1、引言
隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市化的發(fā)展，城市污水處理廠的規(guī)模不斷擴(kuò)大，處理程度不斷提高。到1998年為止，全國(guó)已建成和在建的城市污水處理廠已近200座，污水處理能力約為1000余萬m3/d。與蓬勃發(fā)展的污水處理相比，污泥處理和處置技術(shù)在我國(guó)還剛剛起步，隨著新建污水處理廠的陸續(xù)投產(chǎn)，污泥產(chǎn)量將會(huì)有大幅度的增加，所以對(duì)污泥的處理和處置必須予以充分的重視。
城市污泥的利用和最終處置方法主要有焚燒、填埋、堆肥和投海等。焚燒法的技術(shù)和設(shè)備復(fù)雜、耗能大、費(fèi)用較高，并且有大氣污染問題；填埋法受到場(chǎng)地條件及環(huán)境的限制，在污泥運(yùn)輸距離的合理范圍內(nèi)已很難找到合適的地點(diǎn)；投海會(huì)污染海洋，對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類食物鏈已造成威脅，國(guó)際公約已明令禁止；堆肥處理不但可以達(dá)到穩(wěn)定污泥的目的，同時(shí)制成肥料農(nóng)業(yè)利用具有經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便、可資源化等優(yōu)點(diǎn)，引起各國(guó)的重視，并進(jìn)行大量的研究。
北京市密云污水處理廠處理能力為1.5萬立方米/天，日產(chǎn)污泥5～6噸。在我們研究的基礎(chǔ)上，建成了國(guó)內(nèi)第一條完整的生產(chǎn)性規(guī)模的污泥制肥生產(chǎn)線，生產(chǎn)線由污泥預(yù)處理、好氧動(dòng)態(tài)堆肥裝置和復(fù)混肥生產(chǎn)裝置構(gòu)成。生產(chǎn)線已連續(xù)運(yùn)行兩年，生產(chǎn)的有機(jī)復(fù)混肥銷售情況良好。復(fù)混肥生產(chǎn)已有成熟的技術(shù)，我們著重研究污泥的穩(wěn)定化和無害化處置工藝。
2、密云污水處理廠污泥處理和利用工藝
污水處理廠的初次污泥和二次污泥經(jīng)濃縮后，一般采用帶式壓濾機(jī)脫水，泥餅含水率為75～85％。這樣的污泥由于含水率高、粘性大、無結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。直接進(jìn)行堆肥氧氣難以通入，易產(chǎn)生厭氧狀態(tài)。對(duì)于中小規(guī)模的污水處理廠，由于剩余污泥量不太大，若廠區(qū)又有足夠的場(chǎng)地，氣候適宜，則選擇自然晾曬是最理想的途徑。本實(shí)驗(yàn)在密云污水處理廠，采用了自然晾曬作為污泥堆肥的污泥含水率預(yù)調(diào)整手段。經(jīng)過堆肥處理的污泥成為性狀良好的腐植顆粒。然后可以按照不同農(nóng)肥標(biāo)準(zhǔn)添加一定比例的氮、磷、鉀等化學(xué)原料，通過粉碎、攪拌后進(jìn)入造粒裝置，成型后經(jīng)干燥、篩分成為成品包裝后入庫或出售。污泥處理和處置工藝流程如圖1。
