王磊

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

污泥好氧發(fā)酵是通過好氧微生物的代謝作用，使污泥中有機物轉化成腐殖質的過程，代謝過程釋放的熱量可使堆體溫度升高至55℃以上，促進水分蒸發(fā)，并殺滅病原菌、寄生蟲卵和雜草種籽，實現(xiàn)污泥減量化、穩(wěn)定化和無害化。

溫度是污泥好氧發(fā)酵工程運行控制的核心[1]：溫度控制是污泥減量化的基礎，微生物降解有機物釋放熱量使堆體溫度升高，促使污泥中水分蒸發(fā)，實現(xiàn)污泥減量化；溫度控制是污泥穩(wěn)定化的必要條件，污泥中蛋白質、纖維素等氧化分解釋放出熱量使溫度升高，同時溫度的升高也加快了有機質的分解，二者相輔相成；溫度控制是污泥無害化的重要手段，污泥唯有經過連續(xù)三天55℃以上的高溫，方可殺滅99%的寄生蟲卵和病原菌，使發(fā)酵產物符合衛(wèi)生學指標。

我國北方城市夏季和冬季環(huán)境溫度差別較大，污泥好氧發(fā)酵工程運行策略也應根據(jù)環(huán)境溫度變化有所不同。本論文以北方某城市污泥好氧發(fā)酵工程為研究對象，分析了北方城市夏季和冬季氣候特點、污泥泥量特點以及污泥好氧發(fā)酵特點，并從物料配比、曝氣方式、通風除臭等方面對污泥好氧發(fā)酵工程運行策略進行了優(yōu)化研究，以期為北方城市污泥好氧發(fā)酵工程的設計和運行管理提供借鑒。

1 北方城市污泥好氧發(fā)酵特點

1.1 氣候特點

與南方城市相比，我國北方城市夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，夏季和冬季氣候差異較大。某典型北方城市2012年～2014年不同月份氣溫變化見表 1，3月～11月平均最低氣溫高于6℃，平均最高氣溫高于19℃；而12月～2月氣溫與其他月份相比明顯較低，平均最低氣溫為-8℃，平均最高氣溫僅為3℃。

不同月份氣溫的差異會影響到發(fā)酵堆體曝氣溫度和發(fā)酵車間環(huán)境溫度，因此北方城市污泥好氧發(fā)酵工程的運行管理策略需根據(jù)氣溫特點而進行調整，尤其需考慮12月～2月較低的環(huán)境溫度對好氧發(fā)酵工程運行的影響。

表1 2012年～2014年北方某城市不同月份氣溫特點

1.2 污泥產量特點

城鎮(zhèn)污水處理廠污泥產率受氣溫等氣候條件的影響較大，而污泥產量的波動會直接影響后續(xù)污泥處理工程的運行規(guī)模和管理策略。本研究對該城市10座城鎮(zhèn)污水處理廠2012年～2014年的污泥產率進行了調研分析，圖 1為這10座污水處理廠不同月份的平均污泥產率。12月～2月和3月～5月污泥產率較高，平均污泥產率分別達到2.23 tDS/萬 m3和 2.28 tDS/萬 m3，6 月 ～8 月污泥產率降低至2.15 tDS/萬m3，9月～11月污泥產率則進一步降低至1.97 tDS/萬m3，即冬春季節(jié)污泥產率較高，夏季污泥產率次之，秋季污泥產率最低。

圖1 北方某城市不同月份污泥產率變化

城鎮(zhèn)污水處理廠不同月份污泥產率的差異導致污泥產量波動，后續(xù)污泥處理設施運行規(guī)模也會受到影響，好氧發(fā)酵設施運行管理策略需根據(jù)泥量波動進行相應調整，在冬春季節(jié)采取措施提高污泥處理能力。

