來自洗毛廢水絮凝沉積物的生物質(zhì)肥料制備

徐 升，徐 鵬，趙浦岐，杜玉婷，葛振楠，閆 涵

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學 輕工與紡織學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

洗毛污泥中有許多的細菌、寄生蟲以及一些固體的懸浮雜質(zhì)等，如果沒有采取適當?shù)拇胧┻M行處理，會造成二次污染[1]。目前對于洗毛污泥的相關(guān)處理方式為：衛(wèi)生填埋、土地直接施用和焚燒等[2-3]，上述方法不僅消耗大量熱能，而且也不符合可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保要求。

洗毛污泥中含有大量的無機、有機元素，可運用好氧發(fā)酵等方法將其制作成肥料，用于改良土壤，增加土地微量元素，補充植物所需的營養(yǎng)成分，進而增強植物的抵抗力并加快生長速度[4]；另一方面洗毛廢水處理過程中加入的少量絮凝劑，如聚合氯化鋁、聚丙烯酰胺等，其不僅對土壤無害，有些還會在堆肥過程中被消化，起到保土、保水、保肥和增產(chǎn)的作用[5]。

本文選取鄂爾多斯資源股份有限公司絨紡事業(yè)部分梳車間的一槽洗毛廢水，用聚合硫酸鋁鐵、聚合氯化鋁、硫酸鐵3種絮凝劑進行絮凝試驗。在去除污泥中的羊脂后，通過接種有機發(fā)酵菌、EM菌和污泥發(fā)酵菌進行好氧發(fā)酵試驗，同時設(shè)置對照試驗，通過溫度、pH值、水分和有機物的含量進行分析，以探究生物堆肥的可行性。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

洗毛廢水(鄂爾多斯資源股份有限公司絨紡事業(yè)部分梳車間一槽洗毛廢水)；硫酸鋁(天津市致遠化學試劑有限公司)；聚合氯化鋁、聚合硫酸鋁鐵(無錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司)；EM菌(廣州市睦邦科技有限公司)；CK酵母菌、有機發(fā)酵菌(鄭州旺農(nóng)寶生物科技有限公司)；污泥發(fā)酵菌(山東貝佳生物科技有限公司)；環(huán)己烷(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 洗毛廢水的絮凝

正交試驗：試驗變量設(shè)計為絮凝劑種類、接種量、pH值，設(shè)置3因素3水平正交試驗，通過分析廢水的吸光度及其絮凝前后的pH值確定最優(yōu)工藝。

將3種絮凝劑按照正交表設(shè)計參數(shù)分別加入裝有200 mL且已設(shè)置好pH值的洗毛廢水燒杯中，攪拌3 min，攪拌結(jié)束后，靜置2 h。

絮凝結(jié)束后，廢水分為上下2層，以波長380 nm測定其上層吸光度數(shù)值，并做好數(shù)值記錄，下層沉淀物即為洗毛污泥。

1.2.2 污泥中的羊脂提取

按正交設(shè)計最優(yōu)工藝進行絮凝，取絮凝液下層污泥置于烘箱中烘干，加入環(huán)己烷進行萃取，環(huán)己烷與污泥的質(zhì)量比為10∶1，萃取時間5 min；萃取結(jié)束后離心 (轉(zhuǎn)速為4 000 r/min) 5 min，離心完畢后取下層絮凝物進行污泥發(fā)酵；上清液即為羊脂與環(huán)己烷的混合溶液。

1.2.3 污泥的發(fā)酵

污泥的發(fā)酵試驗分為4步：

①污泥和稻殼按照質(zhì)量比2∶1的比例混合，分別添加在5個桶中(編號1～5)，使5組含水率均在65%，之后按照3%的比例將菌劑添加到2～5號桶內(nèi)，手動攪拌，使菌落均勻分散開，最后形成一個約5 L的小型好氧發(fā)酵裝置，1號桶做空白對照試驗(即1號桶不添加菌劑，自然發(fā)酵)；(2～5號桶依次添加CK酵母菌、有機發(fā)酵菌、EM菌、污泥發(fā)酵菌)。

