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城市污泥处理及资源化利用技术再议


北京工业大学 硕士学位论文 城市污泥处理及资源化利用技术 姓名:王维军 申请学位级别:硕士 专业:市政工程 指导教师:吕鑑 20090501

摘要





城市污泥的处置与利用是全球各大城市面临的重大环境问题之一。污泥的 堆肥化与土地利用是实现其无害化与资源化的重要方式。高温好氧堆肥技术利

用好氧菌和氧气,使污泥高温发酵,它是将固体有机废弃物转化为高质量有机 肥的重要无害化和资源化途径,它不仅可以解决城市污泥环境污染问题,而且 对于发展有机肥、保持和提高土壤肥力,促进农业持续发展有着重要的意义。 目前传统堆肥化过程中,堆肥周期较长,通常在60天左右,氮素损失比较 严重,一般达到30%,---50%,是臭气最主要的组成成分。如何在堆肥过程中缩 短堆肥时间,提高发酵速度,减少氮素损失,提高有机肥的养分价值,具有重
要意义。

基于城市污水厂污泥富含作物生长所需的营养成分和有机质,有害重金属 元素低,其它元素符合国家农用标准这一事实,本文提出了利用污水厂污泥进 行堆肥化后生产有机复混肥的观点。通过生产优质有机复混肥来保证污泥的有
效、持续利用。

关键词城市污泥;污泥处理;高温好氧堆肥;有机复混肥

Abstract
The disposition and utilizition of urban sewage sludge is
one

of the senous

environmental problems in big citys all
utilizition of urban sewage sludge was


over

the world.The compost

and

land

useful method to make it innoxious and

resourceful.Fermenting sewage sludge

at high

temperature 15y aerobic bacterium and

oxygen(High temperaturing
to change

sewage compost

technology)is

an

important approach

solid organic waste into organic fertilizer of high-quality innoxiously and
not only solved the

resourcefully.It

environmental problem caused by sewage sludge,

and improve but also is of great significance to develop organic fertilizer,preserve soil fertility
as

well as enhance agricultural development sustainably.

At present,traditional compost process suffered longer time which is usually around 60

days.Meanwhile,nitrogen
which

lOSS which iS the uppermost part tO compose it is of great

emuvium was more serious significance tO

Can reach normally 30%~50%.Thus

shorten time for compost,increase ferment speed,reduce nitrogen

loss and nutrient value of organic fertilizer. Based
on

the faet that there iS abundant nourish component and organic matter

in the sludge of urban sewage disposal plant for crops tO grow
content of heavy

and

there

IS

lower

metals,which Can meet the national agricultural standards,the

aurthor put forward the viewpoint using the sludge of urban sewage disposal plant tO produce organic combined fertilizer.

Key words

urban

sewage sludge;sludge

treatment;thermophilic

aerobi compost;

organic

compound fertilizer

II

独创性声明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。



9.6?牛

关于论文使用授权的说明

本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权 保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部 分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的论文在解密后应遵守此规定)

日期:业

第1章绪论

第1章
1.1城市污泥概述
1.1.1城市污泥的定义

绪论

城市污泥是城市污水处理厂处理污水过程中产生的沉淀物质,污水经过处理
后,其体积的0.5%~1%将转化为固态的凝聚体沉降下来,它包括混入生活污水

中的泥沙、纤维、动植物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物、各种胶体、有机质 及吸附的金属元素、微生物、病菌、虫卵等物质组成的综合固体物质。1995年,
世界水环境组织(wwo)为了准确地反映绝大多数污水污泥具有重新利用的价 “一

值,将污泥(sludge)更名为“生物固体(biosolids)",其确切含义是: 种能够有效利用的富含有机质的城市污染产生物n协。

“生物固体”概念的提出,准确反映了绝大多数城市污水污泥具有重新利用

的价值,强调了其可资源化的特性,使其更容易被公众接受,以便更好地参与生 态系统物质循环,走上人类社会与生态系统的和谐共处与可持续发展轨道,这在
一定程度上标志着人们对城市污水污泥处理与处置观念的转变和成熟。

1.1.2城市污泥的分类
(1)城市污泥按照物质成分的不同可分为有机污泥和无机物泥。 有机污泥又称污泥,是以有机物为主要成分,其主要性质是易于腐化发臭、 颗粒较细、比重较小(一般约为1.02左右)、含水率高且不易脱水,属于胶状结 构的亲水性物质。以城市污水处理厂初沉池和二沉池的沉淀物为主。 无机物泥又称沉渣(浮渣),是以无机物为主要成分,其主要性质是颗粒较 粗、比重较大(一般约为2左右)、含水率较低且易于脱水、流动性差。以城市污
水处理厂沉砂池与某些工业废水处理沉淀物为主啦!。

(2)城市污泥按照来源的不同大致可分为初沉污泥、剩余活性污泥、腐殖
污泥、消化污泥、化学污泥等。 初沉污泥来源于初沉池排出的污泥。其中含有许多大颗粒物质,如粪便、蔬

菜、水果、纺织物、纸类残渣等。通常是灰色糊状物,多数情况下具有难闻的气
味。含水率较低通常为92%,---98%。

剩余活性污泥来源于活性污泥法系统二沉池的污泥。由二沉池排出至曝气池 (生化池)等生化处理单元的活性污泥被称为回流污泥;由二沉池(或生化池)排出
至污泥处理设施(浓缩池)的活性污泥称为剩余活性污泥。其主要由好氧微生物

组成,外观为褐色絮状物,不含大颗粒物质,含水率较高一般为99%----99.9%。 腐殖污泥来源于生物膜法后冲刷下来的生物膜,其组成和活性污泥类似,为

北京工业大学T学硕十学位论文

褐色絮状物,“新鲜”时无令人讨厌的气味,有时会含有许多蠕虫,含水率较高为
97%'--99%。

消化污泥是生污泥经厌氧消化或好氧消化处理后的污泥,也称熟污泥或稳定 污泥。如果在好氧条件下消化(如在曝气池中)的污泥称为好氧消化污泥,其为褐

色至深褐色的絮状物,消化后的污泥易于脱水,好氧消化的污泥含水率一般为 96%'--98%。如果生污泥在厌氧条件下进行消化(如在封闭的厌氧消化池中),则
称为厌氧消化污泥,其为深褐色至黑色,消化良好的污泥气味较轻,否则会有硫 化氢和其它一些气体的气味,厌氧消化后的污泥含水率为90%一-97%。

化学污泥是用化学沉淀法处理污水后产生的沉淀物。在城市污水处理厂中采
用化学除磷系统时,由于药剂投加的位置不同,化学污泥可能为用混凝沉淀法去 除污水中的磷所产生的、也可为投加硫化物去除污水中的重金属离子所产生的、 也可为投加石灰于酸性污水所产生的、或者为酸、碱中和处理产生的沉淀等,其 含水率在95%,---98%左右。

1.1.3城市污泥的主要成分
污泥成分很复杂,它包括混入生活污水或工业废水中的泥砂、纤维、动植物
残体等固体颗粒及其凝结的絮状物、由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机 物、重金属元素和盐类、少量的病原微生物、寄生虫卵等综合固体物质。表1.1

为城市污水污泥的一般组成和性质。


表1.1污泥的组成和性质
Table l一1 Sludge’s ingredient and characteristics

.2.

第1章绪论

指标 感官特征 比重


初沉池污泥 灰色、粘性、有恶臭
1.02 5.0'---,5.8 2.0"-'8.0 60.O~80.0 20.0一-40.0 6.O一30.O 20.0"-30。0 20。O~30.0 0.18~3.0 O.O~1.0 8。O~15.0 5.8 3.2 1.2一1.6 O.5一l。l 200一2000 500一1500

活性污泥

消化污泥 黑褐色、完全消化时 无恶臭
6.5~7.5 6.0一12.0

褐色、星絮狄、无鬈 奥
1.005 6.5"-'8.0

宰率总I舂l体(%)

璀发性固体(%)
木总灰分(%) 车油胎(乙醚溶解物)(%) 宰蛋白质(劝

61.O~75.O 25.0~39.0 5.0~12.0 32.0".-41.0 32.0—41.O 2.8"-'11.0 0.5--0.7 7.O

30.0~60.0 40.0~70.O 0.0—20.0 15.O~20。O 15.0"-20.0 1.5—4.0 0.0~3.O 8.O~15.0 8.4 1.6

燎(%)
木磷(P舡)(%)

车钾(K劫(%)
木纤维索(96)

幸本质素(钧 枣半纤维素(%)
钛论{VSS BODdVSS

2.17

有机酸(HAc)(弭g/乙)
碱度(Cat03)

100~600 25a0~3500

注::Ic枷?表示占污泥的百分数;

木.“表示占污泥干吲体的百分数

(1)污泥中的养分污泥中含有植物生长所需要的氮、磷、钾等营养元素 以及维持植物正常生长发育的多种微量元素和能改良土壤结构的有机物及腐殖 质;所含的有机物和腐殖质也是一种有价值的有机肥料啊1。同时也含有多种病原 菌、寄生虫卵、重金属及某些难降解的有机物。由于污水来源、污水处理工艺及 季节的不同,污泥的成分差异较大。污泥中有机质含量随季节变化,夏低冬高。 表1.2为采用传统活性污泥法、氧化沟和~0处理方法产生的污泥中营养物质的含
量‘引。
表l-2不同处理方法产生的污泥中营养物质的含量(g/kg干污泥)
Table 1-2 Content of nutrition in sludge of by different disposal method producing(g/kg DS)

处理方法

有机质(%)
55 39 37


76 38 43

磷(以P205计)
l l 16 24

钾(以K20计)
8 6 14

活性污泥法
氧化沟
k|o

(2)污泥中的重金属

城市污泥中的重金属种类繁多,主要有Cu、Pb、Zn、

Ni、Cr、Hg、Cd等。污泥中的重金属由于其易迁移、易富集、危害大等特

.3.

北京一[业大学丁学硕士学位论文

点一直是制约污泥农业利用的最主要因素。

重金属在污泥各组分(城市污泥是由颗粒物、生物团、胶体态和可溶态等组 分构成的多相混合物)之间的分配比例不同,通过对污泥组分的实验分析得出,
污泥中85%----95%的重金属附着于生物团上,5%"--15%的重金属附着在矿物颗粒

和有机碎屑颗粒物上,其余不到3%的重金属存在于可溶态和胶状的有机物质中, 虽然颗粒物仅占污泥总重量的2%,但其中的硫化物颗粒高度富集重金属强1。我国 北京、上海、天津、西安、兰州、沈阳、黄石等城市的污水处理厂污泥中重金属
离子含量的范围见表1.3。
表1-3中国城市污泥中的重金属含量(mg/kg)
Table I一3 Heavy metal concentrations in sewage sludge 015 China(mg/kg)

重金属
Hg Cd As CU

变化范围 0~9.3 0.05~16.80 0,29~47.00 28.4~3068.O

平均值
2.84 2.97 16.1 486

重金属
Ni Pb Cr Zn 1

变化范围 0.4~374.0

平均值
77.5 13l 185 1450

0.6~669.0 O.4~728.0
1 6.8~7384.O

(3)污泥中的有机污染物

城市污泥中的有机有害成分主要包括聚氯二苯

基(PCBS).币IJ聚氯二苯氧化物/氧菊(PCDD/PCDF)、多环芳烃和有机氯杀虫剂等品。 据调查结果表明,在其污泥中含有稻瘟酞、甲苯、氯苯,并且在每个样品中都发 现了至少有42种杀虫剂中的2种。由于许多这类有机化合物对人体及动物有毒负 作用,它们的存在也是影响污泥农田利用的重要因素。 (4)污泥中的病原体污水在净化处理过程中,其中的病原体大部分被颗 粒物吸附而富集到污泥中,新鲜的城市污泥中有大量的病原体,甚至多达上千种,
主要是寄生虫卵、细菌、真菌和病毒四大类哺1。不同的病原体在城市污泥及其施

肥的土壤中的存活时间相差很大,有的仅存活数小时或数天,而有的可存活数年 之久。它们可通过各种途径传播,人、畜与城市污泥(或施用城市污泥的土壤)直 接接触或食用被污泥污染的食物、饮用水均可能受到感染【7】o

1.2城市污泥的处理与处置
随着我国城市发展水平的提高,污水处理设施将逐步完善,至lJ20世纪90年代

末,全国已建成污水处理厂300多座,污水处理能力约为1.3xlO 7m3/d。从现在到
2010年新建城市污水处理厂1000余座,污水处理能力增}JIl(5~6)x10 7m3/d哺1,污泥 的产生量将会快速增长。预计未来五年内,每年将产生干污泥540万吨(含水率 为80%污泥为2700万吨)。
1.2.1

城市污泥的危害及处理的意义
一4。

第1章绪论

目前大量未经稳定处理的污泥没有合理处置,不但成为污水处理厂的沉重负 担,而且污泥的任意排放和堆放对周围环境又造成新的污染,越来越多的城市污 泥,若不能对其进行妥善处理必将严重阻碍我国经济的可持续发展。城市污泥的
危害主要包括:(1)侵占土地;(2)污染土壤:污泥堆置的有害成分聚集,风吹雨淋,

产生高温或者其他化学反应,能杀灭土壤微生物,破坏土壤结构,使其丧失腐解 能力;(3)淤泥河床,污染水体;(4)污染大气:污泥有机物被微生物分解释放出
有害气体、尘埃,加重大气污染;(5)含有大量的病原菌:主要有肠道细菌、寄

生虫及病毒三大类,大部分被结合在污泥颗粒物上浓缩,其数量比污水中的要高
得多‘9。。

因此研究对污泥进行减量化、稳定化、无害化,资源化的处理处置,探寻科 学合理的污泥综合利用途径,对环境保护和社会可持续发展都具有重要意义。城 市污泥的处理处置与资源化利用相结合,必将成为解决城市污泥的最终出路瞄J。

1.2.2城市污泥的处理方法
污泥处理与处置的目的主要有以下四个方面:一是减量化,即减少污泥最终 处置前的体积,以降低污泥处理及最终处置的费用;二是稳定化,通过处理使污 泥最终处置后不再产生进一步降解,使污泥稳定化,从而避免二次污染;三是无 害化,即达到污泥的无害化与卫生化,如去除重金属或灭菌等;四是资源化,即 在处理污泥的同时达到变害为利、综合利用、保护环境的目的。 污泥处理是指污水处理厂在污水处理单元操作过程中产生的污泥通过减容、 减量、稳定以及无害化的过程。污泥处理工艺单元主要包括污泥浓缩、脱水、消 化、发酵、干化等工艺过程,其流程图如图1.1。

图l-l污泥处理流程图
Fig.1—1 Flow chart of sludge treatment

(1)浓缩:为了使能够沉淀的大块污泥迅速沉淀,在将污泥缓慢搅拌以后 使之进行长时间的沉淀。结果污泥被浓缩,含水率降低,包括重力浓缩、离心浓
缩、气浮浓缩和其它浓缩;

(2)厌氧消化t是较普遍采用的污泥稳定化技术。厌氧消化一般是在密闭 的消化槽内,在30"C贮停30天左右,主要是通过兼性厌氧细菌的作用使有机物分 解,最终生成以甲烷为主的沼气。沼气热量可达5000~6000千卡/立方米,可作 为燃料,又可作为动力资源,还可作为重要的化工原料。包括化粪池、双层沉淀
-5一

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池、消化池等; (3)好氧消化:有时也称为好氧分解,是通过好氧氧化作用使污泥中以胶 体或溶解状态存在的有机污染物矿化的过程,其间大部分活性污泥处于内源呼吸 的状态下:

(4)机械脱水:采用真空过滤机、压滤机、离心分离机、筛滤机等进行污 泥脱水,包括真空过滤、压滤、滚压脱水、微孔挤压、离心脱水、造粒; (5)人工加热干化:利用高温蒸气加热污泥,蒸发掉污泥中的水分,使之 几乎完全干化;
(6)自然干化:分为晒砂厂与干化场两种,前者用于沉砂池沉渣的脱水, 后者用于初次沉淀污泥、腐殖污泥、消化污泥、化学污泥及混合污泥的脱水:

1.2.3城市污泥的处置方法
污泥处置是指以自然或人工方式使经处理后的污泥或污泥产品能够达到长 期稳定并对生态环境无不良影响的最终污泥消纳方式。污泥处置主要包括作为肥 料和土壤改良剂用于农业、林业、园林绿化或进行填埋、焚烧、排海等方法的处 置以及综合利用(建材利用)等。 (1)卫生填埋污泥的卫生填埋始于20世纪60年代,到目前为止己发展成
为一项比较成熟的污泥处置技术。许多发达国家都采用土地填埋的方法来处理污

泥,且占有很大的比例(约40%左右)。在我国,土地填埋也是主要的方法。该法 的处理过程非常简单,特别适于质量较差的污泥。污泥填埋分为单独填埋和脱水
污泥与城市垃圾混合填埋。 填埋并不能最终避免和消除污染,只是减缓了污染产生的时间而己。此外,

填埋需要占用大量土地,随着人口的增加,土地资源匾乏,可供填埋的场地己十 分有限。因此,近年来,在发达国家污泥填埋处置所占比例越来越小。但是综合 考虑各种处置方法的成本、对环境可能产生的影响及目前我国的实际情况,对污
泥实行填埋处置可能是未来一段时间内我国处置污泥的主要方法。

卫生填埋的优点是投资少、容量大、见效快。但同时,城市污泥卫生填埋也 存在许多问题:一方面,填埋的污泥中含有各种有毒有害物质,会通过雨水的侵 蚀和渗漏作用污染地表水和地下水;另一方面,污泥中含有大量有机物,在适宜
的条件下会发生消化反应产生污泥气(沼气),一旦污泥气的压力释放不出去,或 遇上火种随时都可能发生爆炸,造成人员伤亡和财产损失。因此,建设污泥卫生 填埋场如同生活垃圾卫生填埋场一样,地址须选择在底基渗透系数低且地下水位 不高的区域,填坑铺设防渗性能好的材料,卫生填埋场还应配设渗滤液收集装置

和气体导排设施,并对收集的渗滤液进行处理,以防新污染的产生。 (2)排放水体利用江河湖海消纳城市污泥一般不需进行严格的无毒无害
化处理,也不需要脱水就直接排入水体,而且容量大。这种处理方法比较简单,
.6.

