黃 慶，劉惠瓊，鄭 恒，湯 婷，劉同慶，周耀渝

（1.中南水務(wù)科技有限公司，湖南 長沙 410009； 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙410128）

1 引言

據(jù)2019 年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒相關(guān)資料顯示，我國城鄉(xiāng)污水處理廠達5 970 座，隨著污水處理能力的提升污泥產(chǎn)生量逐年增加。2019 年我國含水率80%的脫水污泥產(chǎn)生量超6.500×107t，污泥處理處置形勢十分嚴(yán)峻［1］。若對其處理不當(dāng)，不僅對環(huán)境和人類造成危害，還會造成地球資源的浪費［2］。

在如今的“雙碳”目標(biāo)下，污泥成為污水處理行業(yè)節(jié)能減耗，踐行碳達峰、碳中和的重要抓手，能源資源回收利用成為重要方向。好氧發(fā)酵是有機廢物無害化處理與資源化利用的重要手段，其實質(zhì)是有機物在微生物作用下分解代謝產(chǎn)生熱能，促使有機物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化［3-4］。將污泥堆肥化處理后，不僅能降低大量有機廢物帶來的環(huán)境風(fēng)險，還能創(chuàng)造有價值的有機營養(yǎng)土產(chǎn)品。處理達標(biāo)后的污泥用于城市園林綠化，既擺脫了食物鏈，不會危及人畜，同時減少了運輸?shù)馁M用［5］。研究表明，污泥中富含植物生長所必需的各種微量元素、氮磷鉀等營養(yǎng)元素以及豐富的有機質(zhì)［6］，有利于改良土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤肥力，促進植物的生長［7-8］。

然而污泥的碳氮比較低，且傳統(tǒng)的自然堆肥發(fā)酵效率低、處理周期長［9-10］，產(chǎn)品質(zhì)量易受地理位置、環(huán)境溫度影響。除此之外，傳統(tǒng)的自然堆肥處理過程中產(chǎn)生惡臭氣體的收集處理難度相對較高。反應(yīng)器式堆肥占地面積小且操作簡便，但仍存在設(shè)備利用率低、堆肥產(chǎn)品養(yǎng)分損失嚴(yán)重等問題［11-12］。

針對上述問題，本研究擬通過智能化好氧發(fā)酵集成裝備，將污泥協(xié)同農(nóng)林廢物堆肥提高物料碳氮比，生產(chǎn)高品質(zhì)有機營養(yǎng)土。研究采用溫度等傳感器獲取好氧發(fā)酵過程中高密度數(shù)據(jù)，對比不同原輔料配比、通風(fēng)量、筒轉(zhuǎn)模式等條件下的堆肥化產(chǎn)品。對控制方法和控制過程進行優(yōu)化，為后續(xù)污泥好氧發(fā)酵工程化應(yīng)用中實現(xiàn)高效、節(jié)能好氧發(fā)酵控制提供指導(dǎo)。

2 材料與方法

2.1 試驗原料

中試研究中污泥來源于長沙市某水質(zhì)凈化廠，輔料為采購所得秸稈（水稻秸稈，采用秸稈粉碎機粉碎至10～20 mm）。原輔料的基本理化性質(zhì)如表1 所示。

表1 試驗原料的理化特性Table 1 Physical and chemical properties of raw materials

長沙市某水質(zhì)凈化廠的脫水污泥有機物含量較高，適宜用作好氧堆肥的原料，但其碳氮比偏低，見表1。為了增強微生物活性以強化營養(yǎng)物質(zhì)保留，優(yōu)化堆肥產(chǎn)品的品質(zhì)［13］，試驗中采用了脫水污泥協(xié)同農(nóng)林廢物秸稈混合堆肥來改善堆肥環(huán)境。

為監(jiān)測堆肥前后重金屬含量的變化，堆肥前對原料的鎘、汞、鉛等重金屬進行了檢測，結(jié)果如表2 所示。

表2 試驗原料重金屬含量Table 2 Heavy metals content of raw materials

2.2 試驗裝置

中試研究采用好氧發(fā)酵反應(yīng)器（圖1）進行生物有機質(zhì)好氧發(fā)酵，含液壓攪拌器、傳送帶及反應(yīng)器。設(shè)備總質(zhì)量為5.225 t，反應(yīng)器直徑為1.5 m，長度為3 m，反應(yīng)器體積為5.3 m3。

