彭 聞，張 勇，趙衛(wèi)兵，楊磊鋒

（機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044）

?

污泥生物干化技術(shù)及應(yīng)用前景展望

彭 聞，張 勇，趙衛(wèi)兵，楊磊鋒

（機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044）

摘 要：生物干化技術(shù)是在好氧發(fā)酵的基礎(chǔ)上，利用可降解有機(jī)物分解代謝作用時(shí)產(chǎn)生的生物熱量，通過(guò)通風(fēng)、翻堆等過(guò)程控制手段，促進(jìn)物料中水分快速散失，降低含水率的干化工藝。污泥生物干化過(guò)程受物料性質(zhì)、溫度、含水率、調(diào)理劑、通風(fēng)、機(jī)械翻堆等因素的影響。與其他污泥干化技術(shù)相比，生物干化技術(shù)更經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保且具有良好的應(yīng)用和發(fā)展推廣前景。

關(guān)鍵詞：城市污泥；生物干化；影響因素；前景

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)人口數(shù)量不斷增多，對(duì)城市的污水處理量和處理要求大幅提高，隨之而來(lái)的在污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的污泥量也急劇增加。據(jù)國(guó)家住房城鄉(xiāng)建設(shè)部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2013年3月底，全國(guó)建成的城鎮(zhèn)污水處理廠累計(jì)有3451座，污水處理量約1.45億立方米/日，與2012年相比新建污水處理廠111座，新增處理量約300萬(wàn)立方米/日［1］。按照噸水產(chǎn)泥量（污泥的含水率80%）0.05%～0.08%估算，我國(guó)年產(chǎn)污泥量在2650萬(wàn)～4200萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)的污泥年產(chǎn)量將達(dá)到6000萬(wàn)～9000萬(wàn)噸。

我國(guó)大多數(shù)污水處理廠產(chǎn)生的脫水污泥含水率高達(dá)約80%，具有體積大、性質(zhì)不穩(wěn)定等特點(diǎn)，污泥儲(chǔ)存及運(yùn)輸不便，大大限制了污泥在較大范圍中的應(yīng)用。因此污泥干化處理成污水為污泥首要解決的問(wèn)題。但污泥的自然干化效率較低、容易造成二次污染，熱干化需外加熱源，有投資和運(yùn)行費(fèi)用等問(wèn)題。而生物干化利用自身的發(fā)酵生物熱，無(wú)需外加熱源，因而是一種經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保的干化技術(shù)。結(jié)合我國(guó)目前的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和發(fā)展現(xiàn)狀，生物干化技術(shù)將會(huì)越來(lái)越受到重視。

1　生物干化技術(shù)

生物干化的概念是1984年美國(guó)學(xué)者研究牛糞生物干燥的運(yùn)行參數(shù)時(shí)提出的，也稱為生物干燥［2］。生物干化技術(shù)是在好氧發(fā)酵的基礎(chǔ)上，利用可降解有機(jī)物分解代謝作用時(shí)產(chǎn)生的生物熱量，外加通風(fēng)、翻堆等過(guò)程控制手段，促使物料中水分快速散失，降低含水率的干化工藝。Wiemer等研究表明，生物干化技術(shù)處理城市生活垃圾后，其含水率明顯降低，大大提高了垃圾的熱值，產(chǎn)品可制作成衍生燃料（RDF），也可作為垃圾焚燒的預(yù)處理手段［3］。德國(guó)、意大利、希臘等多個(gè)國(guó)家現(xiàn)都已建成生物干化工程，具有良好的應(yīng)用前景。因此，理論上生物干化技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保的污泥處理技術(shù)。

2　生物干化技術(shù)與好氧堆肥技術(shù)的區(qū)別

生物干化技術(shù)與好氧堆肥技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別在于：生物干化的主要目的是快速散發(fā)污泥中的水分降低其含水率，并使物料保持較高的熱值，便于焚燒或作為肥料等后續(xù)再利用，而好氧堆肥則是以污泥中有機(jī)物的腐熟化和穩(wěn)定化為主要目標(biāo)。生物干化側(cè)重于快 速降低含水率，對(duì)穩(wěn)定化、腐熟化指標(biāo)沒(méi)有明確的要求，與好氧堆肥在產(chǎn)物與評(píng)價(jià)指標(biāo)也存在差異?；谀繕?biāo)的不同，生物干化在控制參數(shù)方面，發(fā)酵周期更短，有機(jī)物降解更少，通風(fēng)量更大，翻堆頻次更高。