污泥堆肥工藝分為好氧發(fā)酵與厭氧發(fā)酵兩種工藝過程。厭氧發(fā)酵工藝由于產(chǎn)生甲烷、硫化氫、二氧化碳等代謝產(chǎn)物會(huì)引起惡臭。由于有機(jī)物分解緩慢，發(fā)酵周期長(zhǎng)達(dá)4～6個(gè)月，致使占地面積過大。另外蚊蠅孳生，污水淌流，產(chǎn)生嚴(yán)重的二次污染，不適合于大規(guī)模工業(yè)化污泥處置�，F(xiàn)代工藝大多采用好氧堆肥，它具有有機(jī)物分解率高，堆肥周期短，氣味較小。但傳統(tǒng)好氧堆肥的停留時(shí)間長(zhǎng)一般10－15天，存在占地面積過大，人工翻堆勞動(dòng)粗笨的問題。工廠化機(jī)械堆肥是堆肥工藝發(fā)展的主流，開發(fā)新的高效堆肥機(jī)械也是有迫切要求的。
機(jī)械化好氧堆肥技術(shù)是在有控制的條件下，利用好氧微生物對(duì)污泥中易腐有機(jī)物進(jìn)行生物降解，使之成為具有良好穩(wěn)定性的腐植粒狀物的全部工藝過程。目前國(guó)內(nèi)外正在研究開發(fā)的污泥好氧發(fā)酵堆肥技術(shù)都是采用進(jìn)料、攪拌、通氣、出料同時(shí)進(jìn)行的高效發(fā)酵工藝裝置，其核心是好氧發(fā)酵槽。而發(fā)酵槽按照外形可分為幾類：立式多段發(fā)酵槽；筒倉(cāng)式發(fā)酵槽；臥式旋轉(zhuǎn)發(fā)酵槽；臥式敞口發(fā)酵槽。幾類發(fā)酵槽性能的比較見表1。
從上面對(duì)幾類發(fā)酵裝置的比較可以看出，各類發(fā)酵裝置中，臥式旋轉(zhuǎn)發(fā)酵裝置可操作性強(qiáng)、輕易設(shè)備化、建設(shè)投資低、動(dòng)力消耗小符合高效、低耗的環(huán)保節(jié)能原則。本研究選擇了以臥式旋轉(zhuǎn)式發(fā)酵裝置為基礎(chǔ)，研制設(shè)計(jì)了污泥動(dòng)態(tài)堆肥裝置。
3、污泥堆肥裝置設(shè)計(jì)
根據(jù)對(duì)已有設(shè)備類型、操作性能和基建等項(xiàng)費(fèi)用的比較，在臥式旋轉(zhuǎn)發(fā)酵罐的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造，設(shè)計(jì)出一套污泥堆肥裝置。設(shè)計(jì)滾筒直徑為1.2m，出料口和進(jìn)料口直徑分別為0.4m和0.6m。滾筒總長(zhǎng)12m，進(jìn)料與出料口同時(shí)起到空氣補(bǔ)給和氣體排出口的作用。由于進(jìn)料和出料口的存在，滾筒中實(shí)際物料堆放厚度就受到限制，超過一定高度的熟化污泥會(huì)自動(dòng)從出料口流出。這樣滾筒中物料的體積就應(yīng)進(jìn)行核算。
滾筒有效容積V=/4
式中：d為滾筒直徑；
L為滾筒長(zhǎng)度；
k為物料布滿度；一般為0.25～0.6
即滾筒的有效容積為3.4～8.1m3
滾筒內(nèi)壁焊接槳葉按旋轉(zhuǎn)方向呈品字形排列，傾斜角度為2°，起到攪拌物料并限制物料流動(dòng)速度的作用。整個(gè)滾筒沿軸向傾斜5°，從高端進(jìn)料，在滾動(dòng)中物料滑落到低端出料口流出滾筒。動(dòng)力部分由交流電動(dòng)機(jī)經(jīng)雙極擺線減速機(jī)，采用齒輪齒圈傳動(dòng)方式帶動(dòng)滾筒滾動(dòng)，轉(zhuǎn)速為0.03轉(zhuǎn)/分，最大扭矩4300NM。通風(fēng)設(shè)備采用軸流風(fēng)機(jī)從出料端口鼓入空氣，用定時(shí)器設(shè)定控制風(fēng)機(jī)開閉。
溫度在發(fā)酵過程中的變化，直接的反應(yīng)了發(fā)酵的進(jìn)程，也是要觀測(cè)的主要參數(shù)，在滾筒上布置了五個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。在每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)上安裝熱電偶，用電子溫度計(jì)測(cè)量讀數(shù)。物料總停留時(shí)間為5天，則1#測(cè)溫點(diǎn)為進(jìn)料當(dāng)天的溫度；2#為第2天的溫度；3#代表第3天后的溫度；4#為第4天的溫度；5#為第五天的出口溫度。
