污泥干化处理与后端出路探索研究

潘国强，周 平，郭 昉，康伟强,3

(1.昆明城市污水处理运营有限责任公司，云南 昆明 650299；2.昆明滇池水务股份有限公司，云南 昆明 651000； 3.昆明滇池水务固体废物处置有限责任公司，云南 昆明 650299)

现行污泥处理技术主要为“好氧堆肥+土地利用和水泥窑协同焚烧+建材化利用”两种方式[1]，但易受土地利用后端出路、水泥市场需求等因素影响[2]。为寻求稳定妥善的处置方式，实现污泥在污水处理厂内原位减量、资源化利用[3]，达到污泥减量化、无害化及资源化的目标[4]，积极寻求一种污泥源头减量技术正是大多数污水处理厂迫切的需要[5]。

污泥有机干化生物处理设备，技术原理为投加以乳酸菌为主的微生物基质，在高温和酸性条件下微生物对有机固废进行氧化分解，同步降低含水率，按“破碎+升温60～80 ℃+搅拌+生物除臭”的工艺进行反应，实现减量化和无害化处理[6-8]。设备可用于污泥源头减量、厨余、蔬菜、花卉废料等有机固废处理处置。

1 材料和方法

1.1 污泥干化设备

500 kg/d 设备主机尺寸为 4560 mm×1740 mm×2600 mm，辅助设备采用挂桶式提升翻转机 1200 mm×1500 mm×2600 mm，固液分离料仓 1200 mm×1000 mm×600 mm ，油水分离器 1500 mm×500 mm×800 mm ，破碎机 1150 mm×1100 mm×1280 mm，螺旋输送机 5800 mm×400 mm×700 mm，除臭装置 900 mm×900 mm×1890 mm，占地面积<8 m2，整体面积<17.2 m2，最大功率为 31.5 kW/h。

污泥选用某省会城市第二污水处理厂的脱水污泥，厨余选用该地某小区厨余垃圾。

1.2 运行模式

1.2.1 一阶段运行模式

按“干化 14 d+自然腐熟 14 d”的运行模式已开展试验，记录日常运行数据，对含水率、pH、有机质、种子发芽指数及蛔虫卵死亡率等指标开展日常监测，对腐殖酸、EC值、营养学指标及臭气指标开展监测[9]。

1.2.2 二阶段运行模式

1)含水率保持55%～60%，停留时间 10 d，摸索投料量、投料频率与温度控制策略；对进出料开展日常监测，对出料开展自然腐熟 10 d，并跟踪监测[10]。

2)停留时间不超 24 h，摸索含水率达30%～40%条件下投料量、投料频率与温度控制的策略；将出料作为返混料与污泥好氧堆肥，按m(80%含水率污泥)∶m(35%含水率辅料)∶m(35%含水率返混料)=5∶1∶0、5∶0∶2.5、5∶1∶1.5、5∶1∶2.5，设置4个平行好氧堆肥堆体，起始含水率约63%开展好氧堆肥，对堆体进行翻堆，记录堆体温度取样监测分析。

3)进料含水率小于80%，停留时间 10 d，摸索不同比例的投料量、投料频率与温度控制的策略；对进出料开展日常监测(表1、表2)，对出料开展自然腐熟 10 d，并跟踪监测。

表1 试验进出料泥质统计表

表2 对照标准

2 结果与讨论

2.1 直接出料结果

2.1.1 温度

设备运行过程中，一阶段物料温度为58.1±6.6 ℃、二阶段为48.0±2.7 ℃。其中，71%(30 d)的时间物料温度大于了 50 ℃，其余时间也接近 50 ℃，最高达 70 ℃(图1)。出料的无害化指标蛔虫卵死亡率>95%，粪大肠菌群值>0.01(1次粪大肠菌群值超标，占比5%)，基本实现了无害化的要求。

2.1.2 含水率

微生物的生长繁殖离不开水，微生物的生长繁殖对水要求比较严格。本试验一阶段含水率(22.2±5.4)%，最低至13%，不利于微生物生长，故二阶段调节含水率至50%～59%。二阶段设备内物料含水率达到了生物处理所需的含水率控制要求，如图1所示。

一阶段前14天为干化，后14天为自然腐熟。图1 干化处理设备运行期间物料温度、含水率变化情况图

2.1.3 pH

进料pH为7.60，出料pH 7.82，出料pH较进料pH略有上升。

2.1.4 有机质

试验过程中有机质进料为(45.6±5.1)%，出料有机质(60.0±8.3)%，污泥及厨余进料有机质含量较为稳定，前期由于添加了基质(500 kg 设备添加了 960 kg 锯末及菌种，反应 14 d 污泥与基质的质量比约为5∶1)，污泥厨余进料与基质掺拌后有机质含量上升，最高达95.4%。随着反应有机质被不断降解，出料有机质含量趋于稳定，排除前期基质的有机质含量，出料有机质为55%，达到生物处理机的控制要求，如图2所示。