②測溫：每日上、下午固定時間分別測溫1次，利用水銀溫度計在樣品中心插入5 cm左右，待溫度穩(wěn)定之后進行讀數(shù)，每個樣品每次分不同位置測量5次。

③翻堆：每隔3 d進行翻堆，使污泥均勻發(fā)酵，翻堆之后，做好桶內(nèi)高度的測量。

④檢測：檢測項目包括pH值、含水率、有機碳含量、全氮含量、全鉀含量。全氮、全鉀含量參考NY 525—2012《有機肥料》進行測試；總有機碳參考HJ 695—2014《土壤有機碳的測定 燃燒氧化-非紅外分散法》進行測試。檢測條件：溫度24 ℃，相對濕度28%。檢測樣品質(zhì)量均為20 g。測試儀器：kjeltecTM8100凱式定氮儀(美國FOSS公司)，OI Analytical總有機碳分析儀(美國OI Corporration公司)，ZA3300 7J1-8327原子吸收分光光度計(日本HITACHI公司)。

1.3 污泥評價標準

1.3.1 物理評價指標

溫度：堆肥時，溫度被劃分為升溫、高溫、降溫和穩(wěn)定4個階段。通常情況下，肥料需要花2～3 d完成升溫，為確保廢棄物無害，通常需要5～10 d保持這一高溫不發(fā)生較大變化。在高溫階段之后，堆肥溫度會慢慢降低至環(huán)境溫度，此時堆肥的腐熟度就趨于穩(wěn)定[6]。

顏色及氣味：腐熟堆肥主要具備如下特征，溫度接近自然環(huán)境的溫度，且異味已經(jīng)消散，附近也沒有蚊蠅，結(jié)構(gòu)比較疏松，且顆粒狀清晰可見[7]。

1.3.2 化學評價指標

pH值：受到微生物活動的影響，腐熟堆肥通常都為弱堿性，pH值保持在8～9之間，不過pH值的高低也和發(fā)酵材料有關(guān)。

氮的變化：在堆肥時，由于是處在堿性環(huán)境中，一部分氮離子可能會轉(zhuǎn)化成氨氣，隨后揮發(fā)到空氣當中，另一部分則可能會在硝化作用下變?yōu)橄跛岣x子。

碳與氮(C與N)質(zhì)量比的變化：堆肥中的碳元素可以給微生物提供能量，氮元素可以給微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)，有機質(zhì)在腐殖化的過程中，碳類有機物會被分解成二氧化碳或者其他腐殖物質(zhì)，一般來說，總有機碳、全氮含量高時腐熟效果較好[8]。

2 試驗數(shù)據(jù)及分析

2.1 洗毛廢水正交試驗

試驗設(shè)計變量為絮凝劑種類A、絮凝劑的投入量B、pH值C，組成3因素3水平正交試驗，以吸光度為評價指標進行正交分析。正交試驗及結(jié)果如表1所示。表中A1代表聚合硫酸鋁鐵、A2代表硫酸鋁、A3代表聚合氯化鋁。

表1 正交試驗結(jié)果Tab.1 Orthogonal data table

由表1可知，因素A(絮凝劑種類)的極差R1=0.207>因素B(絮凝劑的投入量)的極差R2=0.048=因素C(絮凝前pH值)的極差R3=0.048。根據(jù)R1>R2=R3，得出各因素影響大小為：絮凝劑種類>絮凝劑投量和絮凝前pH值。取各因素最大值得出最優(yōu)水平A3B2C2，即絮凝劑選用聚合氯化鋁，絮凝前pH值為8，投入量為1.5 g/(200 mL)時絮凝效果最好。

2.2 污泥處理數(shù)據(jù)

2.2.1 溫度對洗毛污泥發(fā)酵的影響

洗毛污泥接種微生物菌劑前，預(yù)處理污泥混合物呈褐色，咖啡味濃。由于外界溫度在10 ℃以上，接種后升溫速度較快，高溫期持續(xù)時間在12 d左右。污泥發(fā)酵溫度變化曲線如圖1所示。當環(huán)境溫度高于15 ℃時，微生物的活性會迅速增加，不斷增加污泥的發(fā)酵溫度，達到高溫后會維持一定的時間。高溫結(jié)束后，污泥混合物會逐漸向環(huán)境溫度靠攏，直至趨于穩(wěn)定，此時發(fā)酵系統(tǒng)即為腐熟。通過對比來看，添加菌劑主要影響的是發(fā)酵速度。