第1章绪论

费用也较低。污泥排海是利用海洋的环境容量来处理污泥,一是投海,二是造地。 投海区距海岸的距离不应小于10km;造地一般在浅水海滩或海湾处,用污泥填 海造地。这种未加处理而只是空间转移的处置方法,污泥中的有害物质会恶化水 体生态环境,危害水生生物,破坏生态平衡,威胁人类的食物链。随着人们生态 环境意识的提高,各国己越来越关注污泥投海的生态环境效应。因此,1988年美
国已禁止向海洋倾倒污泥,并于1991年全面加以禁止“们;欧供体在1991年5月颁 布((Directie Concerning
Urban

Wastewater Treatment))中指出:从1998年12月31

日起,不得在水体中处置污泥。中国政府在1994年初接受三项国际协议,承诺自 1994年2月20日起不在海上处置工业废物和城市污泥n¨。这必然会引起污泥处理

方式的重大转变,特别是对于排海量较大的国家,不得不将污泥排海转为陆地处
理。

(3)污泥焚烧

当污泥中重金属或其它有毒物质含量高而不适于农业利用

时,可将消化前的剩余活性污泥或消化污泥预先进行人工干化,由于城市污泥中
含有大量的有机物和一定量的纤维素、木质素,掺入适量的引燃剂、催化剂、疏

松剂和固硫剂等添加物即可进行焚烧处理。污泥焚烧是一种高温热处理技术,它 是以过量的空气与被处理的污泥在焚烧炉内进行氧化燃烧反应,使污泥中的全部
有机质、病原体在800—1200℃的高温下发生氧化热解而被破坏。 污泥焚烧的主要优点是:所有病原体被杀灭,有毒有害污染物被氧化,产生

无菌、无臭的无机残渣;污泥经焚烧后体积大幅度减少;。处理效率高,占地面积 小,是一种可靠而有效的污泥处置方法。但焚烧设备及运行费用昂贵,易造成大
气污染,仍存在有1/3左右固体重量的废弃物,以灰分的形式留残下来n纠。污泥

焚烧还存在以下的问题:高昂的基建和运行费用:焚烧产生的气体会产生二次污
染;污泥中的有用成分未得到有效利用。

(4)土地利用土地利用主要是将污泥用于农田、草地、垦荒地、贫瘠地 等受损土壤的修复及改良、园林绿化、森林土地施用等。用于土地利用的污泥通 常是剩余活性污泥,并且大多数情况下污泥需经过堆肥化处理后才能进行土地利 用。堆肥是利用污泥的微生物进行发酵的过程。在污泥中加入一定比例的秸秆、
稻草、木屑或生活垃圾等膨松剂和调理剂,利用微生物群落在潮湿环境下对多种

有机物进行氧化分解并转化为类腐殖质。类腐殖质是一种品质优良的有机复合肥
或可生产有机菌肥。

污泥连续发酵工艺不仅消除了恶臭对环境的污染,还因高温发酵几乎杀灭了 病原菌、寄生虫卵、有效降解有毒有害物质;经过堆肥的污泥质地疏松,容量减
小,使污泥的肥效提高并易于被农作物吸收,含有多种植物生长促进剂,这样即 可充分利用污泥又可将污泥作最终处置¨3|。

污泥中含有丰富的有机物、N、P、K等营养元素以及植物生长必需的各种微

.7一

北京T_qk大学工学硕士学位论文

量元素,施用于农田能够改良土壤结构、增加土壤肥力、促进作物的生长污泥; 同时污泥中也会含有如各种病原茵、寄生虫卵,以及铜、铝、锌、铬、砷、汞等 重金属和多氯联苯、二恶英等难降解的有毒有害物质。因此,污泥土地利用的一

个原则是施用污泥中的有害成分不能超过受施土壤的环境容量。
我国是一个发展中国家,又是一个农业大国,相对其它污泥处置方式而言, 城市污泥的土地利用使生产费用降低同时可大量处置污泥,适合我国目前的经济 发展状,因而被认为是一种积极、有效、有前途的污泥处置方式。 (5)建材利用污泥可用于制砖和纤维板以及铺路等。可直接用干化污泥

制砖,或用污泥焚烧灰制砖。污泥制造纤维板是由污泥中的蛋白质经变性作用和
一系列物化性质的改变后,与预处理过的废纤维一起压制而成。污泥中含有大量

的灰分、铝、铁等成份,可作为生产建筑材料的添加剂。将污泥与石灰按l:l质量 比混合,控制在一定的温度(约1000"(2)下焚烧4dx时,可制得一种具有潜在价值 的建筑材料m1。随着应用的推广,需要重视其产品的质量和管理,以及对其安全
性加以确认。

1.2.4城市污泥各种处置方法的比较
综上所述污泥的处理处置方法很多,各种污泥的处理处置方法也各有优缺
点,详见表1.4。
表l-4各种污泥处置方法对照表
Table 1-4 Comparison ofthe sludge treatment methods

处置方法 卫生填埋 排放水体 焚烧 复杂。

特点 方法简单,运行成本低。但侵占土地,可能污染地下水。 方法简单,运行成本低。但污染海洋,正在受到严格限制,并将终止使用。

使污泥矿物化并减至最小量,可部分利用能量。但运行费用高,废气处理

运行成本低,可资源化利用污泥。但污泥含有重金属和病原体等有害物质,
土地利用 存在二次污染的可能性。 污泥制动物饲料,可利用污泥中的蛋白质资源,但潜在危害和长远影响不

其它利用

清。污泥热解产油,改性制活性炭和污泥制水泥材料均试验了污泥资源化, 但均投入大、运行成本过高,不够经济,工艺技术水平仍需提高。

对城市污泥的处理、利用,必须对各种途径进行可行性分析,再确定适合我 国国情,高效,低能耗经济实用的污泥处置方法。 1.3
1.3.1

我国城市污泥处理处置研究
我国城市污泥处置研究进展

.8.



第1苹绪论

我国城市污泥处理事业起步较晚,经过近二十多年的研究、探索,积累了中 温厌氧消化技术的丰富经验,但在污泥处置和最终出路方面尚属试验研究阶段。
目前全国己经建成的污水处理厂超过400多座,污泥年产量己超过l亿吨而有污泥 处理工艺的只占30%,有污泥稳定处理设施的约为25%;建有污水处理厂的大中

城市中,90%以上的污泥处理设旌不配套,一些中小城市基本没有污泥处理设施。
许多城市的污泥仍采取购地露天堆放的方法,造成了城市周围垃圾成山、蚊蝇孽 生、环境质量下降的状况。这些随意排放的污泥,不仅带来严重的环境污染,并 已威胁到人类的健康,使污水处理工作变得毫无意义。也有一些地方,由于资金、

人员及技术等多方面的原因,一期工程完成并运行许多年后,二期工程还得不到 落目前,在我国污泥处理处置的主要方法中,污泥的土地利用约占44.8%、陆地
填埋约占31.0%、其它处置约占10.5%、未经处置约占13:7%。据统计,我国用于

污泥处理处置的投资约占污水处理总投资的20%~50%。从以上数据可以看出,
我目前污泥的处理处置处于严重滞后状态。

在污泥处置方面,我国大约有45%的污泥用作土地利用,34.4%的污泥进行 土地填埋,污泥绿化和焚烧各约占3.5%,污泥用于农业和绿化所占比例总和接近 污泥处置的一半。其中,上地利用和卫生填埋仍是污泥处置的主要途径。经济发 展最快、最具活力的上海,其污水处理厂的污泥处置方法是经适当浓缩后运至市 郊或邻近省份的农村作农肥。但是,我国既没有系统、科学的管理办法,也没有 配套的污泥标准体系,故污泥土地利用的安全性正在受到质疑。在土地利用时, 由于施用处理不到位的污泥,使得污泥中有效成分不能被充分有效地利用,有的 导致土地盐害、烧苗和病虫害等问题,污泥在很多地区反而成为了一种污染源。 污泥填埋也占了相当大的比例(大约占34.4%),在今后较长的一段时间内污
泥填埋仍将是主要处置方法之一。处在改革开放前沿的深圳市至J]2003年,平均污

泥产量为70t/d,污泥处理工艺为直接脱水后卫生填埋。但是,污泥填埋不仅严重

危害了填埋场的安全(尤其是对污泥和城市垃圾混合填堙),而且严重污染了周围
的生态环境。填埋的污泥造成了填埋场渗滤系统的严重堵塞,大大缩短了垃圾填
埋场的寿命,严重污染了附近的地下水。此外,我国约14%的污泥没有得到任何 处置,给环境质量带来了巨大的危害¨副。

目前,污泥焚烧处理在国内展现出一定的前景。浙江大学热能所在用异重流 化床燃用洗煤泥的基础上,从1992年起就在国内首先系统的开展了污泥流化床焚 烧技术的研究,并己取得很大成功。清华大学的硕士研究生奉华在2001年首次对 北京地区的城市市政污泥的焚烧处理进行了研究。他以高碑店污水厂的污泥为主 要研究对象分析了污泥的成分特点和燃烧特性,并在预防二次污染方面,通过分 析重金属元素在污泥中的存在形式及对污泥焚烧前后重金属含量的变化进行检
测。研究了重金属在焚烧过程中的迁移特性,并提出污泥灰渣处理的建议u4。171。

.9.

北京T业大学T学硕士学位论文

在我国的城市污水厂中,只有深圳特区污水处理厂采用焚法处置污泥,对工

业废水污泥的焚烧,国内应用的也很少。由化工部第三设计院设计的齐鲁20万吨 乙烯污水处理厂,污泥量为2100kg/h,采用二段串联的卧式灰砖焚烧炉焚烧¨圳。 北京燕山石油化工总厂自行设计的活性污泥沸腾焚烧炉,热载体采用粉状砂针, 污泥用压力式喷嘴喷入炉内,燃烧燃料要与空气混合造成热风,但此炉现未能连
续运行。

1.3.2我国城市污泥的资源化研究现状
加强城市污泥资源化利用的研究与实践,解决污泥处置中的难题,避免城市
生态环境污染,节约处置费用,变废为宝,使之具有良好的生态效益、环境效益、 经济效益和社会效益,是城市可持续发展的必然要求和发展趋势。污泥的资源化

处理和处置,就是通过适当的技术措施,使污泥得到再利用或以某种不损害环境
的形式而重新返回到自然环境中¨引。 城市污泥含有大量的有机质、养分,能为作物提供营养成分、改良和培肥土 壤,故从经济的发展、资源的开发利用、城市生态环境的保护等方面来看,污泥 土地利用被看成是污泥处理的最佳途径。

污泥的土地利用包括污泥直接或堆肥后施用于农田、牧场、园林绿地。城市 污泥迫切需要寻求一种处理容量大、环境安全和经济可行的处置方法。实践证明, 农用资源化正是这样一种具有广阔前景的污泥处置方法,一直深受世界各国重视. 污泥的土地利用资源化有利于维持和提高土壤肥力,有利于土壤资源的可持续利 用和农业的可持续发展。研究表明,施用污泥或污泥堆肥栽种水稻、玉米、小麦、
棉花、蔬菜等作物,植株的生长状况、产量和品质明显比不施肥好,与施用化肥

或优质农家肥相当,甚至更好。施用污泥或污泥堆肥能明显改善土壤的物理性质,
如有利于团粒的形成和提高团粒的水稳定性;可增加土壤的孔隙度,提高土城的 持水能力和保水能力等。施用污泥或污泥堆肥,还能明显改善土壤的化学性质,

如能显著地提高土壤氛、磷、钾(全量和有效态)和有机质的含量等啪’。
通过对污泥堆肥作为园林绿地肥源的研究表明,污泥是一种有发展fj{『途的园

林绿地肥源,将污泥与生活垃圾以l:l进行堆肥发酵处理后既提高了有效养分的 含量,又消除了污泥的臭味,降低了有害物质的含量,适用于城市园林绿化,并
且污泥堆肥用于城市园林绿化,一是比污泥直接利用干净卫生,二是减少费用为 城市园林绿化提供了可观的有机肥。

一般来说,对于污泥处置方式的选择应兼顾到环境生态效益与处置成本、经
济效益之间的平衡。一种有效的、适合当地具体情况的污泥处置方法应该是在环 境上卫生、社会上被接受及经济上有效的方法。污泥土地填埋对污泥的土力学性 质要求较高,需要大面积的场地和大量的运输费用,地基需作防渗处理以免污染

地下水,填埋场的废气可能污染环境等,近年来污泥填理处置所占比例越来越小:
.10.

第1章绪论

焚烧法的技术和设备复杂、耗能大、费用较高,并且有大气污染问题;污泥投海

受到地理位置和国际海洋有关公约的限制以及对一海洋生态系统和人类食物链 己造成威胁,中国政府已于1994年初接受三项国际协议。承诺于1994年2月20日 起不在海上处置工业废物和污水污泥;污水污泥用作建材是近年处于研究阶段的 新课题,尚有许多技术难题需要解决。因此,上述几种方法的使用在我国都受到
限制:而污泥堆肥化处理由于花钱少收益高,己成为最受欢迎的污泥处理方式, 被越来越多的污水厂采用口u。

1.3.3我国城市污泥处理处置中存在的问题
我国城市污泥处理处置工程起步较晚,并且长期以来,受污水处理界“重水 轻泥”认识的影响,污泥的卫生化、无害化处理处置问题一直未受到重视与合理 解决。目前我国城市污泥绝大部分是被弃置、简单填埋或被附近农民滥用在农田
上,有些甚至被倾倒在河流附近瞳引。由于未经稳定处理的污泥,有机物含量高, 极易腐败并产生恶臭,尤其是初沉池的污泥,含有大量病菌、寄生虫卵及病毒, 易造成传染病的传播。而这样处理后的污泥不仅占用大量土地,还造成严重的二 次污染和新的环境问题。

我国城市污泥处理处置中存在许多问题,主要表现在以下几个方面:
(1)污泥处理处置率低、工艺不完善污泥处理和处置技术在我国还刚刚 起步,在全国现有污水处理设施中有污泥定处理设施的还不到1/4,处理工艺和 配套设备较为完善的还不蛩Jl/lO,能够正常运行的更少。很多城市未把污泥的处 理处置作为污水处理厂的必要组成部分,往往是污水处理厂建成后,相当长的时

间后才建污泥处理处置系统,造成我国城市污水污泥处理处置率很低。
(2)污泥处理处置技术设备落后、投资低 当前我国有些污水处理厂所采

用的污泥处理处置技术已经是发达国家所摒弃的技术,其水平还停留在发达国家
的20世纪80年代的水平,有的甚至是国外的20世纪60年代的水平;而且有些污泥

处理处置技术根本不合乎国内的污水污泥特性,对所采用的技术缺乏必要的调查
研究。污泥处理处置投资低,我国污泥处理处置投资只占污水处理厂总投资的

20%~50%,而发达国家污泥处理处置投资要占总投资的50%~70%¨¨。 (3)污泥处理处置设计水平低我国排水事业有很大发展,积累了较为丰 富的污水处理设计经验,并培养了大批设计人才。但在污泥处理处置方面,我国 还缺乏实践经验和设计经验,尤其是污泥处理处置技术的整体水平还比较低。从 已建成的污水处理厂的污泥处理处置装置看,运行工况不佳,不能保证长期运行: 很多厂的装置建成后,又进行较大的技术改造,造成人力、物力和财力的极大浪
费。 (4)污泥处理处置管理体系缺乏污泥得不到妥善的处置,除技术水平外,

管理体系的缺乏也是重要因素。首先,污泥处置责任不分明,导致污泥处理处置

北京T.qk大学T学硕十学位论文

管理体制上的混乱。随着污水领域政企分离逐步到位、污水收费逐渐实施及技术
路线逐步明确,应在政策上明确污泥处理处置的直接承担主体是污水处理企业。 其次,污泥处置缺乏有效的监管。许多地区的环境保护部门忽视污泥处理处置的

重要性和对环境影响的安全性,没有将污泥处理处置纳入环境管理监管的序列,
更没有将污泥防治问题纳入城市总体规划。如目前我国绝大部分城市尚未开展污 泥处理处置的规划工作。

1.4本文研究目的、内容
1.4.1

本文研究目的

城市污泥经过适当处理可以成为很好的有机肥料,利用城市污水厂污泥制复
混肥具有积极的经济效益和环境生态效益。一方面,污泥中含有丰富的N、P、K

等营养元素及难降解有机物、病原体等有害物质,如果处置不当则可能造成二次 污染,诸如造成水体富营养化及疾病传播等,而利用城市污水厂污泥制复混肥则 可以避免二次污染的发生。另一方面,将污泥制成复混肥,并纳入市场,污水厂 不仅可以解决污泥出路压力的问题,同时还可以通过出售复混肥取得一定的经济
回报。同时,我国中低产土壤面积又相当大,据第二次土壤普查,全国缺乏有机 质的耕地为3290.0万hm2,缺氮的耕地3305万hm2,均大约占耕地面积的35%,缺 磷耕地6726.6万hm2占耕地面积的70.7%,部分耕地缺锌、硼、铝等微量元素,相

当面积的土壤急需培肥。而长期以来,我国农田施肥主要以化肥为主,从而进一 步导致了土壤板结和肥力下降。
该课题的研究目标是利用堆肥化技术,对城市污水污泥进行高温好氧发酵处

理,堆制出合格的堆肥产品,使污泥达到减量化、无害化和稳定化,并实现污泥 资源化利用的目的,探索一套适合我国中、小型污水处理厂污泥处理的高效低耗
污泥堆制复合肥工艺技术。本文主要以唐山市西郊污水处理厂污泥处理系统为研

究条件,利用建成的生产实验设备进行堆肥操作条件的优化工作,为污泥堆肥技 术的开发与实际应用提供依据。研究唐山市城市污泥堆肥过程中的控制因素变化
情况,提出最佳控制参数和指标以及能有利于指导生产实践的腐熟度参数及指

标,以指导堆肥工艺和堆肥操作条件的选择及控制堆肥的产品质量。

1.4.2本文研究的主要内容
本课题着重研究城市污水厂污泥制复混肥的可行性,研究的内容主要包括三
个部分;

(1)了解城市污水厂污泥的基本特性,并对其进行预处理,使之适合于后
续的好氧发酵处理。分别向原污泥中回流堆肥及添加不同的膨胀剂,使污泥的含

水率调整到适当值,并确定添加比及回流比:向原污泥中添加调理剂,以提高其
挥发份的含量及C/NEk;对膨胀剂和调理剂进行粒径筛分,以确定堆肥物料的粒
.12.

第1章绪论

径。 (2)进行高温好氧堆肥试验。确定一次发酵及二次发酵的通风方式,并确 定供气量;研究不同初始含水率对堆肥过程的影响:研究堆肥过程中氮素转化与 循环规律;研究堆肥过程中磷素的转变规律;研究不同环境温度对堆肥过程是影 响;研究堆肥过程中含水率、有机质及pH值随时间的变化规律。 (3)向堆肥产品中添加营养元素,制作复混肥。根据有关标准确定复混肥
的配方:确定所需添加的无机化肥的种类和各自的添加量。从污泥的成分看,其

中有机物、氮、磷等的含量均高于一般农家厩肥,还含有钾及其它微量元素。若
施用于土地中,对土壤物理、化学及生物学性状有一定的改良作用。污泥中的有

机物质可明显改善土壤的结构性,使土壤的容重下降,孔隙增多,土壤的通气透
水性和田间持水量提高,从而改善土壤的物理性质。施用污泥也可提高土壤的阳

离子交换量,改善土壤对酸碱的缓冲能力,提供养分交换和吸附的活性位点,从
而提高土壤保肥性n 8I。污泥中丰富的各种养分,明显地增加了土壤氮、磷养分,

并能有效地向植物提供养分,减少化学肥料的施用量,从而可降低农业生产的成
本。此外,污泥可以使土壤中微生物量增加和代谢强度提高而改变土壤的生物学 性状,所以污泥土地利用是适合我国目前的经济发展状况是一种积极的、生产性 的污泥处置方法¨引。

.13.

第2章城市污泥堆肥化处理技术

第2章城市污泥堆肥化处理技术
2.1

引言
随着工业生产的发展、城市人口的增加和人们对环境要求的提高,污水的处

理量将越来越大,伴随污水处理而产生的污泥其数量也将随之而急剧上升,大量 的城市污泥如不进行及时处理与合理利用,必然造成环境污染,成为新的环境问
题。

污泥是一种十分有效的生物资源,污泥施用于农田可以促成团粒形成,使 土壤孔隙增大,有利于通气、排气、改进蓄水能力、改良土坡的适耕性,还可 增加土壤微生物的活性,因而对土坡结构、土坡的水力学性质、土壤的化学性 质以及土坡的生物学性质均有良好的影响,常用作土壤改良剂。但污泥含水量 大、又含病原菌、寄生虫(卵)和有毒的有机物,如果污泥直接还田势必带来环 境污染问题;污泥堆放造成水体环境污染和大气恶臭污染;直接施用会造成土 壤营养比例失调、磷积累过剩、烧苗和有害病原菌微生物污染。 城市污泥不同于一般的工业固体废物,其物理、化学性质很不稳定,因此在 堆存、运输和处理过程中,其组成性质会不断发生变化,若处理处置不当,污泥 中的病菌、重金属以及腐化过程中产生的废气将会通过多种途径对人畜和环境造
成危害。另外,从处理成本上来看,污泥处理和处置的费用在整个污水处理厂处

理费用中会占到40%左右,无论在污染控制上还是在运行费用上,污泥处理和处
置都占有重要的地位。

城市污泥虽然会造成污染,但采用合理的处理处置手段进行综合利用,能达 到污泥资源化的目标。目前最常用的方法是进行污泥堆肥,即污泥在微生物的作 用下通过高温发醉使其中的病原菌无害化、有机物腐殖质化、稳定化。通过堆肥 化把有机废物分解转化成为腐殖质的过程,该分解过程在不同的微生物的参与下 完成。堆肥化集污泥处理和生产有机肥于一体,符合农业的可持续发展要求,不 仅能解决有机物的环境污染问题,同时还为农业生产提供优质有机肥。其中,高 温堆肥化工艺具有运行费用低、见效快、二次污染小等优点被广泛的应用 因此,城市污泥的处理处置与污泥资源化相结合,必将成为城市污泥理想的 最终出路。一个城市污水处理厂,污泥处理处置不当就不能充分发挥它消除污染 保护环境的作用,也就明显地削弱了污水处理厂的净化功能。城市污水处理厂的 污泥处理和资源化利用途径的探索及相关成套装备的开发与产业化,将成为一项 环境工程。
除了不断引进、吸收国外先进成熟的污水污泥处理新工艺和新技术外,更为

关键的是要对我国现有典型的污水处理厂污泥处理系统进行大量研究、测定与分
-15.

