劉戰(zhàn)廣

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市　200092）

厭氧消化污泥深度生物干化試驗研究

劉戰(zhàn)廣

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

將厭氧消化污泥與返混料、麩皮按一定比例混合，采用自制的生物干化反應(yīng)器研究了厭氧消化污泥的水分去除和減量化效果。經(jīng)過18 d的生物干化試驗后，累積去除水分達764.2 g/kg初始水分重量，厭氧消化污泥堆體的含水率從55.1%降至27.0%，其中含水率降至30%以下所需的時間僅為7～12 d。同時，堆體的重量和體積分別減少48.7%和35.6%，減量化效果明顯。有機質(zhì)降解產(chǎn)生的熱量中有85.94%用于堆料水分的蒸發(fā)去除，熱量利用效率較高，整個試驗過程中，堆體的平均溫度大于60℃的時間達6 d，大于55℃的時間達10 d。生物干化產(chǎn)物有機質(zhì)和養(yǎng)分含量分別為58.8%和17.82%，具有土地利用的潛能，且可達到單獨焚燒用泥質(zhì)（GB/T 24602-2009）的要求。

厭氧消化污泥；生物干化；減量化；土地利用；污泥焚燒

0　引言

隨著我國城鎮(zhèn)污水處理事業(yè)的快速發(fā)展，污水處理廠數(shù)量不斷增多，污泥產(chǎn)生量也日益增加。據(jù)統(tǒng)計，截至2016年3月，我國城鎮(zhèn)污水處理廠數(shù)量達4 323座，污泥年產(chǎn)生量在4 000萬t（含水率80%）以上。厭氧消化作為一種低能耗、資源化的污泥穩(wěn)定化處理技術(shù)，不但有效降低污泥中的有機質(zhì)含量，而且還能回收沼氣能源，國內(nèi)外均積極鼓勵應(yīng)用［1］。然而厭氧消化污泥經(jīng)濃縮脫水后的含水率仍然高達70%～80%，體積大，不利于污泥的最終處置利用。

生物干化是一種與好氧堆肥相似的污泥處理新技術(shù)。與好氧堆肥工藝相比，生物干化是利用微生物好氧發(fā)酵過程中降解有機質(zhì)所產(chǎn)生的生物熱能，實現(xiàn)物料的快速脫水干化和減容減量，并不強調(diào)干化產(chǎn)品的完全穩(wěn)定化［2］。目前污泥生物干化研究對象主要為剩余活性污泥［3，4］，荷蘭GMB公司已在荷蘭Zutphen和Tiel分別建有15萬t/a和8萬t/a的污泥生物干化廠，處理對象以市政污水處理廠剩余污泥為主［2］。與剩余活性污泥相比，厭氧消化污泥有機質(zhì)含量已明顯下降，且以厭氧或兼性厭氧菌群為主，可能導(dǎo)致生物干化過程和效果的不同［1］。由于厭氧消化污泥已實現(xiàn)部分穩(wěn)定化，因此，進一步采用生物干化工藝快速降低厭氧消化污泥的含水率，將有利于污泥的焚燒或土地利用。

本試驗采用自制的生物干化反應(yīng)器研究脫水后的厭氧消化污泥生物干化處理效果及溫度、通風(fēng)、輔料等關(guān)鍵因素的影響，探討了厭氧消化污泥生物干化過程的熱量平衡，并簡要分析了厭氧消化污泥生物干化產(chǎn)物的處置利用。

1　材料與方法

1.1試驗材料

生物干化試驗所用的厭氧消化污泥取自上海市某污水處理廠厭氧消化污泥脫水車間，該廠設(shè)計厭氧消化溫度為35℃，采用離心脫水機脫水后的污泥含水率為74%～76%，有機質(zhì)含量（VS）為45%～50%。試驗所用的小麥麩皮購自江蘇省無錫市某副食品加工企業(yè)，含水率為12.6%，VS為93.6%。試驗添加適量的上海市松江污水處理廠污泥堆肥產(chǎn)品為返混料，含水率為23.8%，VS為73.6%。