3　污泥生物干化技術(shù)的影響因素

污泥生物干化技術(shù)是在污泥好氧發(fā)酵技術(shù)上衍生出來(lái)的一種新技術(shù)。生物干化是多種因素和變量相互影響和作用的復(fù)雜理化過(guò)程，其影響因素包括物料性質(zhì)、溫度、含水率、調(diào)理劑、通風(fēng)、機(jī)械翻堆等，各影響因素之間存在一定的耦合效應(yīng)。

3.1物料性質(zhì)

有機(jī)質(zhì)是發(fā)酵過(guò)程中微生物生長(zhǎng)和繁殖的基本能量來(lái)源，適宜的有機(jī)質(zhì)含量對(duì)生物干化過(guò)程極為重要。研究表明，在好氧發(fā)酵過(guò)程中，適宜發(fā)酵的有機(jī)質(zhì)含量為40%～80%，城市污泥中富含大量的有機(jī)質(zhì)和促進(jìn)微生物活性所需的養(yǎng)分，易被微生物降解［4］。通過(guò)對(duì)我國(guó)98座城鎮(zhèn)污水處理廠產(chǎn)生的污泥成分進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，城市污泥中有機(jī)質(zhì)的平均含量為380g/kg，并且我國(guó)污水廠的污泥有機(jī)質(zhì)含量呈逐年上升趨勢(shì)，說(shuō)明我國(guó)城市污泥有機(jī)質(zhì)含量滿足生物干化的基本要求［5］。

污泥的性質(zhì)符合生物干化的要求，但是污泥普遍含水率較高，單獨(dú)發(fā)酵無(wú)法滿足微生物快速生長(zhǎng)和繁殖的條件，需要添加干料或者輔料來(lái)調(diào)節(jié)初始的發(fā)酵條件。在生物干化的初始微生物反應(yīng)階段，通常需要向濕污泥中投加一定比例的秸稈、花生殼、木屑等農(nóng)作物作為調(diào)理劑或通過(guò)回流干化污泥以調(diào)節(jié)適宜的含水率、孔隙率和C/N。通過(guò)投加調(diào)理劑可以提高污泥的孔隙率，提高堆體的透氣性，有利于氧氣的傳輸，減少風(fēng)壓降低能耗，同時(shí)也改善濕污泥的較低C/N比。秦莉等研究表明，發(fā)酵物料的C/N必須達(dá)到適宜的范圍，碳氮比一般為20∶1～40∶1，最為理想的碳氮比控制范圍在25∶1～30∶1，如果碳氮比過(guò)高或過(guò)低，均會(huì)影響物料的發(fā)酵效果［6］。

pH值對(duì)微生物的生物活性至關(guān)重要，其是微生物生長(zhǎng)和繁殖的初始環(huán)境條件。一般認(rèn)為適宜發(fā)酵的pH值應(yīng)控制在5.2～8.8，最佳pH值范圍為7.6～8.7［7］。pH值適宜時(shí)，微生物可最大程度地發(fā)揮活性。微生物在降解有機(jī)物的生化過(guò)程中，需要微堿性或中性的理化條件，pH值過(guò)低或過(guò)高都會(huì)影響微生物的生物活性和有機(jī)物的降解速率。來(lái)源于城市污水處理廠的污泥，由于添加了脫水劑，一般呈弱堿性，在進(jìn)行發(fā)酵前不必對(duì)pH進(jìn)行調(diào)整可直接進(jìn)行堆制。

此外，污泥的粒徑也是生物干化的一個(gè)重要因素，污泥生物干化反應(yīng)是通過(guò)附在固體顆粒表面的水膜中進(jìn)行的，污泥顆粒粒徑越小，其表面積越大，就越有利于生物反應(yīng)的進(jìn)行。但粒徑太小，則堆體的孔隙率將大幅降低，從而抑制通風(fēng)供氧，粒徑過(guò)大時(shí)，通過(guò)堆體的氣流易形成短流，顆粒內(nèi)部沒(méi)有氧氣進(jìn)入，導(dǎo)致顆粒內(nèi)部供氧不足形成厭氧反應(yīng)。因此小顆粒更有利于提高氧氣利用率，促進(jìn)生物降解反應(yīng)。發(fā)酵過(guò)程中最適宜的粒徑為1.3～7.6mm，下限更適用于連續(xù)翻堆的好氧動(dòng)態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)，上限更適用于靜態(tài)堆垛發(fā)酵系統(tǒng)［8］。