1.3 污泥好氧發(fā)酵特點

1.3.1 發(fā)酵工藝

不同月份氣溫的差異會影響到發(fā)酵堆體曝氣溫度和發(fā)酵車間環(huán)境溫度，進而對污泥發(fā)酵溫度和發(fā)酵進程產生影響。北方某污泥好氧發(fā)酵工程夏季（8月）和冬季（1月）堆體溫度變化特點見圖2，其中夏季和冬季物料配比、強制通風風量等關鍵工藝參數(shù)基本一致。夏季物料發(fā)酵4 d后堆體溫度即可迅速升高至55℃，并在55℃以上保持7 d（最高溫度高達69℃），發(fā)酵13d后堆體溫度降低至40℃以下，熟料含水率降低至35%～40%。而冬季堆體升溫速度明顯減慢，發(fā)酵7 d后堆體溫度才升高至55℃，在55℃以上僅保持4 d（最高溫度為60℃），發(fā)酵14 d后堆體溫度仍然在40℃以上，物料含水率仍然高達45%左右，表明物料仍未徹底完成發(fā)酵過程。

圖2 冬季和夏季污泥好氧發(fā)酵堆體溫度變化

在污泥好氧發(fā)酵過程中，堆體底部的強制通風對堆體升溫和水分蒸發(fā)具有關鍵作用。北方城市冬季氣溫較低，冷空氣通過強制通風穿過堆體會帶走大量熱量，降低堆體溫度，影響發(fā)酵進程。因此，北方城市污泥好氧發(fā)酵工程冬季和夏季應根據(jù)氣溫變化采用不同的通風模式和通風量。

此外，由于冬季和夏季北方城市污泥好氧發(fā)酵工程運行效果存在較大差異，熟料含水率也明顯不同。該污泥好氧發(fā)酵工程夏季熟料含水率可降低至35%～40%，而冬季發(fā)酵熟料含水率卻仍然高達45%左右。因此，采用輔料和熟料調節(jié)污泥含水率和密度時，污泥、熟料和輔料的比例也應根據(jù)季節(jié)進行相應優(yōu)化調整。

1.3.2 處理能力

2013年該污泥好氧發(fā)酵工程不同月份日均脫水污泥處理量見圖 3。2013年6月～8月日均污泥處理量最高，達到120 t/d（以80%含水率計，下同）；3月～5月和12月～2月日均污泥處理量分別為91 t/d和70 t/d，顯著低于6月～8月污泥處理量。而3月～5月和12月～2月污泥產量明顯高于6月～8月，導致冬春季節(jié)好氧發(fā)酵設施處理能力與污泥產量之間的缺口尤為明顯。

圖3 2013年污泥好氧發(fā)酵工程不同月份污泥處理能力

污泥好氧發(fā)酵設施處理能力受堆體高度、發(fā)酵周期等因素影響。堆體高度越高，污泥處理量越大，但物料自壓實作用越強，最大堆體高度應以物料仍具有透氣性為界。當污泥量較大時，適當提高輔料比例可以降低物料含水率、減小物料堆積密度、提高物料透氣性能，進而提高堆體堆高和發(fā)酵倉處理能力。因此，北方城市污泥好氧發(fā)酵工程應根據(jù)污泥泥量特點調整輔料投加比例，使發(fā)酵設施處理能力與污泥量相匹配。

1.3.3 發(fā)酵倉引風

在污泥發(fā)酵堆體底部強制曝氣過程中，物料中的水分隨著空氣對流而被帶出堆體，發(fā)酵過程中產生的臭氣也同時被氣流吹脫。發(fā)酵倉上部空間通風過程一方面可及時排走發(fā)酵倉上部水汽，另一方面可以將臭氣引至除臭設施。該城市污泥好氧發(fā)酵工程設計單倉曝氣量10 000 m3/h，設計抽風機引風量12 000 m3/h，理論上存在20%的富余引風量。然而通過曝氣進入堆體的空氣溫度為室溫，流經堆體后氣體溫度升高，氣體體積大幅膨脹，遠超出設計引風能力，尤其是冬季堆體溫度和室溫差距較大，引風能力不足現(xiàn)象愈加明顯，水汽無法及時排走，在發(fā)酵倉頂凝結后掉落，不僅造成設備腐蝕，也提高了物料含水率。