圖1 好氧發(fā)酵反應(yīng)器Figure 1 Aerobic fermentation reactor

為實現(xiàn)中試研究中數(shù)據(jù)自動采集功能，本研究針對好氧發(fā)酵生物反應(yīng)器設(shè)計一套智能化控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)含無線溫度傳感器、流量計、溫濕度計、氧傳感器等儀表及智能化控制模塊，其中溫度傳感器安裝在反應(yīng)器筒體中部，其余傳感器均位于風(fēng)機后（圖2）。該系統(tǒng)可自定義時段控制循環(huán)，以時間控制模式控制筒轉(zhuǎn)；采用溫度傳感器實時監(jiān)測以保持最佳堆溫，當(dāng)堆溫達到設(shè)定溫度時，從傳感器中發(fā)出的電子信號通過控制器讓風(fēng)機工作或停止；以溫度控制模式控制通風(fēng)。該控制系統(tǒng)可實時反饋試驗工況對應(yīng)的堆溫變化情況，有利于通風(fēng)量以及反應(yīng)器翻轉(zhuǎn)等參數(shù)的及時調(diào)整。各傳感器具體參數(shù)如表3 所示。

表3 自控系統(tǒng)傳感器相關(guān)參數(shù)Table 3 Sensor related parameters of automatic control system

圖2 傳感器安裝位置示意Figure 2 Schematic of sensor installation position

2.3 試驗方法

試驗流程如圖3 所示。

圖3 污泥協(xié)同農(nóng)林廢物好氧發(fā)酵中試流程示意Figure 3 Schematic of the pilot-scale process of aerobic fermentation of sludge and agricultural and forestry wastes

1）物料混勻：在攪拌機內(nèi)加入輔料攪拌均勻記錄質(zhì)量后，將含水率80% 的污泥按質(zhì)量加入攪拌機，達設(shè)定污泥質(zhì)量。進料后，開啟液壓攪拌機。

2）反應(yīng)器進料：啟動傳送帶并關(guān)閉滾筒出料口后，啟動滾筒開始定速運轉(zhuǎn)。打開料斗的出料口，保證物料傳送平穩(wěn)均勻進入滾筒，開始反應(yīng)器進料。

3）物料好氧發(fā)酵：滾筒內(nèi)物料達到預(yù)定的進料量后，開啟風(fēng)機，停止進料傳送帶。滾筒內(nèi)的溫度可通過無線溫度傳感器檢測到。定期在出料口取樣，檢測含水率、有機物含量、pH、有機碳和總氮分析指標(biāo)。通風(fēng)量依據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置防治最佳可行技術(shù)指南（試行）》中“靜態(tài)好氧發(fā)酵強制通風(fēng)，每1 m3物料通風(fēng)量0.05～0.20 m3/min，非連續(xù)通風(fēng)；間歇動態(tài)好氧發(fā)酵可參考靜態(tài)工藝并依據(jù)生產(chǎn)試驗的結(jié)果確定通風(fēng)量”及現(xiàn)場實際運行工況調(diào)整。

2.4 分析檢測方法

各分析指標(biāo)檢測方法參考GB/T 23486—2009城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)、NY 884—2012 生物有機肥中所規(guī)定的分析方法。

3 結(jié)果與討論

本研究主要關(guān)注物料配比、通風(fēng)量以及反應(yīng)器翻轉(zhuǎn)策略等試驗參數(shù)對堆體溫度、出料質(zhì)量的影響。

3.1 物料配比

為保證物料初始狀態(tài)有較佳的蓬松度以利于好氧發(fā)酵，最先對原輔料配比進行了優(yōu)化。物料含水率取決于不同配比，適宜的含水率不僅有利于微生物的生存繁殖，而且對堆溫也具有一定的調(diào)節(jié)作用［14-15］。將物料含水率控制在50%～60%，選取原料和輔料濕基質(zhì)量比分別為3.0∶1.4、3.0∶1.7、3.0∶2.0，進行10 min 攪拌前處理。降低輔料比例時，攪拌后的物料含水率較高，混料傾向于變成墊狀和塊狀，該現(xiàn)象不利于物料好氧發(fā)酵。而配比為3.0∶2.0 時物料混勻程度和蓬松度都較佳（圖4），此時秸稈充分發(fā)揮調(diào)理劑的功能，不僅優(yōu)化了初始物料的含水率和碳氮比，而且提高了堆肥物料的孔隙度，有利于促進發(fā)酵過程，改善堆肥產(chǎn)物品質(zhì)［16］，因此后續(xù)采用此配比進行研究。