3.2溫度

溫度是微生物活性最為顯著的影響因素，溫度的變化是反應(yīng)生物發(fā)酵過(guò)程是否正常最敏感和最直接的指標(biāo)，其與含水率、通風(fēng)量以及其他影響因素存在相互耦合的關(guān)系。生物干化是通過(guò)生物熱蒸發(fā)水分的過(guò)程，從堆體逸出的空氣其含水率接近飽和。當(dāng)周圍環(huán)境溫度升高時(shí)，空氣的含水量也將隨之升高，且呈指數(shù)變化規(guī)律。因此堆體溫度越高則其水分蒸發(fā)速率越快，干化作用越顯著。但堆體溫度并非越高越好，當(dāng)堆體溫度超過(guò)一定的溫度時(shí)，將會(huì)嚴(yán)重影響微生物的活性。整個(gè)生物干化過(guò)程中微生物的數(shù)量和優(yōu)勢(shì)種群隨溫度呈現(xiàn)交替變化的過(guò)程，一般分為升溫階段、高溫階段和降溫階段。在高溫階段（50℃～60℃）微生物降解有機(jī)物的能力最強(qiáng)，水分蒸發(fā)效果更好，因而在確保微生物較高活性的條件下，維持較長(zhǎng)的高溫周期，可達(dá)到更好的脫水效果。

3.3含水率

含水率是生物干化過(guò)程中重要的工藝控制參數(shù)，直接影響微生物的活性。過(guò)高的含水率將會(huì)堵塞物料中的孔隙，導(dǎo)致發(fā)酵過(guò)程處于厭氧狀態(tài)，嚴(yán)重影響好氧微生物的生物活性。含水率太低則會(huì)使微生物缺少繁殖所需的水分，抑制微生物的新陳代謝，不利于發(fā)酵產(chǎn)生高溫。因此在生物干化過(guò)程中，需要將含水率維持在一定的范圍內(nèi)。物料初始含水率一般應(yīng)控制在55%～65%，最佳含水率約為60%。含水率與有機(jī)物降解速率有著密切的關(guān)系，當(dāng)物料含水率小于45%時(shí)，微生物活性減弱，有機(jī)物降解速率明顯降低。

3.4調(diào)理劑

調(diào)理劑的類型和投加比例對(duì)生物干化效果具有重要影響。在生物干化過(guò)程中，向污泥中投加調(diào)理劑，提高物料C/N比，防止污泥碳氮比過(guò)低抑制生物活動(dòng)，并且還能增加物料的透氣性，改善堆體的自由空域，有利于好氧發(fā)酵環(huán)境的形成。蔣建國(guó)等人分別以秸稈和鋸末為調(diào)理劑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，前者的調(diào)節(jié)作用更優(yōu)于后者，秸稈比鋸末更利于促進(jìn)微生物活性，代謝作用持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，物料升溫更快，脫水速率更大［9］。李艷霞等研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)理劑配比高的物料更易于堆體快速升溫，配比高導(dǎo)致堆體的自由空域較高，有利于氧氣的存儲(chǔ)和傳輸，更易于物料的好氧發(fā)酵過(guò)程［10］。

3.5通風(fēng)

通風(fēng)是生物干化過(guò)程中重要的工藝過(guò)程控制方式，通過(guò)通風(fēng)能為好氧微生物提供氧氣，同時(shí)還能散去堆體中的熱量和帶走水分。生物干化的升溫階段，通風(fēng)的主要目的是為有機(jī)物分解提供氧氣，通風(fēng)量可略微降低有利于堆體快速升溫，一般不超過(guò)0.4L/min·kg。在高溫階段，一方面通風(fēng)滿足有機(jī)物降解需氧量，另一方面通過(guò)加大通氣量，在帶走水分的同時(shí)帶走多余的熱量，但不宜過(guò)大（以不影響堆體溫度降幅過(guò)大為準(zhǔn)）。在降溫階段，需要較大的風(fēng)量帶走多余的水分，起到干化和冷卻的作用。水分的去除量受通風(fēng)量與堆體溫度的共同影響，通風(fēng)范圍在4～6m3/h·m3時(shí)，污泥的含水率下降最快，生物干化效果較好。

