李常慧，劉永德，趙繼紅,2，曹 軍，黃克毅，周 鵬，金保生

(1.河南工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000；3.鄭州市污水凈化有限公司，河南 鄭州 450000；4.新鄉(xiāng)市三禾環(huán)保設(shè)備科技有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000)

城鎮(zhèn)污水廠污泥好氧堆肥生產(chǎn)管理及土壤改良劑的應(yīng)用領(lǐng)域

李?；?，劉永德1，趙繼紅1,2，曹 軍3，黃克毅3，周 鵬3，金保生4

(1.河南工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000；3.鄭州市污水凈化有限公司，河南 鄭州 450000；4.新鄉(xiāng)市三禾環(huán)保設(shè)備科技有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000)

摘要：指出了污泥堆肥是在好氧條件下，利用嗜溫菌、嗜熱菌將污泥中的有機(jī)物分解，并殺死病菌、寄生蟲卵等，提高污泥肥分的過程。從微生物角度對(duì)生產(chǎn)、管理和應(yīng)用工程等方面進(jìn)行了分析，系統(tǒng)闡述了污泥好氧堆肥的生產(chǎn)技術(shù)控制及操作管理技術(shù)，介紹了好氧堆肥生產(chǎn)的成品高效土壤改良劑的應(yīng)用領(lǐng)域，提出了優(yōu)化土壤改良劑生產(chǎn)及市場化的建議。

關(guān)鍵詞：污泥；堆肥；土壤改良劑；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：X53

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：：1674-9944(2015)02-0236-03

Abstract:Sludge composting is produced through process of improving nutriment in a fertilizer, which is realized by the utilization of mesophilic bacteria and thermophilic bacteria to decompose the organic matter in the sludge and kill bacteria and parasitic ovum under the aerobic condition. From the perspective of microorganism, this article analyzes the sludge composting from the aspects of production, management and application engineering, and systematically expounds the control of productive technology and technology of operation management of the sludge aerobic composting; in addition, the article introduces the application fields of the high efficient soil conditioner that is produced by aerobic composting and proposes the suggestions for optimizing soil conditioner's production and marketization.

1引言

污泥堆肥是在好氧條件下，利用好氧的嗜溫菌、嗜熱菌的代謝作用，將污泥中的有機(jī)物分解，并殺滅傳染病菌、病毒、寄生蟲卵等，提高污泥肥分的過程，產(chǎn)生的肥料可以用于園藝和農(nóng)業(yè)目的，是一種無害化、減容化、穩(wěn)定化的綜合處理技術(shù)。通過污泥堆肥過程，有機(jī)物由不穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的腐殖質(zhì)物質(zhì)，堆肥的產(chǎn)品不含病原菌，無臭無蠅，可以安全處理和保存，是一種良好的土壤改良劑和有機(jī)肥料[1]。

為了得到質(zhì)量合格的土壤改良劑產(chǎn)品，在污泥堆肥生產(chǎn)過程中需要切實(shí)提高污泥堆肥質(zhì)量。污泥堆肥方式與原材料、工藝和設(shè)備以及產(chǎn)品的消納方向密切相關(guān)，呈現(xiàn)出條剁、單槽、連續(xù)式負(fù)壓式和容器式等多種堆肥工藝形式[2]。在規(guī)模化污泥堆肥生產(chǎn)中，堆體的孔隙率、通風(fēng)量以及環(huán)境溫度作為生產(chǎn)的基本條件，直接影響到堆體升溫發(fā)酵進(jìn)程和污泥無害化處置效果，對(duì)堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量有較大影響。

2污泥好氧堆肥生產(chǎn)及過程控制

在污泥混合料中，有機(jī)質(zhì)、碳氮比、水分、孔隙率和環(huán)境溫度以及氧氣合適條件下，其中的自然微生物通過同化作用將部分有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為自身生長所需的細(xì)胞質(zhì)獲得養(yǎng)分迅速生長繁殖，通過異化作用將有機(jī)質(zhì)逐級(jí)分解，代謝為各種穩(wěn)定的產(chǎn)物，很快可以進(jìn)入到規(guī)模化的生化階段，對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行礦化和腐殖化[3]。對(duì)淀粉、纖維素等多糖有機(jī)質(zhì)分解，最終分解成二氧化碳和水；對(duì)蛋白質(zhì)和生物堿等含氮有機(jī)物通過氨化、消化和反消化，將其分解為銨鹽和硝酸鹽；對(duì)含磷有機(jī)物分解產(chǎn)生磷酸和磷酸鹽；對(duì)含硫有機(jī)質(zhì)分解形成硫酸和硫酸鹽；脂肪分解為脂肪酸和氨基酸；對(duì)有機(jī)質(zhì)殘?bào)w和芳香族有機(jī)質(zhì)合成腐殖質(zhì)[4]。