北京工业大学T学硕士学位论文

析,从我国国情出发,总结自己的经验,因地制宜地采用合理的污泥处理工艺、 处置方式和设计参数,提高我国污泥的处理和处置水平。

2.2污泥堆肥技术发展概况
2.2.1污泥堆肥化
堆肥化(Composting)也称为“发酵”,是将由多种不同组分构成的有机物料堆

聚在一起,以保存发酵过程中产生的热量,在多种微生物(细菌、放线菌、真菌、 酵母菌等)共同作用下,在温暖湿润和控制条件下,对物料中可生物降解的有机 物分解、腐熟并转化为稳定腐殖土的微生物氧化过程。堆肥化的产品称为堆肥, 是一类腐殖质含量高的疏松物质,故也称为“腐殖土”,可以用作土壤改良剂和肥 料n引

2.2.2污泥堆肥化的作用
堆肥化过程是将城市污泥等有机废物与微生物群体混合,通过控制合适的

水分和通气条件,通过调整碳源、大量营养元素N、P、K和一些微量元素的比 例以适合微生物的代谢要求,促进微生物的生长繁殖,同时产生C02、水和稳 定程度高的腐殖质类物质的工艺过程。由于污泥不是疏松的物料,容易结块, 自由空隙少,过筛后的污泥颗粒细密,也不利于通气供氧,使发酵处于厌氧状
态而易产生恶臭,从而达不到好氧消化的目的。因此,除污泥作为堆肥的基质 之外,还应加入调理剂(如锯沫、秸杆、树叶、粪便等)和膨胀剂(如木屑、 秸杆短节、花生壳等),以调整物料状况,满足堆肥工艺或设备对物料的要求。

污泥堆肥过程中会伴有能量的释放,有机废物中碳经生物氧化释放的能量部分 用于微生物的代谢,其余部分以热的形式散出。在堆肥化初期产生热量比散发
的要多,致使堆肥物料的温度升高。在一定范围内,温度升高可进一步促进微 生物活动;当超过60℃可以杀死物料中的病原微生物。 污泥堆肥化主要有以下作用: (1)杀死污泥中的病原茵和寄生虫卵,消除臭味; (2)降解污泥中的大多数毒性有机物;

(3)固化和钝化污泥中的重金属; (4)改善污泥的物理性状,降低其含水率(低于40%)等。
2.2.3
2.2.3.1

污泥堆肥的优点及其施用危害性
污泥堆肥的优点

经过十多年的研究、探索,普遍认为要使污泥能真正由于农业,可将污泥在

堆肥化的基础上与化肥按一定比例复混制成有机无机颗粒复混肥,施用污泥堆肥

.16.

第2章城市污泥堆肥化处理技术

的主要优点如下:

(1)可分解纤维素,使堆肥物料有了较高程度的腐植化,大幅度提高了污 泥有效养分含量,可使之作为商品肥纳入市场流通领域,不但可使污水处理厂污
泥得到处置,而且可创造一定利润。 (2)因产品营养成分含量高,污泥实际用量可大大低于污泥直接(或污泥堆

肥)农用数量,因此较之污泥直接或堆肥后农用更安全,单位面积土地使用年限
可延长20~30倍以上。

(3)污泥经高温堆腐后与化肥混匀制粒,再进一步通过后续高温干燥工艺,
可使污泥达到完全卫生无害化,并可消除恶臭,其产品易于运输和施用,也卫生

安全。从而便于长距离运输,使污泥能在更大范围内分散使用。因此,可更好地 利用土壤的环境净化功能,降低污泥的土地利用的污染风险。 (4)制成的有机一无机复混肥除含氮、磷、钾三要素外,还含钙、镁、硼、 硫、锌等元素和有机质,不但可使供肥过程稳定、协调,取得较好的肥效,而且
可不断培肥地力,符合农业可持续发展的要求。

(5)由于污泥含水率高、体积庞大、稳定性差,因此,其大量贮存往往是

一个非常棘手的问题。如果用于生产污泥有机一无机复混肥则可实现全年生产,
且成品的水分含量低,易贮存运输,又易销售,从而较好地避开了污泥贮存问题。

2.2.4堆肥工艺的分类
目前按照堆肥工艺的特点和生产条件的不同可分为如下四种类型。
2.2.4.1

按照微生物对氧的需求分好氧堆肥和厌氧堆肥

(1)好氧堆肥好氧堆肥是依靠专性和兼性好氧细菌的作用在堆肥物料中 维持一定的氧浓度,在通气条件下通过好气性微生物的代谢活动,使有机废弃物 得到降解稳定的生化过程。好氧堆肥具有对有机物分解速度快、降解彻底、堆肥 周期短的特点。一般一次发酵在4~12d左右,二次发酵在10~30d便可完成。由 于好氧堆肥温度高,可以灭活病原体、虫卵和垃圾中的植物种子,使堆肥达到无 害化。此外,好氧堆肥的条件好,不会产生难闻的臭气。目前采用的堆肥工艺一 般均为好氧堆肥,但好氧堆肥必须维持一定的氧浓度,因此运转费用比较高。 (2)厌氧堆肥厌氧堆肥是依赖专性和兼性厌氧细菌的作用降解有机物的 过程,需经历产酸和产气两个阶段,最终生成甲烷和二氧化碳。通过厌氧堆肥自 然发酵分解有机物,不必由外界提供能量,因而具有工艺简单、运转费用低的特 点。但是,厌氧堆肥速度较慢,堆肥时间是好氧堆肥法的3"-'4倍甚至更多,具有 周期长(一般需3"--6个月)、易产生恶臭、占地面积大等缺点,另外蚊蝇孳生,污 水淌流,产生严重的二次污染n引。因此厌氧堆肥不适合于大规模工业化污泥处置。 2.2.4.2按照堆肥温度范围分中温堆肥和高温堆肥
(1)中温堆肥中温好氧堆肥一般所需温度为15'---'45℃。由于温度不高,
-17.

北京T业大学工学硕士学位论文

因此不能有效地杀灭病原菌。但国外有学者研究认为:堆肥温度在45℃时对有机 物的降解率要比温度在60℃以上高,而在40--.60。C条件下进行堆肥对物料的干化
效果最好。 (2)高温堆肥好氧堆肥所产生的高温一般在50---65 oC,极限可达80"--

90℃,能有效地杀灭病菌,且温度越高,令人讨厌的臭气产生就会减少,因此高 温堆肥已为各国普遍采用。高温堆肥最适宜的温度为55~60℃。
2.2.4.3按堆肥过程中物料运动形式分静态堆肥和动态连续(或间歇式)堆肥

(1)静态堆肥静态堆肥是把收集的新鲜有机废物一批一批地堆制。堆肥 物一旦堆积以后,不再添加新的有机废物和翻倒,待其在微生物生化反应完成后, 成为腐殖土后运出。静态堆肥适合于中、小城市厨余垃圾、下水垃圾的处理。

(2)动态连续(或间歇式)堆肥动态连续(或间歇式.)堆肥是采用连续或间歇
进、出料的动态机械堆肥装置进行堆肥。具有堆肥周期短(3~7d),物料混合均匀, 机械化程度高,便于大规模机械化连续操作运行等特点啪1。因此,动态堆肥适用 于大中城市固体有机废物的处理。但是,动态堆肥要求高度机械化,并需要复杂
的设计、施工技术和高度熟练的操作人员。并且动态堆肥一次性投资和运转成本 较高。目前动态堆肥工艺在发达国家已得到普遍应用。

2.2.4.4按堆制方式分露天式堆肥和装置式堆肥 (1)露天式堆肥露天式堆肥即露天堆积,物料在开放的场地上堆成条垛 或条堆进行发酵。通过自然通风、翻堆或强制通风方式,以供给有机物降解所需
的氧气。这种堆肥所需设备简单,成本投资较低。其缺点是发酵周期长,占地面

积大,受气候的影响大,有恶臭,易招致蚊蝇、老鼠的滋生。这种堆肥仅宜在农
村或偏远的地区应用。

(2)装置式堆肥装置式堆肥也称为封闭式堆肥或密闭型堆肥,是将堆肥 物料密闭在堆肥发酵设备中(如发酵塔、发酵筒、发酵仓等),通过风机强制通风, 提供氧源,或不通风厌氧堆肥。装置式堆肥的机械化程度高,堆肥时间短,占地 面积小,环境条件好,堆肥质量可控可凋等。因此适用于大规模工业化生产。

2.2.5污泥堆肥工艺流程
(1)常见的堆肥工艺有敞式和密封式两种,其中敝式堆肥又可分为自然通

风敞式堆肥和机械通风敞式堆肥等工艺n 9‘。自然通风敞式堆肥是在露天条件下, 将堆肥混合物料按一定的几何形状堆制而成,高度在1--一2m左右,平时可以不用 翻堆,有时也通过人工或机械装置定期翻堆,以维持好氧条件,工艺流程如图2.1:

.18.

第2章城市污泥堆肥化处理技术

图2.1

自然通风敝式堆肥工艺流程图

Fig.2一l Technics flow chart of nature aeration exposure composting

(2)机械通风敞式堆肥的占地面积较自然通风敞式堆肥小,在处理生污泥 时可以有效控制堆肥过程中产生的臭气,堆肥过程中温度均匀,杀灭病原菌的效 果好。机械通风堆肥的基建费用比自然通风低,但运行费用高,其工艺过程如图
2.2:

图2.2机械通风敞式堆腮工艺流程图
Fig.2-2 Technics flow chart of artificially aeration exposure composting

(3)密封式堆肥(机械连续堆制法)是将堆肥混合物料在一个密闭的反应

器内进行动态的好氧生物发酵后,送到后发酵室进行静态熟化。该工艺可对堆肥 过程中的温度、空气流量和氧浓度进行控制,堆肥的质量高,能防止臭气散发和 杀死全部的病原菌。目前一般用于污泥和城市垃圾混合堆肥,其工艺过程如图
2.3:

图2.3密封式堆肥工艺流程图
Fig.2-3 Technics flow chart of hermetically composting

-19-

北京T业大学丁学硕-}:学何论文

2.2.6污泥堆肥化发展历史
现代堆肥化过程虽然是在上世纪才发展起来的科学技术,但利用堆肥化技术

处理有机废物具有悠久的历史。早在几个世纪前,世界各地的农村普遍采用这种 办法制造土壤有机肥料。他们将人粪尿、动物粪便、废物垃圾、秸秆、枯枝、落 叶等混合堆积在一起使其发酵并制取肥料,这就是原始的堆肥方式。堆肥过程中
很少或没有人为控制,其肥料中富含大量腐殖质物质和以有机状态存在的营养物 质(如氮、磷和钾等)。

西方学者在1925年提出,混合物料主要是由垃圾、人粪尿、污水污泥、树叶
或秸秆和其他一些有机物料组成妇¨。混合物料在深0.6"-'0.9m地下沟的无发酵装 置的搅拌式固体床上进行堆肥,氧气的供给主要通过翻堆来实现,停留时间为

120~180d。通常也把这种方法称为班加罗法(Bangalore Process)。这种方法在20 年代至30年代期问在马来西亚、东亚、南美和中国较为盛行。1931年,荷兰、SAW 公司对班加罗法进行了改进,主要是在搅拌方法上采用起重抓斗车翻堆,而在混 合原料堆制过程中,即20~180d的时间里不做任何处理。但因臭气、苍蝇和鼠类
等问题,翻堆采用远处遥控方式。 20世纪30年代,在丹麦出现TDano(丹诺)堆肥装置,.开始进行机械化连续生

产。其堆肥装置采用卧式生物发酵筒,发酵筒在水平方向上呈倾斜放置。发酵筒 直径为3.75米,长约40米,筒内物料一般不装满,堆料从一端进入,再从另一端
排出。这种发酵装置在70年代初最为流行,目前世界上约有150多家这样的工厂。

1939年厄普一托马斯法取得堆肥专利n引,该法采用多段竖型发酵仓,接种特种细 菌,可缩短堆肥周期l"--'3天;1949年美国发明了弗兰泽法,可看作是厄普一托马
斯法的改进型式,发酵后生成物破碎后重复使用,不需要接种特种细菌。 德国的Schweihfurt币tl瑞士的Biel采用了固定式固定床方法,这种方法是将磨 碎物料压成块状并堆放约30~40天,期间采用自然扩散及气流穿过风管通气,腐 熟堆肥经破碎再利用。 美国70年代初开发了操作简单、发酵周期短、运行费用低的Beltsvill好氧堆

肥法。该法采用堆底穿孔管道通入空气,防止了臭气扩散,比较安全卫生。目前,
国际上较为先进的处理方法是利用快速发酵回转仓完成中温、高温连续发酵的工 艺。它具有高效、防臭、成品质量高的特点,在美国、日本、欧洲广为采用。目

前日本最大的堆肥厂在北海道的札幌市,发酵仓和生产线及袋装产品很具规模, 而且机械化、自动化程度很高心叫。 90年代初,德国Sevar公司、BracketPolcon公司的污水处理厂为降低堆肥成
本进行了纯污泥堆肥,1994年取得了较满意效果。目前,国外污泥堆肥研究己较

广泛,并有工程实际应用,一些国家还实现了商品化生产。1996年统计美国大约 有loo座污泥堆肥厂运行;在欧洲约有50座堆肥厂,每年生产20万吨堆肥产品。
.20.

第2章城市污泥堆肥化处理技术

我国堆肥历史悠久。在垃圾堆肥技术方面,八十年代同济大学等单位进行了较为 深入的研究;近些年来,在天津、上海、无锡、北京等地建立了规模不等的城市 垃圾堆肥厂。目前,我国垃圾堆肥技术的应用正在由静态发酵向高温快速动态发 酵转变,国内有关单位对好氧堆肥工艺的控制因素及指标,如腐熟度、微生物特 性及产物的化学性质等方一面进行了较为全面的研究,并在实践中得到了应用和 发展。在城市污泥与垃圾混合堆肥技术方面,同济大q:-O,堆肥原料的空隙率与 堆肥过程评价参数的相关分析进行了城市污泥与垃圾混合堆肥的配比研究网;中 国市政华北设计研究院对堆肥工艺参数进行了研究,这都为污泥和垃圾混合堆肥 的工厂化和大规模生产提供了工艺技术和设计运行参数。在城市污泥堆肥方面 农业部环保所与天津市污水处理研究所分别用通气式固定垛和立式发酵仓系统 对天津市纪庄子污水处理厂的污泥进行堆肥化处理,取得了较好的效果;西北农 业大学和西安市污水处理厂合作,采用自然通风固定垛发酵系统对西安市污水处
理厂的污泥进行堆肥化处理,该研究成果已通过西安市科委组织的鉴定。但目前

在污泥堆肥方面尚未进行大规模的生产。
2.3

污泥堆肥化技术

2.3.1好氧堆肥的基本原理
好氧堆肥(发酵)是在有氧条件下,好氧微生物对废弃物进行分解、转化并 生产出发酵产品的过程。微生物通过自身的生命活动,把一部分被吸收的有机物 分解成简单的无机物,同时释放出可供微生物生长活动所需的能量,而另一部分
有机物则被合成新的细胞质,使微生物不断生长繁殖,产生出更多的生物体的过

程。在有机物生化降解的同时,伴有热量产生,因发酵工艺中该热能不会全部散 发到环境中,就必然造成发酵物料的温度升高,这样就会使一些不耐高温的病原
菌及虫卵死亡,而达到无害化的目的。 2.3.1.1堆肥条件

(1)环境条件事实上所有含碳的可生物降解的有机物质在适宜的环境条 件下均可作为堆肥材料。这种环境就是要具有适宜微生物生长和再生的条件:合
适的湿度、好氧环境、碳源和氮源,平衡的营养物质和能量供应。

(2)添加剂根据污泥的组成和微生物对混合堆料中碳氮比、碳磷比、颗 粒大小、水分含量和pH值等要求,堆肥过程中还要加入一定量的调节剂与膨胀
剂‘2
3l。

调理剂是指加进堆肥物料中的有机物,改善堆肥化物料的结构状态,以减小 单位体积的质量、增加碳源及与空气的接触面积,以利于好氧发酵。污泥堆肥过 程中常用的调节剂有木屑、秸秆、稻壳、粪便、树叶、垃圾等有机废料。 膨胀剂是指用有机或无机物制成的固体颗粒,把它加入湿的堆肥材料中时,

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能有足够的空间保证物料与空气的充分接触,并能依靠颗粒之间的接触起到支撑
作用。常用的膨胀剂有木屑、团粒垃圾和破碎成颗粒状的轮胎、塑料、花生壳、

秸秆、树叶、岩石及其他物质。
2.3.1.2堆肥阶段划分

污泥的好氧堆肥实际上就是微生物发酵过程,参与分解作用的微生物以细菌
为主,还包括放线菌、酵母菌和真菌等。在这个过程中,污泥中可溶性小分子有 机物通过微生物的细胞壁和细胞膜而被微生物吸收利用。不溶性大分子有机物则

先附着在微生物体外,由微生物所分泌的胞外酶分解为可溶性小分子物质,再进

入微生物细胞内被利用。通过微生物的生命活动——合成及分解过程,把一部分
被吸收的有机物氧化成简单的无机物,并提供生命活动所需要的能量,把另一部 分有机物转化合成新的细胞物质,使微生物增殖心4|。 污泥的好氧堆肥化从物料堆积到基本腐熟,微生物的生化过程比较复杂,大 致可分为以下三个阶段: (1)升温阶段(产热阶段,1~3天)
一般指堆肥过程的初期,此阶段主

要是嗜温性细菌较为活跃,利用堆肥中可溶性有机物旺盛繁殖。嗜温性细菌、酵
母菌和霉菌将糖类、脂类和其它的碳水化合物分解,放线菌和真菌可部分分解纤 维素和半纤维素,同时释放大量的热,由于堆料有良好的保温作用,使堆肥的环

境温度升至40,--,50。C。
(2)高温阶段(一次发酵,3"---'8天) 升高,嗜温性微生物受到抑制甚至死亡。 随着热量的不断积累,堆温进一步 当微生物群落生理代谢使堆肥温度升

至45℃以上时,嗜热性微生物(真菌、放线菌等)大量生长繁殖,代谢活跃,有机 物(如纤维素等)进一步分解,同时高温也将病原体、寄生虫(卵)杀死。堆肥 中残留的和新形成的可溶性有机物继续分解转化,复杂的和一些难分解的有机化
合物如半纤维素、纤维素、蛋白质等也开始被逐渐分解,腐殖质开始形成,堆肥

物质进入稳定状态。高温阶段,各种嗜热性微生物的类群和种类是相互接替的, 一般在50"C左右进行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌;温度上升至IJ60℃时,真
菌几乎完全停止活动,仅有嗜热性放线菌和细菌在活动;温度上升N70℃以上时,

对大多数嗜热性微生物己不适宜,微生物大量死亡或进入休眠状态,除一些孢子 外,所有的病原微生物都会在几小时内死亡,其它种子也被破坏。
(3)腐熟阶段(二次发酵,10----"15天)

经过高温阶段的主发酵,大部分

易分解有机物(包括纤维素等)已得到分解,剩下的是木质素等较堆分解的有机

物以及新形成的腐殖质。污泥中的有机物被大量消耗后,高温菌因营养不足,生
长繁殖速度变缓,代谢活力下降,需氧量大大减少,分解产生的能量小于微生物 生理活动所需以及向周围环境散失的能量,堆肥温度就会下降。中温性微生物逐

渐成为优势种群,残余物质进一步分解,腐殖质继续不断地积累,堆肥进入腐熟

.22.

第2章城市污泥堆肥化处理技术

阶段。腐熟阶段的主要问题是保存腐殖质和氮素等植物养料、充分的腐熟能大大
提高污泥堆肥肥效与质量。

堆肥成熟的标志是物料呈黑褐色、无臭味、手感松散、颗粒均匀、蚊蝇不繁 殖、病原微生物与寄生虫卵和病毒以及植物种子均被杀灭,氮、磷、钾等肥效增
加且易被作物吸收。

2.3.1.3堆肥过程的有机质降解原理在堆肥的过程中,污泥中的溶解性有机物 质透过微生物的细胞壁和细胞膜而被微生物所吸收,固体或胶体的有机物先附着
在微生物体外,由生物所分泌的胞外酶分解为溶解性物质,再渗入细胞,微生物

通过自身新陈代谢——氧化、还原、合成等过程,把一部分被吸收的有机物氧化 成简单的无机物,放出生物生长活动所需要的能量,并把另一部分有机物转化为
生物体所必需的营养物质,合成新的细胞物质,于是微生物逐渐生长繁殖,产生

更多的生物体。有机质的降解过程如图2.4所示。

图2.4有机物的好氧分解图
Fig.2-4 The
course

of organism aerobic CO-composting

2.3.2好氧堆肥微生物
2.3.2.1

堆肥微生物的种群及其特征

污泥堆肥化是微生物作用于有机物的生化降解过程,微生物是堆肥过程的主 体。堆肥中发挥作用的微生物主要是细菌和放线菌,还有真菌和原生动物等。随 着堆肥化过程中有机物的逐步降解,堆肥微生物的种群数量也随之发生变化。细 菌是堆肥中形体最小、数量最多的微生物,它们分解了大部分的有机物并产生热

.23.

