我国北方城市污泥好氧发酵特点与运行策略优化

2018-06-27王磊

城市道桥与防洪 2018年6期

王磊

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

污泥好氧发酵是通过好氧微生物的代谢作用，使污泥中有机物转化成腐殖质的过程，代谢过程释放的热量可使堆体温度升高至55℃以上，促进水分蒸发，并杀灭病原菌、寄生虫卵和杂草种籽，实现污泥减量化、稳定化和无害化。

温度是污泥好氧发酵工程运行控制的核心[1]：温度控制是污泥减量化的基础，微生物降解有机物释放热量使堆体温度升高，促使污泥中水分蒸发，实现污泥减量化；温度控制是污泥稳定化的必要条件，污泥中蛋白质、纤维素等氧化分解释放出热量使温度升高，同时温度的升高也加快了有机质的分解，二者相辅相成；温度控制是污泥无害化的重要手段，污泥唯有经过连续三天55℃以上的高温，方可杀灭99%的寄生虫卵和病原菌，使发酵产物符合卫生学指标。

我国北方城市夏季和冬季环境温度差别较大，污泥好氧发酵工程运行策略也应根据环境温度变化有所不同。本论文以北方某城市污泥好氧发酵工程为研究对象，分析了北方城市夏季和冬季气候特点、污泥泥量特点以及污泥好氧发酵特点，并从物料配比、曝气方式、通风除臭等方面对污泥好氧发酵工程运行策略进行了优化研究，以期为北方城市污泥好氧发酵工程的设计和运行管理提供借鉴。

1 北方城市污泥好氧发酵特点

1.1 气候特点

与南方城市相比，我国北方城市夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，夏季和冬季气候差异较大。某典型北方城市2012年～2014年不同月份气温变化见表 1，3月～11月平均最低气温高于6℃，平均最高气温高于19℃；而12月～2月气温与其他月份相比明显较低，平均最低气温为-8℃，平均最高气温仅为3℃。

不同月份气温的差异会影响到发酵堆体曝气温度和发酵车间环境温度，因此北方城市污泥好氧发酵工程的运行管理策略需根据气温特点而进行调整，尤其需考虑12月～2月较低的环境温度对好氧发酵工程运行的影响。

表1 2012年～2014年北方某城市不同月份气温特点

1.2 污泥产量特点

城镇污水处理厂污泥产率受气温等气候条件的影响较大，而污泥产量的波动会直接影响后续污泥处理工程的运行规模和管理策略。本研究对该城市10座城镇污水处理厂2012年～2014年的污泥产率进行了调研分析，图 1为这10座污水处理厂不同月份的平均污泥产率。12月～2月和3月～5月污泥产率较高，平均污泥产率分别达到2.23 tDS/万 m3和 2.28 tDS/万 m3，6 月～8 月污泥产率降低至2.15 tDS/万m3，9月～11月污泥产率则进一步降低至1.97 tDS/万m3，即冬春季节污泥产率较高，夏季污泥产率次之，秋季污泥产率最低。

图1 北方某城市不同月份污泥产率变化

城镇污水处理厂不同月份污泥产率的差异导致污泥产量波动，后续污泥处理设施运行规模也会受到影响，好氧发酵设施运行管理策略需根据泥量波动进行相应调整，在冬春季节采取措施提高污泥处理能力。

1.3 污泥好氧发酵特点

1.3.1 发酵工艺

不同月份气温的差异会影响到发酵堆体曝气温度和发酵车间环境温度，进而对污泥发酵温度和发酵进程产生影响。北方某污泥好氧发酵工程夏季（8月）和冬季（1月）堆体温度变化特点见图2，其中夏季和冬季物料配比、强制通风风量等关键工艺参数基本一致。夏季物料发酵4 d后堆体温度即可迅速升高至55℃，并在55℃以上保持7 d（最高温度高达69℃），发酵13d后堆体温度降低至40℃以下，熟料含水率降低至35%～40%。而冬季堆体升温速度明显减慢，发酵7 d后堆体温度才升高至55℃，在55℃以上仅保持4 d（最高温度为60℃），发酵14 d后堆体温度仍然在40℃以上，物料含水率仍然高达45%左右，表明物料仍未彻底完成发酵过程。

图2 冬季和夏季污泥好氧发酵堆体温度变化

在污泥好氧发酵过程中，堆体底部的强制通风对堆体升温和水分蒸发具有关键作用。北方城市冬季气温较低，冷空气通过强制通风穿过堆体会带走大量热量，降低堆体温度，影响发酵进程。因此，北方城市污泥好氧发酵工程冬季和夏季应根据气温变化采用不同的通风模式和通风量。