圖4 不同配比下物料混勻狀態(tài)Figure 4 Mixing state of materials under different ratios

3.2 通風(fēng)量對堆溫的影響

利用堆溫可直觀監(jiān)測堆肥化的反應(yīng)進程［17-18］，而通風(fēng)量是影響堆溫的關(guān)鍵因素。依據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置防治最佳可行技術(shù)指南（試行）》，該體量下的通風(fēng)量應(yīng)控制在10～40 m3/h。因此，本次研究選取了15、20、25、30 m3/h左右的通風(fēng)量進行研究。由圖5 可知，通風(fēng)量為15 m3/h 時，堆溫處于高溫期的時間較短，易造成堆體厭氧，產(chǎn)生大量有害氣體，影響微生物活性，不利于物料水分脫除［19］；加大通風(fēng)量可以去除含水率較大的有機物料的水分，以維持堆體溫度，但通風(fēng)量30 m3/h 時的堆溫明顯低于20、25 m3/h條件下的堆溫，通風(fēng)速率過大會導(dǎo)致熱量散失，不利于堆體的溫度積累，對無害化不利［20］。因此該體量下通風(fēng)量宜控制在20～25 m3/h，折算為單位時間單位體積下通風(fēng)量為6.3～7.9 m3/（h·m3）。

圖5 不同通風(fēng)量對堆溫的影響Figure 5 Influence of different ventilation volume on reactor temperature

3.3 反應(yīng)器翻轉(zhuǎn)策略

本研究探索了筒轉(zhuǎn)啟/停連續(xù)式和間歇式（啟2 h 停1 h）兩種不同策略對堆溫的影響情況。從圖6 可知，筒轉(zhuǎn)啟/停間歇式運行時堆溫維持效果理想，堆溫變化趨勢優(yōu)于連續(xù)運行狀態(tài)，且基本上可全天處于高溫期。通過間歇式翻堆不僅可以有效維持堆溫，而且能供給空氣，促進堆體中的微生物進行好氧發(fā)酵，與此同時達到降低原料含水率的效果。

圖6 不同反應(yīng)器翻轉(zhuǎn)策略對堆溫的影響Figure 6 Influence of different reactor turnover strategies on reactor temperature

一次發(fā)酵完成后，出料顏色明顯加深，呈松散狀，無臭、有輕微氨味、不招引蒼蠅。含水率由51.2% 降低至43.0% 左右，有機物含量下降顯著（63.6% 降至49.6%），進料pH 為7.35 而出料pH 為8.49，這是由于堆體中蛋白質(zhì)的脫氨基釋放了大量的氨氣使得pH 上升，堆體形成了微堿性的環(huán)境［13，21］。由于出料狀態(tài)較為理想，后續(xù)可嘗試出料返混，使混合物的密度變小，同時減少輔料量。

3.4 返料量探究

堆肥返料可提供部分初始微生物加快好氧發(fā)酵進程，由于其含水率較低而成為理想的濕物料調(diào)理劑。但堆肥返料碳氮比中等偏低，通常需與其他物料混合使用，而頻繁的循環(huán)使用可能造成堆肥化產(chǎn)品的鹽分濃度過高。在不需要提高碳氮比而使混合物水分降低的情形下可作為調(diào)理劑。

返料量探究期間試驗及運行參數(shù)均采用前期優(yōu)化結(jié)果，反應(yīng)器翻轉(zhuǎn)為間歇式運行（啟2 h 停1 h），通風(fēng)量控制在20～25 m3/h。返料量分別占進料的10%、20% 和30%。3 個不同配比獲取的混料攪拌效果理想，含水率均控制在52.0% 左右。由于返料中含有處于活化狀態(tài)的嗜熱性微生物，改變了堆體內(nèi)細菌群落結(jié)構(gòu)并隨著堆肥的進行其優(yōu)勢逐漸增強［22］，且反應(yīng)器內(nèi)部的高溫環(huán)境為其創(chuàng)造了理想的生存繁殖條件，因而在本階段試驗中呈現(xiàn)出更高的堆溫，無線溫度傳感器所測得的最高堆溫為65.9 ℃（圖7）。

圖7 返料量探究期間堆溫變化趨勢Figure 7 Variation trend of heap temperature during the period of material return

返料量探究期間，堆溫維持情況理想。返料量20% 時，堆溫維持效果最佳。返料量探究期間對應(yīng)的出料含水率在42% 左右，有機物含量均呈現(xiàn)不同程度的下降，進料pH 為6.9 左右而出料pH為8.1 左右，均低于非返料條件下的進出料pH。碳氮比呈下降趨勢。根據(jù)本次試驗結(jié)果，推薦返料量為20%，可在不影響堆溫和進出料狀態(tài)的前提下減少輔料量進而降低堆肥成本。

3.5 二次腐熟

一次發(fā)酵完成后，物料進入二次腐熟階段。二次腐熟期間堆體不宜過高過寬，否則不利于堆體散熱，無法降低物料含水率、提高熟化效率。在一個堆肥料堆中，并不是所有區(qū)域都會達到同一個溫度，所以需要經(jīng)常翻轉(zhuǎn)，使得所有基質(zhì)都可以移到最熱的核心地帶。

