城市污水处理厂污泥好氧堆肥及其应用前景

王旭辉

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院 辽宁沈阳 110168）

引言

由于污水处理量的大幅上升，使得污泥产量也持续增加。剩余污泥中含有氮、磷、钾等营养元素及大量的有机质，在一定程度上可以改善土壤的理化性质，提高土壤肥力。同时，剩余污泥中含有大量的致病菌、重金属等有毒有害物质，如果不经过科学的处理与处置，不仅会污染环境，也会严重危害人类的健康[1][2]。为了避免剩余污泥对环境造成污染，在处理与处置剩余污泥的过程中要遵循“减量化、稳定化、无害化、资源化”的原则，使得剩余污泥能够得到有效的再利用。

经过污泥好氧堆肥，可将剩余污泥转化为有机肥料用于改善土壤的理化性质、增加土壤的肥力[3]，这不仅使污泥得到了有效的处理与处置，避免了污泥对环境的污染，还具有显著的社会效益[4]。污泥好氧堆肥因其易于控制管理且运行成本较低，成为国内外污泥处理行业的主流技术之一[5][6]。

1 污泥好氧堆肥原理

污泥好氧堆肥是指在氧气充足的条件下，兼性及专性好氧微生物将污泥中的有机质降解转化为稳定的腐殖质的过程[7][8]。

污泥好氧堆肥一般分为升温阶段、高温阶段、降温腐熟阶段。

升温阶段，主要在堆肥的初期，堆体温度逐渐上升且基本维持在15℃-45℃，一般持续3-5 天，此阶段堆体中的细菌、真菌、放线菌等嗜温菌利用堆体中的糖类、淀粉等可溶性有机物作为营养物质，将其迅速分解成二氧化碳和水，同时释放出大量的热量，因此堆体温度不断升高[9]。

高温阶段，堆体温度逐渐升高并达到50℃以上时即进入高温阶段。这时大多数的嗜温菌被抑制生长甚至出现死亡，嗜热菌开始活跃。此时堆体中的一些残留物被降解，一些复杂难降解的有机物也逐渐开始被降解[9][10]。在50℃左右时嗜热菌最为活跃，当温度升高到60℃左右时真菌几乎不再活动，如果温度继续升高，嗜热菌也开始被抑制且不再活跃，甚至会死亡。有研究表明，高温阶段的最适宜温度为55℃左右，且堆体中大部分的微生物在此时是最活跃的，也很容易分解有机物，此阶段堆体中的病原菌、寄生虫卵等被杀死[11][12]。

降温腐熟阶段，在高温阶段结束后大部分的微生物被杀灭，或者是不再活跃，这时就进入了降温阶段。此时堆体温度较低，嗜温菌又开始活跃起来，分解剩余的有机物，在此阶段堆体中释放的热量变少，堆体的温度逐渐降低、耗氧速率减小、孔隙度增加，逐渐稳定进入腐熟阶段[11][12]。

2 污泥好氧堆肥技术

污泥好氧堆肥技术是指，污泥中的微生物在好氧条件下将有机物降解成腐殖质并使污泥达到稳定化、无害化的过程。一般有以下几种形式：条垛式堆肥、强制通风静态堆肥、发酵槽式堆肥、反应器式堆肥。

2.1 条垛式堆肥

条垛式堆肥是将堆肥物料堆置成长条垛，经过人工或机械设备翻堆为堆体提供充足的氧气，以实现对有机物的分解。条垛式堆肥一般是在露天条件或棚屋下进行，该堆肥系统设备简单、投资成本低，但堆肥周期长，占地面积大，需要大量的人力且容易受到外界环境的影响[13]。

2.2 强制通风静态堆肥

强制通风静态堆肥是在条垛式堆肥的基础上，设置通风系统直接供氧，不进行人工或机械设备翻堆，该堆肥系统对供气管路和排水系统的设置有一定的要求。该堆肥系统具有堆肥周期短、机械化程度高等特点，但有占地面积大、排放臭味气体污染环境等缺点[7]。

2.3 发酵槽式堆肥

发酵槽式堆肥是将堆肥物料放入发酵槽内，通过对堆体定期翻堆处理，使得堆肥物料在翻动过程中能够接触更多的氧气，同时去除大量的水分。该形式堆肥周期短，机械化程度较高，需要的人力少，但是该堆肥方式成本高、不易于操作。

2.4 反应器式堆肥

反应器式堆肥是将污泥和调理剂等堆肥物料混合后加入反应器，向堆体通风并控制温度的一种堆肥方式。常见的反应器式堆肥类型有：塔式堆肥系统、筒仓式堆肥系统、滚筒式堆肥系统。该堆肥方式的优点是不受外界环境的影响，占地面积小，产生的气体能够集中收集，对周围环境影响较小，但是存在投资成本高、维修管理费用高等问题[7]。

张凤等采用的梨形筒式反应器，具有可移动性、堆肥物料能够均匀混合、易于管理维护、运行费用低等优点，克服了现有反应器存在的堆肥物料难以均匀混合且搅拌过程易缠绕等缺点，使得污泥好氧堆肥反应器能够稳定运行[14]。

3 污泥好氧堆肥的影响因素

污泥好氧堆肥受到很多因素的影响，该过程中存在着复杂的物质转化。为了提高堆肥效率，获得最佳的堆肥效果，则必须研究各个影响因素在好氧堆肥过程中的作用[15]。影响好氧堆肥的主要因素有：含水率、温度、通风量、碳氮比（C/N）、pH 值、有机质含量、填充物料[10]。

