調(diào)理劑對厭氧消化污泥生物干化效果的影響

王逸賢

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

調(diào)理劑對厭氧消化污泥生物干化效果的影響

王逸賢

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

研究了不同調(diào)理劑對厭氧消化污泥生物干化效果的影響，分析了不同調(diào)理劑作用下生物干化產(chǎn)物的可利用性。研究結(jié)果表明，采用麩皮、秸稈或木屑和麩皮的混合物作為調(diào)理劑，經(jīng)過18d生物干化，含水率可從55%～65%降至27%～40%，堆體重量可減少42%～52%，其中，以麩皮作為調(diào)理劑，生物干化過程55℃以上高溫維持時間最長，減量化效果最顯著。但是，生物干化產(chǎn)物的可溶性鹽濃度較高，腐熟度較低，尚不滿足我國農(nóng)用、園林綠化和林地用泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

厭氧消化污泥；生物干化；麩皮；秸稈；木屑

0 引言

污泥生物干化是利用微生物高溫好氧發(fā)酵過程中有機(jī)物降解所產(chǎn)生的生物熱能，通過過程調(diào)控手段促進(jìn)水分蒸發(fā)，從而實現(xiàn)快速去除水分的一種干化處理工藝[1]。目前，污泥生物干化的研究對象大多為剩余活性污泥，對于厭氧消化后污泥的研究較少[2]。與剩余活性污泥相比，厭氧消化污泥具有有機(jī)物含量低、以厭氧或兼性厭氧菌群為主要微生物的特征，可能導(dǎo)致生物干化效果的不同。另一方面，厭氧消化作為一種主流的污泥處理技術(shù)，尚存在出泥含水率高、無害化程度低等問題，經(jīng)常規(guī)脫水處理后含水率只能降至80%左右，無法直接與最終的處置或資源化利用環(huán)節(jié)銜接，這也是制約該技術(shù)在我國推廣應(yīng)用的因素之一。因此，有必要針對厭氧消化污泥開展生物干化技術(shù)研究。

調(diào)理劑可以提高污泥孔隙率和C/N比，防止污泥有機(jī)物含量過低而使生物活動受到抑制，是生物干化的重要影響因素。本研究采用自主設(shè)計的污泥生物干化反應(yīng)器，研究了不同調(diào)理劑對厭氧消化污泥生物干化效果的影響，以期為污泥生物干化技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

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的脫水車間，該廠采用中溫厭氧消化，厭氧消化污泥進(jìn)行離心脫水后，含水率在74%～78%，VS含量在45%～49%。試驗分別采用小麥麩皮、小麥秸稈以及木屑和麩皮的混合物作為調(diào)理劑。其中，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13%～15%，VS為93%～94%；小麥秸稈購自河南省鄭州市某農(nóng)場，含水率為8%～10%，VS為88%～90%；木屑來自上海市某污泥好氧堆肥項目，含水率為11%～14%，VS為98%～99%。試驗添加適量的生物干化產(chǎn)物作為返混料。

1.2 試驗裝置

生物干化試驗裝置如圖1所示，為PVC材質(zhì)的筒體反應(yīng)器，高0.9m，直徑0.5m，容積約0.18m3。反應(yīng)器通過多孔板分隔成上下兩個部分，上部為反應(yīng)室，高度0.75m；下部為布?xì)馐?，高?.15m。布?xì)馐覀?cè)壁設(shè)有進(jìn)風(fēng)管，并與空氣壓縮機(jī)連接，空氣壓縮機(jī)的啟停和通風(fēng)量分別通過時空開關(guān)和浮子流量計控制。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，并設(shè)置1個濕度傳感器測定環(huán)境濕度。反應(yīng)器整體置于500kg電子臺秤上以記錄重量變化。

1.3 試驗方法

分別以小麥麩皮、小麥秸稈以及木屑和麩皮的混合物作為調(diào)理劑，進(jìn)行序批式試驗，厭氧消化污泥、返混料和調(diào)理劑的混合比例（濕重）均為4∶1∶1，每批進(jìn)料量在60kg左右，由于堆料孔隙率的差異，進(jìn)料體積在90～105L。試驗采用間歇通風(fēng)方式供氣，通風(fēng)頻率為開20min/關(guān)40min，通風(fēng)速率恒定為12L/min。多通道參數(shù)記錄儀采集溫度和濕度數(shù)據(jù)，頻率為30min/次。每天記錄堆體重量和高度。定期在沿高程均布的3個取樣點(diǎn)等量取樣并混合均勻，測定含水率、VS、種子發(fā)芽指數(shù)、EC值等指標(biāo)，并根據(jù)堆體溫度的變化情況進(jìn)行翻堆。試驗結(jié)束后，部分干化污泥用于下一批次試驗的返混料。

