污水厂污泥好氧发酵处理工艺与工程技术进展

污水厂污泥好氧发酵处理工艺与工程技术进展黄慧明桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林541004摘要：为了解决日益严重的城市污泥处置难题，国家鼓励符合标准的污泥进行好氧高温发酵处理并土地利用，是适合我国国情的处置方式。文章介绍了污泥好氧发酵的机理与工艺流程，综述了好氧发酵工艺的应用现状、工程技术的主要进展与发展趋势。关键词：好氧发酵；工艺流程；智能控制好氧高温发酵系统ResearchProgressonAerobicFermentationCompostingProcessandEngineeringofSludgefromSewageTreatmentPlantsHUANGHuimingCollegeofEnvironmentScienceandEngineering，GuilinUninversityofTechnology,Guilin,GuangXi,541006Abstract:Inordertosolvetheincreasinglyseriousproblemofsewagesludgedisposal,thestateshallencourageconformingsludgeaerobichightemperaturefermentationprocessingandutilizationofland,thetreatmentissuitableforChina'snationalconditions.Thispaperintroducesthemechanismandtechnologicalprocessofsludgeaerobicfermentation.Thepresentsituationoftheapplicationofaerobicfermentationprocesswerereviewed,themainprogressandtrendofdevelopmentofengineeringtechnology.Keywords:aerobicfermentation;theprocessflow;intelligentcontrolofhightemperatureaerobicfermentationsystem收稿日期：2014-06基金项目：基金项目：广西自然科学基金资助项目(2012GXNSFBA053135)；“八桂学者”建设工程专项经费资助项目作者简介：黄慧明(1990-)，男，江西吉安人，硕士研究生，主要从事固体废弃物处理处置与资源化研究。1引言2012年，我国城镇污水处理厂已有3400多家，污水处理总规模超过1亿m3/d，污泥产量已突破3000万m3/a。这些污泥有80%没有得到妥善处置[1,2]，污泥处理形势非常严峻。这些未得到有效处理和处置的污泥，含有大量病原菌、寄生虫（卵），铜、锌、铬、汞等重金属、盐类以及多氯联苯、二恶英、放射性核素等难降解的有毒有害物，直接排放于环境，将造成严重的二次污染[3-5]。城镇污泥的出路问题已成为制约我国城镇污水处理行业健康发展的“瓶颈”。城市污泥的处理与处置途径主要有填埋、焚烧和好氧发酵(堆肥)后土地利用、建材使用等。尽管填埋仍然是当前污泥处置的重要方式，但随着对其弊端的深入了解，选用的态度越来越谨慎。由于污泥呈半固态，含有大量不稳定有机质，直接填埋对填埋场破坏较大，且存在一定的安全隐患，许多国家对污泥进入填埋场设置了严格的限制条件。我国《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋泥质》(CJ/T249-2007)对城市污泥进入填埋场与生活垃圾混合填埋或作为填埋场覆盖土的含水率、pH值、混合比例等指标做了规定，杜绝未经处理的脱水污泥直接进入填埋场。污泥焚烧虽然减量化彻底，但投资和运行成本高[6]，且焚烧过程容易排放汞、铅、二恶英等污染物，造成大气污染[7]。在美国，采用填埋和焚烧工艺处理城市固体废物所占的比例越来越少[8]。