城市生活污泥堆肥技术应用

2022-06-08郭志国胡开明李博睿

城市建设理论研究（电子版） 2022年4期

郭志国胡开明李博睿

1. 新疆天物生态环保股份有限公司新疆乌鲁木齐 830000

2. 新疆生活垃圾与污泥处理工程技术研究中心新疆乌鲁木齐 830000

城市生活污泥是生活污水经污水厂处理后剩余的固体，伴随着城市化进程的加快和城市人口的增加，城市生活污泥产生量越来越大，在最近几年的时间里出现了显著增长[1]。污泥成分复杂，除含有大量水分外，还存在重金属、病原菌、有机污染物等有害成分，由于我国污泥无害化处理率极低，造成的环境污染问题日益突出。目前，城市生活污泥处理主要方式有投海、卫生填埋、高温焚烧、建筑材料和堆肥利用，其中高温好氧堆肥具有堆肥周期短、减量化效果明显、无害化处理程度高和稳定化的特点，是处理污泥较为有效、适宜的处置手段[2,3]。污泥富含有机质、氮磷钾及中微量元素，作为堆肥原料制作高利用价值的农业生产肥料，堆肥可以稳定有机物质并在高温发酵过程中杀死病原菌，最终产品用作有机肥料或土壤改良剂，不仅减少污泥对环境造成的危害，还能实现污泥的资源化利用[4]。

1 城市生活污泥的特点和性质

城市生活污泥是污水处理后剩余的半固态或固态物质，是一种由复杂的有机混合物和微生物、无机物以及水分组成的非均相絮状物质。一般具有密度小，颗粒相对细密，体积大、含水量高的特点，并且含有大量的微生物和氮、磷等营养物质[2]。在一些处理不规范的污泥中还含有重金属、病原微生物等有害物质，因此在资源化利用过程中需进行预处理或根据污泥来源进行分类利用[5]。

2 城市生活污泥堆肥处理方法

城市生活污泥富含有机质，是优质的堆肥原料之一。堆肥技术主要是利用微生物的作用，在人为控制的条件下，不稳定的有机质转化成较为稳定的腐殖质，生成适合植物生长发育所需的营养物质。堆肥技术能实现污泥的稳定化，堆肥产品中含有大量的腐殖质，含有植物生长发育所需的营养元素，同时还可以作为土壤改良剂，增加有机质，改善土壤结构，使土壤疏松透气。

以城市生活为基质，添加作物秸秆、蘑菇渣、养殖粪便等，采用好氧和厌氧方法可得到具有高利用价值的农业、林业生产所需的肥料[6,7]。其中，好氧堆肥是目前应用最广泛的堆肥方式，具有分解物质彻底、周期短、臭味小、宜于机械化操作等优点。好氧堆肥由四个阶段组成，即升温阶段、高温阶段、降温阶段和腐熟阶段。污泥经过好氧堆肥处理后，有机物被分解、转化为腐殖质，含有的氮、磷、钾等元素可为植物生长提供营养物质。目前，从我国污泥堆肥采用的工艺情况来看，大多数选择发酵池式堆肥工艺，堆垛式次之[8]。

堆肥处理工艺比较

目前，堆肥处理的发酵工艺主要有：厌氧堆肥、条垛堆肥、槽式堆肥和无臭覆膜好氧发酵四种方式，其中：

厌氧堆肥生产周期长、易产生恶臭；条垛堆肥占地面积大，臭气、粉尘不易控制，生产过程粗放；槽式堆肥需要复杂的设计、施工技术和熟练的操作人员，基础投资和运营成本较高；无臭覆膜好氧发酵是一种静态与动态相结合的堆肥技术，兼顾静态与动态堆肥的优点，快速生产高品质有机肥的同时，不仅建造成本低、运行成本低、防止臭气外溢等优点，而且处理规模可根据处理量相应调整，尤其适合于北方寒冷地区的污泥处理。

表1 堆肥处理不同模式比较

3 影响污泥好氧堆肥的因素

3.1 温度和湿度

温度和湿度是影响污泥堆肥效果的重要因素，在堆肥周期内需要严格控制堆肥处于适宜的温度和湿度。在堆肥过程中，若温度过低将会延长堆肥周期和肥效下降；温度过高可能会对微生物活性产生有害影响；堆肥湿度控制不好，可能会造成肥料肥效下降甚至导致堆肥失败，如湿度过低，含水量不足，可能会导致堆肥在初期产生脱水现象。

3.2 碳氮比

碳氮比指堆肥混合物料中碳元素与氮元素质量之比，是微生物活动的重要营养条件。微生物在一定的碳氮比范围内才能正常生长，因此是评价堆肥腐熟度的方法之一。研究表明，污泥堆肥较为适宜的初始碳氮比为25-30∶1，当其高于35∶1时导致微生物缺乏足够的氮源而无法快速生长繁殖，使堆肥周期进展缓慢；当其低于20∶1时，微生物生长可能会过于旺盛，甚至会出现局部厌氧，部分氮转化为氨而排放到大气中，降低堆肥质量，污染环境的同时还会造成资源浪费。