物料二次腐熟期間溫度變化如圖8 所示。二次腐熟過程中持續(xù)產(chǎn)生較大的熱量，堆肥經(jīng)過一段時間的熟化并趨于完全穩(wěn)定。含水率降低至16.9%，堆溫接近或略高于室溫，此時微生物活動減少，大部分不穩(wěn)定的物質(zhì)都已經(jīng)穩(wěn)定化，可以進入儲存和應(yīng)用階段。

圖8 物料二次腐熟期間溫度變化趨勢Figure 8 The temperature change trend of the material during the second maturation period

堆肥化產(chǎn)品的有機物含量由初始的60.3% 降低至31.2%，有機物去除率達68%。檢測結(jié)果表明，物料碳氮比由初始值22.6 降低至16.4，營養(yǎng)土產(chǎn)品的pH 為7.70。物料腐熟前后指標(biāo)變化見表4。

表4 物料腐熟前后各指標(biāo)變化Table 4 Changes of various indicators before and after the maturity of the material

二次腐熟完成后，測得堆肥產(chǎn)品的有效活菌數(shù)為7.39 億/g，符合NY 884—2012 中有效活菌數(shù)的要求（≥0.20 億/g）。

堆肥產(chǎn)品檢測結(jié)果表明，堆肥產(chǎn)品pH 為7.70，其理化指標(biāo)、養(yǎng)分指標(biāo)、生物學(xué)指標(biāo)及污染物指標(biāo)均在GB/T 23486—2009 要求范圍內(nèi)，種子發(fā)芽指數(shù)大于70%（表5）。污泥營養(yǎng)土的重金屬含量相較于污泥而言有所下降，這可能是由于好氧發(fā)酵過程改變了金屬污染物的存在形態(tài)，促進了重金屬的鈍化［23］，有利于污泥營養(yǎng)土后續(xù)的資源化利用。

表5 堆肥產(chǎn)品檢測結(jié)果Table 5 Test results of the compost product

4 結(jié)論

相較于條垛式堆肥，反應(yīng)器好氧發(fā)酵可有效解決場地有限、環(huán)保要求高等難題，其推廣性極強，具有很好的應(yīng)用前景，后續(xù)將進一步擴大試驗體量，在此基礎(chǔ)上深入研究。通過對反應(yīng)器好氧發(fā)酵技術(shù)控制方法和控制過程進行優(yōu)化，得出以下結(jié)論：

1）輔料占比原料66.7%，即污泥與輔料配比為3.0∶2.0 時，混合物料的蓬松度、含水率都比較適合進行好氧發(fā)酵。但堆肥中的最佳配比視輔料種類、自身性質(zhì)等相關(guān)參數(shù)而定，可通過控制物料含水率、攪拌效果等指標(biāo)確定輔料含量。

2）通風(fēng)量優(yōu)化數(shù)值為20～25 m3/h，折算為單位時間單位體積下通風(fēng)量為6.3～7.9 m3/（h·m3），可將堆溫維持在55 ℃以上的高溫期。人類和植物病原體在這個階段被消滅，野草種子和昆蟲幼蟲也被殺死。除了高溫階段的高溫因素，在這個階段主要存在的放線菌可以產(chǎn)生抗生素，這對衛(wèi)生化處理很重要。

3）反應(yīng)器翻轉(zhuǎn)以間歇式模式運行更有利于高溫期的穩(wěn)定維持，本研究中優(yōu)化的筒轉(zhuǎn)啟/停時間分別為2 h 和1 h，該運行條件有利于延長高溫期，加快好氧發(fā)酵進程。

4）堆肥化產(chǎn)品滿足GB/T 23486—2009 要求。有效活菌數(shù)為7.39 億/g，符合NY 884—2012 標(biāo)準(zhǔn)中有效活菌數(shù)的要求（≥0.20 億/g）。

依托于好氧發(fā)酵技術(shù)，智能化好氧發(fā)酵集成裝備除了應(yīng)用于污泥處理處置場景外，其可復(fù)制的固體有機廢物循環(huán)利用模式，可為畜禽糞便、生活垃圾、廚房殘余等其他有機固廢的規(guī)模化好氧堆肥處置提供參考，發(fā)展有機肥產(chǎn)業(yè)，保持和提高土壤肥力，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。這對促進有機肥替代化肥、協(xié)同推進農(nóng)業(yè)農(nóng)村高質(zhì)量發(fā)展、提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有重要意義，具有廣闊的市場發(fā)展前景。