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量。不同微生物的特征见表2.1汹3。
表2-l不同种群微生物的特征
Table 2-l Character of differ population microbial

微生物种群

项目 个体特征

特征描述 球菌,直径0.5~2.Oum;杆菌(O.5~1.Oum)x(1.O~5um);螺旋菌 (0.25)x(2-60um),革兰阴性菌镜检是红色

细菌种群 菌落特征

各种细菌在一定的培养条件下形成的菌落特征不同,其特征 可用大小、形状、光泽、颜色、透明度和表面形状等描述 单细胞,有分支的菌丝组成,直径大约lum,分为:营养菌丝,

个体特征

无隔膜,直径0.2 ̄0.8um,长100-600um;气生菌丝,叠生于 营养菌丝上,颜色较深;孢子丝、形状为直形、波曲形和螺

放线菌种群

旋形,生长到一定时形成孢子,各种菌丝都可能带有颜色 有菌丝体组成,一般圆形、光平或有许多褶皱。一类菌丝质 菌落特征 地细密、表面成较紧密的绒状或坚实、干燥、多皱,菌落小,

如链霉菌;一般黏着力差,结构成粉状,如诺卡放线菌
个体特征 霉菌种群 菌落特征 有分支或不分支的菌丝组成,菌丝直径2~10um,有或无隔膜, 比细菌或放线菌大几倍到几十倍,分营养菌丝和气生菌丝 同放线菌相似,由分支状菌丝组成,菌落较疏松,呈绒毛状、 絮状或蜘蛛网状,一般比细菌群落大几倍到几十倍 个体特征 多单细胞,呈卵圆状、圆状、圆柱状或柠檬状,大小(1~1.5 um)x(5~30um) 酵母菌种群 菌落特征 与细菌相似,但较前者菌落大而且厚,菌落表面湿润、粘稠、 易被挑起,菌落多白色,少数为红色

(1)异化作用 示为:

部分有机物被完全氧化成能量低的无机产物,此过程可表

C。Hy0:+02————◆C02+H20+能量
异化作用为同化作用提供所需的能量。

当有机物减少时,微生物细胞内的储备物就会被分解利用,在这些物质消耗
完后,细胞的构成物质将被氧化,即进入内源呼吸期,这种细胞物质氧化过程可 表示为:

细胞物质+02—』竺-c02+H20+NH3+能量
能量
C。H,0:+NH。+02

(2)同化作用微生物利用能量将剩下的有机物转化,构成细胞体或作为 营养储备在细胞内,其细胞物质的形成过程可用下式表示:

细胞物质+CO:+H:0

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第2章城市污泥堆肥化处理技术

2.3.2.3

高温堆肥阶段微生物的生长

当堆肥温度上升至1J45℃以上时,即进入高

温堆肥阶段,根据微生物的活性,此阶段细菌的生长繁殖过程分为三个时期心¨。 (1)对数繁殖期在这一时期,嗜热性微生物处于对数增长期,营养过剩, 其活性增长速度与有机物浓度无关,仅与温度及供氧量有关。 (2)减速繁殖期在易分解和部分较难分解有机物不断消耗和新细胞不断 合成后,堆肥中有机物含量急剧下降,直至有机物不再过剩,且成为微生物进一 步生长的限制因素,嗜热性微生物便从对数增长期过度到减速增长期。此时,微
生物增长速度将直接与剩下的营养物浓度成正比。

(3)内源呼吸期此时继续通入空气,微生物仍不断地进行代谢活动,但 因堆肥中易分解和部分较易分解有机物几乎耗尽,微生物的代谢进入内源呼吸 期,虽然在有机物充足时内源呼吸也存在,但细胞的合成远大于消耗,故其表现
不明显,而在内源呼吸期则不然,因为此时微生物已不能从其周围环境中获得足 够的能量以维持其生命,于是开始显著地代谢自身细胞内的营养物质,随后,微 生物在维持其生命中逐渐死亡,细胞内部分酶开始分解细胞壁某些部分,营养物

质便离开细胞本体向外扩散,以提供给活着的微生物较多营养,此时细胞的生长 虽没有完全停止,但被细胞的分解率所超越,致使微生物数量减少,由于此时能
量水平低,耗氧减少,故通气量亦可减少。

在高温阶段微生物活性经历了三个时期变化后,堆积层内就开始发展与有机 质分解相互对立的另一过程,即腐殖质的形成过程,堆肥物质逐步进入稳定状态。
图2.5是堆肥高温阶段微生物活性变化示意图。

型疋单位

繁殖期 图2.5微生物增殖与营养消耗的关系图
Fig.2—5 Relation of microorganism increment and nutrition consume

2.3.3好氧堆肥的技术措施及工艺参数
堆肥化过程是相当复杂的工艺过程,污泥堆肥化技术措施是保证污泥堆肥过 程顺利进行的关键。普遍认为堆肥化的主要技术措施应包括以下几个方面口:1、

.25.

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污泥含水率的调整;2、合适的通风量;3、一定的有机质含量;4、恰当的碳氮
(C/N)比;5、最佳的温度控制:6、适宜的酸碱度(pH值);7、填充料的选 择。
2.3.3.1

含水率水分对于堆肥中有机物的分解和微生物的生长繁殖是一个必
(1)水是生物赖以生存的条件, (2)水分蒸

不可少的条件。堆肥中水分的主要作用在于:

营养物质溶解在水中才能为微生物吸收,参与微生物的新陈代谢;

发时带走热量,调节堆肥温度。堆肥物料中含水量的多少直接影响好氧堆肥反应
速度的快慢、影响堆肥的质量,甚至关系到好氧堆肥工艺的成败。因此,堆肥过 程中水分的控制十分重要。水分不足,水溶性成分的转移会受到影响,如果含水 量低于10~15%,细菌的代谢作用会普遍停止。含水量太高,会使堆体内自由空 间少,通气性差,形成微生物发酵的厌氧状态,产生臭味,降解速度减慢,延长

堆腐时间瞳制。另外,如果水分含量低于40%,微生物的活动将受到抑制,使整个
堆肥过程变得缓慢,堆肥将由好氧向厌氧转化,温度也急剧下降,其结果是形成

发臭的中间产物,(硫化氢,硫醇,氨等)和因硫化物而导致腐败废料黑化。污泥 堆肥的最佳含水量为50%,--,60%瞳31。为了克服堆肥污泥含水率过高的问题,其常
用的方法有:

(1)回流堆过肥的干物料,调节起始混合物的水分含量;

(2)加

入干的调理剂,如锯末、辗碎的垃圾、秸杆等;

(3)加入干的膨胀剂(木屑、秸

杆)于高湿度的原料中,提高堆肥原料的孔隙率;(4)加强堆肥原料的机械搅(5) 在堆肥前后,对高水分的原料进行风干或加热烘干以减少其含水率。

一般认为,在堆肥过程中,随着微生物降解有机物的生化反应的进行,堆肥
中有机质开始分解并生成水分,水分在重力的作用下,向堆层下部渗出,导致堆 层中、上层水分少,下层水分多。

2-3.3.2通风量

强制通风是好氧堆肥成功的重要因素之一。好氧堆肥是利用好

氧微生物在有氧的状态下对有机质进行快速降解。通风的第一个作用是为堆体内
的微生物提供氧气乜2J。如果堆体内的氧气含量不足,微生物处于厌氧状态,使降

解速度减缓,产生H2S等臭气,同时使堆体温度下降。通风的第二个作用是调节 温度心引。堆肥需要由微生物反应产生的高温,但是,对于快速堆肥来讲,必须避 免长时间的高温,温度控制的问题就要通过强制通风来解决。通风的第三个作用
是使水分蒸发散失咄引。在堆肥的前期,通风主要是为了提供微生物所需要的氧气,

以降解有机物。在堆肥的后期,则应加大通风量,蒸发水分以降低堆体温度。
通风可分为自然通风和强制通风两种。其中强制通风还可分为鼓风和吸风两 种方式,两种方式各有特点:正压通风更有助于水分和热量的散失,但是往往会 造成堆体温度不均匀;负压通风可以在堆体中的废气排入大气前进行统一收集 处理,有利于废气的净化,减少二次污染。最好的办法是在堆肥前期采用负压通

风,后期采用正压通风以利于减少水分通风量可根据微生物好氧分解有机物的

.26.

第2章城市污泥堆肥化处理技术

需氧量计算。

2.3.3.3有机质含量有机质是微生物赖以生存和繁殖的重要因素,有机质含量 的多少、成分的变化等均会对堆肥过程产生一定的影响。堆肥反应的特征是存在 一个合适的堆肥有机质含量范围。大量的研究工作表明,在高温好氧堆肥中,适 合堆肥的有机质含量变化范围为40"--'60%㈨。当有机物含量低于20%时,使堆肥
过程产生的热量不足以提高堆层的温度而达不到堆肥无害化处理要求,也不利于 堆体中高温分解微生物的繁殖,无法提高堆体中微生物的活性,最终导致堆肥工

艺失败。当堆体有机物含量高于80%时,由于高含量的有机物在堆肥过程中对氧 气的需求量很大,而实际供气量难以达到要求,往往使堆体达不到好氧状态而产
生恶臭,也不能使好氧堆肥顺利进行。 2.3.3.4碳氮(C/N)比微生物利用碳源来获得能量及合成细胞成分,氮源是

被微生物用来作为合成蛋白质及核酸的物质。微生物在新陈代谢获得能量和合成 细胞的作用中,对碳的需要是有差异的,相当多的碳在微生物新陈代谢过程中,
由于氧化作用而生成二氧化碳,另外一些碳成为原生质和储存物。氮主要消耗在

原生质合成作用中。可见堆肥过程所需要的碳源要比氮源多。堆肥过程中初始碳
氮比是决定分解速度的重要因素,初始碳氮比在30"'-'35:l之间是最理想的心引。 从理论上讲,碳氮比在堆肥过程中应逐渐下降,有机物被微生物分解的速度

随碳氮比也依次有所下降。有机物被微生物分解的速度随碳氮比的变化而变化, 所以用作其营养物的有机物的碳氮比最好在上述范围内。当堆料的C/N低时,超 过微生物所需要的氮,细菌就将其转化为氨,使其逸散,散发出臭味,同时堆肥 产品还会对农作物的生长有害。特别是当pH值和温度比较高时会加大氮的损失 量。碳氮比太高,微生物必须经过多次生命循环,氧化掉过量的碳,直到达到一 个合适的C/N比供其进行新陈代谢,因而C/N比过高会降低降解速度,使堆肥发 酵周期延长。同时会导致产品堆肥的碳氮比过高,往土中施肥时,会陷入氮饥饿 状态。对植物生长产生抑制作用。
因此,在堆肥进行前,应该根据原料的实际C/N比,加入适合的填充剂,将 C/N比调节在一个合适的范围内。

2.3.3.5温度对于堆肥系统,温度是堆肥系统微生物活动的反应,是反应堆肥 化综合效果的重要指标。根据卫生学要求堆肥至少要达N55℃并保持3天以上, 才能保证堆层中大肠杆菌及病原菌的杀灭。堆肥过程中微生物分解有机物而释放 出热量,使堆肥温度上升。堆温经历上升、稳定、下降三个过程。堆肥初期,堆 体基本呈中温,嗜温菌较活跃,大量繁殖。它们在利用有机物的过程中,有一部 分转化成热量温度下嗜温菌生长受到抑制,堆体温度不断上升,1"--2天后即可达 到堆肥的理想温度50"--'60℃。在这个阶段,嗜温菌生长受到抑制,大量死亡,而
嗜热菌的繁殖进入激发状态。

27—

北京工业大学丁学硕士学位论文.

嗜热菌的大量繁殖和温度的明显提高,使堆肥发酵直接由中温进入高温,并 在高温范围内稳定一段时间。正是在这一温度范围内,堆肥中的寄生虫和病原菌
被杀死。 堆肥作为一种生物系统,与非生物系统是有差别的。对于非生物系统而言, 反应的速度直接与温度有关,温度越高,反应速度越快。然而,靠酶进行的堆肥

生物化学反应系统,有利于反应进行的温度是有限定范围的,限度以外的反应是 衰弱的,当温度超过极限时,温度越高,反应的衰退愈加迅速。不同种类微生物 的生长对温度具有不同要求。一般而言,嗜温菌最适合的温度是30"--'40"C,嗜热
菌最适合的温度是45"-"-'60℃。由于高温分解比中温分解速度快,并且高温又可以

将寄生虫、病原菌等杀死,故一般多采用高温堆肥,高温堆肥时,温度上升超过 65℃时对堆肥是不利的,高温堆肥的温度最好控制在45~55℃左右u川。 因此堆肥过程中的温度控制十分重要。在好氧堆肥中,温度的过程控制一般

是通过控制通风量。在堆肥的最初3~5天中,通风的主萼目的是满足供氧,使生
化反应顺利进行,以达到升温的目的。当堆肥温度升到峰值以后,通风量的调节 主要以控制温度为主【n引。

堆肥温度的控制除与堆肥物料成分、含水率、微生物活性、通风量等因素相 关外还与堆肥系统的类型有关。 2.3.3.6酸碱度(pH值) 在堆肥过程中,pH值也是影响堆肥效果的一个重要

因素。pH值过高或过低,会影响微生物细胞中酶的活性,对微生物的代谢产生 抑制。细菌和放线菌的最适pH值为中性或弱碱性,一般城市污泥的pH值在6.9~ 7.5之间,故对堆肥微生物的活动没有抑制作用。试验表明,堆肥过程中的pH值 在初期有下降的趋势,有时甚至在5以下;然后随着微生物对有机酸的利用,使 pH值逐渐上升,堆肥产品的pH值为6~8。研究表明,加入石灰可以防_dzpH值的 降低,从而提高堆肥的速度【2‘刀,堆肥的pH值范围一般应控制在6~9之间最合适。 堆肥原料的组成和堆肥中间产物的生成要影UlfIlpH值,若原料的pH值太高或 太低,则应进行调理(如加入腐熟污泥)。堆肥过程中的pH值变化,与微生物
的代谢活动有关,微生物自身可以调整。
?

2.3.3.7适当的填充料为了保证堆料适当的C/NLt,及水分含量,在堆肥前的准 备过程中必须向堆肥污泥中加入填充料。适当的填充料还能保证空气在堆体中的 流通,防止厌氧过程的发生。填充料包括锯末、木屑、树皮、玉米芯、秸杆、稻 草、生活垃圾、树叶、花生壳及回流堆肥等。有些填充料还需要预处理,例如破 碎及切割到合适的尺寸,用以保证填充料及污泥的充分混合。 由于脱水污泥的含水率较高,故不适宜直接堆肥,需要添加干的膨胀材料进

行调节。一方面可以降低堆肥物料的含水率,另一方面也增加了物料的空隙率。 常用的膨胀材料有木屑、秸秆、煤渣以及堆肥产品等。

.28.

第2章城市污泥堆肥化处理技术

2.3.4好氧堆肥的腐熟度指标
腐熟度就是堆肥腐熟的程度,即污泥中的有机物经微生物作用后腐化分解所 达到的稳定程度,腐熟度高的堆肥施于土壤后能提高土壤肥效,增加农作物产量。 如果堆肥没有完全腐熟,就施入土壤,会造成严重的后果:堆肥中的微生物还会 利用土壤间隙中的氧气继续活动降解有机物,从而造成厌氧的环境,使植物根系
缺氧,并产生H。S和NO等气体:未完全腐熟的堆肥碳氮比较高,施入土壤中会造

成植物缺氮,而碳氮比过低,又会产生氨毒性。因此正确评判堆肥的腐熟化程度
是污泥堆肥研究和工程实践中的关键问题。堆肥腐熟度的基本含义是:(1)通过 微生物的作用,有机质经过矿化、腐殖化过程,堆肥的产品要达到稳定化、无害

化;(2)堆肥产品的使用不影响作物的生长和土壤耕作能力、没有植物毒性化合 物和动物病原菌【28j。腐熟度差的堆肥在施入土壤后的一段时间,能引起微生物的
剧烈活动从而导致氧的缺乏,产生极端厌氧环境和间接毒性,影响植物根系生长。

同时,未腐熟的堆肥在这种环境条件下会产生大量中间代谢产物一有机酸(如丁
酸、戊酸、酚、己酸、庚酸)及在还原条件下产生NH3、H2S等有害成分,这些物

质会严重毒害植物的根系,影响作物的正常生长。Golueke指出;不腐熟的堆肥
产生的有毒代谢产物会抑制种子萌发,还散发臭味,给利用带来了很大问题。因

此堆肥腐熟度的评价正确与否对废弃物的资源化、稳定化、无害化处理起着至关
重要的作用【291。

腐熟度是国际上公认的衡量堆肥反应进行程度的一个概念性参数。作为一个 生产中用以指示反应进行程度的控制标准,必须具有操作方便、反映直观、适应 面广、技术可靠等特点。多年来,国内外许多专家学者为建立一个合理统一的腐
熟标准进行了深入的研究,提出不少关于堆肥腐熟度的判定方法。但由于污泥腐 熟度的评价与堆肥系统密切相关,受污泥成分、堆肥方式和所用填充料等多种复

杂因素的影响,至今仍未形成合理统一的评定方法。国内外相关研究表明,污泥 腐熟度的评价方法大致可归纳为以下三类:物理学指标、化学指标(包括腐殖质)
和生物学指标。
2.3.4.1

物理学指标物理学指标又称表观分析指标,通常是指通过堆肥的表

观特征及一些物理学方法来确定堆肥的腐熟程度。有人将腐熟堆肥的表现性质
归纳为:堆肥后期温度自然降低,不再滋生蚊蝇,不再有令人讨厌的臭味:由 于真菌的生长,堆肥出现白色或灰白色菌丝,堆肥产品呈现出疏松的团粒结构;

此外,高品质的堆肥应是深褐色,肉眼看上去很均匀,并发出令人愉快的泥浆
气味。但是这种方法只能初步断定堆肥的腐熟度,并不能进行定量的分析,因 此只能作为堆肥腐熟度的一项辅助指标。

(1)温度堆肥过程中堆体温度变化主要经历升温期、持续高温期、降温 期稳定期三个阶段。在升温阶段堆体温度由室温迅速上升到50℃以上(堆肥条件
.29.

北京丁业大学T学硕十学位论文

不同此温度有所差异),此后会持续一段时间的高温,在这期间嗜热菌活动频繁

是堆肥物质变化的主要阶段;接着是降温冷却阶段,堆体温度会逐渐降至与环境
温度相近;然后是堆肥的稳定阶段,在此期间堆肥无明显的温度变化。由于堆体

的各个部位的温度并不一致,限制了温度作为堆肥的定量指标的应用。但是堆肥
温度可以在一定程度上反应堆肥的进程,因此仍不失为堆肥腐熟度的一个辅助性 评价指标。

(2)颜色和气味颜色和气味主要是从堆肥的表观特征进行判断。Kellerl30】
指出腐熟堆肥的颜色呈褐色或黑色,并带有湿润的泥土气味。而通常堆肥原料都

具有令人不快的气味,而在堆肥腐熟过程中这种气味会慢慢消失、并检测不到低

分子脂肪酸。Becker等【3lJ指出堆肥的泥土气味是由土臭味素和2一甲基异冰片两
种物质引起,它们是真菌和放线菌的副产物。堆肥中存在这些物质时,表明堆肥
已达稳定。 (3)残余浊度与水电导率Sela等【32】用城市垃圾进行堆肥试验,将不同腐 熟程度的堆肥按比例与某些结构上有缺陷的土壤混合,在30℃温度下好氧培养一

段时间,分析堆肥对土壤结构的影响以评价堆肥的腐熟度。结果发现.堆肥时间 为7~14d的堆肥产物在改进土壤残余浊度及水电导率方面具有最适宜的影响。但
该研究只是初步的试验,需与植物毒性物质和化学指标结合进行综合研究。 (4)光学性质Rajbansh等【331以树叶为原料进行堆肥试验时,发现堆肥的

丙酮萃取物在665nm的吸光度随堆肥的时间呈下降趋势。对不同堆肥时间的水萃 取物在波长280nm、465nm和665nm的光学性质研究表明,由于个别有机成分的
少量存在,抑制了对短波280nm、465nm的吸收,而对665nm波长的可见光影响

较小。通过检测堆肥在E665nm(E665nm表示堆肥萃取物在波长665nm下的吸光度) 的变化可反映堆肥腐熟度,腐熟堆flEE665应小于0.008。
(5)热重分析麦秸中含有大量的木质纤维素,Bernal[]在研究地中海地区

以麦秸为主要原料的堆肥实验中,采用热重方法分析堆肥在40"--540℃的重量分 布,结合植物发芽及黑麦温室试验,发现堆料在36~54℃的重量损失与之有较好
的相关性。但未给出具体定量指标。 总的来说,物理的一些指标虽然简便、直观,但是难以定量表征堆肥过程中

堆料成分的变化,也就不易定量说明堆肥腐熟程度,缺乏可信度和可操作性。
2.3.4.2

化学指标化学指标是指通过化学分析堆肥的各项性质来确定堆肥腐

熟度的一种方法。化学指标中目前较为常用的有:阳离子交换量(CEC),碳氮比, 水溶性含氮化合物(钱态氮、硝态氮等),腐殖化指标和有机酸的变化,光谱学分
析等。

(1)pH值与电导率(EC)有研究者提出,pH值可以作为评价堆肥腐熟程度 的一个指标134。。堆肥原料或发酵初期,pH值为弱酸到中性,一般为6.5---7.5,腐

.30.