不同的通風(fēng)方式對(duì)生物干化會(huì)產(chǎn)生不同影響，一般采用的通風(fēng)方式有：連續(xù)通風(fēng)、間歇時(shí)間控制通風(fēng)、溫度反饋控制通風(fēng)、氧含量控制通風(fēng)等。間歇時(shí)間控制通風(fēng)與連續(xù)通風(fēng)相比更利于堆體的溫度升高和干化效果，溫度反饋控制方式對(duì)通風(fēng)的控制更為精確，適用于規(guī)?；纳a(chǎn)調(diào)控。而氧含量控制通風(fēng)由于氧含量測(cè)定儀的誤差較大，不適用于大規(guī)模生產(chǎn)的需要。為了在生物發(fā)酵周期內(nèi)去除更多水分，應(yīng)根據(jù)不同的發(fā)酵階段采用不同的通風(fēng)方式，對(duì)生物干化過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和反饋控制，這樣更有利于提高生物干化效率。

3.6機(jī)械翻堆

翻堆是通過(guò)翻倒、攪拌、混合等方式使物料、氧氣、溫度和水分等均勻化，起到混合物料、供給空氣、增加空隙率、散失水分等作用，提高生物干化的脫水效率。翻堆對(duì)于現(xiàn)代化、機(jī)械化的生物發(fā)酵技術(shù)具有重要的作用，也是動(dòng)態(tài)發(fā)酵與靜態(tài)發(fā)酵技術(shù)的區(qū)別依據(jù)。呂育財(cái)?shù)热搜芯堪l(fā)現(xiàn)，翻堆后可使堆體內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)18.5%，翻堆結(jié)束后堆體內(nèi)的氧氣在半小時(shí)內(nèi)耗盡，翻堆后雖堆體溫度下降，但在微生物好氧呼吸的作用下，堆體溫度迅速上升，在30min內(nèi)即可恢復(fù)到翻堆前溫度［11］。韓競(jìng)耀等研究表明，翻堆能進(jìn)一步改善污泥干化效果，在適宜通風(fēng)量條件下，每?jī)商旆?次，產(chǎn)物含水率為53%，水分去除率達(dá)0.47kg/kg［12］。

4　污泥生物干化的應(yīng)用前景

4.1資源化前景

生物干化明顯改善了污泥的生物、化學(xué)和力學(xué)的穩(wěn)定性等性質(zhì)，污泥減量化作用效果顯著，更便于污泥的運(yùn)輸和存儲(chǔ)，也為后續(xù)的土地利用、焚燒和填埋等多種用途奠定了良好的基礎(chǔ)。無(wú)論后續(xù)采用何種處理方式，污泥干化、減量化將成為污泥處理首要解決的問(wèn)題，因此污泥干化作用將起到日益重要的作用。國(guó)家頒布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質(zhì)》（GB/T23485-2009）已明確規(guī)定污泥用于混合填埋時(shí)，污泥含水率必須低于60%。同時(shí)國(guó)家對(duì)污泥用于單獨(dú)焚燒、土地利用和園林綠化等處置方式，也分別嚴(yán)格規(guī)定了對(duì)污泥的要求。污泥經(jīng)過(guò)生物干化后，含水率均能達(dá)到上述用途的要求，拓寬了污泥的資源化利用。

4.2技術(shù)經(jīng)濟(jì)前景

生物干化是利用自身的發(fā)酵生物熱，無(wú)需外加熱源，同時(shí)微生物代謝過(guò)程活化了污泥內(nèi)部水分，使其更易散失，提高了污泥的脫水效率。目前國(guó)內(nèi)外污泥干化技術(shù)多采用熱干化的形式，其電能消耗量大，成本過(guò)高。新的熱干化技術(shù)如太陽(yáng)能或太陽(yáng)能—地源熱泵、微波干化等新型技術(shù)在能源消耗上已有一定的改善。但太陽(yáng)能干化技術(shù)占地面積大、受自然條件影響大、效果不穩(wěn)定等問(wèn)題，決定了其無(wú)法取代傳統(tǒng)的熱干化技術(shù)，而且太陽(yáng)能干化技術(shù)效率較低無(wú)法適應(yīng)較大規(guī)模污泥處理的應(yīng)用。與熱干化技術(shù)相比，生物干化的明顯優(yōu)勢(shì)在于好養(yǎng)生物通過(guò)發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生生物熱來(lái)起到干化效果，屬于內(nèi)源熱，熱量由內(nèi)向外傳遞，水分也由內(nèi)向外同向散發(fā)，溫度和濕度梯度方向一致，提高了傳熱系數(shù)，干化效率顯著提高，并且節(jié)約能源［13］。因此，理論上生物干化技術(shù)是適合我國(guó)目前的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和發(fā)展現(xiàn)狀的一種經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保的污泥處理技術(shù)。