3.3 pH值

堆肥过程中原料的pH值是影响微生物生长繁殖的一个重要因素，微生物生长适宜的pH值范围一般在6.5-8.5，过高或过低都会对堆肥处理造成影响。具体的，大多数细菌的最适pH值为6.5-7.5；霉菌的最适pH值为4.0-5.8，酵母菌的最适pH值为3.8-6.0；放线菌的最适pH值为6.5-8.0。污泥等有机固废发酵是多种微生物菌群共同作用的结果，每个阶段随着温度的变化，不同微生物菌群随着发酵物料温度、pH的变化，菌群结构进行结构性变化，最终对发酵物料进行腐熟。

pH值对发酵的影响主要有几个方面：（1）影响发酵过程代谢产物的合成途径。对污泥发酵终端产品营养物质影响大，有益类生化腐殖酸黄腐酸生成少，相对氨气硫化器其他有害气体产生多；（2）影响原生质膜的性质，改变膜电荷状态，影响发酵过程微生物菌群活性，造成发酵效率慢；（3）影响产物的稳定性。pH的变化，直接影响不同微生物群落的活性，不同微生物群落的作用，发酵生成的终端产物不同，最终影响产物的稳定性。

3.4 含水率

在堆肥过程中，由于微生物只能摄取溶解性养料，而且有机物质的分解和微生物的活动都离不开水分，所以含水率是好氧堆肥的关键因素，直接影响堆肥工艺的成效。含水率过高，妨碍通气造成厌氧状态，易产生氨气、硫化氢等恶臭气体，含水率超过70%，温度难以快速上升，分解速度明显降低。含水率过低影响微生物的生长繁殖，不利于微生物分解有机质，导致厌氧发酵。当含水率低于40%，不能满足微生物的生长需要，有机物质难以分解，含水率下降到20% 以下时，微生物活动基本停止。

污泥本身高粘高湿特性，自身的絮凝剂结合微生物群体和其他有机物，造成污泥高湿高粘，成团不易分散，影响污泥发酵过程中通气供氧，往往造成污泥厌氧发酵，达不到好氧堆肥发酵的目的。通过添加一定比例的外源农业固废，一是中和污泥自身的水分，二是打破污泥高粘高湿的絮凝结构，呈现一种分散状态，以利于后期污泥均匀通气供氧，保障好氧发酵过程。

3.5 通风供氧

通风量与微生物活动的强烈程度和有机物的分解速度密切相关，堆肥时必须保证充分供氧。如果通风量不足，会出现厌氧现象，导致升温效果差，产生臭气；通风量过高则会使堆肥冷却，导致病原菌的大量存活而达不到无害化要求。

结合污泥特性，目前市场较为成熟的解决工艺有翻抛机翻堆，打破污泥团性结构，利用物料的均匀布气；其次是近几年推广较好的覆膜正压发酵。

4 污泥堆肥技术推广应用及其产品在土地改良中的应用

4.1 污泥堆肥技术推广应用

发酵槽膜覆盖发酵技术能够实现一个较恒定的气候环境，在鼓风的作用下，在发酵槽内能够形成一个微高压内腔，使堆体供氧均匀充分，温度分布均匀，为微生物好氧发酵构建了一个适宜的小环境，同时，水蒸气和二氧化碳能够借助功能膜的微孔结构扩散出去，维持了发酵堆体膜内外的气流平衡，保证好氧发酵进行得更加充分彻底，发酵温度保持在70℃以上达7天以上，最高温度达到95℃，致病性病原菌和杂草种子得到有效杀灭，有效减少臭气排放和氨的流失，提高资源化产品养分含量和品质。

利用覆膜发酵工艺，结和市政污泥、餐厨垃圾进行协同处置，达到较好的有机固废处理处置的效果。具体处理工艺如图1所示。

图1 槽式膜覆盖高温好氧发酵技术处理市政污泥等有机固废物流程图

堆肥技术能够实现污泥的稳定化、减量化、无害化和资源化利用，堆肥产品作为有机肥或土壤改良剂具有增加土壤有机质含量，改善土壤理化性质的作用。黄殿男等人研究表明，污泥作为土壤改良剂具有增加沙化土壤的保水能力,提高沙化土壤有效钾含量，土壤理化性质接近适宜耕作土壤[9]。孟繁宇等人研究污泥对盐碱地和小麦生长的影响，结果表明土壤容重、pH值和碱化度有效降低，养分含量明显增加，有效促进小麦种子在盐碱环境中发芽并长势较好[10]。王晓辉等人研究表明，堆肥污泥可以调节土壤的pH值，提高土壤肥力，有机质含量增加，合理的投加量可以促进植物的生长[11]。储双双等人研究表明，污泥堆肥合理利用能显著增加黄梁木的株高、地径和生物量，促进氮磷钾的吸收[12]。董晓芸等人研究表明，使用污泥堆肥产品可提高土壤酶活性、氮、钾和总有机碳含量，重金属质量分数低于国家农用地污染标准[13]。冀拯宇等人研究表明，使用污泥堆肥可以在短时间内有效提升沙质潮土的土壤肥力，改善土壤微生物学特性[14]。王社平等人研究表明，施用适量污泥堆肥能有效增加草莓产量[15]。