第2章城市污泥堆肥化处理技术

熟的堆肥一般呈弱碱性,pH值在8"--9左右。不过堆肥pH值与物料性质有较大关 系,因此不能一概而论。电导率(EC)反映了堆肥浸提液中的离子总浓度,即可溶
性盐的含量。堆肥中的可溶性盐是对作物产生毒害作用的重要因素之一,主要是

由有机酸盐类和无机盐等组成。当堆J]EEC值小于9.0ms?cm时,对种子发芽没有 抑制作用。并认为电导率(EC)也是堆肥腐熟的一个必要条件。而有些研究者在用
种子发芽率作为生物指标评判鸡粪腐熟度的研究时认为电导率与发芽指数影响

效应之间的相关系数较差仅为一O.5954,因而电导率(EC)与堆肥的腐熟度之间并 不存在必然的联系13引。因此将Ec作为堆肥腐熟的必要条件是不合理的。 (2)阳离子交换量(CEC)许多阳离子(K、Ca、Mg等)是重要的植物营养物
质,土壤颗粒可以更多地保留这些阳离子,有利于植物吸收。有学者认为,CEC

值随堆肥进行而增大,说明有机质形成了更稳定的物质p酬。Mathur认为,堆肥过 程中CEC增加与腐殖化过程有关,腐殖质各组分可使CEC发生变化,原有机质的 多少也会影响腐熟时CEC的数值,因此CEC不能作为各类堆肥的绝对腐熟指标。
(3)固相碳氮匕g(C/Y)固相碳氮比是最常用的堆肥腐熟评估方法之一。堆

肥开始时的碳氮比值25"--'30:l为堆肥最佳条件,有利于微生物快速降解和有机物 利用。碳氮比值减少至tJ20以下时,堆肥达到腐熟【37】。但初始和最终的碳氮值相差 很大,影响了这一参数的广泛应用。Chanyasak在研究了多种腐熟的堆肥后,首 先提出腐熟堆肥的液相有碳氮值在5"--6,并且该数值与原始材料的碳氮比无关
1381


(4)氮化合物氨态氮(NH4+-N)、硝态氮洲03’.N)及亚硝态氮删02’.N)的浓 度变化,也是堆肥腐熟评估常用的参数。当总氮量超过干重的0.6%,其中有机氮 达90%以上和NH4+-N<O.04%时,堆肥达到腐熟。由于有机和无机氮浓度的变化 受温度、pH、微生物代谢、通气条件和氮源的影响,这一类参数通常作为堆肥
腐熟的参考,不能作为堆肥腐熟的绝对指标。NH4+.N/(N03‘.N+N02‘-N)<3时可 认为堆肥腐熟效果较好Ij圳。

(5)有机化合物堆肥中的纤维素、半纤维素、有机碳、还原糖、氨基酸 和脂肪酸等都曾被研究过,并试图作为堆肥腐熟的指标。据报导,纤维素、半纤 维素、脂类等经过成功的堆肥过程,可降解50%'--'80%,蔗糖和淀粉的利用将近 100%。微生物的代谢活动主要在液态进行,水溶性或可浸提有机物的变化,对 堆肥腐熟的评估具有重要意义。当碱性浸提碳和水溶性碳的浓度减少到相对稳定 时,堆肥可以被认为己达腐熟。有研究者发现,堆肥过程可一使某些可浸提有机
物产生或消失,可将其作为堆肥腐熟的指标。

(6)腐殖质腐殖化过程是堆肥化废弃物处理的目标之一。有研究者根据 腐殖酸(HA)、富里酸(FA)等浓度的变化提出腐殖化指数(Humification Index):HI --NH/(HA+FA),其中NH为非腐殖质浓度。HI呈下降趋势,反应了腐殖质的形成。

.31.

北京工jIk大学1:学硕十学位论文

堆肥开始时常含有较高的非腐殖质成分及FA,较低的HA;随着堆肥过程的进行, 前者保持不变或稍有减少,而后者大量产生。由于堆肥过程中新的腐殖质形成时, 已有的腐殖质可能会发生矿化,故须进一步细化研究【401。 (7)生化需氧量(BOD5)BOD5反映堆肥过程中可被微生物利用的有机物
量,随堆腐过程的进行,BOD5不断降低。有实验证明,当堆料中BOD5少于50"--" 559/kg固体时,堆体温度达不到60℃;在最初的堆肥高温期,BOD5降解很快。

用机械化设备生产的堆肥产品,其BOD5一般为20"409,,l(g。但是,原料成分对
于BOD5的影响很大,有些固体废弃物原始BOD5值就较低,使得这一参数对于不 同原料的指标无法统一;且测定BOD5的方法复杂而费时,不能及时反馈检测结 果,影响对实际操作过程的控制。 (8)光谱学分析通过波谱分析可以从物质结构的角度认识和评价堆肥腐

熟度,使用较多的有13C一核磁共振法和红外光谱法。红外光谱法可以辨别化合
物的特征功能团,核磁共振法可提供有机分子骨架的信息,能更敏感地反映碳核 所处化学环境的细微差别,还可以确定有机物的结构。但是不同原料在不同条件

下堆肥,其有机成分的转化情况并不一致。而且波谱分析对于仪器和作过程要求
很高,并不利于推广运用。
2.3.4.3

生物学指标堆肥过程是一个生物过程,堆料中微生物的活性变化及堆

肥对植物生长的影响可用以评价堆肥腐熟度,常用的指标主要有呼吸作用、生物
活性及种子发芽率等。 (1)微生物量堆肥过程实际上就是微生物作用的一个过程,不同堆肥阶 段其微生物种群数量不同。有关堆肥研究发现,细菌从堆肥开始的105个儋增加到 10d的1010个儋,细菌的数量在10 7~109个/g之Y_Ih-J,这是因为部分嗜温细菌在高 温阶段被杀死。真菌的数量较少,大约在106d'Vg,在堆肥的高温阶段后其数量才 明显减少。放线菌在高温阶段仍维持较高的数最,大约在108个/g。而在堆肥稳定

后其数量才明显减少。特定微生物数量及种群的变化也是反应堆肥代谢情况的依
据。但由于微生物在不同的生长环境其数量有很大的差异,因而未能提出具体的 腐熟堆肥的标准。 (2)耗氧速率指标好氧堆肥是利用好氧微生物,将固体废弃物中能被生

物降解的有机物,通过生物化学过程,使其转化为稳定腐殖质的过程。微生物代
谢有机物需要大量的氧气,氧浓度的消耗速率的快慢表明了微生物代谢底物速率 的快慢。在一次发酵阶段,易分解物质大量被微生物代谢,消耗的氧量大,耗氧

速率就大。易分解物质基本分解之后,剩下不易生物降解的物质,因此耗氧速率 有较明显变化。堆肥腐熟时,耗氧速率趋于稳定。国外有人提出用C02产生速率 来表示反应速率的快慢,但发酵中产生的气体成分复杂,NH3等碱性物质较多, 对仪表有腐蚀性【41l。采用耗氧速率作为腐熟度指标,也就是对堆肥中氧的测定,

.32-

第2章城市污泥堆肥化处理技术

而氧的测定方便、准确,适合于我国国情。用测定耗氧速率来控制堆肥生产工艺 条件的方法,己被国内许多研究者所利用,但对如何正确使用耗氧速率的方法仍
需进一步探讨。 (3)种子发芽实验种子发芽实验是测定堆肥植物毒性直接快速的方法,

未腐熟的堆肥含有植物毒性物质,对植物的生长产生抑制作用,因此可用堆肥和 土壤混合物中植物的生长状况来评价堆肥腐熟度。考虑到堆肥腐熟度的实用意 义,植物生长实验应是评价堆肥腐熟度的最终和最具说服力的方法[42】。
许多植物种子在堆肥原料和未腐熟堆肥萃取液中生长受到抑制,而在腐熟的 堆肥中生长得到促进,以种子发芽(germination)和根长度(rootlength)计算发芽指 数GI(germination index),当发芽指数GI大于50时可认为堆肥腐熟。该方法被意大

利政府用作评价有机废物和粪便堆肥腐熟度的标准【4引。 (4)安全性指标污泥中含有大量致病病菌、霉菌、病毒及寄生虫和草种 等,直接影响堆肥的安全性。但这些致病微生物对温度非常敏感,当堆肥温度高 于55"C,并保持3天以上时,可杀死绝大多数致病微生物。致病微生物的再生现 象取决于堆肥的湿度、微生物多样性及可利用碳源的多少。沙门氏菌、肠道链球
菌等常作为检测堆肥安全性的指标。Haugt铡提出,堆肥腐熟应达到的卫生学标 准是:19堆肥干样中小于1个沙门氏菌和0.1~O.25个病毒噬菌斑。不同国家和地 区的卫生标准略有差异,我国的堆肥产品尚无专门的生物学指标,一般参考粪便

无害化指标。堆肥过程中的合理操作和管理,是保证堆肥安全使用的关键。
2.3.4.4小结

由于堆肥的腐熟度受很多因素的综合影响,单个指标的评价只能片面地反映 某个阻碍因素的作用,不能最直接反映植物的生长特性,只有综合运用物理、化 学、生物等手段,才能较为科学、可靠地判定污泥堆肥的腐熟程度。通过研究, 我们可用这样一个简单方便、快速准确的指标体系来评估污泥堆肥的腐熟度:堆 体的温度必须经过高温阶段并能维持一周左右,随后温度下降并趋于平缓,堆肥 的GI达到50%以上;同时可用污泥堆肥的外观以及化学参数作为辅助性评估指
标,即污泥堆肥腐熟以后,结构疏松,容重减小,无污泥固有的恶臭,C/N<20,

NH4+一N/(NO。一一N+N02--N)<3完全满足这几个条件的污泥堆肥可以认为达到腐熟
145】


2.3.5

好氧堆肥的生产工艺

随着科学技术的发展,堆肥技术的理论研究及实际工程应用也日趋完善。根 据目前国内发酵技术应用状况常用的堆肥工艺主要有:条垛式堆肥、发酵槽(池)
?式堆肥、筒仓式堆肥和容器式堆肥工艺。

污泥堆肥技术从堆体形势、翻堆机械形式、曝气通风模式、构筑物形势等方 面分类方法较多。国内来讲目前具有使用经验的发酵工艺主要有:条垛式发酵、
.33.

北京T业大学工学硕十学位论文

发酵槽(池)式发酵和筒仓式发酵工艺。
2.3.5.1

条垛式发酵条垛式发酵一般为露天发酵。条垛式发酵是将原料混合物

堆成长条形的条垛,条垛太大,中心易产生厌氧区,翻垛时产生臭气;垛太小, 散热迅速,难以保证杀灭病原体和杂草种子,是一种常见的好氧发酵方法。该工 艺按其有、无机械翻堆设备可分为静态发酵和动态发酵两类。条垛式的垛断面可 以是梯形、三角形或不规则的四边形,它通过定期翻堆来实现堆体中的有氧状态。
(1)强制通风式静态发酵发酵物料在经整理后的地面和通风管道系统上,

通过强制供气或强制抽气来保持发酵过程所需的氧气浓度,堆体表面覆盖约30 厘米的腐熟堆料,减少臭味的扩散及保证堆体内较高的温度。整个发酵周期不
少于30天。

典型的条垛静态堆肥技术亦称中国式堆肥,堆肥物料在经整理后的地面和通 风管道系统上,通过强制通风来保证堆肥过程所需的氧气,堆体表面覆盖约30
厘米的腐熟堆肥,以减少臭味的扩散及保证堆体内维持较高的温度,整个堆肥周 期为3"--'4周。 (2)动态发酵动态发酵采用轮式或履带式翻堆设备,在发酵周期内定时

不断翻倒堆垛,使堆料与空气接触而保持发酵过程所需的氧气浓度。无曝气典
型动态发酵过程周期大约需要40天左右的时间,加设曝气系统后发酵周期大约

需要15天左右的时间。 .动态堆肥处理技术是国外较为传统的堆肥方法之一,有着较为广泛的应用。
它采用轮式或履带式机械翻堆的手段使堆肥物料与空气接触而补给氧气。

动态堆肥典型工艺流程为用轮式装载机将堆肥物料堆积成三棱形锥体,为保 证堆体中的碳氮比和含水率,需先将各种物料进行混合。堆肥过程中堆体温度可 达75℃,通过翻堆机械可保证堆体内的氧气供应,翻堆频率大约为每周两次。翻 堆的过程只是将堆肥物料向后甩,整个堆体向后移动几米。整个堆肥过程大约需
要2---'3周的时间。
2.3.5.2

发酵槽(池)式发酵发酵槽式发酵在厂房或隧道仓中进行,堆肥工艺

按其处理构筑物形式可分为阳光棚发酵槽和隧道式发酵仓两类。
(1)阳光棚发酵槽发酵在阳光棚中设置发酵槽,充分利用阳光棚的透光 和保温性能,提高发酵槽内温度,即使在寒冷的冬天也能保证正常发酵。发酵槽 的尺寸根据物料量的多少及选用的翻堆设备型号来决定。常用设备:搅拌式翻堆

机、链板式翻堆机、双螺旋式翻堆机和铣盘式翻堆机等,.通过翻堆机搅拌并使物 料前移,一般每隔l"--2天翻堆一次。发酵槽底部安装有通风管道系统,通过强 制通风来保证发酵过程所需的氧气。发酵物料入槽后3天即可达到45℃,在槽内
要求温度55。C以上持续7天左右,发酵周期为12~15天,挥发性有机物降解50%

以上。将发酵槽内的物料运至陈化区二次发酵,剩余有机物进一步分解、腐熟、

..34..

第2章城市污泥堆肥化处理技术

干燥、稳定。 (2)隧道式发酵仓发酵隧道式发酵仓包括若干座联排式隧道仓,正面设

计有密封门,背面为风机房。由于把发酵槽做成了相互独立的隧道式结构,象一 节矩形断面的隧道,物料在发酵过程和翻堆时产生的一些臭气和粉尘,可以通过 废气收集管道抽出并集中进行处理,尽可能减少对环境和人员带来的不利影响。, 发酵污泥进料系统包括布料机和装载机两种方式,完成进料后关闭密封门,装载 机出料。通过仓内传感器对发酵污泥进行监控,计算机对参数做相应调整处理, 控制风机的启动和关闭,提供充足的氧气使发酵过程保持最佳发酵温度与状态。 通风系统将空气从发酵仓的底部风道打入堆料,再从发酵仓的上部收集和处理发 酵废气,尾气收集处理装置将发酵废气的余热通过交换器加热空气用于发酵或 预处理升温(也可作为生活供热)。整个通风系统在一个气流循环封闭的环境内 运行,最后用引风机将废气抽到生物滤池过滤后达标安全排放。隧道式发酵仓
堆肥周期为12~15天,堆肥温度可以上升至60"-'70℃。

隧道式静态好氧发酵工艺具有机械化程度高,占地面积小,环境条件好,受 气候影响小,发酵质量可调控等优点;减少机械翻堆过程的能耗和维修,降低运
行费用,适用于大规模工业化生产。

2.3.5.3筒仓式发酵筒仓式发酵仓为单层圆筒形或矩形,发酵仓深度一般为 4"-'5米,大多采用钢筋混凝土结构。通常简仓式发酵仓采取堆肥物料从仓顶加入, 螺旋出料机从下部出料,由发酵仓底用高压离心机强制通风供氧,以维持仓内物
料的好氧发酵。物料堆肥周期约为10~12天。

筒仓式堆肥装置是在筒仓中分布有曝气管,根据发酵物料的温度、水分等参 数的变化,开启风机向发酵仓内曝气或抽出废气。筒仓式与其它堆肥装置相比, 具有处理量大、占地面积小、机械化程度高、无二次污染等优点,并可根据处理
量的多少,灵活搭配发酵仓的组合。

第一家使用筒仓式发酵仓的美国生物技术公司的污泥堆肥厂就建在纽约州 首府的污水处理厂,日处理污泥100ndg,从1984年建成至今已稳定运行了二十多 年。国内筒仓式发酵仓主要用在垃圾堆肥厂,无锡、常州、杭州等地堆肥厂均采 用此种类型或其改进形式,取得较好效果。

2.3.6好氧堆肥的脱臭
随着公众环保意识的加强,高温好氧发酵过程中产生的臭味问题必须妥善解 决。臭味给人以感官不悦,甚至会危及人体生理健康,诸如呼吸困难、倒胃、胸 闷、呕吐等。臭味气体主要组分是硫化物、氨气、胺化合物、脂肪酸、醛和酚等。 研究表明::随着堆肥温度的升高,甲烷、甲醇、臭味和挥发性有机物的排放都

随之增加,甲醇是木片生物降解后的产物,2一丁酮是污泥堆肥过程产生的有害
空气污染物中的主要成分,释放氨气的是产生刺激性臭味的最主要因素。
.35.

北京T业大学T学硕士学位论文

除臭的方法有直接燃烧法、催化剂氧化法、酸碱洗净法、氧化法、化学吸附
法、活性炭吸附法、生物脱臭法、土壤脱臭法等。最常用的除臭措施是封闭堆肥 设备、采用生物过滤器进行控制14引。 2.3.6.1生物脱臭法

(1)生物过滤法脱臭是在适宜的条件下,利用载体填料表面上的微生物
作用脱臭。臭气物质首先被填料吸收,然后被填料上附着的微生物氧化分解,从

而完成除臭过程。为了使微生物保持较高活性,要求有适宜的湿度、pH值、氧
含量、温度和营养成分等。根据实际生产要求,载体填料相对湿度应保持在80%"--

95%,所以经常采用喷淋原污水或初沉池出水以提供水分和营养源。 (2)填料性质好的填料必须满足:比表面积大,?为微生物提供栖息生长
场所:容许生长的微生物种类丰富;营养成分合理(N、P、K和微量元素);有 较好的吸水性和吸附性,自身无异味,结构均匀,空隙率大,材料易得且价格便 宜,耐老化,维护简单。常用的填料有塑料、半软性塑料、干树皮、干草、腐熟

堆肥、树皮、木片和粒状泥炭或其混合物等。
(3)除臭池除臭池内填料层的堆放高度取决于停留时间和表面负荷。工 程上填料层厚度一般为1.O~1.2m,若能做到布气均匀,最低可No.5m。

2.3.6.2土壤脱臭法 土壤脱臭的机理包括物理吸附和生物分解两部分。水溶性恶臭气体(如硫化 氢、胺化合物、低级脂肪酸等)被土壤中的水分吸收去除,非溶性恶臭气体被上 壤表面物理吸附然后被微生物分解。土壤脱臭维护简单,运行费用低,但占地大,
不适于多雨地区。 选择土壤时以腐殖土为好,水分70%"--80%为宜。日本常用的土壤脱臭系统 中,臭气通过土壤速度为2~l 7mm/s,设计一般取5mm/s,有效土壤厚度50cm, 臭气与土壤的接触时间为100s[4‘71。
2.3.6.3

湿式吸收氧化法

(1)湿式吸收氧化法的工艺原理就是最大限度地增加液一气接触,增进传 质速率,从而达到较高处理率。恶臭气体首先被化学溶液吸收,然后被氧化,处 理效果取决于恶臭气体在化学溶液中的溶解度。当恶臭气流中同时含有氨气、硫 化氢和其它含硫气体时,通常需采用多级吸收系统;第一级用水或硫酸溶液吸收
除去氨气,然后用氢氧化钠提升pH值,再由次氯酸钠等氧化剂溶液吸收和氧化 其余的恶臭气体,如硫化氢,硫醇和二甲基硫等,最后经过除雾装置以后,直接

排放或与干净空气混合稀释后排放到大气中去。 (2)湿式吸收氧化法直接借用了化学工业里的单元操作理论和实践经验, 具有非常成熟、可靠、有效,特别是占地面积小等优点:通过两级或三级吸收系
统,可以广泛地除去多种恶臭气体,并达到很高的去除效率。系统可以通过调节

.36.

第2章城市污泥堆肥化处理技术

加药量和溶液的循环流量来适应气流量和浓度的变化,因此具有较强的操作弹
性。 湿式吸收氧化法也有它的缺点,如需要消耗大量的水和化学溶液,电力等。

如果除雾装置设计不当,可能会在排放气体中夹带残留的氯化物,使得排气中有 类似于漂白剂的气味。所以,除雾装置也是非常重要的系统组成部分。 (3)常用的设备有三种塔:填料塔、喷雾塔和文丘里洗涤塔。

2.4污泥堆肥土地利用
2.4.1

污泥堆肥作为肥料的研究现状

污泥堆肥不仅是一种良好的栽培基质和土壤添加物,还可视为一种缓效肥 料。将污泥堆肥进行干燥及颗粒化变为硬而干的小球或颗粒,它易于与其它肥料
混合便于施用。根据污泥堆肥的养分含量、土壤养分状况及植物对养分的需求,

在堆肥中加入一定量的化肥,并补充必要的微量元素,制成复合有机肥。在美国 已有不少工厂以污泥为原材料进行堆肥,制成颗粒肥料,并以商品在市场上出售。
据悉,在我国的深圳已将污泥与畜禽粪混合出售。 利用污泥制造有机复合肥的过程是将污泥经800。C 1000。C高温烘干,杀灭

病菌、虫卵,保存有机成分不受破坏且除去有害菌(进行无害化处理),接入有益 菌培养,消除污泥的臭味,增加污泥中的营养元素,再添加氮、磷、钾有效成分,

增加污泥中的养分含量,经造粒、低温烘干等工艺将污泥制成具有生物活性、全 营养、无公害的有机复合肥。研究表明,利用污泥开发制造有机复合肥不仅在经 济上是可行的,具有显著的经济效益,而且试验还表明污泥处理后作为肥料使用 是安全的14圳。 施用污泥复合肥可提高土壤速效养分水平,促进了土壤有效N和有效P含量 的提高,其效果与市售复合肥效果相当,明显优于等养分的化肥。将污泥制成污
泥复混肥料或污泥生物复混肥料,可用于农田、植树造林、园林绿化及贫瘩地等

领域。研究表明,好氧堆肥后的污泥与化肥混合,经过二次烘干、造粒等制成一 种复合化肥,复合化肥的各项指标都符合国家标准。污泥有机复混肥料具有有机
质含量高、养分全面的优点,对改良土壤促进作物生长的作用极大,但不能由此

片面夸大污泥肥料的作用,常规污泥有机复混肥肥效迟缓,肥料中氮的利用率低 (约20%~30%),一般作基肥施用,在作物旺盛生长期,使用有机复混肥料往往
不能及时供给养分,为了提供作物充足的养分,常常需要追施化学肥料。

2.4.2污泥堆肥土地利用潜在的环境问题
2.4.2.1重金属的影响

由于城市污水污泥中含有大量的重金属,污泥土地利用时会对土壤造成危 害,使土壤板结、地力下降:其对作物的危害也极大,可以在作物中富集,如
‘ .