此外，由于冬季和夏季北方城市污泥好氧发酵工程运行效果存在较大差异，熟料含水率也明显不同。该污泥好氧发酵工程夏季熟料含水率可降低至35%～40%，而冬季发酵熟料含水率却仍然高达45%左右。因此，采用辅料和熟料调节污泥含水率和密度时，污泥、熟料和辅料的比例也应根据季节进行相应优化调整。

1.3.2 处理能力

2013年该污泥好氧发酵工程不同月份日均脱水污泥处理量见图 3。2013年6月～8月日均污泥处理量最高，达到120 t/d（以80%含水率计，下同）；3月～5月和12月～2月日均污泥处理量分别为91 t/d和70 t/d，显著低于6月～8月污泥处理量。而3月～5月和12月～2月污泥产量明显高于6月～8月，导致冬春季节好氧发酵设施处理能力与污泥产量之间的缺口尤为明显。

图3 2013年污泥好氧发酵工程不同月份污泥处理能力

污泥好氧发酵设施处理能力受堆体高度、发酵周期等因素影响。堆体高度越高，污泥处理量越大，但物料自压实作用越强，最大堆体高度应以物料仍具有透气性为界。当污泥量较大时，适当提高辅料比例可以降低物料含水率、减小物料堆积密度、提高物料透气性能，进而提高堆体堆高和发酵仓处理能力。因此，北方城市污泥好氧发酵工程应根据污泥泥量特点调整辅料投加比例，使发酵设施处理能力与污泥量相匹配。

1.3.3 发酵仓引风

在污泥发酵堆体底部强制曝气过程中，物料中的水分随着空气对流而被带出堆体，发酵过程中产生的臭气也同时被气流吹脱。发酵仓上部空间通风过程一方面可及时排走发酵仓上部水汽，另一方面可以将臭气引至除臭设施。该城市污泥好氧发酵工程设计单仓曝气量10 000 m3/h，设计抽风机引风量12 000 m3/h，理论上存在20%的富余引风量。然而通过曝气进入堆体的空气温度为室温，流经堆体后气体温度升高，气体体积大幅膨胀，远超出设计引风能力，尤其是冬季堆体温度和室温差距较大，引风能力不足现象愈加明显，水汽无法及时排走，在发酵仓顶凝结后掉落，不仅造成设备腐蚀，也提高了物料含水率。

因此，冬季北方城市污泥好氧发酵工程一方面应加大发酵仓引风量，及时排走水汽；另一方面应提高发酵仓保温效果，防止水汽在仓内冷凝。

2 污泥好氧发酵优化策略

针对北方城市冬季和夏季气候特点、污泥产量特点以及污泥好氧发酵特点，以该污泥好氧发酵工程为案例，从物料配比、曝气方式、发酵仓引风等3个方面对污泥好氧发酵工程运行策略进行优化。

2.1 物料配比

氧气从物料表面向内部的扩散是好氧发酵过程的瓶颈，动力学分析表明氧气能够向内传递的深度远远小于1mm[3]，物料具有适宜的比表面积和透气性对氧气的扩散至关重要。脱水污泥含水率高，且致密、粘稠、透气性差，并不适合直接进行好氧发酵，需添加秸秆、锯末等辅料或者返混发酵熟料进行调节改性，以形成比表面积大、性状疏松、透气性良好的物料体系。

物料堆积密度和含水率是影响透气性的关键因素。Seekins等[4]认为，当堆体的堆积密度大于0.73 t/m3时不利于堆体的通风。北京庞各庄污泥好氧发酵生产运行发现，条垛式堆肥物料起始含水率不宜高于60%，在低于55%的情况下，基本可以杜绝升温慢或发酵不利的情况[5]。此外，好氧发酵过程中迅速升温、迅速蒸发水分，在脱水的同时使物料比表面积增加，也可增加物料透气性，使污泥好氧发酵过程进入良性循环。北方城市冬春季节污泥量大、好氧发酵升温速度慢，需要适当降低入仓物料含水率、减小物料堆积密度，以提高好氧发酵效果和设施处理能力。

在该城市污泥好氧发酵工程的实际运行中，调理剂投加比最初为15%（生污泥质量比），全年各月保持不变，由于投加量不大，夏季运行效果没有得到显著提升，冬季运行改善也极为有限，制约了污泥处理能力。为了保证全年污泥处理能力的稳定，根据环境温度变化对辅料投加策略进行了优化，在夏季堆肥运行有利的时段，通过增加返混料来减少辅料投加量，并随着环境温度下降逐步加大辅料投加量，保证冬季堆肥正常运转。不同季节生料（脱水污泥）、熟料和辅料的混合比例见表2。12月～2月污泥产量高、发酵升温慢，减少熟料比例、增加辅料比例，调节进料含水率至58%、密度为0.57 t/m3；3月～5月和7月～9月气温较高，增加熟料比例、减少辅料比例，调节进料含水率至59%，密度为0.63 t/m3；6月～8月发酵效果最好，进一步减少辅料投加比例，调节进料含水率至59%、密度为 0.69 t/m3。