日本由于土地限制，污泥处理处置的主要技术路线是焚烧后建材利用为主，农用与填埋为辅。近年来，日本开始调整原有的技术路线，更加注重污泥的生物质利用，逐步减少焚烧的比例[9]。2009年，住房和城乡建设部、环境保护部和科学技术部联合发布了，《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策(试行)》，该文件鼓励符合标准的污泥进行好氧高温发酵处理并土地利用。2011年，住房和城乡建设部联合国家发展和改革委员会发布了《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南(试行)》，进一步确立了好氧发酵+土地利用在污泥处置方面的主导地位[10]。相对于填埋、焚烧，污泥生物堆肥处理后土地利用可充分利用其有机质和N、P等营养元素，是适合我国国情的处置方式[11]。经高温好氧发酵工艺(好氧范畴)处理后的污泥可作为营养土进行土地利用，在国内中小规模城镇污水厂污泥处理工程中已得到应用[12,13]。2好氧发酵机理与工艺流程：污泥堆肥是在好氧条件下，利用好氧的嗜温菌、嗜热菌的作用，将污泥中有机物分解，并杀灭传染病菌、寄生虫卵和病毒，提高污泥肥分，产生的肥料可以用于园艺和农业目的[14]。根据污泥的组成和微生物对混合堆料C/N、C/P、颗粒大小、水分含量和pH值等要求，给其中加入一定量的调理剂与膨润剂，保持适当的水分;然后进行堆积，利用堆肥材料中的微生物分解其有机物产生的热量，使堆体温度达到50-70℃，从而使堆料中有害的病原菌及寄生虫(卵)达到无害化。同时堆料中有机碳转化为稳定性较高的腐殖质。经过堆肥化处理后，污泥的物理性状改善，含水率降低(小于40%)，疏松、分散、细粒状，便于贮藏、运输和使用[15]。污泥好氧发酵工艺流程图1。图1污泥好氧发酵工艺流程图Fig.1Flowchartofcompostprocess3好氧发酵工艺的应用现状好氧发酵工艺可分为条垛式系统、密闭式反应器系统、强制通风静态垛系统和智能控制好氧高温发酵系统(CTB工艺)4种[16]，现对这4种发酵系统的优缺点及在我国的应用情况进行介绍。3.1条垛式系统条垛式系统是一种最古老的堆肥方式，也是一种最简单的堆肥发酵系统，其特征是将堆肥物料以条垛状堆置，通过自然通风和机械翻堆方式向堆体供氧，通过较长时间的发酵过程，使物料达到腐熟，由于其建设成本低，所需设备少，操作简单[16]，在过去的堆肥厂中该系统是一种主流工艺，尤其是处理农业和畜禽废弃物的堆肥厂中大多选用该系统，有很多工程都采用了条垛式工艺，如北京庞各庄污泥堆肥工程、桂林市污泥堆肥工程等，见图2。图2条垛式堆肥工程现场Fig.2Windrowcompostingprojectsite条垛式工艺堆体高度一般为0.8～1.2m，条垛底部宽度一般为2～3m[17]，堆体的横截面为类三角形或梯形，条垛之间留有行人或机械行走的通道，这些因素导致条垛式工艺占地面积较大；条垛式堆肥工程中一般不设置曝气系统，氧气供应靠自然扩散或翻堆，物料长期处于厌氧发酵状态，导致大量厌氧型恶臭气体产生，堆肥厂环境非常恶劣；条垛式堆肥工艺的发酵过程无法进行有效调控，导致升温速度慢（冬季尤为突出），水分脱除效率低，堆肥周粉碎秸秆料仓秸秆粉碎机脱水污泥混料机发酵槽回用料仓筛分机脱水污泥料仓污泥车营养土秸秆皮带机皮带机装载机装载机+皮带机筛上物筛下物期一般在2个月以上[18,19]。条垛式发酵系统的缺点主要有:技术稳定性差处理周期长、占地面积大、翻堆能耗高、臭气污染严重、腐熟与脱水效率低、难以进行自动控制、作业环境差等。因此，该工艺在人多地少或对环境要求较高的地区难以得到普遍应用。由于条垛式堆肥工艺存在以上缺点，在现代大型污泥处理工程中逐渐被摒弃。3.2密闭式反应器系统密闭式反应器系统是将物料置于部分或全部封闭的容器内，通过控制通风和水分条件，使物料进行生物降解和稳定化，闭式反应器系统占地面积小，发酵过程中的温度、风量、分含量等参数易于控制，收集方便，运转灵活，处理效率高，受天气条件的影响小。