.37.

北京t业大学工学硕十学位论文

若用作蔬菜、粮食作物的肥料可进入食物链,对人类健康造成威胁。所以许多
国家都制定了污泥土地利用的重金属控制标准,如表2-'2农用污泥中重金属浓 度限值表(mg/kg干污泥)。
表2?2农用污泥中重金属浓度限值表(mg/kg干污泥)
Table 2-2 Heavy metal consistence limit of sludge in agro-utilization(mg/l(g DS) Cd Cu 800 800 800 600 75 1000 2000 50.5 1500 250 500 Ni 200 200 200 50 38 30 lOO 200 420 100 200

Pb
900 900 1000 100 225 120 1600 50.5 300 300 1000

Zn 2000 2500 2000 800 300 4000 200 353.5 2800 500 1000

Hg 8 8

Cr 900 900 900 100 75 100 2000 1750 1200 600 1000

As

德国十壤pH5~6 德国土壤pH>6 德国 瑞典 荷兰 丹麦 法国 南非 美国 中国土壤pH<6.5 中国七壤pHi6.5

5 10

5~10
2 1.25 O.80 40 15.7 39 5 20

6~10
25 0.75 O.8 20 10 17 5 15

4l~75
75 75

为防止土壤污染,保护生态环境,保障农林生产,维护人体健康,将土壤 环境质量标准分为三级。一级标准:为保护区域自然生态,维持自然背景的土 壤环境质量的限制值。二级标准:为保障农业生产,维护人体健康的土壤限制 值。三级标准:为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值。 污泥堆肥的施用最普遍受到关注的就是重金属元素的问题,美国环境保护 协会已公布了堆肥中10种重金属As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg、Ag、Ni、Se、
Zn的最大含量,许多州也通过了它们自己标准。通过城市绿地施用不同用量污 泥堆肥的渗滤池和小区模拟试验表明: (1)表层土壤中镉、铅、铜、锌、镍、铬等重金属元素的含量是随着污泥

堆肥用量的增加而明显提高的,但对于地面径流和土壤渗滤水无明显不良影响, 即使污泥堆肥用量高达200t/hm2时,其径流和渗滤水中6种元素的含量均未超过
农田灌溉水质标准。 (2)城市绿地施用污泥堆肥时实行总量控制,只要每hm2城市绿地长期累计 用量不超过340t时,污泥堆肥中的重金属不会对土壤和周围环境产生明显不良影 响。

薛澄泽(1994)等将污泥堆肥施于杨树土壤一年后,虽然土壤0--一20cm土层中 的镉、铬、铜、锌和铅的量都比空白对照和化肥处理有较大增加,但是几种重金
属在20,~40cm和50--一70cm土层中的含量却未增加;说明在此试验中,污泥加入

土壤的重金属仅在表层积累,并未向下迁移,对地下水未造成危害【5Ⅲ。
2.4.2.2盐分的影响

由于污泥堆肥中的含盐量较高,污泥堆肥的施用必然会使

土壤中的全盐含量增高,当污泥堆肥用量50--一200thun2时,表层土壤的盐分大约
增JjH2,~,4倍,但随着污泥堆肥施用时间的增长,受降雨和灌溉的影响,表层土中

.38.

第2章城市污泥堆肥化处理技术

全盐含量会明显下降,大约经过3"--'5个月,即使污泥堆肥用量高达200t/hm2,其 表层土壤中全盐亦可降至0.1%以下。李庆宇(2005)的研究表明,土壤盐分随污
泥堆肥施用量的增加而增加,随时间的延长而降低,在第二个生长季节,土壤中 的盐分对大多数植物都可以忍耐【5¨。

2.4.2.3硝酸盐问题污泥含氮量高时,因硝化作用生成的N03。易于淋失,如果 土质疏松,地下水位浅,就可能向土壤下层移动而污染地下水,也可能随地面径 流而流失;因大量施用污泥堆肥,导致地下水中N03-增加的现象有不少报道。而
污泥堆肥化后,氮含量大大下降,如用作盆栽基质,硝酸盐污染地下水的可能性 大大减少。
2.4.3

污泥堆肥土地利用的前景

有机质含量是反应土壤肥力状况的主要指标,常用它作为评价土壤肥力的参 考标准。提高土壤有机质不仅可提高作物的产量,而且可改善农产品品质。而提

高土壤有机质只有增施有机肥。近十几年来由于我国城市化进程加快,人粪尿大 部随生活污水进入污水处理厂,再加上规模化大型猪(牛)场的出现使牲畜粪便
回用困难,使农用有机肥源大幅度减少。一年两熟耕作制的推广,不仅增加了土

壤有机质的消耗,还使作物秸杆回收困难。这一切都使土壤有机质含量逐年下降。 因此,寻求低廉、施用方便的有机肥是提高土壤肥力的主要措施。 由于污泥堆肥具有如下特点:自身产生一定的热量,.高温持续时间长,不需 #lqJn热源,即可达到无害化;使纤维素这种难于降解的物质分解,使堆肥物料有 了较高程度的腐殖化,提高有效养分;基建费用低、容易管理、设备简单;产品 无味无臭、质地疏松、含水率低、容重小,便于运输施用和后续加工成商品肥。
因此污泥堆肥处理逐渐得到广泛应用,将城市污泥经高温堆肥减量化、无

害化处理后作为林地、草地、城市绿化、林草育苗基质、严重扰动的采石场、 采矿场植被恢复等环境绿化植物基肥,或制成污泥林草复合专用肥作为绿化植 物追肥,即避开食物链,又实现了城市污水污泥的安全处置和资源化利用。城 市污泥堆肥的商品化即解决了污泥的出路问题又给企业带来效益,同时还可以 促进园林绿地的发展,具有广阔应用前景。

2.5本章小结
(1)污泥是成分复杂而含水率较高的污水处理产物,不仅含有大量可利用 的有机无物,而且还含有多种有害物质,处理不当或者不能有效利用会对环境造
成二次污染:

(2)污泥的最终处置方法中以污泥的农业利用最为适合我国国情,通过污 泥稳定化、无害化处理使污泥变害为宝,经过污泥高温好氧堆肥成为有机肥料, 解决了环境保护与经济发展的协调问题;

.39.

北京1二业大学T学硕士学位论文

(3)在污泥农业利用过程中还要密切关注污泥中有害物质(主要是重金属) 对土壤和农作物的危害性,以及有害物在生物体内的富集,提高土地的安全性。

.-40..

第3章脱水污泥的堆肥化试验研究

第3章脱水污泥的堆肥化试验研究
根据污泥处理处置的原则,在污泥产量一定的前提下,脱水后生污泥应遵循 稳定化、无害化、资源化的顺序进行处理处置。目前可选择的污泥处理处置的几

种方式中,对脱水生污泥进行堆肥化处理可以同时达到稳定化、无害化的结果, 堆肥产品的应用则可以实现污泥最终资源化的目的。在堆肥的厌氧和好氧堆肥工 艺中,好氧堆肥由于其操作的简易性、灵活性等优点逐渐在污泥的堆肥处理领域
中占据了主导地位。根据唐山市污水处理厂的实际情况,本次试验对脱水生污泥 进行了好氧堆肥的试验研究。

3.1试验采用的工艺流程
一个完整的堆肥工艺应包括四个工艺流程,分为前处理(含水率调整、pH 值调整、粒度调整、接种)、一次发酵、二次发酵和后处理四个过程。堆肥工艺
流程如图3.1。

图3.1堆肥工艺流程图
Fig.3?1 Technics flow chart of composting

3.2试验设想和目的
在脱水生污泥堆肥的四个工艺流程中,受污泥性质t各工艺参数等影响最 大的过程是一次发酵过程,该过程一般需要根据所采用的脱水生污泥进行现场
的试验以确定出相适应的各个工艺参数。对于污泥进行堆肥所需要采取的前处 理阶段,如含水率、粒度、pH值等的调整国内外很多学者已进行了很多的相关

研究,得出的工艺参数在全国各地相差不大,可以借鉴使用,而一次发酵所需
要的各工艺参数则全国各地差别较大。

因此,本次试验拟通过小试研究确定出适合唐山市污水处理厂脱水生污泥 的堆肥工艺参数。通过对比试验,分别确定出堆肥的通风方式、添加剂的使用
以及是否需要添加“起爆剂”。

.41.

北京下业大学工学硕十学位论文

3.3试验前期准备
3.3.1试验装置的设计
本次试验主要为小试试验,采用的试验装置均为模拟生产性设备装置,因
此小试装置的参数除对生产性装置有一定指导意义外,应满足堆肥的基本要求:

一定容积、散热小、通风状况良好,还应做到安装简易,操作方便等条件。因 此试验中均采用小体积的堆肥反应器,并根据不同的外界条件进行保温处理。
根据以上情况,设计了试验中用的堆肥反应器。反应器采用方形塑料桶(带盖), 尺寸84cm×64cm×75.5cm,在一侧底部开一直径50cm孔,接入D50的UPVC

塑料排水管作为通气管。通气管直立于反应混和物料的中间,间隔10cm在四
周开孔,作为通风孔(共开了5排孔);通气管通过90℃弯头和鼓风机现连接。

通风时将通气管顶部堵住,利用通气管上四周开的小孔向混和物料中散气;平 时去掉堵头和下端与鼓风机相连部分,以利于自然通风。底部中间直接开一直 径为50cm的孔,.作为平时的自然通风孔;四角开直径为lcm的孔,作为渗滤 液流出孔。人工机械通风的发酵反应试验装置如图3.2。雄肥自然发酵反应器示
意图3.3。

图3.2堆肥装置的正视图
1.阀门,2.布水孔,3.给水管,4.水泵,5.通风管,6.水桶,7.鼓风机,8.排气管,9.保温层,lO.温度计插孔,ll 出料口,12.布气板,13.布气室,14.支持架,15进料口
Fig.3—2


Schematic diagram of the in—vessel forced aerobic composting system supply;4.Bump;5.Pipe for air supply;6.Water barrel;7.Air

i.Valve;2.Bore for water distribution;3.Pipe for water blower;8.Bore

for air discharge;9.Foam Door for the

sample;1 0.Bore for

thermometer;l 1.Door

for composting

material;12.Screen;13.Bore

forairdistribution;14.Bracket;15 Input

.42.

第3章脱水污泥的堆肥化试验研究

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图3.3堆肥自然发酵反应器示意图
规格尺寸:axbxc(0.840
mxO.640 mxO.755

m)通气孔

Fig.3—3 Schematic illustration of the in-vessel spontaneous aerobic composing system

反应器采用小塑料桶在室内进行。装置采用一个16升的小桶装在23升的
大塑料桶内,中间采用石棉保温材料(自然厚度3cm,压实后1.5cm左右),盖

子上也覆盖一层保温材料,开一小孔,做通风和测温度用,装置示意图如图3.4:

图3.4小试装置示意图
Fig.3-4 Sketch map of test reactor

3.3.2含水率的调整
一般而言,关于污泥堆肥的最佳含水率的范围值在50"---60%为最佳。含水 率低于40%,不利于微生物的活动,有机物分解速度会减缓。当含水率高于60 %事,堆肥物料的空隙间的空气量减少,使堆肥处于厌氧状态,影响微生物的
.43.

北京工业大学丁学硕十学位论文

好氧分解作用,同时会产生恶臭。

为使污泥的含水率达到堆肥化的要求,必须使脱水后生污泥的含水率降低 至60%左右。此时脱水后的污泥已经不可能再进行机械脱水,含水率的调整只 能通过自然风干一段时间或者加入其他干燥的物质来对污泥的含水率进行调
整。根据试验中的具体情况,对脱水生污泥的含水率调整采取自然风干结合添

加其它干燥物质的方式,将脱水生污泥自然风干一段时间后,再和干燥的堆肥 物质进行混合来使混合物料的含水率达到堆肥要求。
3.3.3

测定的指标及测定方法

堆肥过程是一个微生物的新陈代谢的过程,其微观的活动必须通过一系列
的仪器设备才能完成。而本次试验为该厂污泥堆肥的可行性小试试验,因此只

通过简单的测定试验中的几项具有代表性的指标来反映该厂污泥堆肥的可行
性。试验中测定的指标及测定方法见表3.1:
表3.1堆肥物料测定指标及测试方法
Table3—1 Test target and test method of compost materiel

测试项目 温度 含水率 有机质 pH值 通风流量

测试方法 热电偶温度计、干湿球温度计 烘干重昔法 灼烧减重法 pH计 (气体)转子流量计

备注

105℃烘干减重 550℃灼烧一个小时减量 用少量中性蒸馏水与待测样品混合后测定 溶液的pH值


3.3.4添加剂的选择
添加剂的选择遵循容易得到、成本低廉、能满足堆肥要求等的原则,结合 当地实际条件,分别选用了锯末、秸秆、花生皮三种添加剂,旨在通过该添加 剂来调整污泥堆料的有机质以及含水率、孔隙率等部分理化指标。并结合情况
选择添加葡萄糖粉作为“起爆剂”进行对比试验以验证堆肥物料添加“起爆剂" 对堆肥过程的影响。

在进行堆肥混合物料的理化指标测定时,分别测定污泥和添加剂的指标,
根据重量比例进行计算确定出堆肥混合物料的理化指标。

3.3.5试验采用的评价指标
堆肥过程的完成即堆肥达到稳定化的指标一般以腐熟度表示,目前衡量腐
熟度的方法可分为物理指标、化学指标、生物学指标以及毒理学指标。在本次

试验中,着重点在与研究堆肥的一次腐熟期的成功与否,而一次腐熟期完成的 外在体现可以通过温度的变化来反映。一般而言,一次腐熟阶段的完成过程中, 温度的变化需要经历升温、恒温以及降温的过程,伴随着降温过程的结束,一

..44--

第3章脱水污泥的堆肥化试验研究

次腐熟阶段也基本已完成。 考虑到本次试验的目的只是找出堆肥一次腐熟期得以实现的工艺参数,因

此只简单采用测定堆肥内部的温度,用温度的变化来作为堆肥一次腐熟期完成 与否的评价指标。当堆肥内部温度完成升温、恒温和降温的变化后,降至与室 内温度接近或不再发生变化时,认为堆肥试验的一次发酵阶段完成。

3.4试验过程
3.4.1通风方式的确定
污泥的好氧堆肥可采用的通风方式一般有强制通风和自然通风,两种通风
方式哪种更适合于堆肥的进行,则必须进行试验来确定。试验首先进行了一组 对比试验来分析通风方式对堆肥的影响。

本次试验时间为5月22号开始至6月12号结束。采用脱水生污泥经过自 然风干晾晒之后和花生皮(粉末状)混合的混合物料进行了对比堆肥试验。其 中污泥在室外地面上摊开面积为2m×5m=10m2,厚度为约5~10cm进行自然
风干。经过10天时间的自然风干,污泥含水率由76.24%降至66.45%。

试验中一组反应器完全采用自然通风(强化自然通风、垂直布气)的方式, 另外一组反应器采用定时强制通风(垂直布气)的方式进行了对比试验。除通 风方式不同外,其余条件相同。堆肥物料参数见表3.2。
表3-2堆肥物料参数表
Table3—2 Compost materiel parameter

物料种类 堆A 堆B 生污泥 花生皮 混合物料

质量(kg)
40 4 44

含水率(%)
66.45 44.33 64.44

有机质(%)
41.59 92.84 46.25

堆料的填装方式为:预先在反应器底部铺芦苇节一层厚度约3cm,然后放
置混合物料约30cm,再铺一层芦苇节厚度约3cm,然后放置混合物料至顶,污 泥堆肥混合物料有效体积为0.1m3。

试验中堆A采用自然通风方式,堆B采用定时强制通风方式。强制通风采 用200W炉灶式鼓风机,送风量为400L/min,分别在每天的8:00,14:00,20:00 进行强制通风30min,并根据通风时堆肥内部的温度来进行适当的调整。考虑 到开始几天耗氧量大,之后随着堆肥内部微生物的活动,耗氧量会逐渐减少, 因此在第7天后停止通风,以免过量的通风影响到堆肥内部温度的变化。堆肥
内部温度变化过程见图3.5和图3.6。

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阿3-6堆B堆肥温度与时间关系
Fig 3石Relation oftemperatureandtime abouti'eag|or B

从堆A和堆B的内部温度变化可以看出,在两周时间的‘移=发酵周期内, 两个堆桶内温度的变化均经历了升温、恒温和降温的过程,最终堆体内部温度 与室外温度的差值不再发生变化。就每个堆体的上、中、下三个位置的温度而 言,中部温度稍高,而下部温度较低。估计是上部和下部受室外温度的影响(自 堆体内部温度升高后一直较室外温度高)而降温明显。对比温度的变化,两个

第3章脱水污泥的堆肥化试验研究

堆桶内堆体的温度均在第二天晚上达到了最高温。堆A舯最高温度为34.4。C,
与室外温度最大差值为11.4。C;堆B的最高温度为33.8"C,与室外温度的最大
差值在lO.8℃。最终含水率为堆A:44.95%;堆B:56.98%。

就各堆体的内部最高温度而言,此次试验的两组堆肥均未达到要求,即此 次堆肥的结果是失败的。失败原因分析为混合物料中的添加剂较少,污泥含水 率也较高。在污泥装堆以后,污泥团块被压实,周围空气中的氧难以扩散进入 团块之内,造成厌氧环境,抑制了污泥的好氧分解。在堆肥过程中,各反应器 的底部有部分渗滤液的出现,则说明污泥中的水分含量较高。 但是就堆肥的过程而言,每个堆体内部的温度变化符合堆肥过程的温度变 化规律,说明堆体的内部发生了堆肥所经历的微生物的活动过程,反映在了温 度上的变化,从一定程度上说明了堆体内部的堆肥过程的变化。受其它因素的
影响,此次堆肥的结果没有达到要求。

就此次堆肥的两组对比试验而言,区别在于自然通风和定时强制通风。而 从各个堆体的内部温度变化而言,两者的区别不大。说明通风方式对该试验的 堆肥过程影响不大,因此在以后的试验中可以利用自然通风进行试验。

3.4.2添加剂的筛选
本阶段试验时间为7月24号开始至8月20号结束。其中污泥在室外地面

上摊开面积为2.5mX6m=15m2,厚度为约10-一,20cm进行自然风干。经过12
天时间的自然风干,污泥含水率由75.14%降至63.35%。

根据上述试验的结果,利用自然通风方式进行小试对比试验,以确定出比 较好的添加剂。从前面的试验中可知对同一堆体内部的上、中、下三个位置的 测温结果,中间温度稍高且几乎不受外界温度的影响。因此在接下来的试验中 只记录中间温度来反映堆体内部温度的变化并作为堆肥一次发酵结束的评价指 标。 试验进行了三个同样体积约0.3m3的对比试验,均采用强化自然通风的方 式。其中堆C采用污泥和花生皮混合等方式,堆D采用污泥和秸秆、部分锯末 混合,堆E采用污泥和锯末混合。三个堆体的各堆肥参数见表3.3。
表3-3堆肥物料参数表
Table3—3 Compost material parameter


物料种类 生污泥 堆C 花生皮 混合物料 生污泥 堆D 秸秆 锯末

质量(kg)
40 5 45 40 4 1.5

含水率(%)
63.35 34.33 60.13 63.35 34.33 19.63


有机质(%)
31.36 92.84 38.19 31.36 92.84 98.42

.47..

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从堆肥开始每隔8个小试记录~次温度,电录时间为上午7:00、Tff-15
00
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晚上23:00。堆肥过程的温度检测变化见图3—7:

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12

13

14

幽3—7堆C、D、E堆肥温度与时间戈系
Fig 3—7 Relation oftemperature andtimeabout reactol-C、D、E

本次试验场所在室外.室外温度受天气影响,测温时温度变化较大,一般 中午较早上和晚上温度要高,但是各堆体内部的温度受室外温度影响较小,变 化趋f平缓。因此可以推论在堆体体积大于O 3m3时,堆体内部的温度变化就 几乎不受室外温度变化的影响。其中在第7天对各堆体内部进行了简单搅拌翻 堆,堆c受影响较大.温度在短时间间内再度升高后开始下降。堆D在翻堆后 温度逐渐义上升然后趋于稳定。而堆E在翻堆后温度几乎Hi再上升反而F降. 分析原因为污泥和锯末混合后,形成团块较大,内部供养不足,微生物已几乎 被抑制卅i再变化,而且堆体内部的床分受到蒸发吸收大量的热,使得堆体内部 的温度反而较室外温度为低。堆C的温度变化明显,估计使混合物料中的芦苇 秸秆形成一定骨架.污泥团块较松散,堆料内部供氧充分,微生物的活动也较 为活跃,使得堆C的内部温度升高幅度较大,与室外温差最大达到了14℃。堆 D的物料内部空隙较堆C小而大于堆E,因此堆D的温度变化不如堆c而好于 堆E。从中间过程温度的变化可以推论在堆肥过程中堆肥物料进行翻堆有利于 堆肥的进行。 就各堆体的内部最高温度而言,此次试验的三维堆肥均未达到要求,即此 次堆肥的结果仍然是失败的。对比本次试验污泥与前次试验的污泥性质来看, 污泥的有机质含量下降了25%,只有30%左右。而污泥中这样低的有机质含量
48.