因此，冬季北方城市污泥好氧發(fā)酵工程一方面應加大發(fā)酵倉引風量，及時排走水汽；另一方面應提高發(fā)酵倉保溫效果，防止水汽在倉內冷凝。

2 污泥好氧發(fā)酵優(yōu)化策略

針對北方城市冬季和夏季氣候特點、污泥產量特點以及污泥好氧發(fā)酵特點，以該污泥好氧發(fā)酵工程為案例，從物料配比、曝氣方式、發(fā)酵倉引風等3個方面對污泥好氧發(fā)酵工程運行策略進行優(yōu)化。

2.1 物料配比

氧氣從物料表面向內部的擴散是好氧發(fā)酵過程的瓶頸，動力學分析表明氧氣能夠向內傳遞的深度遠遠小于1mm[3]，物料具有適宜的比表面積和透氣性對氧氣的擴散至關重要。脫水污泥含水率高，且致密、粘稠、透氣性差，并不適合直接進行好氧發(fā)酵，需添加秸稈、鋸末等輔料或者返混發(fā)酵熟料進行調節(jié)改性，以形成比表面積大、性狀疏松、透氣性良好的物料體系。

物料堆積密度和含水率是影響透氣性的關鍵因素。Seekins等[4]認為，當堆體的堆積密度大于0.73 t/m3時不利于堆體的通風。北京龐各莊污泥好氧發(fā)酵生產運行發(fā)現(xiàn)，條垛式堆肥物料起始含水率不宜高于60%，在低于55%的情況下，基本可以杜絕升溫慢或發(fā)酵不利的情況[5]。此外，好氧發(fā)酵過程中迅速升溫、迅速蒸發(fā)水分，在脫水的同時使物料比表面積增加，也可增加物料透氣性，使污泥好氧發(fā)酵過程進入良性循環(huán)。北方城市冬春季節(jié)污泥量大、好氧發(fā)酵升溫速度慢，需要適當降低入倉物料含水率、減小物料堆積密度，以提高好氧發(fā)酵效果和設施處理能力。

在該城市污泥好氧發(fā)酵工程的實際運行中，調理劑投加比最初為15%（生污泥質量比），全年各月保持不變，由于投加量不大，夏季運行效果沒有得到顯著提升，冬季運行改善也極為有限，制約了污泥處理能力。為了保證全年污泥處理能力的穩(wěn)定，根據(jù)環(huán)境溫度變化對輔料投加策略進行了優(yōu)化，在夏季堆肥運行有利的時段，通過增加返混料來減少輔料投加量，并隨著環(huán)境溫度下降逐步加大輔料投加量，保證冬季堆肥正常運轉。不同季節(jié)生料（脫水污泥）、熟料和輔料的混合比例見表2。12月～2月污泥產量高、發(fā)酵升溫慢，減少熟料比例、增加輔料比例，調節(jié)進料含水率至58%、密度為0.57 t/m3；3月～5月和7月～9月氣溫較高，增加熟料比例、減少輔料比例，調節(jié)進料含水率至59%，密度為0.63 t/m3；6月～8月發(fā)酵效果最好，進一步減少輔料投加比例，調節(jié)進料含水率至59%、密度為 0.69 t/m3。

2.2 曝氣方式

在污泥好氧發(fā)酵過程中，堆體底部強制曝氣具有如下作用：為好氧微生物代謝提供所需的氧氣；通過空氣對流蒸發(fā)水分、干燥發(fā)酵物料，控制堆體溫度。發(fā)酵過程中曝氣量控制意義重大：曝氣量過大，堆體熱量大量散失導致溫度降低，不利于微生物的繁殖；反之曝氣量不足，好氧微生物則因缺氧而活性減慢甚至停止反應[6]。