圖1 污泥發(fā)酵溫度變化曲線Fig.1 Temperature curve of sludge fermentation

溫度是發(fā)酵過程最關(guān)鍵的一個參數(shù)，一方面高溫讓無害化進行得更徹底，另一方面過高的溫度又會讓微生物休眠，不利于物料的降解。對于無害化要求，一般是將堆體溫度維持在55 ℃以上，持續(xù)7 d。如果溫度過高，就要增大通風曝氣量；溫度過低時，就要減少曝氣量，減少翻拋，減少熱量損失。

2.2.2 含水率對洗毛污泥發(fā)酵的影響

含水率是污泥發(fā)酵的一個重要指標，通過含水率的變化可以對污泥發(fā)酵過程進行監(jiān)控。微生物在含水率為50%～60%之間最為適合[9]，如果含水率低于40%，則會限制微生物的活性；高于70%，會產(chǎn)生厭氧的發(fā)酵環(huán)境，會相對降低污泥發(fā)酵效率。伴隨著發(fā)酵的進行，水分會逐漸散失，所以每隔一定的時間就要測試其含水率，以保證發(fā)酵的正常進行。

2.2.3 pH值對于洗毛污泥發(fā)酵的影響

pH值是指示微生物生存環(huán)境和有機物降解的重要指標。合適的pH值可以提高有機質(zhì)降解速率，縮短堆肥進入高溫期的時間。適宜堆肥的pH值范圍為7.5～8.5[10]，超出此范圍會對微生物的活動起到抑制作用。pH值的變化范圍與堆肥原料的性質(zhì)和堆肥條件等因素有關(guān)。雖然在堆肥過程中，污泥混合物的pH值在動態(tài)變化，但最終都能夠通過自身得到調(diào)節(jié)。如果沒有特殊情況，一般不必調(diào)節(jié)，微生物可在pH值6.7～9.0的較大范圍內(nèi)正常繁殖。

2.2.4 洗毛污泥中有機碳/全氮/全鉀等元素變化

有機碳、全氮、全鉀檢測數(shù)據(jù)見表2，微量元素散點圖見圖2。

表2 有機碳、全氮、全鉀檢測數(shù)據(jù)Tab.2 Detection data of organic carbon, total nitrogen and total potassium

圖2 微量元素散點圖Fig.2 Scatter plot of trace elements

通過數(shù)據(jù)分析可知，5組樣品中微量元素含量正常，C與N質(zhì)量比分別為0.060、0.067、0.070、0.081、0.066。通過比對可知，CK酵母菌與有機發(fā)酵菌的C與N質(zhì)量比較低，參照標準來說，即其發(fā)酵的效果較好，添加菌劑的其他2組發(fā)酵效果相對較差。添加有機發(fā)酵菌的污泥組中的全鉀、全氮、總有機碳含量較CK酵母菌污泥組高，故其效果較好。

3 結(jié) 論

在相同的外界條件下，絮凝劑聚合硫酸鋁鐵、硫酸鋁、聚合氯化鋁對于洗毛廢水的絮凝都有一定的效果，但是由于絮凝劑本身的特性，導(dǎo)致絮凝后的廢水酸堿度不一致，因此，本著既要保證絮凝效果又要避免對環(huán)境造成二次影響的原則，選取聚合氯化鋁進行絮凝，設(shè)計并進行正交試驗，得出優(yōu)化處理工藝：洗毛廢水絮凝前pH值為8、絮凝劑投入量為1.5 g/(200 mL)時效果較好。

通過污泥發(fā)酵試驗可知，CK酵母菌對照組的發(fā)酵速度明顯比其他3組的發(fā)酵速度慢，并且發(fā)酵過程中所有試驗組別的pH值一直處于8～9之間，這是由于微生物發(fā)酵時，氮元素經(jīng)過不斷的分解，產(chǎn)生弱堿性的氨所導(dǎo)致；從溫度角度看，發(fā)酵速度以有機發(fā)酵菌最為明顯，結(jié)合溫度等因素判斷，有機發(fā)酵菌為快速堆肥的理想選擇。