4、動(dòng)態(tài)污泥堆肥裝置操作參數(shù)選擇
從傳統(tǒng)堆肥的基本原理看，影響好氧堆肥的主要因素是溫度、水分、含水率和供氧量。好氧傳統(tǒng)堆肥的核心問題是供氧受到限制。使用研制出的污泥動(dòng)態(tài)堆肥裝置，通過自然通風(fēng)、連續(xù)強(qiáng)制通風(fēng)、間斷強(qiáng)制通風(fēng)三種方式對(duì)含水率，通風(fēng)與溫度的關(guān)系等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，目的在于探索堆肥裝置的最佳運(yùn)行參數(shù)。
1）污泥的前處理
由于從密云污水處理廠壓濾機(jī)脫除下來的污泥含水率高達(dá)80％以上，不易直接進(jìn)行堆肥試驗(yàn)。需采取前處理，采用自然晾曬的方式，污泥層厚5－8cm。根據(jù)天氣和季節(jié)情況晾曬3－5天，污泥涼曬前后的含水率變化見表2。
2）含水率與溫度
通過試驗(yàn)得出不同含水率的堆溫變化。在同等的通氣條件下，含水率較高則堆溫較低，反之亦然。在自然通風(fēng)的條件下，進(jìn)料的含水率在70％和60％時(shí)，55℃以上的堆溫均能保持三天，但是含水率達(dá)到70％，污泥輕易在滾動(dòng)中成團(tuán)，甚至形成直徑40～50cm的大球，影響設(shè)備正常工作。但當(dāng)進(jìn)料含水率在20％以下時(shí)，整個(gè)罐體溫度改變不大，發(fā)酵作用不明顯。
堆肥過程中，微生物分解有機(jī)物和其生長(zhǎng)繁殖過程中需要一定的水分，用于溶解有機(jī)物，以利于微生物的攝取，同時(shí)水分蒸發(fā)散熱也可以起到調(diào)節(jié)堆溫的作用。據(jù)國(guó)外資料道，當(dāng)含水率太低時(shí)，微生物在水中攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力降低，有機(jī)物分解停止。但含水率過高使堆料互相粘結(jié)，將堵塞空氣的通道，從而使堆肥呈厭氧狀態(tài)。含水率過低，又會(huì)影響反應(yīng)過程。這是因?yàn)槲⑸锸墙柙谖锪现g的游離水的運(yùn)動(dòng)中攝取食物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的。假如微生物缺少這種靠液體運(yùn)動(dòng)而游動(dòng)的機(jī)會(huì)，那么就會(huì)在嚴(yán)重缺少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的狀態(tài)下喪失了分解有機(jī)物的能力。
綜合幾方面因素，確定了控制進(jìn)料水份在60％左右，即污水廠的脫水泥餅經(jīng)自然晾曬3～5d就可以做為堆肥裝置的進(jìn)料。這樣可以比較經(jīng)濟(jì)地解決進(jìn)料含水率的調(diào)整問題，采用其它諸如摻混干燥物或烘干之類的調(diào)整含水率的方法都多少影響了機(jī)械堆肥的經(jīng)濟(jì)性。
3）通風(fēng)方式