第3章脱水污泥的堆肥化试验研究

是不利于堆肥进行的。虽然在污泥中添加了有机添加剂,但是添加剂本身的有 机质成分大多为纤维类难降解物质,在堆肥过程中该类物质的有机成分最终并 没有发生较大的变化,即该类添加剂对堆肥有机质成分含量的增加实质上并没 有起到太大的作用。由于污泥本身的有机质含量低而限制了试验的顺利进行, 造成试验过程没有达到预想的目标。 但是就堆肥的过程而言,每个堆体内部的温度变化符合堆肥过程的温度变 化规律,从一定程度上说明了堆体内部的堆肥过程的变化。只是受其它因素的
影响,此次堆肥的结果没有达到要求。 对于三个堆体的添加剂的使用结果说明,在污泥中添加花生皮可以增加混 合物料中的孔隙,有利于堆肥过程的进行。而采用锯末作添加剂时,由于锯末 的颗粒较细小,于污泥混合后形成团块也比较紧密,不能增加混合物料中的空

隙,则不利于堆肥过程的进行。因此从该次对比试验中可以推论,在污泥的堆 肥过程中选择添加剂时,应该选择能形成一定骨架具有一定强度,能增加混合 物料内部的空隙的物质。

3.4.3添加“起爆剂"后的试验
从前面的几次的试验中可以看出,脱水生污泥在添加花生皮、锯末、秸秆 等作为添加剂后,虽然堆体内部的温度变化符合堆肥的温度变化规律,但是堆 体内部的最高温度始终没有达到堆肥化的要求。而且随着季节的变化,夏季来 临后污泥的有机质变化较大,经过一段时间的跟踪测定,污泥的有机质(通过 VS来反映)含量均在35%左右,低于国内外其它城市污水处理厂污泥有机物 含量(一般在50%左右),因此在添加剂的选择上,不仅需要调节污泥的含水 率和有机质含量,而且必须是容易降解的物质。而通过前面的试验可以得出结 论,添加秸秆类物质作为添加剂,虽然降低了污泥的含水率,理论上也增加了
混合物料的有机质含量,但是经过一段时间的堆置,即一次发酵周期完成后,

混合物料中该类添加剂的性质除含水率(吸收水分)外几乎没有发生有机质的 降解变化,也就是说该类添加剂的有机质对于增加污泥堆料的有机质几乎没有 贡献,污泥中微生物的活动不能利用该类添加剂中的有机质,在堆肥过程中发 生变化的有机质仅为污泥中的有机质。 根据堆肥过程的阶段性原理,污泥的堆肥过程必须在初始阶段即适温阶段 使堆体内部的温度上升到40'---'50"C,才有利于下一阶段高温阶段以及腐熟阶段 的进行。而在前面的试验过程中,每一次的堆肥的第一个阶段都没有起到良好
的效果,使得尽管有微生物活动,但微生物数量较少,活动不剧烈,产生的温

度也不足以维持累积到下一个阶段所需要的热量。因此设想,通过#t-力H条件, 为堆肥初始阶段创造有利条件,如在污泥中添加容易降解即容易为微生物利用 的有机质作为“起爆剂"来激发污泥中微生物的初期活动,增加活动微生物的
..49.

北京丁、Jp大学下学硕士学位论文

数量,使微生物初期活动强烈,以利于积聚到微生物后期活动所需要的热量,
从而为微生物的后续活动创造条件。
3.4.3.1

小体积的对比试验

根据以上分析,进行了对比试验验证,采用在污泥混合物中添加葡萄糖粉 作为“起爆剂”和不添加“起爆剂”物质的对比试验。为便于观察和操作,首 先进行了小体积的对比试验,试验以自然通风为主。 本次试验时间为9月15号开始至lO月12号结束。其中脱水污泥在室外地
面上摊开面积为2mX2m=4mz,厚度为约5~lOem进行自然风干,并且在每

天进行人工搅拌翻晒一次。由于环境温度已开始降低,日间最高温度仅为20℃ 左右,因此虽然经过10天时间的自然风干,污泥含水率仅由77.24%降至70.53
%。

试验采用晾晒后的脱水生污泥,用秸杆作为添加剂来进行对堆肥物料的调

整。试验为一组两个对比试验,混合物料组成均为6kg的污泥和0.5kg的秸秆
混合。其中堆F中添加了O.3kg的葡萄糖粉作为“起爆剂",堆G中未添加葡萄 糖粉。根据前一阶段试验分析,秸秆难以在一次发酵期内降解,因此秸秆有机

质不计算在混合物料的有机质内。堆肥物料参数见表3.4。
表3-4堆肥物料参数表
Table3—4 Compost materiel parameter

物料种类 堆F 堆G 生污泥 秸秆 混合物料

质量(kg)
6 O.5 6.5

含水率(%)
70.53 10.8l 65.9l

有机质(%)
29.9 94.48 29.9

从堆肥开始每隔8个小试记录~次温度,记录时间为上午8:00、下午

16:00、晚上24:00。堆肥过程的温度变化见图3—8:

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12

图3.8堆F、G堆肥温度与时间关系.
Fig.3-8 Relation oftemperature and time about reactor F、G

-50.

第3章脱水污泥的堆肥化试验形f冗

堆肥结束后,对堆肥物料的参数测定为:含水率为F:61.76,E:62.23有 机质为F:27.47,E:28.45从以上数据可以看出,添加了葡萄糖粉的堆F的温 度变化达到了中温堆肥的要求,而堆E的温度变化则没有达到要求。证明添加 葡萄糖粉作为“起爆剂”是堆肥物料温度变化幅度较大的一个关键因素。在堆 置的过程中,堆F和堆E均没有渗滤液的出现,也没有出现明显的臭味。堆F 的温度达到40"C以上时,出现较大的水蒸汽,盖子内部有较多的冷凝水。说明 在堆肥过程中,堆料内部的微生物活动产生部分水分。在最后的含水率测定也 说明了含水率的降低受到产生水分的影响,降低幅度较小。
3.4.3.2大体积的对比试验

根据小试的结果,考虑温度变化受到环境温度和堆料数量的影响,做了大 体积的对比试验以验证堆料体积对堆肥过程的影响。试验基本参数参考前面小 体积的试验,进行添加葡萄糖粉作为“起爆剂”和不添加的物料进行对比试验。 本次试验时间为10月20号开始至11月15号结束。其中脱水污泥在室外
地面上摊开面积为2m×5m=10m2,厚度为约10"--20cm进行自然风干,并且

每天进行人工搅拌翻晒一次。由于环境温度比较低,日间最高温度仅为16℃左
右,因此虽然经过15天时间的自然风干,污泥含水率仅由75.24%降至66.54%。

试验装置采用大体积的塑料桶进行试验,有效容积为0.3m3,采取保温措施 和通气措施同上面小试试验装置。堆料的填置方式为:采用刨花作为隔离层, 每5cm刨花层上放置30cm的污泥。试验采用晾晒后的脱水生污泥,用秸杆作 为添加剂来进行对堆肥物料的调整。试验为一组两个对比试验,混合物料组成 均为35kg的污泥和5kg的秸秆混合。其中堆H中添加了O.5kg的葡萄糖粉作为
“起爆剂”,堆I中未添加葡萄糖粉。葡萄糖粉的添加为每5cm污泥之间均匀覆

盖一层葡萄糖粉。考虑到刨花难以降解和葡萄糖粉量较少,因此刨花和葡萄糖 粉的有机质不计算在混合堆料的有机质值之内。堆肥物料参数见表3-5。
表3.5堆肥物料参数表
.Table3—5 Compost materiel parameter

物料种类 堆H 堆I 生污泥 秸秆 混合物料

质量(kg)
35 O.5 35.5

含水率(%)
66.54 8.40 65.72

有机质(%)
29.4l 97.48 29.4l

从堆肥开始每隔8个小试记录一次温度,记录时间为上午7:00,下午15:00,
晚上23:00。堆肥过程的温度检测变化见图3-9:

.51.

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图3-9堆H、I堆肥温度与时间关系
Fig.3-9 Relation of temperature and time about reactor H、I

从两次大体积的堆肥试验过程来看,不添加葡萄糖粉的堆肥过程是不能达
到要求。经过添加葡萄糖粉作为堆肥的“起爆剂"的堆H的堆肥过程则取得了 成功。 本次试验堆H添加的葡萄糖粉和污泥的质量比例为1:70,添加后的堆肥过

程温度达到了堆肥温度的要求,最高温度达到了67.2℃,并且50℃以上的高温 维持时间超过了三天。该段高温时间内足以杀死污泥堆肥中的寄生虫卵和致病 菌等有害微生物。经过两周的堆肥发酵期,堆肥物料从刚开始的有臭味到最终 的无臭、具有新鲜泥土的味道,说明堆料达到了稳定化的要求。而没有添加葡
萄糖粉的堆I的内部温度虽然也经历了温度的变化,但是温度的变化幅度远远

达不到要求。

3.5添加“起爆剂”的能量过程分析
通过试验证明经过添加葡萄糖粉作为堆肥的“起爆剂"的方法从技术角度 上讲是可行的。对于葡萄糖粉在堆肥过程中起的作用分析认为,在堆肥过程中, 葡萄糖粉主要起“起爆剂”的作用,即提供初期微生物(低温菌)活动所需要
的营养,使得初期微生物活动剧烈,在短时间内积聚到一定的数量微生物和温

度,提供下阶段微生物(中温菌和高温菌)活动所需要的温度条件以及营养源。 经过初期微生物的活动所产生的条件,后期中温菌和高温菌的活动则可以利用 污泥中的营养作为生命活动所需营养源进行新陈代谢活动,以分解消化污泥中
的营养成分,并将其转换为稳定的腐殖质物质。 假定葡萄糖粉完全被微生物吸收,则葡萄糖粉所能提供给微生物生命体的 能量和葡萄糖粉自身完全被转换为堆肥成品中的营养物质所具有的能量对比,

以及对堆肥过程中的能量变化做简单物料平衡的估算,可知,堆肥过程的温度
.52.

第3章脱水污泥的堆肥化试验研究

的升高和维持温度所需要的能量远大于葡萄糖粉所能提供的能量,即该能量主

要来自堆料中微生物的生命活动利用氧气和污泥中的营养元素进行新陈代谢所
释放出的能量。再从堆肥过程中的物料性状的变化可以得出结论,即葡萄糖粉

在初期很短时间内即被微生物活动所吸收,增加了初期微生物的活性,主要起
到了引导即“起爆剂”的作用。

因此,通过对比试验说明在污泥有机质含量低的情况下堆肥,必须添加一 定的营养物质来增加堆肥过程所需要的有机质的含量,或者通过添加“起爆剂" 物质来进行堆肥过程的优化。 从堆肥过程来看,微生物的活动在产生的大量热的同时,也产生了大量的 水,由于温度过高,水分多以水蒸气的形式向空间散发,并在试验反应器的顶 部积聚,形成大量的凝结水。试验过程中为不使水分的存在影响堆肥过程,人 为地根据情况不定时地将产生的水倒出。而最终堆肥发酵周期完成后,测定堆 肥成品的含水率也发现,堆肥物料上层的含水率最高,下层的含水率次之,而
中间的含水率最低。说明在堆肥过程中,水分一部分以水蒸气的形式向上蒸发,

部分被上层的堆料所吸收:另一部分水以水分子的形式通过重力作用向下渗透,
部分被下层的堆料所吸收。

但是在污泥中添加葡萄糖粉作为“起爆剂”来进行堆肥,虽然在试验中证 实了这样操作的可行性,但是在生产中的经济性必须进行分析确定。添加葡萄 糖粉势必会增加污泥堆肥的成本,这对污泥堆肥产品的市场价格定位是不利的。 如果以按葡萄糖粉和污泥质量比例1:100计算,则每吨污泥的堆肥产品将增加 成本100多元钱,这样的堆肥产品的价格是市场上难以接受的。因此,可以在 试验中进行其他替代产品的对比试验,最好找到一种能起到效果且价格低廉容
易得到的物质来做污泥堆肥过程的“起爆剂”。

3.6堆肥前后污泥成分的变化分析
污泥在堆肥过程中由于微生物的作用,大部分的有机质被降解转化为一种 类腐殖土的稳定性物质,即部分有机质的相态发生了变化。伴随着微生物的好 氧活动,产生了水气及其他物质也可能使有机质增加或流失。为分析堆肥前后 污泥中营养元素的含量变化,对堆H堆肥前后污泥中的营养元素进行了测定,
测定结果见表3.6:
表3-6堆肥营养元素含量变化表(mg/kg)
Table3-6 Compost nutrition content change(mg/kg)

速效P 堆肥前 堆肥后
362 346

总P
17500 17100

速效N
2.36 1.50

总N
20900 14300

速效K
1050 925

注:以上数据以堆肥前后污泥的绝干成分为基础检测。

-53.

北京工jlk大学丁学硕士学位论文

从堆肥后污泥中各营养元素的含量对比原脱水污泥测定出的各营养成分的 含量,可以看出,经过堆肥发酵周期内微生物的作用,堆肥内的有机质均成分 略有下降,相比较而言,氮元素的流失较为严重。分析原因,认为在堆肥过程 中,微生物活动使部分氮元素的盐类物质转化为氨类物质以氨气等形态挥发到 周围的空气中。在堆肥过程中也曾发现堆肥场所周围有比较重的氨味存在。这

与堆肥过程的微生物作用和变化的规律是一致的;即堆肥过程中,当有机物减 少时,微生物细胞内的储备物质被分解利用,在这些物质消耗完后,细胞的构
成物质被氧化,进入了内源呼吸期 细胞物质在被氧化的过程中产生了NH3以

气态形式挥发掉,造成了氮元素的流失。

3.7试验分析、存在的问题及建议
通过一系列的小试试验,虽然就堆肥化的要求而言,只有堆H的堆肥一次
发酵过程达到了要求,而其余的均未能达到要求。在开始的试验中,4、5月份

的污泥有机质含量在40%以上,但是由于处于试验初期阶段,对试验的不熟悉
和操作过程的盲目性造成失败。从六月份开始,该厂的污泥有机质含量就开始

下降,有机质含量一直在30%左右,在进行污泥的堆肥试验时由于受到污泥有
机质成分下降的影响,试验结果均不理想。最后经过分析和试验验证,在污泥 有机质较低的情况下,通过添加“起爆剂”可以实现污泥的好氧堆肥过程,并 取得了成功,验证了该厂脱水污泥堆肥的可行性。 本次试验由于受试验条件的限制,对于污泥进行堆肥化处理的一些常规参

数参考了其他同类研究较为成功的经验。而一些影响因素,如污泥堆肥的最佳 含水率、有机物含量、孔隙率等没有进行详细的研究。试验中也只进行了添加 葡萄糖粉作为“起爆剂”的定性研究,具体的最佳添加量等没有进行试验研究,
建议在以后的试验中可以进行添加不同物质作为“起爆剂”以及添加不同量的

“起爆剂”的对比试验,以确定出最佳的“起爆剂”种类和“起爆剂”的最佳 添加量。堆肥过程中由于氮元素的氨化造成氮元素的流失也应当引起重视,在 以后的试验中应进行研究如何避免堆肥过程中营养成分的流失。试验中由于该
厂的运行尚处于调试运行阶段,使得污泥的性质也不太稳定,而且污泥中有机 质含量随季节变化较大。因此建议在以后的试验中,可根据每一阶段污泥的性

质较为稳定时进行堆肥化的小试试验,确定出适合各季度的污泥堆肥化的工艺 参数,试验只是采用了实验室条件下的小试,而没有进行中试试验和大规模的 生产性试验。因此建议在以后的试验中根据条件安排中试试验和大规模的堆肥 试验,以使试验数据对规模化生产有较好的指导意义。
3.8

本章小结
考虑到堆肥过程中温度变化可以从一定程度上反映堆肥化的规律。因此根

-54.

第3章脱水污泥的堆肥化试验研究

据各小试的试验结果分析,可以确定出适合该厂脱水生污泥进行堆肥化的各工
艺参数的参考值:

(1)该厂污泥的pH值一般在7"-'-'8之间,对于好氧堆肥,不需经过外加条
件进行调整。

(2)对该厂脱水生污泥进行堆肥时,可以通过添加干燥物质,调整堆肥混
合物料的含水率在64%左右时可以进行堆肥。

(3)脱水生污泥在进行堆肥时,需要添加一定的添加剂来调整混合物料的 含水率和物料内部的空隙。添加剂的选择应能满足:具有一定骨架,一定强度, 能增加混合物料内部空隙的物质。选择秸秆(3'-'-'5cm长,节状)可以满足要求。 秸秆和污泥的质量比例为1:lO~l:8之间可以调整混合物料内部的孔隙率达到
堆肥的要求。

(4)脱水生污泥进行调整后,堆料高度在70cm左右时通过自然通风可以实 现,利用好氧堆肥一次发酵期来进行污泥的稳定处理。而且当混合物料体积大 于0.3m3时,堆肥过程中物料内部的温度变化受环境温度变化的影响较小。 (5)对于有机质含量较低的污泥(小于30%左右),通过添加难以降解的调 节剂,污泥的有机质难以实现污泥堆肥化的进行;通过添加容易降解易被微生 物利用的“起爆剂”可以实现污泥堆肥化过程的实现。

.55.

第4章污泥堆肥T程实例

第4章
4.1唐山市污水处理现状

污泥堆肥工程实例

河北省唐山市位于河北省东部,地处环渤海地区中心地带,北依燕山,南
临渤海,东与秦皇岛接壤,西与北京、天津毗邻,是河北省具有百年历史的重 要工业城市。

唐山市总面积14335平方公里,总人口703万,下辖五区三市七县,其中 市区面积1090平方公里,包括路南区、路北区、开平区、古冶区和唐山新区, 总人VI 157万;市中心区由路南区、路北区组成,面积70平方公里,人口70 万,是全市的政治、经济、科技、教育、文化中心。市中心按功能划分为西南 部生活居住区和东北部工业区。西南部居民区为震后新建,主要为居民区和商 业区,而东北部则集中了全市的冶金、陶瓷、煤矿、建材的重工业企业。 唐山市中心区共有两条河流横穿全区,即东北部的陡河和西南部的青龙河, 市中心区的主要排水河道。城市中心区排水现状大致以建设路为界分为东、西 两个排水区,共建有5座污水处理厂分别是:东郊污水处理厂(日处理污水量为 15万吨)、北郊污水处理厂(日处理污水量为15万吨)、西郊污水处理厂(日处
理污水量为12万吨)、新区污水处理厂(日处理污水量为3.3万吨)、丰南区污

水处理厂(日处理污水量为5万吨)。唐山市中心区5座污水处理厂投入运行, 城市污水日处理能力达到50.3万吨,污水处理率达到接近10096。这对于提高 唐山城市水体环境质量,完善城市功能,改善居民生活条件必将显现出巨大的环
境效益和社会效益。

4.2唐山市西郊污水处理厂概况
西郊污水处理厂工程位于西电路西侧,占地l 1.67公顷,总投资2.44亿元,工

程最终设计规模为12万m3/d,一期建没规模为日处理污水12万吨,主要担负着市 区西部建成区工商业、居民生活污水及工矿企业工业废水的处理任务,服务面积 达22平方公里,约39.56万人从中受益。厂区依据功能不同分为三个区:生产管
理和辅助生活区、污水处理区和污泥处理区。

2001年起,配合污水处理建设,唐山市投资2932万元进行了场外配套管网即 东污干管工程和西污干管工程建设,铺设管线总长达20.9公里,同时建设了南湖
泵站。

西郊污水处理厂项目有以下特点:一是出水指标严格按照国家新标准设计, 采用A/O脱氮工艺;二是同步实施了中水回用项目,建设规模为6万吨/日,供西 郊热电厂作为循环冷却水的补充水;三是污泥全部实现无害化、资源化利用,好

.57.