1.2試驗裝置

試驗在PVC材料的圓柱形生物干化反應(yīng)器中進行，反應(yīng)器容積0.18 m3，高度0.9 m，直徑0.5 m。如圖1所示，反應(yīng)器底部0.15 m為布氣室，采用時控開關(guān)控制風(fēng)機強制向上通風(fēng)，風(fēng)機流量通過浮子流量計調(diào)節(jié)。堆體溫度及氣體的溫度和濕度采用多通道參數(shù)記錄儀在線監(jiān)測。試驗在未設(shè)空調(diào)的室內(nèi)進行，反應(yīng)器壁外部包裹0.05 m厚的保溫棉以減少熱量損失。反應(yīng)器整體置于500 kg電子臺秤上便于記錄重量變化。

圖1　生物干化試驗裝置

1.3試驗方法

離心脫水后的厭氧消化污泥與返混料、麩皮按4∶1∶1的比例（濕重）混合均勻后投入生物干化反應(yīng)器，總進料體積0.09 m3，堆體在反應(yīng)器內(nèi)的高度為0.45 m。采用間歇通風(fēng)方式供氣，通風(fēng)頻率為開20 min/關(guān)40 min，整個試驗過程中保持通風(fēng)速率為12 L/min。多通道參數(shù)記錄儀的4個溫度傳感器分別沿高程均布于堆體的上、中、下三層及空氣中，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)定為30 min/次。前期試驗表明，堆體溫度上升速率快，反應(yīng)器出口的氣體濕度恒定在100%，因此僅設(shè)置1個氣體濕度傳感器測定空氣濕度。試驗過程中，根據(jù)堆體溫度的變化情況進行翻堆，每天定期記錄電子臺秤重量，并采用土壤取樣器在沿高程均布的三個取樣點定期等量取樣，取200 g混合均勻的樣品測定含水率、VS、pH、種子發(fā)芽指數(shù)等參數(shù)。試驗結(jié)束后，將堆體翻動均勻，取樣檢測最終產(chǎn)物的含水率、VS、pH、EC、總養(yǎng)分、糞大腸菌群、種子發(fā)芽指數(shù)等參數(shù)。

2　結(jié)果與討論

2.1溫度變化與水分去除

溫度是生物干化工藝的重要參數(shù)，溫度升高可加快水分的蒸發(fā)和去除。試驗共進行了18 d，試驗過程中溫度變化與水分去除的情況見圖2。如圖2（a）所示，試驗開始后堆體溫度迅速升高，第7 h堆體的平均溫度達61.3℃，第20 h進一步升至70.0℃，顯示在試驗開始的24 h內(nèi)堆體中的微生物活性較高。第1 d之后堆體溫度略有下降，且受晝夜溫差的影響形成波浪形曲線。試驗第5 d時進行第1次翻堆，翻堆后6 h堆體的平均溫度重新升至60.0℃以上，第12 h再次到達70.0℃，升溫速率較試驗剛開始時有所加快。此后直至試驗第10 d，堆體的平均溫度均保持在50.0℃以上，但整體上呈現(xiàn)波浪形的緩慢下降趨勢。試驗第10 d～12 d堆體溫度快速下降，第12 d降至33℃時進行第2次翻堆。第2次翻堆后，堆體溫度仍可上升至64.5℃，但上升速率顯著降低，且到達最高溫度后迅速下降，基本呈現(xiàn)單峰狀態(tài)。整個試驗過程中，堆體的平均溫度大于60℃的時間達6 d，大于55℃的時間達10 d。如圖2（b）所示，堆體經(jīng)18 d生物干化試驗后累積升溫427℃，試驗前10 d的累積升溫曲線呈線性增加趨勢，線性擬合模型為y=33.4x，R2為0.999。

生物干化的重要目標(biāo)是實現(xiàn)含水率的快速下降。如圖2（c）、（d）所示，本試驗堆料的初始含水率為55.1%，經(jīng)過18 d的生物干化試驗，堆料的含水率下降至27.0%，累積去除水分達764.2 g/kg初始水分重量，表明本試驗的水分去除效率較高。堆料含水率降至50%、40%和30%的時間分別為2.5 d、7.5 d和11 d。試驗0～12 d對應(yīng)于試驗的高溫段，水分去除速率較快，12～18 d基本對應(yīng)于試驗的低溫段，水分去除速率顯著降低，表明水分去除受溫度的影響較大，生物干化過程中應(yīng)維持高溫狀態(tài)以達到快速干化目的。此外，第一次翻堆后含水率下降速率略有升高，主要是由于翻堆提高了物料的孔隙率和松散度，從而加快了水分的去除。翻堆有利于改善堆體的物理結(jié)構(gòu)，但同時也導(dǎo)致熱量的損失［4］。在生物干化的實際生產(chǎn)中，由于物料集中，產(chǎn)生的熱量多，甚至可能設(shè)有熱量回收利用系統(tǒng)［2］，則翻堆所引起的熱量損失相對較小。