在整個(gè)堆體的生化代謝過程中，釋放大量二氧化碳，產(chǎn)生一定量的分解水分，釋放出大量熱能持續(xù)加熱堆體升高堆溫，在高溫條件下曝氣吹脫水蒸汽干化堆體，經(jīng)過多次均質(zhì)翻拋再升溫，易分解有機(jī)質(zhì)含量不斷分解減少，水分含量不斷蒸發(fā)下降，團(tuán)塊逐層粉化，堆體漸變疏松，堆溫緩降趨于常溫，微生物代謝活動(dòng)逐步停止，污泥高溫堆肥發(fā)酵結(jié)束。在此過程中，堆體通風(fēng)曝氣是脫水的需要，更是好氧堆肥微生物的代謝條件，關(guān)系到最終代謝產(chǎn)物，影響到堆體溫度、有機(jī)物分解程度、堆體發(fā)酵周期和堆肥品質(zhì)。而堆肥品質(zhì)的好壞，關(guān)系到堆肥后續(xù)消納方向和應(yīng)用工程經(jīng)濟(jì)利益。

在堆體不同的發(fā)酵階段，堆體的溫度、水蒸汽散發(fā)狀態(tài)、氣味情況、堆體物料色澤、水分含量、團(tuán)塊粒徑以及微生物菌種等方面呈現(xiàn)一定的規(guī)律性變化[5]。通過對(duì)污泥堆體的翻拋和曝氣等手段進(jìn)行調(diào)控，平均溫度50℃下堆體保持8~12d以上，60℃以上保持5~8d的高溫期，確保有害菌、蛔蟲卵以及雜草種子有效滅活，有機(jī)質(zhì)充分腐熟礦化和各種有害物變性改性，實(shí)現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化、無害化和減量化[6]。

2.1　堆肥生產(chǎn)三要素

堆體系統(tǒng)中的水分含量、孔隙率和溫度稱為堆肥生產(chǎn)三要素，三者之間相互關(guān)聯(lián)、相互作用。

2.1.1　堆體水分

堆體水分是影響微生物生長和代謝、堆體孔隙率、堆體溫度、發(fā)酵周期和堆肥質(zhì)量的重要因素之一。堆體在發(fā)酵周期內(nèi)其最大的脫水負(fù)荷是由設(shè)備和工藝決定的，混料超出負(fù)荷上限的水分無法脫出，反而影響到堆體的發(fā)酵周期及堆肥質(zhì)量。堆體水分與各種材料的含水率和配料比相關(guān)。在生產(chǎn)和管理中，首先應(yīng)確定出適合設(shè)備狀態(tài)、季節(jié)、原材料最大混料含水率和最低秸稈添配料比等參數(shù)，指導(dǎo)不同季節(jié)或原材料質(zhì)量不穩(wěn)定情況下的混料生產(chǎn)。

2.1.2　堆體孔隙率

堆體孔隙率關(guān)系到堆體的透氣性和發(fā)酵環(huán)境的好壞，有氧狀態(tài)下微生物好氧發(fā)酵，無氧狀態(tài)下則是厭氧發(fā)酵。堆體空隙率受水分含量、秸稈的種類、粗細(xì)粒徑比、添加量和回流料質(zhì)量以及翻拋質(zhì)量的直接影響，而秸稈粒徑過細(xì)、雜質(zhì)率過高或使用晾曬干化的回流料對(duì)改變孔隙率的作用不大。無論什么原因影響到堆體的透氣性，都可能會(huì)把堆體轉(zhuǎn)化為缺氧厭氧狀態(tài)，改變堆體堆肥的進(jìn)程。而堆體缺氧厭氧不僅會(huì)影響到溫度，還會(huì)產(chǎn)生硫化氫、三甲胺、甲硫醇和甲烷等厭氧臭氣。

2.1.3　堆體溫度

堆體溫度包括堆體高溫和高溫期，是堆體發(fā)酵的重要指標(biāo)之一。最小堆體孔隙率和最大含水率是混料堆肥的基礎(chǔ)參數(shù)，高溫和高溫期是堆肥管理的階段目標(biāo)，是好氧堆肥發(fā)酵成敗的關(guān)鍵。從原材料質(zhì)量到發(fā)酵調(diào)控管理，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，最終都會(huì)體現(xiàn)在堆體溫度、水分含量和堆肥質(zhì)量上。污泥堆肥的三個(gè)主要的熱能平衡式如下。

