温度是成功堆肥的关键参数同时也是重要指标，它直接反映能否发酵成功和实现无害化[5]。在好氧堆肥过程中，添加不同的调理剂对堆体的温度和发酵品质都会产生影响，因而适宜的调理剂不仅能促使堆体温度升高而且延长高温时间。

如图1所示，3个处理的温度动态变化曲线基本一致。各处理温度均经历了升温起，高温期和降温期3个阶段。堆肥刚开始进行，物料中富含易分解的有机物，微生物迅速大量的繁殖，物料内部产生大量生物热能，从使物料温度快速升高，1d内各处理全部完成。

在快速升温期各处理间的温度差别并不是很大，快速升温结束后进入高温持续期(>50 ℃)；在高温期阶段，不同的处理温度存在着一定的差异，在高温前期，处理1的温度最低，处理2次之，处理3的温度最高，3个处理过程呈现出明显的层次性。处理3的温度最高，处理2 温度次之，处理1的温度较差。处理3的高温期维持11 d温度最高，各处理第12 d开始进入降温期，温度变化曲线基本相同。

图1　污泥堆肥过程中温度的动态变化

堆肥期间，处理1和处理2分别添加的是玉米芯和花生壳两种调理剂，因而从图1还可以看出，不同调理剂的添加对堆体温度变化是有一定影响的。升温期，微生物活性不强，添加玉米芯(处理1)堆体蓬松孔隙率大不易压实，鼓风时堆体氧气保有量充足，微生物活性增强。因鼓风会吹脱带走一部分堆体内部的温度，所以堆体储热较差，高温时间短。添加花生壳组(处理2)堆体相对处理1蓬松度和孔隙度小，鼓风可以满足微生物需求，微生物消化吸收分解有机物产生的热量在堆肥内储存，堆体物料高温期时间和最高温度得以保证。该阶段的温度低于处理3。处理3添加小麦秸秆，堆体空隙度和蓬松度适中，微生物活动所需氧气均得以满足，因而堆体物料高温期和最高温度得以保证同时能达到无害化和稳定化的要求。

3.2堆体的氧气动态变化

3.2.1鼓风结束时堆体的氧气含量

污泥发酵采用静态间歇式强制鼓风，鼓风刚结束时堆体的充氧量可以反映堆体物料的通气性[10],其过程是好氧微生物消耗堆体内氧气后，通过鼓风又可以补充堆体内氧气[11]。

图2　鼓风结束时堆体的氧气动态变化

由图2可以看出，各处理鼓风结束时堆体氧气含量均在15%以上时有显著性差异。处理2出现在发酵第3d，而处理3在第8 d以后，处理1就较差。随着堆肥的进行，各处理的氧气含量逐渐增加，通过鼓风堆肥结束时堆体内氧气含量基本可以达到19%左右，处理1除外。由于处理1的温度(图1)整个发酵过程中较前两个处理低，微生物活性弱。堆肥过程中，鼓风结束时处理2的氧气含量要好于处理1和3，这表明采用花生壳、小麦秸秆可以使堆体有良好的空隙结构，达到良好的鼓风供氧，保持堆体的好氧状态。

3.2.2鼓风前堆体的氧气含量

鼓风前堆体物料内氧气含量直接反映了堆体物料内微生物的活性所需要的氧气和内部结构的通气性，其过程是在一个鼓风周期内堆体物料内氧气经微生物消耗后处于好氧或者厌氧的状态[12]。

由图3可以看出，前期阶段3个处理过程的最低氧气含量都比较低，伴随着物料发酵的进行，最低氧气含量呈现递增趋势。总体情况下，处理2的最低氧气始终高于处理1和3，在堆肥前7 d过程中处理1要高于处理3，从第7 d以后处理3高于处理1。到发酵结束时，3个处理间差距逐渐缩小，最低氧气含量均在16% 以上。结果表明处理2和3堆体的孔隙结构较好，鼓风状况也良好，微生物始终处于好氧状态，能满足鼓风间隔期间好氧微生物对氧气的需求。

图3　鼓风前堆体的氧气动态变化

3.2.3堆体的耗氧速率的动态变化

由图4所示，在发酵的过程中，耗氧速率总体趋势是先高后小，最后趋于平缓。具体表现是升温期高，高温期减小，降温期趋于平缓。各处理耗氧速率的最大值均在堆肥快速升温期(第1 d)，这是由于在升温期，物料富含大量易分解的有机物和适宜水分，有利于微生物迅速大量繁殖和有机质分解，故微生物活性高耗氧速率快。随着堆肥的进行中，进入高温期后，由于中低温菌被灭活和易分解的有机物逐渐减少，微生物活性减弱，耗氧速率逐渐变小。