根據(jù)生物干化反應(yīng)器進出口氣體的溫度、濕度及通風(fēng)量，假設(shè)逸出堆體的空氣濕度恒定為100%，計算通入空氣的持水能力和理論最大失水量［4］，結(jié)果見圖3。由圖3（a）可見，空氣持水能力的變化趨勢與溫度的變化相似，表明堆體溫度與水分去除能力具有顯著正相關(guān)關(guān)系。由于飽和空氣的含水量隨溫度升高呈指數(shù)規(guī)律增長，因此即使在濕度很高的氣候條件下，只要反應(yīng)器進出口的空氣溫差足夠大，水分去除效果也很明顯。如圖3 （b）所示，堆體的實際失重小于理論最大失水量，且兩者的差值逐漸擴大，這是由于污泥中水分的蒸發(fā)受溫度和水分子存在形態(tài)的共同影響。試驗初期主要去除污泥顆粒間隙中的游離水，水分蒸發(fā)受到的束縛較小，因此實際失重與理論失重基本吻合。隨著試驗的進行，剩余水分蒸發(fā)受到的束縛逐漸加大，因此導(dǎo)致逸出堆體的空氣飽和度下降，實際失重與理論失重的差值擴大。

圖2　生物干化過程中溫度及含水率的變化

圖3　生物干化過程中空氣的涵水能力與理論最大失水量

2.2有機質(zhì)降解與熱量平衡

生物干化利用微生物好氧發(fā)酵降解有機質(zhì)所產(chǎn)生的生物熱能實現(xiàn)水分去除，因此基于有機質(zhì)的降解進行熱量平衡分析有助于了解生物干化的內(nèi)在機制。如圖4所示，本試驗堆料的初始有機質(zhì)（VS，干基）含量為70.2%，經(jīng)過18d的生物干化試驗，堆料的VS下降至58.8%，累積VS降解為344.2 g/kg初始VS含量。本試驗采用的厭氧消化污泥已得到部分的穩(wěn)定化，可降解VS含量顯著降低，因此需要適當(dāng)添加輔料增加可降解VS的含量以縮短生物干化時間。

圖4　生物干化過程中VS含量的變化

VS降解產(chǎn)生的生物熱能的消耗途徑包括通入的干空氣及干空氣中的水分升溫（Qdryair、Qwatvap）、堆料中的水分與固體物質(zhì)升溫（Qwater、Qsolid）、堆料中蒸發(fā)去除的水分潛熱（Qevapo）、反應(yīng)器壁散失的傳導(dǎo)熱（Qconduc）、堆體表面散失的輻射熱（Qradi），其中 Qwater和Qsolid包含翻堆所損失的熱量。根據(jù)文獻［4］中提供的公式分別計算以上各項熱量消耗，結(jié)果如見表1。由表1可見，本試驗中Qevapo占總熱量的比例達85.94%，表明VS降解產(chǎn)生的熱量主要用于水分的蒸發(fā)去除，熱量利用效率較高。本試驗經(jīng)18 d生物干化過程降解的VS總量（ΣΔVS）為6.30 kg，計算得到的燃燒熱系數(shù) Hc=ΣQconsum/ΣΔV S= 18.95 kJ/g，與文獻［1］的結(jié)果（19.92 kJ/g BVS）相近。

表1　熱量消耗的主要途徑

2.3重量與體積的消減

污泥經(jīng)生物干化過程后具有減量化效果。試驗中堆體重量（濕基）和高度隨時間的變化分別如圖5（a）、（b）中的白色圓點所示。經(jīng)過18 d的生物干化過程，堆體的濕基重量和高度分別較初始值降低48.7%和35.6%，污泥減量化效果明顯。本試驗的堆料中添加了適量的污泥堆肥返混料，由于返混料經(jīng)過堆肥過程已基本穩(wěn)定，含水率較低，假設(shè)生物干化過程中返混料的重量保持不變，如圖5 （a）中的淺色陰影區(qū)所示，則厭氧消化污泥和輔料的減重比例可達58.5%。如圖5（b）所示，第12 d之前的堆體體積明顯減小。每次翻堆之后堆體體積有所上升，表明翻堆可改善堆體結(jié)構(gòu)，有助于水分去除，從而加快污泥減量。隨著堆體的逐步壓實及溫度的下降，體積減小速率逐漸降低。