(1)堆體熱動(dòng)力平衡式表示為：

Q生化能→Q總熱能→q堆體升溫+q水汽蒸發(fā)+q輻射傳遞熱+q空氣加熱

(2)堆體水動(dòng)力平衡式表示為：

H2O總量→H2O混料+H2O分解→H2O蒸發(fā)+H2O吹脫+H2O堆肥水分

(3)堆體基質(zhì)動(dòng)力平衡式表示為：

M總量→M堆肥+M分解

從熱能平衡式(1)可以看出，分解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的Q生化能是堆體系統(tǒng)總熱能Q總熱能，是堆體升溫的唯一熱源。從水分平衡式(2)可以看出，堆體系統(tǒng)水分總量H2O總量由H2O混料和H2O分解兩部分構(gòu)成，堆體系統(tǒng)實(shí)際蒸發(fā)吹脫出的水分量與堆肥所含水分之和大于混料水分H2O混料，水汽蒸發(fā)和吹脫實(shí)現(xiàn)是堆肥發(fā)酵干化的主要形式。從基質(zhì)平衡式(3)可以看出，有機(jī)質(zhì)M分解被生化分解轉(zhuǎn)化部分是堆體能量Q生化能和H2O分解的來源。

從堆體系統(tǒng)微生物的好氧發(fā)酵、堆肥三要素和堆體動(dòng)力平衡機(jī)理不同角度都表明，污泥堆肥是堆體微生物在有氧條件下多種要素協(xié)同發(fā)酵的過程。從堆肥工程的實(shí)踐中也可以看出，不同的發(fā)酵階段不同溫度和水分，預(yù)示著堆體處于不同的發(fā)酵階段、不同的發(fā)酵狀態(tài)和不同的發(fā)酵質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，盡管設(shè)備自動(dòng)化程度越來越高，工藝越來越先進(jìn)，但是由于原材料、氣候溫度、混料生產(chǎn)、發(fā)酵過程管控和設(shè)備狀態(tài)等諸多因素的影響，發(fā)酵周期和堆肥質(zhì)量仍然難以穩(wěn)定。

2.2　好氧堆肥過程控制

2.2.1　技術(shù)控制

混料是堆肥的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，混合料質(zhì)量的穩(wěn)定性直接影響堆體發(fā)酵進(jìn)程。污泥、秸稈輔料和回流料的水分含量和質(zhì)量具有高不穩(wěn)定性，也造成日?；炝峡紫堵?、水分和有機(jī)質(zhì)等質(zhì)量下降。混料水分、孔隙率和碳氮比變化幅度過大時(shí)，直接影響到堆體升溫慢、堆溫低、再升溫困難、高溫期短的問題，如果發(fā)酵階段調(diào)控管理不當(dāng)，會(huì)影響堆肥腐熟和脫水，堆肥質(zhì)量難以保證?？傊ㄟ^調(diào)整配料比，保證混料透氣性和水分穩(wěn)定性，減輕發(fā)酵階段管控難度。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況看，混料水分高和透氣性差以及秋冬季低溫因素是造成堆肥生產(chǎn)影響的主要問題，冬季影響因素多，問題也最為突出。如果長期使用質(zhì)量不合格回流料可能會(huì)造成“混料-發(fā)酵-堆肥回流料”的惡性循環(huán)。生產(chǎn)運(yùn)行中，設(shè)備自動(dòng)化程度越高，工藝越先進(jìn)，對(duì)混料質(zhì)量和穩(wěn)定性要求越高。

2.2.2　管理控制

堆肥生產(chǎn)管理包括原材料、混料生產(chǎn)、發(fā)酵過程和堆肥質(zhì)量動(dòng)態(tài)調(diào)控管理等過程：主要是檢查和管控原材料質(zhì)量；根據(jù)原材料和季節(jié)變化，調(diào)整配料比管控混料質(zhì)量；通過調(diào)整翻拋和曝氣參數(shù)，控制高溫和高溫期，以保證在周期內(nèi)生產(chǎn)出質(zhì)量合格堆肥基料。堆肥生產(chǎn)管理水平體現(xiàn)在日常堆肥過程質(zhì)量的管控，特別是對(duì)出現(xiàn)問題槽堆的處置調(diào)整能力方面。

堆肥品質(zhì)包括物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)、生物學(xué)指標(biāo)、肥效指標(biāo)和有害物指標(biāo)。管理人員憑借管理經(jīng)驗(yàn)可以通過堆肥溫度變化、水氣蒸發(fā)狀態(tài)、翻拋氣味、團(tuán)塊形態(tài)、堆肥干散程度和物料色澤等相應(yīng)變化，基本上可以直觀判斷出堆肥質(zhì)量的概況。因此，提高管理人員的業(yè)務(wù)管理能力對(duì)于堆肥系統(tǒng)的運(yùn)行是十分必要的。