圖1 生物干化試驗裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 調(diào)理劑對污泥生物干化溫度的影響

生物干化是一個水分受熱蒸發(fā)的過程，高溫促使水分的蒸發(fā)和有機(jī)物的降解。采用不同調(diào)理劑，生物干化過程中溫度隨時間的變化情況如圖2所示?？梢钥闯?，反應(yīng)過程大致可分為升溫期、高溫期和降溫期。試驗開始后堆體溫度迅速升高，采用麩皮作為調(diào)理劑，第7h平均溫度超過60℃，第20h溫度進(jìn)一步升至70℃；采用秸稈作為調(diào)理劑，第7h溫度超過60℃，第9.5h溫度超過70℃，表明微生物的好氧發(fā)酵作用放出了大量熱量；采用木屑和麩皮混合物作為調(diào)理劑，堆體溫度也在第3d達(dá)到最高69.3℃。本試驗高溫期維持時間較長，可持續(xù)至第10d左右。由圖2可見，堆體溫度達(dá)到最高值后呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，翻堆后溫度仍可回升至較高水平。采用麩皮、秸稈以及木屑和麩皮混合物作為調(diào)理劑，分別在第5、7和8d進(jìn)行了翻堆，翻堆后僅6～10h堆體溫度重新升至60℃以上，8～13h升至70℃以上，表明翻堆有利于改善物料的孔隙結(jié)構(gòu)，提高物料均勻程度，使氧氣在物料內(nèi)較為均勻地分布，強(qiáng)化了氧氣的傳遞效果，從而加強(qiáng)了微生物的代謝活動和產(chǎn)熱量。降溫期的堆體溫度下降較快，即使進(jìn)行翻堆，翻堆后的升溫速率和最高溫度均顯著降低，且溫度達(dá)到最高后迅速下降。

圖2 生物干化過程溫度變化

不同調(diào)理劑作用下生物干化過程的溫度參數(shù)比較見表1。以秸稈作為調(diào)理劑，初期升溫速率和最高溫度相對較高；而以麩皮作為調(diào)理劑，高溫維持時間最長，18d累積升溫值最大。55℃以上高溫維持時間均能達(dá)到7d以上，持續(xù)的高溫有利于殺滅污泥中的病原菌和蟲卵等，從而達(dá)到污泥無害化處理的目的。

表1 不同調(diào)理劑的生物干化溫度參數(shù)

2.2 調(diào)理劑對污泥減量效果的影響

生物干化的主要目的是快速去除物料中的水分，不同調(diào)理劑作用下生物干化過程含水率的變化如圖3所示。采用麩皮、秸稈以及木屑和麩皮混合物作為調(diào)理劑，堆料初始含水率分別為55.1%、63.1%和58.7%，經(jīng)過18d生物干化后，含水率分別降低至27.0%、40.3%和31.6%。根據(jù)插值法計算可知，麩皮作為調(diào)理劑時，含水率降至40%和30%分別需要7.5d和11d；木屑和麩皮混合物作為調(diào)理劑時，含水率降至40%需要14d。

圖3 生物干化過程含水率變化

不同調(diào)理劑作用下生物干化過程VS的變化如圖4所示。采用麩皮、秸稈以及木屑和麩皮混合物作為調(diào)理劑，堆料初始VS含量分別為70.2%、62.1%和66.7%，經(jīng)過18d生物干化后，VS含量分別降低至58.8%、54.1%和58.0%。VS含量在高溫期下降較快，在降溫期則較慢，通過有機(jī)物降解釋放的生物熱能減少。這表明高溫對有機(jī)物降解有促進(jìn)作用，相應(yīng)地產(chǎn)生更多的熱量以維持堆體溫度。