4.3政策前景

《“十二五”全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施規(guī)劃》中明確提出，到2015年，縣城及重點(diǎn)鎮(zhèn)污泥無(wú)害化處置率達(dá)到30%，其他設(shè)市城市達(dá)到70%，直轄市、省會(huì)城市和計(jì)劃單列市達(dá)到80%?！笆濉逼陂g，全國(guó)累計(jì)建設(shè)城鎮(zhèn)污泥廠處理量約518萬(wàn)噸（干泥）/年，其中，建制鎮(zhèn)37萬(wàn)噸/年，縣城98萬(wàn)噸/年，設(shè)市城市383萬(wàn)噸/年；西部地區(qū)106萬(wàn)噸/年，中部地區(qū)124萬(wàn)噸/年，東部地區(qū)288萬(wàn)噸/年。同時(shí)“十二五”期間，國(guó)家有關(guān)部門又頒布了一系列的政策、標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)指南文件，鼓勵(lì)我國(guó)污泥處置產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)污泥處理技術(shù)的研究、應(yīng)用和推廣。生物干化的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)，完全符合我國(guó)污泥 “穩(wěn)定化、無(wú)害化、減量化、資源化” 處理原則，必將具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 國(guó)家住建部.關(guān)于全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施2013年第一季度建設(shè)和運(yùn)行情況的通報(bào)［Z］.2013.

［2］ JeweHWJ，DonderoNC，Van Soest P J，et al.High temperature stabilization and moisture removal from animal wastes for byproduct recovery［R］.Final reportpreparedfor thecooperative state research service，USDA，Washington，DC. 1984.SEA/CR 616-15-168-169.

［3］ Wiemer K， Kern M. Abfall-Wirtschaft：Neuesausforschung und praxis. Witzenhausen：M.I.C.Baeza-Verlag Publisher，1996. 571-603.

［4］ 王遜，屈森虎，陳媛，等.城市污泥堆肥用于林業(yè)土壤基質(zhì)的可行性研究［J］.環(huán)境科技，2011，S1：110-115.

［5］ 郭廣慧，楊軍，陳同斌，等.中國(guó)城市污泥的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量及其變化趨勢(shì)［J］.中國(guó)給水排水，2009，13：120-121.

［6］ 秦莉，沈玉君，李國(guó)學(xué)，等.不同C/N比對(duì)堆肥腐熟度和含氮?dú)怏w排放變化的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，12：2668-2673.

［7］ 袁進(jìn)，魏永杰，于芳芳. 污泥堆肥處理影響因素研究［J］.化肥工業(yè)，2008，35 （3）：32-35.

［8］ 李季，彭生平.堆肥工程實(shí)用手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［9］ 蔣建國(guó)，楊勇，賈瑩，等.調(diào)理劑和通風(fēng)方式對(duì)污泥生物干化效果的影響［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2010（5）：1167-1170.

［10］ 李艷霞，王敏健，王菊思，等.填充料和通氣對(duì)污泥堆肥過(guò)程的影響［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2000（6）：1015-1020.

［11］ 呂育財(cái)，王俊剛，李寧，等.間歇式曝氣與人工翻堆對(duì)堆肥化進(jìn)程的影響［N］.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，18（1）：69-75.

［12］ 韓競(jìng)耀，何品晶，張冬青，等.通風(fēng)量和翻堆對(duì)生活垃圾好氧生物干化的影響［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程，2008（3）：23-25.

［13］ 鄒惠芬，費(fèi)穎超，趙雷，等.污泥生物干化機(jī)理的探討，沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）［N］.2 0 l 3，29（1）.

Sludge Bio-dried Technique and Application Prospects

PENG Wen， ZHANG Yong， ZHAO Wei-bing， YANG Lei-feng
（Machine Development of Science and Technology Co.， Ltd， Beijing 100044， China）

Abstract:On the basis of aerobic fermentation， the biological dried technique uses degradable organic matters decomposition and produces the bio-quantity of heat， it promotes the water quick dissipation of materials and reduces the containing water rate through aeration and turning over process. In comparison with other sludge dried technique， the biological dried technique is provided with economy， energy saving， environmental protection and a favorable prospect in application， development and popularization.

Keywords:urban sludge； biological dewater； infuence factor； prospect

中圖分類號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-5377（2016）05-0037-04