一阶段前14天为干化，后14天为自然腐熟。图2 干化处理设备运行期间进出料有机质变化情况图

2.1.5 碳氮比

设备内污泥C、N质量比约为8.5∶1，与基质混合后为11.4∶1；污泥协同厨余C、N质量比约为10.5∶1，与基质混合后为13.5∶1。

2.1.6 溶解氧

设备内常保持常通风带搅拌，搅拌装置运行中能够正转和反装，搅拌叶片设计带有螺旋角，以迫使物料在径向移动的同时也会沿轴线前后移动，循环往复。受搅拌轴转速影响，物料的移动速度较为缓慢。

2.1.7 能耗

一阶段处理设备能耗为 1 kWh/kg，出料含水率过低后调整设备干燥等级，二阶段污泥设备能耗 0.59 kWh/kg，污泥协同厨余设备能 0.46 kWh/kg。

2.1.8 气体检测

气体检测情况见表3。

表3 臭气检测情况

2.2 后端土地利用试验

经一阶段试验后调整，二阶段试验物料温度48.0±2.7 ℃、pH7.82、含水率50%～59%、有机质55%，C、N质量比11.5～13.4∶1。通氧搅拌的情况下，出料样种子发芽指数达不到标准要求，故对出料进行进一步后端土地利用试验，具体结果如表4所示。

表4 种子发芽培养液指标对比监测表

2.2.1 种子发芽培养液相关监测数据

由表4可知，一阶段将出料与红土按1∶1～1∶9质量比掺拌，自然腐熟等形式验证后端土地利用，结果表明，1∶9 掺拌种子发芽指数>60%，而此时营养学N、P、K、有机质等指标达不到后端土地利用要求。

二阶段将出料作为返混料与污泥好氧堆肥，按m(80%含水率污泥)∶m(35%含水率辅料)∶m(35%含水率返混料)=5∶1∶0、5∶0∶2.5、5∶1∶2.5，设置平行好氧堆肥堆体，结果表明，不添加辅料的堆体种子发芽指数>100%，其余堆体种子发芽指数为0，不满足后端土地利用要求。

2.2.2 浸出液重金属监测数据

种子发芽指数是综合判别肥效与毒性的指标。影响种子发芽指数的主要指标为pH值、EC值、无机重金属毒性及有机物毒性抑制[17]。通过对比浸出液监测数据分析表明：浸出液重金属形态未发生显著变化不对本试验种子发芽指数造成影响，如图3所示。

图3 浸出液重金属数据图

污泥经设备处理后，溶解性腐殖酸质量分数为0.5%，经 14 d 腐熟后溶解性腐殖酸含量无变化(种子发芽指数同样无变化)。二厂污泥堆肥试验一次发酵后物料含水率约55%，溶解性腐殖酸质量分数为1.5%～2.5%，总腐殖酸质量分数为4.5%～5%。经2个月腐熟后含水率约35%，溶解性腐殖酸质量分数为2%～4.4%，总腐殖酸质量分数为7.2%～9%；种子发芽指数不达标。

从种子发芽培养液的COD看，设备出料COD明显上升，腐殖酸质量分数低于好氧堆肥组，原因推测为：好氧堆肥过程中乳酸菌等产小分子酸导致COD数值升高，当产小分子酸的菌种起主要作用时，稳定化的菌种发挥作用小，未完全达到腐熟阶段，故腐殖酸含量低，种子发芽指数低[18-19]。

2.3 经济成本比对

从80%含水率污泥经 24 h 直接脱水至55%，干化生物处理设备综合成本约为常规污泥深脱技术的2倍，估算为220元；脱水至55%后堆肥综合成本约为直接好氧堆肥的2倍，估算为603元；将脱水至45%以下作为返混料进行好氧堆肥，但堆体试验种子发芽指数均未达到土地利用相关标准，无估算价格。

3 结论

1)试验物料温度(48.0±2.7 ℃)、pH(7.82)、含水率(50%～59%)、有机质(55%)等影响好氧发酵的因素满足生物处理机的控制需求及后端好氧堆肥的控制要求，出料蛔虫卵死亡率、粪大肠菌群值等无害化指标基本满足要求(粪大肠菌群值超标一次，占总送检次数的5%)。

2)污泥干化设备出料种子发芽指数低，出料样及自然腐熟样腐殖酸质量分数为0.5%，低于好氧堆肥稳定化后腐殖酸质量分数4%。出料及作为返混料堆体的种子发芽培养液的COD较高，造成的原因可能是产小分子酸的菌种起主要作用，升温阶段未完全达到腐熟过程，故腐殖酸含量低，种子发芽指数低，故出料不可进行后端堆肥处置。

3)试验便携式氨气浓度仪测得氨气质量分数达 100 mg/kg，第三方检测为氨气 1.64 mg/m3，硫化氢 0.17 mg/m3，甲烷 0.38 mg/m3，臭气浓度1318(无量纲)，超过林业基质土环评批复厂界二级排放标准[ρ(氨气)<1.5 mg/m3]、[ρ(硫化氢)=0.06 mg/m3]。人可以明显察觉臭味，不可投入实际生产，除臭装置需改善以保证达标排放。

4)经济成本分析，从80%含水率经 24 h 直接脱水至55%，污泥生物干化处理的综合成本约为深脱的2倍，估算为220元；脱水至55%后堆肥综合成本约为直接好氧堆肥的2倍，估算为603元，经济不可行，还需进一步节能降耗降低成本。