表2 污泥好氧發(fā)酵工程不同季節(jié)物料配比

北方城市冬季和夏季溫度差異較大，相同的曝氣量對堆體溫度的影響也存在較大差別。夏季環(huán)境溫度高，堆體升溫速度快，適當大的曝氣量可以加快物料發(fā)酵過程，曝氣量控制應以提高物料腐熟程度為目的；冬季環(huán)境溫度低，堆體升溫速度慢，過量曝氣會導致發(fā)酵失敗，曝氣量控制應以提高物料發(fā)酵溫度為目的。該污泥好氧發(fā)酵工程在生產過程中發(fā)現(xiàn)，間歇強制曝氣方式的升溫效果優(yōu)于連續(xù)強制曝氣方式，并以之為此基礎對不同月份堆體曝氣方式進行了優(yōu)化（見表 3），在氣溫較低的12月～2月適當降低曝氣時間至6～8 h，并避免長時間連續(xù)曝氣，以提高堆體溫度；隨著氣溫的升高，適當增加曝氣時間至12 h，以提高物料腐熟程度。

表3 污泥好氧發(fā)酵工程不同月份曝氣方式

2.3 發(fā)酵倉引風

北方城市冬季氣溫低，發(fā)酵倉上部空間引風不足極易造成水汽冷凝，不僅腐蝕設備，而且影響物料含水率。為防止發(fā)酵倉內水汽冷凝，一方面應加大冬季引風量，及時排走倉內水汽；另一方面應提高發(fā)酵倉保溫效果，防止水汽在倉內冷凝。

本研究對發(fā)酵車間進行了局部改造，以緩解引風能力不足狀況：增強發(fā)酵車間密封性和保溫效果。安裝電動幕簾，使發(fā)酵倉形成獨立的密閉空間，避免外界空氣流入額外增加引風量，并提高冬季發(fā)酵倉保溫效果；倉體連通，共用風機。該工程每8個發(fā)酵倉共用1臺翻堆機，各個倉體輪流翻堆。優(yōu)化前倉體之間相互獨立，每個倉體頂部單獨設置引風管道，翻拋瞬間水汽量大、單臺引風機引風量不足。對倉體進行改造，通過打通發(fā)酵倉之間的隔斷，增加倉與倉之間的通氣性，翻拋時蒸氣迅速四散開來，利用多臺引風機同時引風。優(yōu)化后冬季通過引風管道引出的水分明顯增加，車間地面的冷凝水滴明顯減少。

3 優(yōu)化效果分析

該污泥好氧發(fā)酵工程自建成投運至2014年6月，陸續(xù)對物料混合系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、引風系統(tǒng)等進行了優(yōu)化改造。本研究根據(jù)2014年6月至2015年9月運行數(shù)據(jù)對優(yōu)化后運行效果進行了分析，并與優(yōu)化前（2014年6月之前）的運行效果進行了對比。

3.1 污泥處理能力

2013年1 月至2015年9月，該污泥好氧發(fā)酵工程脫水污泥日處理量見圖4。

圖4 污泥好氧發(fā)酵工程脫水污泥日處理量變化

2014年6 月之前，該工程脫水污泥日處理量為58～134 t/d，平均為95 t/d；污泥處理能力受氣溫影響較大，2013年2月處理污泥量最低，2013年7月處理污泥量最高。2014年6月優(yōu)化改造完成以后，脫水污泥日處理量提高至138～191 t/d，平均為164 t/d，日均處理能力比優(yōu)化改造前提高了72%；雖然污泥處理量受設備維修、來泥含水率等因素影響存在波動，但整體而言處理能力較為穩(wěn)定。