发酵前期处理3的耗氧速率最高，处理2和处理1次之，随着好氧发酵的进行，差距逐渐缩小。第10 d以后，处理1和处理2耗氧速率基本相同，但是发酵前5 d处理3的耗氧速率最高，处理2和处理1次之。处理2的耗氧速率变化缓慢，由于堆体的孔隙度和蓬松度不是太好，发酵进行中可能出现压实现象，阻碍氧气向堆体内部扩散，导致微生物活性降低，耗氧速率变化缓慢。处理1从第5 d后耗氧速率逐渐增加，第7 d之后高于处理2和处理3的耗氧速率。从整个堆肥过程中，处理1的耗氧速率要显著高于处理2和处理3，表明处理1的微生物活性高于处理2、3，氧气利用效率高。

3.3堆体含水率动态变化

含水率是污泥堆肥发酵的重要初始参数，物料的脱水效果直接反映堆肥发酵的品质效果。添加合适的调理剂对污泥堆肥发酵升温效果的影响也尤为重要。如图5所示，添加不同调理剂堆肥，3个处理的含水率变化趋势基本一致。物料含水率随着堆肥发酵时间均逐渐降低，脱水效果的层次效应显著。

图4　堆体的耗氧速率的动态变化

处理1、2和3含水率分别由开始堆肥时的 62.01%、63.11%和64.32%，降为50.47%、53.26%、55.61%，水分含量分别下降了18.61%、15.47%和13.54%。3个处理中处理1的脱水效果明显高于处理2和处理3，处理3最差。从发酵第7d后，3个含水率曲线变化明显。处理1含水率降幅较大，由于添加的玉米芯具有良好的骨架通气性强，有利于气体的吹脱和蒸发扩散。处理2由于添加的调理剂使堆体的透气性基本适宜，有助于高温期温度维持一定时间，微生物活动产生一部分代谢水分，堆体水分蒸发没有处理1明显。处理3由于升温速率较快，高温期温度稳定维持时间较长，微生物活动所需氧气供应充足，活性很高生产水分较多，所以含水率降幅较小。

图5　污泥堆肥过程中含水率动态变化

4　结论

研究表明，添加不同调理剂对过程参数温度、氧气和初始参数含水率均有一定的影响。处理2和处理3的混合物料升温速率最高，且高温期时间较长。物料内部氧气含量在每个鼓风周期内逐渐递增，而耗氧速率则反之，发酵过程中微生物大量繁殖，耗氧速率显著。各处理的物料含水率随着发酵的进行逐渐降低，其中，处理1脱水效果较好，处理2和处理3次之。考虑到玉米芯和花生壳对生产成本的影响，建议污泥和小麦秸秆进行污泥好氧堆肥。

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Effect of Different Bulking Agents on the Dynamic Changes of Temperature and Oxygen During Sewage Sludge Composting

Li Mingfeng1,Liu Yongde2,Gao Aihua1,Feng Chen1,Yu Jianhua1

(1.ZhengzhouSewagePurificationCo.Ltd.,Zhengzhou,Henan450051,China;2.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou,Henan450001,China)

Corn cob, peanut shell and wheat straw were used as organic bulking agents in the present study, and we explored the influence of different bulking agents on the temperature, oxygen and moisture content of the initial parameters change during the process of sludge aerobic fermentation. The results showed that each different bulking agents had certain impact on the process parameters such as temperature, oxygen and moisture content of the initial parameters. When adding the mixture of different materials, peanut shell and wheat straw, the highest heating rate

swage sludge; composting; oxygen; temperature; bulking agent

2016-06-20

郑州市重大科技专项(编号：141PZDZX045)

李明峰(1985—)，男，助理工程师，硕士，主要从事固体废弃物资源化研究工作。

S141.4

A

1674-9944(2016)16-0029-04

and a longer high temperature period occurred. Oxygen content in internal material incrementally increased gradually in each cycle of the blast, and oxygen consumption rate was on the contrary. When adding the mixture of different agents, peanut shells and wheat straw had microbial blooms and significant growing oxygen consumption rate, while the final dehydration effect of added corn cob material was the best, followed by peanut shells and wheat straw. Considering the influence of corn cob and peanut shells on the cost of production, it was recommended to use sludge and wheat straw for sludge aerobic composting.