3.1 含水率

堆体物料的含水率可直接影响堆肥的进程和堆肥产品的腐熟度[9][10]。一般认为，堆肥最适合的含水率为55%-60%，能够满足堆肥过程中微生物的生长繁殖。在保持一定温度的条件下，含水率太高或者太低都会影响堆体中微生物的活性，不利于堆体中微生物对有机物的降解[11]。当含水率太高时会导致堆体的温度下降，有机质的分解速率降低，而且由于堆肥物料间充满水分，空气流动效果差，不利于氧气的传输，会造成局部厌氧或者缺氧的环境，抑制好氧微生物的生长；当含水率太低时，微生物的生长繁殖受到抑制，导致堆肥速率降低，堆肥效果较差，堆肥周期变长[12～14]。

3.2 温度

温度是反映堆肥效果的重要指标，决定着好氧堆肥产品的腐熟程度和产品质量。好氧堆肥过程中温度的变化影响着各个阶段微生物的种类及活性[11]，嗜温菌最适合的温度为30-40℃，嗜热菌最适合的温度为45-60℃。污泥好氧堆肥要求的温度为50-60℃，且在50℃以上的持续时间为5-7 天，此时可满足相应的卫生标准。当温度过高时，如超过80℃，堆体中的微生物活性减弱，导致堆肥效果下降[15]。

3.3 通风量

通风量直接影响堆肥产品的质量优劣。通风量太大时，堆体温度散失较快且堆体中的氮素容易以氨气散失，造成氮素损失；通风量太小时，堆体中的微生物得不到足够的氧气来维持生命活动，且堆体内易形成厌氧环境。因此在好氧堆肥过程中只有保持适宜通风量，才能获得优质的产品。通风方式主要为自然通风和强制通风等方式[11]。

3.4 碳氮比（C/N）

碳源和氮源是维持微生物生长繁殖的重要营养元素。在好氧堆肥过程中，适宜的C/N 比能够使得堆体中的微生物获得均衡的营养成分，保证堆体中的微生物更好的生长繁殖。一般认为，堆肥前的C/N比应保持在20-30 之间[11]。若C/N 比太低，则氮素过量，这样会导致堆肥产品中的氮素大量损失；若C/N比太高，则碳素过量而缺乏氮素，此时微生物的生长因缺乏氮源而受到抑制。城市污水处理厂污泥的C/N比一般低于12，因此在堆肥时通常需要加入调理剂来调节C/N 比[15]。一般常用的调理剂有木屑、秸秆、树叶等。

3.5 pH值

pH 值是影响好氧堆肥过程的一个重要参数，微生物的生长繁殖需要适合的pH 范围。在整个堆肥过程中，pH 值随着时间和温度的变化而变化，能够间接反映微生物生存环境的优劣。pH 值的高低会影响好氧堆肥的效率，适宜微生物正常生长繁殖的pH 范围在7.5-8.5 之间。若pH 值过高，堆肥物料中的氮素会以氨气的形式排放而导致氮素损失。污泥好氧堆肥过程中有足够的缓冲作用，堆体的pH 值一般能够稳定在大多数微生物活动的范围，因此其pH 值不需要调节。

3.6 有机质含量

有机质含量也是污泥好氧堆肥过程当中的一个影响因素，是污泥好氧堆肥过程当中微生物生长繁殖的物质基础和能量来源。不同的污水处理厂污泥中有机质含量差异比较大，因此在污泥好氧堆肥过程中，必须有合适比例的有机质含量[10]。有机质含量过高会导致堆体供氧不足，容易出现厌氧环境；有机质含量过低则会导致堆体中的微生物缺乏足够的营养物质，使得微生物活性降低，产生的热量变少，难以达到堆肥所需的最佳温度范围，从而影响堆肥产品的价值[11]。

3.7 填充物料

通常情况下，为了调节好氧堆肥的碳氮比和含水率，需要在堆肥前加入一定比例的填充物料。适当的填充物料能够增加污泥的孔隙率，有利于堆体中气体的流通，避免发生厌氧堆肥。

常用的填充料有沸石、木屑、树叶、秸秆、活性炭、蛭石、动物粪便及残余饭菜等。再加入填充物料之前，需要对填充物料进行预处理，例如剪切、破碎、研磨到一定的大小，以保证填充物料和污泥能够均匀混合。

4 污泥好氧堆肥发展前景

通过污泥好氧堆肥，污泥含水率明显降低，体积减小，变为疏松的颗粒状，污泥中的挥发性物质不断减少，臭味逐渐减弱，污泥的性质变得更加稳定，转化成了稳定的腐殖质，以便后续的处理和使用[16]。污泥好氧堆肥的技术要求低，投资成本少，因此易于实现大规模工业生产，且适于大范围推广。但目前仍存在堆肥效率低、氮素损失大、产品肥效差等问题，因此要提高堆肥效率，提升堆肥品质，则需要合理控制含水率、C/N 比、通风量、温度等影响因素，使得污泥好氧堆肥能够更加顺利的进行，进而生产出优质安全、高肥效的农用肥料。

由于污泥好氧堆肥技术具有经济实用、不产生二次污染等特点，目前已成为环保领域内的一个研究热点。随着我国农业产业结构的不断调整，农业种植面积逐年稳定扩大，使得有机肥料在未来有巨大的需求量。因此在未来的发展中，污泥好氧堆肥将会有更大的效益、更广阔的前景。

结语

污泥好氧堆肥作为污泥处理与处置的一种方法，已经受到了越来越多的研究者关注。由于其操作简单、投资较低的特点，有利于实现大规模的工业生产。利用污泥好氧堆肥的方式将污泥转化成为肥料，避免了污泥对环境的污染，使得有害物质资源化，同时将污泥转化成为可以利用于土地的肥料，符合污泥处理与处置的基本原则，有利于促进农业可持续发展。