3.2 能耗和輔料消耗

該污泥好氧發(fā)酵工程優(yōu)化前后電耗和輔料消耗見表 4。2014年6月之前，該工程污泥處理電耗62～145 kWh/t，平均為 105 kWh/t。2014 年 6 月優(yōu)化改造完成后，翻拋機工作時長、曝氣風量、抽風機引風量等顯著降低，污泥處理電耗降低至39～73 kWh/t，平均為57 kWh/t，比優(yōu)化前降低了45%。

優(yōu)化前不同月份輔料比例保持不變，冬季發(fā)酵熟料含水率較高，導致污泥處理能力較低。優(yōu)化后為了防止污泥處理能力受氣溫影響季節(jié)波動、保障好氧發(fā)酵工程的運行穩(wěn)定性，適當提高了低溫季節(jié)輔料摻加比例，因此輔料消耗量比優(yōu)化前提高了21%。

表4 污泥好氧發(fā)酵工程優(yōu)化前后電耗和輔料消耗

3.3 運行成本

污泥好氧發(fā)酵工程運行成本包括工資、電費、輔料、油費、維修費、勞保費、臨時工保險費、辦公費、體檢費、差旅費、安裝費用、折舊費以及其他支出。優(yōu)化前后該污泥好氧發(fā)酵工程污泥處理成本見表 5。

表5 污泥好氧發(fā)酵工程優(yōu)化前后運行成本

優(yōu)化前該工程污泥處理成本為165元/t（含水率80%脫水污泥，下同），其中輔料成本為67元/t，電費成本為64元/t，維修費成本5元/t。優(yōu)化后污泥處理成本降低至148元/t，比優(yōu)化前減少了10%，其中輔料成本提高至78元/t，隨著設備的老化維修費提高至9元/t，而電費大幅降低至32元/t。

4 結語

（1）北方城市氣溫隨季節(jié)變化較大，冬春季節(jié)氣溫較低，污泥好氧發(fā)酵堆體升溫緩慢且高溫持續(xù)時間較短，物料腐熟程度較差，發(fā)酵倉內容易出現(xiàn)水汽冷凝現(xiàn)象，堆肥產品含水率較高，好氧發(fā)酵設施污泥處理能力與污水處理廠污泥產量間一般存在較大缺口。

（2）北方城市污泥好氧發(fā)酵工程運行管理策略應根據(jù)不同季節(jié)氣溫特點進行調整。冬春季節(jié)工藝控制應以提高發(fā)酵溫度和運行穩(wěn)定性為目的，適當提高輔料添加量、減少曝氣時間，并采取措施避免發(fā)酵倉內水汽冷凝；夏秋季節(jié)工藝控制應以降低運行成本、提高物料腐熟程度為目的，適當減少輔料添加量、延長曝氣時間。

（3）結合北方城市污泥好氧發(fā)酵特點，對某污泥好氧發(fā)酵工程進行了運行策略優(yōu)化，優(yōu)化后日均脫水污泥處理能力提高了72%，污泥處理成本降低了10%，其中電費成本降低了50%。

[1]Haug R T.The Practical Hand Book of Compost Engineering[M].Boca Raton:Lewis Publishers,1993.

[2]譚學軍,田兆運,張辰,等.城市污水A2/O處理工藝剩余污泥產率研究[J].給水排水,2012,38（7）:43-46.

[3]張健,趙媛.污泥堆肥動力學分析與工程啟示[J].中國給水排水,2012,28（4）:6-10.

[4]Seekins B.Trouble shooting the compost pile[J].Biocycle,1999,40（12）:58-59.

[5]趙振鳳,應梅娟,劉培財,等.污泥條垛堆肥工藝升級改造與運行優(yōu)化[J].給水排水,2014,40（7）:28-33.

[6]蔡璐,高定,陳同斌,等.污泥好氧發(fā)酵過程中強制通風對溫度與脫水的調控[J].中國給水排水,2012,28（17）:134-137.