機(jī)械好氧堆肥中要對(duì)物料通氣，目的是供給氧氣，維持好氧生物的代謝活動(dòng)，脫除污泥水分，并防止堆溫過高。根據(jù)理論計(jì)算，對(duì)于城市生活污水污泥來講，每氧化1g有機(jī)物約需要2gO2，但使物料干化所需的空氣量大于生化反應(yīng)的需氧量。所以，針對(duì)堆肥過程既要高效分解有機(jī)物，又要盡量去除水份，就需要更高的通氣量。從通氣與通風(fēng)效果的關(guān)系曲線可以看到：最高溫度點(diǎn)在2m3氣/m3物料.h，接近70℃。有機(jī)物分解量的最大值也在2m3氣/m3物料.h，為70kg/噸物料，所以從有機(jī)物分解和得到較高的滅菌溫度來講，顯然通氣量在2m3氣/m3物料.h較好，而從去除水份來講，則3～5m3氣/m3物料.h更好一些。除了通氣量，通風(fēng)方式也直接影響著發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)程，主要有自然通風(fēng)、連續(xù)強(qiáng)制通風(fēng)和間斷強(qiáng)制通風(fēng)幾類。
在污泥好氧發(fā)酵過程中，通風(fēng)是堆肥過程的控制手段，要達(dá)到最佳條件就要控制通風(fēng)。通風(fēng)的目的一方面為好氧微生物分解有機(jī)物提供釋放能量時(shí)所需的氧氣，維持堆層好氧狀態(tài)；另一方面則有蒸發(fā)水分、干燥堆肥物料、驅(qū)散熱量，控制堆肥過程溫度的作用。通風(fēng)量過大時(shí)，水分的大量蒸發(fā)導(dǎo)致溫度降低不利于微生物繁殖。反之通風(fēng)不足，好氧微生物則因缺氧而活性減慢甚至停止反應(yīng)。通過幾種供氧方式進(jìn)行了試驗(yàn)以找出適當(dāng)?shù)耐L(fēng)方式，結(jié)果見表4。
結(jié)果表明自然通風(fēng)和間斷強(qiáng)制通風(fēng)兩種通風(fēng)方式升溫效果都比較好，最高可達(dá)到72℃。而連續(xù)強(qiáng)制通風(fēng)方式，由于空氣帶走大量水份的同時(shí)，也帶走熱量，使得升溫困難，普遍溫度在50℃以下，這對(duì)殺死致病菌和寄生蟲卵是不利的。
間斷通風(fēng)時(shí)，溫度平均在65℃，最高達(dá)到了68℃的高溫，前3天都可以保持在50℃以上，滿足了污泥無害化處置的基本條件，三種通風(fēng)方式達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的各點(diǎn)溫度見圖5。
另外進(jìn)、出料性狀可以知道，間斷通風(fēng)的處理效果是可以令人滿足的。首先出料的含水率已經(jīng)降到了44.4％，可以滿足后續(xù)工藝使用。同時(shí)也證實(shí)在翻堆時(shí)強(qiáng)制通風(fēng)是去除水份的最恰當(dāng)時(shí)機(jī)，滾筒滾動(dòng)時(shí)，物料會(huì)隨著筒體的緩慢滾動(dòng)而一層層滑落。理想狀態(tài)下，料層是薄薄一層逐漸剝落，這樣可以使翻堆過程很均勻徹底，物料充分地與空氣接觸，同時(shí)蓄積的水蒸汽也被吹出滾筒，使物料變干。
5、二次堆肥效果
二次堆肥發(fā)酵是將一次發(fā)酵出料翻倒均勻，使微生物獲得了一次重新接種的機(jī)會(huì)。在一次發(fā)酵中未分解完全的一些較難分解的有機(jī)物，得以繼續(xù)分解。本試驗(yàn)是用發(fā)酵后的出料進(jìn)行二次發(fā)酵。二次發(fā)酵采用室內(nèi)平地堆積，堆高1m，堆長(zhǎng)2m堆寬1.5m，表5為二次發(fā)酵過程的溫度變化。