然而，密闭式反应器系统的主体发酵过程在装置内完成，容积限制，该工艺在规模上有一定局限性，只能适用于中小型污泥处理厂目前该系统在国内的应用刚刚开始，对该系统的开发将是有机固废好氧高温发酵处理领域的一个新方向。3.3强制通风静态垛系统强制通风静态垛系统通过鼓风机强制曝气为堆体供氧，不进行物料翻堆，能有效保证堆体的好氧状态，确保堆体达到高温杀灭病原菌的效果，该工艺处理周期和占地面积比条垛式系统大幅度缩减。采用传统静态堆肥系统主要是通过简单的定时控制进行通风曝气。这种工艺可以避免机械翻堆能耗高和占地面积大等缺点。但是由于缺少对堆肥过程的温度和氧气监测和控制，不能针对堆肥不同阶段的氧气消耗和需求进行自动调整堆体的适宜通风量，因此在堆肥的不同阶段中会存在通风量不足和通风量过大的弊端，容易出现堆体升温速度慢或者堆体散热过多等问题，从而导致工艺稳定性和无害化处理效果不佳，而且微生物活性低，有机质降解慢、堆肥时间长，易产生臭味。采用强制通风静态垛系统可实现温度和氧气等参数的调控，保证堆体的好氧状态强制通风静态垛系统工艺设备投资比条垛式系统高，由于该工艺具有处理过程不翻堆单向强制通风和半开放的特点，堆体不同部位的物料腐熟程度不均匀，有些部位的物料可能难以完全腐熟[20]。3.4智能控制好氧高温发酵系统针对上述两种堆肥工艺的主要缺点，中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心和北京中科博联环保环境工程有限公司通过10多年研发，联合开发出“CTB自动控制生物堆肥(生物干化)技术”。该工艺基于温度氧气和臭气的在线监测，发酵过程采用专用智能控制软件(Compsoft)进行控制，根据堆体内部温度氧气含量、耗氧速率和车间臭气状况等参数调节鼓风，使堆体始终处于良好的好氧状态，保证发酵过程顺利高效进行。为消除强制通风静态垛工艺单向通风引起的温度和氧气空间分布的差异造成的部分区域物料腐熟不充分的问题，工艺以静态发酵为主并辅以匀翻，消除发酵的死角，提高堆肥成功率、堆肥产品质量和生物无害化处理效果，同时显著改善堆肥厂的厂区环境卫生条件，降低堆肥过程的能耗。如果在发酵过程中采用匀翻机翻动一次物料，则可以进一步避免静态堆肥中局部位置的发酵不匀问题。其所产出的堆肥质量稳定，用途更加广泛。近几年国内新建的大型城市污泥好氧高温发酵工程大多都采用了CTB工艺，已经投入运行的有秦皇岛市绿港污泥处理厂[21]、长春市污泥处理厂、日照市污泥处理厂、上海市松江区污泥处理厂等，见图3。图3智能控制好氧高温发酵工程现场Fig.3Thermophilicfermentationintelligentcontrolprojectsite4好氧发酵工程的主要进展由于现代大型污泥处理工程对工程占地、自动化水平、厂区环境质量等方面提出了更高的要求，促使了新技术和新设备不断涌现。近年来污泥好氧发酵工程的主要进步表现在以下四个方面，见表1。表1传统堆肥与现代好氧发酵工程的比较Table.1Comparisonoftraditionalandmodernaerobicfermentationcompostingproject项目传统堆肥工程现代好氧发酵工程工艺形式条垛式槽式配套设备翻抛机混料设备、发酵设备、监测设备、除臭设备等工艺参数凭经验操作日趋完善管理方式经验式、较粗犷程序化、精细化（1）工艺形式由传统的条垛式发展为槽式，大幅度降低了工程的占地面积。而且，槽式工艺也由初期的强制通风静态垛发展为目前的“静态为主、翻抛为辅”的动静结合式[21]。（2）工艺的标准化和规范化。传统的条垛式堆肥方式没有工程设计和运行参数，仅凭操作者的个人经验堆置条垛、确定翻抛的时间及间隔。而随着近年来的工程积累，槽式好氧发酵工艺的运行参数日趋完善，如堆体的最大高度、物料混合后的配比、适宜的发酵周期、堆体的最低氧气浓度等已经在业界取得了普遍共识，这些工程参数指导了工程的设计和运行[22]。设备的标准化是推动行业快速发展的重要方面。污泥好氧发酵工程中采用的设备主要包括物料储存设备、物料输送设备、物料混合设备、筛分设备物料运输设备、鼓风设备、发酵设备、除臭设备及智能控制设备等，这些设备中只有少数