圖5　生物干化過程中重量與體積的消減

2.4生物干化產(chǎn)物性質(zhì)與處置分析

試驗結(jié)束后，測得厭氧消化污泥生物干化產(chǎn)物的pH值和EC值分別為7.93和6.60 mS/cm。生物干化產(chǎn)物總養(yǎng)分和有機質(zhì)含量分別為17.82%和 58.8%，養(yǎng)分含量較高。經(jīng)厭氧消化和生物干化兩級處理后，糞大腸桿菌未檢出，衛(wèi)生狀況良好。此外，由于厭氧消化污泥取自城市污水處理廠，進水中未接入工業(yè)廢水，前期研究表明該廠污泥重金屬含量均低于國家相關(guān)泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此本試驗未再檢測重金屬含量。

根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（GB/T 23486-2009）中規(guī)定的種子發(fā)芽指數(shù)測試方法，采用小白菜種子對生物干化產(chǎn)物進行試驗未檢出種子發(fā)芽。對厭氧消化污泥和輔料單獨測試發(fā)現(xiàn)，生物干化前的厭氧消化污泥種子發(fā)芽指數(shù)為33.0%，輔料則未檢出，但將輔料稀釋2倍和5倍后可測得種子發(fā)芽指數(shù)分別為2.7%和38.9%，表明生物干化產(chǎn)物中未降解的輔料可能是導(dǎo)致種子發(fā)芽指數(shù)未檢出的主要原因，可進一步優(yōu)化輔料配比，或根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況，因地制宜選取輔料來源，在保證生物干化效果的同時，降低成本，促進生物干化產(chǎn)物的土地資源化利用。

污泥的有機質(zhì)含量也是決定污泥熱值的重要參數(shù)。根據(jù)上文計算的Hc值及產(chǎn)物VS含量，可計算得到生物干化產(chǎn)物的干基低位熱值為11 148.3 kJ/kg，按含水率27.0%計算得到的濕基低位熱值為8 137.1 kJ/kg。按照《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨焚燒用泥質(zhì)》（GB/T 24602-2009）中的規(guī)定，自持焚燒要求有機質(zhì)含量大于50%，低位熱值大于5 000 kJ/kg，含水率小于50%。因此，厭氧消化污泥生物干化產(chǎn)物可達到單獨焚燒用泥質(zhì)的要求。

3　結(jié)論

（1）生物干化技術(shù)可實現(xiàn)厭氧消化污泥的高效低耗深度干化，經(jīng)過7～12 d左右的生物干化過程，厭氧消化污泥堆體的含水率可從55%以上快速降至30%以下，且堆體的重量和體積可分別減少40%和30%以上，減量化效果明顯。

（2）有機質(zhì)降解和溫度是影響水分去除速率的重要因素，通過添加輔料增加可降解有機質(zhì)含量可提升有機物降解速率并維持高溫，從而加快水分的蒸發(fā)和去除。在18 d的試驗過程中，厭氧消化污泥堆體平均溫度大于60℃的時間達6 d。

（3）根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況因地制宜選取輔料來源，或通過優(yōu)化輔料配比，可在保證生物干化效果的同時降低成本。

（4）厭氧消化污泥生物干化產(chǎn)物的有機質(zhì)和養(yǎng)分含量較高，衛(wèi)生狀況良好，具有土地資源化利用的潛能。同時，厭氧消化污泥生物干化產(chǎn)物各項指標(biāo)均符合GB/T 24602-2009的規(guī)定，可達到單獨焚燒用泥質(zhì)的要求。

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X70

A

1009-7716（2016）07-0294-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.088

2016-05-13

上海市國際科技合作基金項目（14230700400）。

劉戰(zhàn)廣（1985-），男，湖北隨州人，博士，工程師，從事水污染控制及污泥資源化利用方面的研究工作。