圖4 生物干化過程VS變化

不同調(diào)理劑作用下污泥生物干化的減量化效果見表2。生物干化過程中一方面由于微生物降解有機(jī)物產(chǎn)生代謝水，造成水分增加，每降解1g有機(jī)物產(chǎn)生大約0.7g代謝水[3]；另一方面由于通風(fēng)對流水分蒸發(fā)，導(dǎo)致水分損失，含水率變化是兩者共同作用的結(jié)果。由表2可見，以麩皮作為調(diào)理劑，減量化效果最明顯，水分去除率和VS降解率均最高，VS降解量也遠(yuǎn)高于以秸稈以及木屑和麩皮混合物為調(diào)理劑的情況，這也是其累積升溫較高的原因；秸稈密度較輕，質(zhì)地蓬松，可為微生物提供很好的附著場所，且易于空氣流通，也是較為理想的調(diào)理劑；以木屑和麩皮混合物作為調(diào)理劑，VS降解率僅為17.5%，這可能是由于木屑中含有較難降解的木質(zhì)素等，在生物干化過程中幾乎沒有降解[4]，但是其干化效果并沒有受到影響，水分去除率仍高達(dá)69.1%，木屑可能起到了骨架支撐和提高孔隙率的作用。

總體而言，物料初始含水率在55%～65%，采用麩皮、秸稈或木屑和麩皮混合物作為調(diào)理劑，均能得到較好的生物干化效果，經(jīng)過18d生物干化，堆料濕重分別減少了51.9%、48.4%和42.6%，減量化效果明顯。若僅以原污泥計算，經(jīng)過混料和生物干化過程，則分別可減量27.7%、22.7%和14.0%。

2.3 調(diào)理劑對產(chǎn)物可利用性的影響

采用麩皮、秸稈以及木屑和麩皮混合物作為調(diào)理劑，堆料的初始EC值均在3.5ms/cm左右，而原污泥的EC值僅為1.4～2.5ms/cm，表明加入的調(diào)理劑是造成混合污泥EC值較高的原因。生物干化過程中EC值逐漸增加，產(chǎn)物EC值分別達(dá)到5.44ms/cm、6.40ms/cm和5.46ms/cm，這可能與生物干化過程中有機(jī)物或難溶性鹽轉(zhuǎn)化成可溶性鹽有關(guān)[5]。在種子發(fā)芽指數(shù)方面，以麩皮作為調(diào)理劑，生物干化過程中發(fā)芽指數(shù)在0%～5.5%；以木屑和麩皮混合物作為調(diào)理劑，種子發(fā)芽指數(shù)可上升至15%左右；以秸稈作為調(diào)理劑，種子發(fā)芽指數(shù)可上升至40%左右，但總體仍較低。

EC值表征污泥中的可溶性鹽的濃度，種子發(fā)芽指數(shù)表征污泥的腐熟程度，兩者均是污泥進(jìn)行土地利用的重要指標(biāo)。我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（GB/T23486—2009）規(guī)定，污泥施用到綠地后，要求對鹽分敏感的植物根系周圍土壤的EC值小于1.0ms/cm，對某些耐鹽的園林植物可以適當(dāng)放寬到小于2.0ms/cm，污泥種子發(fā)芽指數(shù)大于70%；《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)》（CJ/T309—2009）和《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置林地用泥質(zhì)》（CJ/T362—2011）均規(guī)定污泥種子發(fā)芽指數(shù)大于60%?？梢?，生物干化產(chǎn)物的可溶性鹽含量較高，若進(jìn)行土地利用應(yīng)摻入土壤，避免對園林植物造成損害；種子發(fā)芽指數(shù)則不能滿足園林綠化、農(nóng)用和林地用泥質(zhì)要求，表明生物干化產(chǎn)物的腐熟度仍較低。

表2 不同調(diào)理劑的生物干化減量化效果

3 結(jié) 語

（1）采用麩皮、秸稈或木屑和麩皮的混合物作為調(diào)理劑，對厭氧消化污泥進(jìn)行生物干化處理，在污泥∶返混泥∶調(diào)理劑=4∶1∶1時，經(jīng)過18d生物干化，含水率可從55%～65%降至27%～40%，堆體重量可減少42%～52%。其中以麩皮作為調(diào)理劑，生物干化過程55℃以上高溫維持時間最長，減量化效果最顯著，含水率可降至30%以下。

（2）生物干化產(chǎn)物的EC值較高，種子發(fā)芽指數(shù)較低，不利于植物利用。以秸稈作為調(diào)理劑，種子發(fā)芽指數(shù)相對較高，但仍不能滿足農(nóng)用、園林綠化和林地用泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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X703

：A

：1009-7716（2017）02-0149-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.046

2016-12-06

上海市國際科技合作項目（14230700400）

王逸賢（1984-），女，上海人，工程師，從事水處理研究工作。