從試驗(yàn)看出二次發(fā)酵溫度隨時(shí)間緩慢下降，溫度沒有回升現(xiàn)象，并且沒有蚊蠅孳生現(xiàn)象出現(xiàn)。這說明在堆肥發(fā)酵階段有機(jī)物已得到分解，蟲卵已被殺死，污泥達(dá)到腐熟和穩(wěn)定。二次堆肥發(fā)酵證實(shí)了污泥動(dòng)態(tài)堆肥裝置中可以較短的停留時(shí)間，并且高效、較為徹底地對(duì)污泥進(jìn)行穩(wěn)定化和無害化處理，并為后續(xù)造肥工藝提供了有利的條件。
病原微生物的去除
好氧堆肥過程是放熱過程，嗜溫菌與嗜熱菌由適于環(huán)境的變化到死亡，完成分解有機(jī)物的作用。同時(shí)，在堆肥升溫過程中又可殺死病原微生物和寄生蟲卵等使污泥無害化。試驗(yàn)證實(shí)堆溫達(dá)到50℃時(shí)，并保持3天絕大部分病原微生物可被殺滅。自然通風(fēng)、連續(xù)通風(fēng)、間斷通風(fēng)這幾種運(yùn)轉(zhuǎn)方式都可以達(dá)到殺滅病原微生物的目的。生污泥的大腸菌值在10－7～10－9之間，蛔蟲卵數(shù)在3.8×103～3.7×104個(gè)/kg之間變化，經(jīng)過在滾筒中5日的高溫發(fā)酵，出料的大腸菌值≤10-2，蛔蟲卵為0。做為復(fù)混肥的添加輔料，污泥投加率只有5～10％。在常用的復(fù)混肥園盤造粒生產(chǎn)線中，物料要經(jīng)過混合、粉碎、成型、烘干、篩分等多個(gè)工藝段。在烘干段成型的肥料要在100℃溫度下烘烤約20分鐘，能夠進(jìn)一步殺滅殘存的病原微生物。
結(jié)論
污泥動(dòng)態(tài)堆肥裝置上的試驗(yàn)研究探討了影響機(jī)械堆肥過程的幾個(gè)重要參數(shù)的相應(yīng)關(guān)系，通過試驗(yàn)得出如下結(jié)論：
污泥含水率是影響堆肥過程的重要因素，適合的含水率為50～65％，在這一范圍內(nèi)，污泥進(jìn)入堆肥系統(tǒng)中，可以有較好的通透性，更好地進(jìn)行好氧發(fā)酵反應(yīng)，通過分解污泥來使堆溫升高。含水率80％的脫水污泥在自然晾曬條件下，3～5日其含水率即可達(dá)到65％以下，可以做為堆肥原料，自然晾曬是較為經(jīng)濟(jì)的預(yù)調(diào)整手段。
堆肥的一個(gè)主要目的是實(shí)現(xiàn)污泥的無害化。在污泥動(dòng)態(tài)堆肥裝置中的堆肥過程達(dá)到55℃以上的高溫，并維持超過3日的時(shí)間，可以充分地殺滅病原微生物，其中蛔蟲卵的殺滅率達(dá)到100％，大腸桿菌值降低約5～7個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到無害化標(biāo)準(zhǔn)。
在污泥動(dòng)態(tài)堆肥裝置中，采用三種通風(fēng)條件，分別對(duì)比實(shí)際堆肥效果發(fā)現(xiàn)：自然通風(fēng)、連續(xù)強(qiáng)制通風(fēng)和間斷強(qiáng)制通風(fēng)都可以達(dá)到較好的堆肥效果，實(shí)現(xiàn)無害化目標(biāo)。其中間斷性強(qiáng)制通風(fēng)溫度積蓄良好，堆溫保持較高，間斷性的翻堆和通風(fēng)又可以有效地帶走水分。因而污泥無害化和水分脫除都是最好的，能量消耗也比較低，是建議使用的堆肥通風(fēng)方式。
通過對(duì)堆肥成品的二次堆肥試驗(yàn)可以看出，在污泥中已較好地完成了污泥穩(wěn)定化過程。易腐有機(jī)物得到降解，病原微生物得到殺滅，堆肥成品松散、無惡臭，達(dá)到無害化要求，污泥動(dòng)態(tài)堆肥裝置是較為理想的機(jī)械化堆肥裝置。