3高效土壤改良劑的應(yīng)用領(lǐng)域

3.1　開發(fā)生產(chǎn)高效土壤改良劑

在優(yōu)質(zhì)好氧堆肥質(zhì)量基礎(chǔ)上，進(jìn)行高效土壤改良劑配置生產(chǎn)，再次進(jìn)行重金屬鈍化處理，用專用微生物進(jìn)行二次定向發(fā)酵，提高乳酸菌、固氮菌和根瘤菌等肥效微生物和腐殖質(zhì)的含量，也可以根據(jù)工程實(shí)際需要有針對(duì)性地進(jìn)行有機(jī)肥、無機(jī)肥混配，制成高效土壤改良劑，提高改良劑肥效和安全性以及附加值，再應(yīng)用于相關(guān)工程。

3.2　高效土壤改良劑使用原則

在堆肥應(yīng)用工程中，首先，應(yīng)遵循控制污染、避免肥害和規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的基本原則，避免盲目性和簡單化操作，因造成地下深層污染問題而受挫。其次，要學(xué)習(xí)和研究工程行業(yè)特點(diǎn)及基本規(guī)則，不斷提高專業(yè)技術(shù)知識(shí)和工程駕馭能力，妥善處理好各種實(shí)際問題。第三，承接可以充分發(fā)揮出高效土壤改良劑的優(yōu)勢相關(guān)工程。

3.3　高效土壤改良劑應(yīng)用領(lǐng)域

要嚴(yán)格在國家政策的范圍內(nèi)使用污泥高效土壤改良劑，可以廣泛應(yīng)用于糧食和果品之外的其它種植領(lǐng)域，適時(shí)開展：①各種廢棄礦山(被擾動(dòng)的礦山地表層)生態(tài)修復(fù)工程；②鹽堿地和沙漠地區(qū)的綠化工程；③園林和綠化帶工程；④垃圾填埋場表層覆蓋生物防臭工程等堆肥生態(tài)環(huán)境修復(fù)型應(yīng)用工程等方面的研究和開拓工作。

3.4　應(yīng)用工程注意事項(xiàng)

生態(tài)環(huán)境修復(fù)應(yīng)用工程，是在土肥和綠化傳統(tǒng)基礎(chǔ)上，融合現(xiàn)代生物、環(huán)保工程技術(shù)的新理念新方法，在土壤和地下水不被污染的條件下，進(jìn)行被破壞地表環(huán)境的生態(tài)修復(fù)與綠化。堆肥企業(yè)是非專業(yè)綠化工程單位，對(duì)早期工程不能求大貪多，要進(jìn)行充分調(diào)查，專業(yè)論證，精細(xì)核算，制定周密的技術(shù)實(shí)施方案，根據(jù)堆肥的質(zhì)量和數(shù)量分步實(shí)施，充分做好防范可能的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案。

在應(yīng)用工程中，要根據(jù)工程環(huán)境基礎(chǔ)和客戶要求情況，通過相關(guān)工程技術(shù)，采取針對(duì)性措施，將堆肥產(chǎn)品用于環(huán)境生態(tài)修復(fù)和園林植物綠化，解決污泥堆肥的安全去向和二次污染問題，符合國家相關(guān)政策和發(fā)展方向，還可以整合廢物資源，為企業(yè)增值創(chuàng)收。

4結(jié)語

污泥堆肥是一種無害化、減容化、穩(wěn)定化的污泥綜合處理處置技術(shù)。通過污泥堆肥過程，有機(jī)物由不穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的腐殖質(zhì)物質(zhì)，堆肥的產(chǎn)品不含病原菌，無臭無蠅，可以安全處理和保存，是一種良好的土壤改良劑和有機(jī)肥料。堆肥產(chǎn)品——高效土壤改良劑完全可以作為有機(jī)肥料廣泛用于各種廢棄礦山和被擾動(dòng)地表層生態(tài)修復(fù)、鹽堿地綠化、沙漠地區(qū)綠化和垃圾填埋場表層覆蓋等工程，推動(dòng)市政污泥堆肥行業(yè)的健康良性發(fā)展。

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Production Management of Sludge Aerobic Composting in

Urban Sewage Plant and Applications of Soil Conditioner

Li Changhui1, Liu Yongde1, Zhao Jihong1,2, Cao Jun3, Huang Keyi3, Zhou Peng3, Jin Baosheng4

(1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou450000,

China;2.ZhengzhouUniversityofLightIndustry,Zhengzhou450000,China;

3.ZhengzhouSewagePurificationCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,China;

4.XinxiangSanheEnvironmentalProtectionEquipmentTechnologyCo.,Ltd.,Xinxiang453000,China)

Key words: sludge; compost; soil conditioner; application