北京工业大学下学硕士学伉论文

氧发酵后制成有机肥或营养土;四是对重点部位臭气进行生物吸收。
4.2.1
4.2.1.1

污水处理工程
污水指标

(1)污水水量西郊污水处理厂处理水量近期按12万m3/d考虑,场外污 水管网按远期23万m3/d设计。污水主要来源为居民生活污水、工商服务行业、
及少数轻工业企业废水。 (2)污水水质
COD。,=425 mg/l BODs=225 me,/l SS=300 me,/l

pH值=6"-'9
(3)出水水质
COD。,≤125 rag/1 BOD5≤30 me,/l SS≤.30 me,/l

4.2.1.2污水处理工艺 本工程采用传统活性污泥法污水处理工艺,图4.1是该工艺流程图。

图4?l污水处理工艺流程图
Fig.4-1 Technics flow chart of waset water treatment

4.2.1.3污水处理构筑物 (1)四连体

由粗格栅、进水泵房、细格栅和旋流沉砂池组成,上部建筑

平面尺寸为:35m×22m,层高15m;地下泵房建筑平面尺寸为:21mxl2m,深 10m,设4台同型号潜水排污泵(3台工作1台备用),远期可增加3台同型号
的潜水排污泵。旋流沉砂池2座,直径为5.5m,砂水分离区水深2.3m。

(2)初沉池采用矩形单流沉淀池2座,有效尺寸为:41mx40mx3m,分 4条渠道,每条渠道长lOm;初沉池表面负荷为2.0m3/rri2?h,沉淀时间1.5h。
(3)曝气池矩形推流式曝气池2座,有效尺寸为:65mx30mx6m,5条
.58.

第4章污泥堆肥]==稃实例

渠道,渠宽6m,采用膜式微孔曝气管长lm,沿池底以上20cm敷设,每座曝气
池需2400根曝气管。曝气池污染负荷为O.3kg BODs/kgMLSS?d,MLSS为

3000mg/1,污泥龄为8.4h,平均流量时停留时间为4.86h;曝气池工艺用风来自
鼓风机房,每池用风量180m3/min。

(4)二沉池辐流式沉淀池4座,直径45m,二沉池表面负荷1
为1.61/s?m。

m3/m2‘h,

池边水深4m(含缓冲层高度0.5m),沉淀时间3.5h,两道出水堰,除水堰负荷 (5)鼓风机房平面尺寸38.2mx20.4m,近期设离心式鼓风机4台(3台 工作1台备用),远期可增加3台同型号鼓风机,每台风机风量120m3/min,风
压7m水柱,功率160kw。 (6)污泥浓缩池

内径为16m的圆形水池2座,池深为3.5m,池身为圆


柱体、底部呈倒锥体,中心局部落深,埋深为0.4m。

(7)储泥池矩形l座,平面尺寸为32mx8m,埋深1.7m,为半地下建

筑。

4.2.2污泥处理工程概况
4.2.2.1

污泥及固态废弃物产生量 ①栅渣:粗格栅为1.2 m3/d,细格栅为3.6m3/d,经压榨脱水后,作为固

(1)固态废弃物

体废弃物外运填埋;

②泥砂:旋流沉砂池产生泥沙3.6 m3/d(近期),6.0 m3/d(远期),作
为固体废弃物外运填埋。 (2)有机污泥

①初沉污泥:初沉污泥的产生数量为18000kg/d,?体积约为600m3(按含
水率97%计);

②剩余污泥:剩余污泥的数量为8325k∥d,体积约为1387.5m3(按含水
率99.4%计)。 3.2.2.2污泥性质及重金属含量

(1)污泥性质唐山西郊污水处理厂污水来源主要是生活污水(生活污水
占80%,工业废水占20%),污泥中主要成分如下表4.1。
表4-1污泥中不同成分含量
Table 4-1 Content of different kind in sludge

有机质
55%

N+P205+K20

含水率
75~80%

微量元素
Fe,Ca,Zn,Sz

重金属 未超标

7"--8%

.59.

北京工业大学工学硕七学位论文

由于污泥中含有较高的有机物质及N、P、K等养分,在好氧菌作用下充分 稳定熟化,易于植物和作物吸收适合植物生长。 (2)污泥中重金属含量污泥中重金属含量低,重金属检验结果均符合农

用污泥质量标准GB4284—84,符合制肥要求。污泥中重金属检测结果与国家标
准如下表4.2。
表4-2污泥中重金属成分与含量(mg/kg干污泥)
Table 4-2 Heavy metal kind and content of municipal in sludge(mg/kgDS)

铅(Pb) 国家标准mg/kg 检测结果mg/kg
300 lO.0

镉(Cd)


总铬(co
600 7.0

总汞(H曲


砷(As)
75

<l

0.20

6.0

4.2.2.3污泥处理目的 (1)减量化
减少污泥最终处置的体积,降低污泥后期处理费用;

(2)稳定化使污泥停止降解,使污泥稳定化,从而避免二次污染; (3)无害化杀灭寄生虫卵和病原微生物;

(4)资源化进行好氧高温堆肥,制成颗粒复合肥用于农业,实现化害为 利、循环利用、保护环境的目的。
4.2.2.4污泥处理工艺流程 初沉污泥(含水率97%)和剩余污泥(含水率99.4%)回流混合,形成混

合污泥(含水率98.8%),流入浓缩池经过重力、离心浓缩后成为浓缩污泥(含
水率96%),污泥体积减小为658 m3/d,暂存于贮泥池内;浓缩污泥经管道流

入脱水机房加入絮凝药剂(高分子聚丙烯酰胺4‰),采用带式压滤机等设备
进行脱水处理后成为脱水污泥(含水率80%),体积降低为131.6ma/d;脱水污

泥通过皮带输送机、封闭式螺旋推进输送机送入污泥堆肥车间。图4.2是污泥 处理工艺流程图。

图4—2污泥处理工艺流程图
Fig.4—2 Technics flow chart of sludge treatment

4.3污泥好氧高温堆肥
4.3.1

机械化好氧堆肥的特点

.60.

第4章污泥堆肥丁程实例

本工程项目采用高温好氧堆肥技术,利用微生物分解有机物所产生的生物 能,将污泥彻底熟化降解的高效生化反应过程。机械化好氧堆肥的主要技术特
点有:

(1)充分利用生物能,节约能耗,化害为利,无二次污染。污泥中有机物 在氧化作用下与好氧菌充分反应,放出热量,使堆肥物料自然产生高温,无论 室外温度如何,均能保持60。C以上的高温。这种生化反应过程不需施加任何燃 料。牛物能使小分子有机物分解,大分子有机物降解稳定化,生成有机肥料还 能脱水使物料干燥。好氧发酵过程不产生甲烷等厌氧气体,产生较小的臭味, 由于持续高温,杀死病原体和杂草种子,彻底使污泥无害化。采用特殊添加物 使污泥中重金属在碱性介质作用下稳定化、无害化。 (2)高温发酵生物过程可以生产出高品质的有机肥料,由于污泥中富含N、
P、K等营养物质,在好氧菌作用下稳定熟化,易于植物和作物吸收。

(3)高温好氧发酵过程所产生的生物有机肥料,易于深加工,有益于微生
物的繁殖,可加工成菌肥,也可与营养素混合制成复混肥及各种土壤改良剂。

(4)高温好氧堆肥法与污泥中温厌氧消化比较,具有节约投资、节约运转 费,无二次污染的优点。污泥中温消化投资高于好氧堆肥2倍,运转中需要使
庞大体积的液态污泥维持中温过程,消耗大量能量,且中温消化不能达到彻底

灭菌,消除病原体的目的。因此中温消化污泥仍需进行污泥最终处置。 (5)与直接干燥法比较,高温好氧堆肥法优点尤为突出。首先,它是生物 化学反应,而快速干燥是物理干燥过程,由于干燥过程中局部过热,使有机质 发生焦化反应,失去生物活性,肥效大大降低;且把污泥泥饼从含水率80%干 燥成20%,能耗是非常巨大的;而堆肥过程是利用生物能脱水、降解、升温,
适宜的温度使有益菌种得以繁殖,最终将脱水污泥发酵生成生物有机堆肥产品。

4.3.2好氧堆肥工艺流程
该工艺是将机械脱水后含水率78%'-'-'85%的污泥,经烘干后含水率降为 40%'-'50%,与作为调节剂的农业、工业废料(粉煤灰)、回填物(部分回流堆 肥)及除臭调节剂按一定比例(脱水污泥:回填污泥:调节齐U=100?50:15质 量比)通过好氧微生物的生物代谢作用,使污泥中有机物转化成富含植物营养 物的腐殖质,反应的最终代谢物是C02、H20和热量,大量热量使物料持续保 持60℃高温;通过设置在堆肥仓底部的曝气管,进行强制通风提供微生物代谢 所需氧气,使物料充分好氧发酵,经10"-"15天发酵后物料的含水率已降至30"-"
35%。

干燥后的堆肥物料一部分作为回填物料循环利用;一部分再进行磁选和粉 碎,通过物料调整装置调节含水率和流量,加入N、P、K等营养素输送到精混 机中充分混合,通过圆盘造粒机造成颗粒后,进入气流干燥机进行风冷干燥。
.61.

北京工业大学工学硕十学位论文

干燥后的肥料经装袋机制备成袋装肥料。为了防止发酵过程中的臭气和粉尘对 环境的污染,在发酵仓和气流干燥机分别安置臭气收集装置和除尘器,收集的
粉尘作为回填物循环利用,通过排风机将臭气送入喷淋塔吸收溶解性气体和微

尘,再通过生物除臭滤池过滤,可基本消除臭气。图4.3是该成套设备的工艺
流程图。

调整剂

除臭剂

除臭池

1L 上 一t .脱水污泥L一预烘干L一初混1-4翻堆、发酵L一磁选!-4粉碎








N、P、K

除尘器

菌种

回填





叫精混I

?l造粒L一气流干燥 l

-I装袋I

,I成品

图4-3高温好氧堆肥工艺流程图
Fig.4?3 Flow chart of high temperature aerobic composting

project

4.3.3
4.3.3.1

主要工艺设备
进料车间

平面尺寸为15mx9m,净高为5m,包括15mx3m的电控间。初混的物料通

过大倾角皮带输送机和布料机等把物料均匀分布在发酵仓内。带式输送机长
15.5m,带宽500mm,带速lm/s,用随着行走机构来回直线运动的卸料器将料

卸到双层带式输送机上,其下层带式输送机可以伸缩运动,实现将物料送到发
酵仓边直至2.9m处,间断地由行走机构带动运动布料机,达到2个发酵仓各宽 5.2m都布满,一天的进仓量为5.2m×2.9m×1.4m(高度),布料机的布料能力 为3t/h。 4.3.3.2污泥堆肥车间 污泥堆肥车间面积为918m2,净高为5m,设卧式快速发酵仓2个,每个发

酵仓体尺寸为长×宽×高:50mx5.2mx2m,仓底铺设平面列管式二级曝气装置, 最大可容纳13天的物料。污泥堆肥车间为封闭厂房,下面为地下混凝土构筑物, 并设翻堆机运行轨道及转仓机。污泥堆肥间内还有曝气阀门、流量计等附属设
施。

脱水污泥直接由带式输送机经预烘干后与回填物料、粉煤灰、除臭剂经初 混机混合后送到发酵仓内进行好氧发酵。翻料机定期将物料翻堆并使其从发酵 仓入口向出口移动,完成发酵后的堆肥经装载机运出。

.62.

第4章污泥堆肥丁程实例

4.3.3.3堆肥韦0肥车间

堆肥制肥车间平面尺寸为63mxl8m,净高为12m。由发酵仓出来的堆肥进 入堆肥制肥车间,经磁选机和粉碎机将其中的硬块等杂物选出及粉碎后,与添 加的N、P、K营养成分一起进入精混机,充分混合后进行造粒、干燥、装袋, 即为成品肥料。采用平模高压造粒机制粒,肥料强度高,粒度均匀。按复合肥 标准要求,造粒后的颗粒肥进入气流干燥机进一步脱除水分,达到商品肥要求。 肥料造粒间内布置下列设备:磁选机、环锤式破碎机、精混机、皮带运输机、 螺旋输送机、斗式提升机、(N、P、K)储罐、造粒机、气流干燥机、装袋机等。
4.3.3.4除臭滤池

除嗅滤池平面尺寸为12mx6m,净高为2m,平均分为独立两格,池上加防 雨顶篷,池底设有积水流槽和排水管,喷淋室为长×宽×净高:6m×4mx2m。 污泥堆肥车间发酵产生的臭气经仓顶部的抽气管道,由风机将臭气送入喷 淋室,将部分NH3、S02、H2S等气体溶解于中水,喷淋水循环2次;一半排入 污水管网,另一半与中水按1:1混合后再喷淋;初步淡化的臭气进入滤池底部 再次除臭,虑料厚度2m为生物易于附着的有机载体(木板、木屑、树皮、), 木屑下设有通气沟及许多透气孔,使臭气均匀分布。此滤池内温度15"--35℃, 最高不超过45℃,湿度50%'---70%。滤料一般2"--'3年更换一次。

4.4堆肥产品制复混肥
4.4.1堆肥产品制复混肥的意义
我国农业施肥长期存在盲目施肥、经验施肥等缺点,造成化肥利用率低, 随着农业科学技术的发展,农业施肥己逐步转向科学施肥;目前,我国农业肥 料正向着高效、复合、缓效及颗粒化的趋势发展。颗粒化复混肥因为具有能同 时提供多种营养成分、养分均衡、施用方便、便于运输等优点而得以迅速发展。 复混肥中有机与无机肥料的结合,不仅可以以无机促进有机,而且以有机保无 机,减少了肥料中养分的流失,同时也可以利用有机质改良土壤。由城市污水 厂污泥经高温堆肥化过程制得的堆肥产品中含有较丰富的有机质,其氮磷等营 养元素主要以有机形态存在,是一种优质的有机肥。但污泥堆肥产品也存在一 些缺点,诸如肥效较低、部分重金属含量超标等。若以市售的无机N,P,K化肥
作为辅料添加进污泥堆肥产品中,则既可以提高肥效,又起到稀释作用,降低

重金属的含量,从而可制得高效、安全的有机一无机复混肥。随着中国农业及 肥料学的进一步发展,这一课题的研究越来越被人们重视。

4.4.2堆肥产品制复混肥的原理
4.4.2.1

原料间的相互作用

有机复混肥原料广泛,种类多且性质差异大,根据预定产品养分的含量确
.63.

北京丁业大学T学硕十学位论文

定原料的种类及其比例,可能出现多种原料配比组合,即在养分数量及其比例

相同的条件下,原料的种类及配比可有不同的组合,肥料产品的理化性质亦相
应地有较大差异。因此,原料配方的确定,不仅要考虑养分因素,还要考虑对

肥料产品理化性质及肥料形态和肥效的影响等。原料间的相互作用会使养分形 态发生变化,因而影响肥效。PH值变化是肥料形态的重要影响因素,N,P肥和 微量元素的形态与pH值有着密切的关系。一般说来,pH值>7时,对N肥不
利,酞氨态(尿素)和钱态氮肥会转化为氨逸出,既损失肥分,又熏伤作物。高 pH值条件下,过磷酸钙将转化为难溶磷酸钙;Zn,B,Fe,Mn等微量因素在高

pH值条件下将转化为溶解性低的形态而降低其有效性。因此,调节pH值是保 证肥效稳定的最佳方法之一。通常情况下,原料混合加工后,pH值应控制在微

酸性,即pH值在5.5--一6.6,以保证肥料养分和形态的稳定性。
4.4.2.2有机复混肥的合理配比 有机复混肥与无机复混肥的根本区别在于前者有一定量的有机成分。有机、 无机配合的比例对肥效有重要的影响,这种影响主要表现在对养分供应强度和
持久度的作用及对养分的活化。

有机一无机配合的比例是增强养分供应强度和持久性的一个有效调节手
段。适当的比例可以使复混肥既具有适宜的供肥强度,又能维持较长时间,能

克服无机肥供肥大起大落和农家肥供肥强度不足、肥效慢的缺点。有机一无机
适宜的配合比例对养分具有活化作用,其具体机理还不太清楚,目前,肥料中 的有机组分在土壤的转化过程中会产生一些有机酸和化合物,这些物质可通过
溶解作用和络合作用使养分活化,提高其有效性;另外,还有一些物质,如生

长素、酶和某些氨基酸,具有生理活性,可以调节根部的呼吸,因而对作物生
长有良好影响。 4.4.2.3肥料中各元素间的协同与拮抗 在配置复混肥时,不仅要考虑土壤、作物的特点而且必须注意到各养分之 间的相互关系以及各种元素在土壤和植物的吸收过程中产生的相互影响。因此,

在配置过程中,单纯从某种元素的需要量来决定配比可能导致无效,甚至会起 到副作用。因为各种元素之间存在着拮抗和协同作用。因此,在确定配方前先
对各元素之间的拮抗和协同关系进行了解是十分必要的。各营养元素之间的拮 抗和协同关系如表4.3所示。
表4.3营养元素之间的拮抗和协同关系
Table 4—3 The relationship of antagonisim and consonaney of nutrition elements

元素 氮与磷、钾

拮抗和协同关系 一般情况下表现为协同,在植物吸收了大量硝酸根时氮、磷产 生拮抗

..64..

第4章污泥堆肥工程实例

氮、磷、钾与锌 磷、钾与铁 钙、钾与硼

P/Zn>400时,出现缺锌症状,施用钾可抵消磷与锌的拈抗 过量的磷会钝化铁离子的活性 钾能促进植物对硼的吸收,钙、硼之间存在比例关系

4.4.3复混肥的制备工艺
4.4.3.1

工艺简介

用污泥生产复合肥的工艺与用化肥生产复合肥的工艺过程基本相似。将含 有大量有机质的污泥以一定比例配以作物所须的氮、磷、钾肥及微量元素,经 过破碎、机械混合、造粒干燥既可制得复合肥。 将含水率约为60---,80%的污泥与体积约为30"40%的添加物(菌种、粉煤 灰、秸秆破碎物等)和少量的除臭剂送至初混机,混合均匀后送至发酵仓发酵, 翻堆机每天运行一次,将物料由进仓口向出仓口移动,用中压风机对堆肥物料 间歇式曝气,由于好氧细菌作用,堆肥物料在三天以后可升温到60℃以上,在 60~65℃维持304天,实现灭菌和干燥的目的;在堆肥仓中物料停留10~12 天,完成堆肥,输送出堆肥仓。出仓的块状物经破碎机破碎后,送精混机与N、 P、K等营养素充分混合均匀。当含水率达到18---,22%时,送入高压造粒机,在 高压及60℃温度条件下将混合物制成均匀、较坚硬的颗粒,通过气流干燥机干 燥后,由装袋机定量包装后即可入库待销。整套装置大多为密封设备,并设有
除尘器,故基本无污染。 4.4.3.2工艺流程

(1)计量混合来自污水处理厂脱水后含水约85%的污泥(67吨/天) 送至干化场(2500 m2)进行自然干化,当含水率降至30%左右时送入污泥棚(750
m2),污泥棚可存储lO天的污泥,雨天也可用于暂存干化场的污泥。污泥棚内

设置皮带输送机,将干化后的污泥输送至主厂房内的计量系统;原料库内的氮、 磷、钾肥也分别用皮带输送机送至计量系统。按照复合肥的配方计量后的物料 由螺旋给料机送入双螺旋锥形混料机,并按需要添加适量的微量元素,在混料 机内各种物料经螺旋的搅拌被均匀混合,混合时间为5"---'8分钟。混料机共两台, 一台加料,另一台混合,以保证后段工序的连续进行。. (2)破碎筛分混合均匀的物料经过螺旋给料机的输送由斗式提升机提升 至链式破碎机,经链条的挤压破碎各物料成为较小粒径的颗粒,然后直接落到 筛分机按所需粒径进行筛分。粒径符合要求的物料经螺旋给料机送至转鼓造粒 机,筛分不合格的物料则返回斗式提升机入料口。 (3)造粒干燥筛分合格的物料从转鼓造粒机的入口进入,借助造粒机简体 的转动并通过蒸汽或水的增湿,各物料逐步结合粘聚形成复合肥颗粒,沿着筒 体的坡度从出口出来,再经过一级筛分,成球不合格的返回斗式提升机入料口, 成球粒径合格的则经过螺旋给料机送至振动流化干燥床,在干燥床的入口端由
-65.

北京q二_qk大学1二学硕十学位论文

加热器引入蒸汽脱去颗粒中的水分,通过干燥床的振动颗粒受振移动,到达出 口端时由给风机引入冷空气冷却颗粒。干燥床内的含尘气体在引风机的作用下 由其上端的两个排风口排出,排出的气体用旋风除尘器净化。经过干燥后复合 肥的含水率可降至5%以下,颗粒平均抗压强度大于6牛顿。 (4)计量包装干燥冷却后的复合肥则由螺旋给料机送到电子称进行计量 包装,最终运至成品库,待售。 4.4.4有机复混肥的农业利用价值 我国长期以来农业追求高产,大量施用化肥,已造成土壤砂化、板结,肥

力下降。在我国大量施用有机肥料可有效地协调有机无机肥料结构矛盾,增加 养分的有效供给,缓解耕地缺磷少钾的矛盾。 但是,由于有机肥肥效释放慢,养分含量低,施用数量大,且当年利用率
低,在作物生长旺盛、需肥多的时期,往往不能及时满足作物的需求,所以需

要与无机肥料配合施用。制备有机无机复合肥料是解决以上矛盾的最佳有效途 径。有机无机复合肥料在国内有很大的市场潜力。生产复合肥

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