2.2 曝气方式

在污泥好氧发酵过程中，堆体底部强制曝气具有如下作用：为好氧微生物代谢提供所需的氧气；通过空气对流蒸发水分、干燥发酵物料，控制堆体温度。发酵过程中曝气量控制意义重大：曝气量过大，堆体热量大量散失导致温度降低，不利于微生物的繁殖；反之曝气量不足，好氧微生物则因缺氧而活性减慢甚至停止反应[6]。

表2 污泥好氧发酵工程不同季节物料配比

北方城市冬季和夏季温度差异较大，相同的曝气量对堆体温度的影响也存在较大差别。夏季环境温度高，堆体升温速度快，适当大的曝气量可以加快物料发酵过程，曝气量控制应以提高物料腐熟程度为目的；冬季环境温度低，堆体升温速度慢，过量曝气会导致发酵失败，曝气量控制应以提高物料发酵温度为目的。该污泥好氧发酵工程在生产过程中发现，间歇强制曝气方式的升温效果优于连续强制曝气方式，并以之为此基础对不同月份堆体曝气方式进行了优化（见表 3），在气温较低的12月～2月适当降低曝气时间至6～8 h，并避免长时间连续曝气，以提高堆体温度；随着气温的升高，适当增加曝气时间至12 h，以提高物料腐熟程度。

表3 污泥好氧发酵工程不同月份曝气方式

2.3 发酵仓引风

北方城市冬季气温低，发酵仓上部空间引风不足极易造成水汽冷凝，不仅腐蚀设备，而且影响物料含水率。为防止发酵仓内水汽冷凝，一方面应加大冬季引风量，及时排走仓内水汽；另一方面应提高发酵仓保温效果，防止水汽在仓内冷凝。

本研究对发酵车间进行了局部改造，以缓解引风能力不足状况：增强发酵车间密封性和保温效果。安装电动幕帘，使发酵仓形成独立的密闭空间，避免外界空气流入额外增加引风量，并提高冬季发酵仓保温效果；仓体连通，共用风机。该工程每8个发酵仓共用1台翻堆机，各个仓体轮流翻堆。优化前仓体之间相互独立，每个仓体顶部单独设置引风管道，翻抛瞬间水汽量大、单台引风机引风量不足。对仓体进行改造，通过打通发酵仓之间的隔断，增加仓与仓之间的通气性，翻抛时蒸气迅速四散开来，利用多台引风机同时引风。优化后冬季通过引风管道引出的水分明显增加，车间地面的冷凝水滴明显减少。

3 优化效果分析

该污泥好氧发酵工程自建成投运至2014年6月，陆续对物料混合系统、曝气系统、引风系统等进行了优化改造。本研究根据2014年6月至2015年9月运行数据对优化后运行效果进行了分析，并与优化前（2014年6月之前）的运行效果进行了对比。

3.1 污泥处理能力

2013年1 月至2015年9月，该污泥好氧发酵工程脱水污泥日处理量见图4。

图4 污泥好氧发酵工程脱水污泥日处理量变化

2014年6 月之前，该工程脱水污泥日处理量为58～134 t/d，平均为95 t/d；污泥处理能力受气温影响较大，2013年2月处理污泥量最低，2013年7月处理污泥量最高。2014年6月优化改造完成以后，脱水污泥日处理量提高至138～191 t/d，平均为164 t/d，日均处理能力比优化改造前提高了72%；虽然污泥处理量受设备维修、来泥含水率等因素影响存在波动，但整体而言处理能力较为稳定。

3.2 能耗和辅料消耗

该污泥好氧发酵工程优化前后电耗和辅料消耗见表 4。2014年6月之前，该工程污泥处理电耗62～145 kWh/t，平均为 105 kWh/t。2014 年 6 月优化改造完成后，翻抛机工作时长、曝气风量、抽风机引风量等显著降低，污泥处理电耗降低至39～73 kWh/t，平均为57 kWh/t，比优化前降低了45%。

优化前不同月份辅料比例保持不变，冬季发酵熟料含水率较高，导致污泥处理能力较低。优化后为了防止污泥处理能力受气温影响季节波动、保障好氧发酵工程的运行稳定性，适当提高了低温季节辅料掺加比例，因此辅料消耗量比优化前提高了21%。