劉 健 (貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴州貴陽550003)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展以及城市化進(jìn)程加快,近年來水資源保護(hù)工程日益增多,全國(guó)污水處理工程的建設(shè)進(jìn)程也隨之加快,污水處理率也逐漸提高,伴隨而來是污水處理廠污泥的堆積量不斷增加。然而,目前大部分污水處理廠的污泥處理并沒有形成一種穩(wěn)定化、資源化與無害化的模式。因此,污泥的出現(xiàn)不僅成為了污水處理廠的負(fù)擔(dān),而且污泥的隨意排放也對(duì)環(huán)境造成了巨大的壓力,如何處理這些污泥迫在眉睫。針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)情況,對(duì)污泥處理最有效的方式是變廢為寶地加以利用。

1 國(guó)內(nèi)污水廠污泥處理的現(xiàn)狀

20世紀(jì)中期以前,由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不高,我國(guó)污水廠的數(shù)量有限,產(chǎn)生的污泥數(shù)量少、成分簡(jiǎn)單,因而大多直接采用就地解決的方式處理污泥。由于產(chǎn)生的污泥數(shù)量少,當(dāng)時(shí)并沒有對(duì)環(huán)境造成很大的威脅。到20世紀(jì)后期,我國(guó)各地開始大規(guī)模地修建污水處理廠,但是并沒有及時(shí)對(duì)污泥進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?以致現(xiàn)在污泥開始成為威脅環(huán)境的一個(gè)重大隱患[1]。

與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)的排水業(yè)還是比較落后,污泥處理技術(shù)更是滯后,大部分的污泥要么不經(jīng)處理即填埋或送往垃圾場(chǎng),要么直接用于農(nóng)業(yè),有的甚至隨意堆放。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)污泥的主要處置方法有焚燒法、填埋法、直接烘干法和生物處理法4種。其中,直接烘干法是將污泥用氣流千燥烘干,溫度要達(dá)到200℃以上,殺死各種細(xì)菌,再進(jìn)行填埋處理;而生物處理法則利用好氧菌種與氧氣,將污泥進(jìn)行高溫發(fā)酵,利用微生物在特定的環(huán)境下對(duì)有機(jī)物進(jìn)行分解,使污泥轉(zhuǎn)變?yōu)楦迟|(zhì),用于土壤改良或肥沃土地[2]。

在我國(guó)的污水處理廠,大部分的污泥是沒有經(jīng)過任何處理就直接用于農(nóng)業(yè),即直接使用。所謂直接使用是指污泥經(jīng)過簡(jiǎn)單的脫水處理后用于農(nóng)田,甚至將污泥直接作為一種肥料來使用。使用后容易出現(xiàn)死秧、燒苗、蟲害。如農(nóng)民把污泥用于果園與菜園,施用污泥后果蔬都成長(zhǎng)迅速,但是后來就發(fā)現(xiàn)果蔬產(chǎn)量低下,而且蟲害非常嚴(yán)重。因此,農(nóng)民直接拿污泥作為農(nóng)業(yè)肥料的積極性備受打擊,因此對(duì)污泥使用的熱情也逐漸下降,使得污泥的施用范圍逐漸縮小[3]。

在我國(guó),除了直接使用,有大約40%的污水處理廠將污泥經(jīng)消化后用于農(nóng)業(yè),即間接使用。經(jīng)過了消化處理的污泥,可以減少污泥中的有害細(xì)菌,提高污泥的穩(wěn)定性,減少污泥用于農(nóng)業(yè)的負(fù)面影響。此外,國(guó)內(nèi)也有將污泥堆積后用于農(nóng)業(yè),污泥經(jīng)過堆積發(fā)酵后,可以將污泥內(nèi)的有害細(xì)菌殺死,還可以增加其內(nèi)部的腐殖質(zhì),使污泥變廢為寶。

2 污泥堆肥技術(shù)分析

將污泥堆肥資源化是對(duì)污泥處理一種行之有效的方式。

2.1 污泥堆肥的過程

目前,污泥堆肥的常用方式污泥有厭氧堆肥與好氧堆肥2種。好氧堆肥是指在有氧條件下對(duì)有機(jī)物進(jìn)行分解的過程,其分解的代謝產(chǎn)物主要是水、熱以及二氧化碳。厭氧堆肥是在無氧氣的條件下對(duì)有機(jī)物進(jìn)行分解。無氧堆肥最后的產(chǎn)物是二氧化碳、甲烷以及一些低分子量的中間產(chǎn)物。同好氧堆肥相比,厭氧堆肥的有機(jī)質(zhì)降解的能量較少,而且容易產(chǎn)生臭味。所以,好氧堆肥比厭氧堆肥更有優(yōu)勢(shì)。另外,厭氧堆肥耗時(shí)比較長(zhǎng),生產(chǎn)周期也比較長(zhǎng),不利于提高經(jīng)濟(jì)效益,因此大部分污水廠都采用好氧堆肥處理[4]。

好氧堆肥在有氧的條件下,好氧細(xì)菌對(duì)廢物進(jìn)行氧化、吸收與分解,可以將一部分有機(jī)物氧化成簡(jiǎn)單的無機(jī)物,同時(shí)還釋放出大量能量,而另外一部分有機(jī)物則被合成新物質(zhì),供微生物生長(zhǎng)繁殖。

有機(jī)物分解時(shí)伴隨有熱量產(chǎn)生,因?yàn)槎逊蔬^程中所產(chǎn)生的熱量并不能全部散發(fā)出去,就必然會(huì)使得堆肥物質(zhì)的溫度升高[5]。在這種高溫條件下,許多不耐高溫的微生物就會(huì)死亡,而耐高溫的細(xì)菌則會(huì)快速繁殖。好氧堆肥一般劃分為3個(gè)階段。

(1)升溫階段 這是堆肥過程的第1次升溫,屬初期階段。在該階段中,堆肥是物質(zhì)的溫度逐漸升高至45℃左右,主導(dǎo)性微生物以嗜溫性微生物為主,主要有放線菌、細(xì)菌與真菌,分解物以淀粉和糖類為主。

(2)高溫階段 這是堆肥過程的第2次升溫,當(dāng)溫度45℃以上時(shí)就進(jìn)入到高溫階段。在該階段中,嗜溫微生物就會(huì)因受到抑制而死亡,而嗜熱的微生物則會(huì)成為主導(dǎo)微生物。堆肥殘留物與新形成的有機(jī)物繼續(xù)被氧化,一些復(fù)雜的有機(jī)物如纖維素也開始被強(qiáng)制分解。微生物的活動(dòng)通常在50℃左右嗜熱性真菌最為活躍,溫度上升到60℃時(shí)真菌就幾乎停止所有活動(dòng),僅剩下嗜熱性細(xì)菌,當(dāng)溫度達(dá)到70℃,絕大部分的嗜熱性微生物就開始不適應(yīng),開始走向休眠階段甚至死亡。在現(xiàn)代堆肥過程中,最適宜的溫度在55℃左右,在這個(gè)溫度范圍內(nèi),大部分微生物最活躍也最容易分解有機(jī)物,而其中的寄生蟲等均可被殺死。

(3)降溫階段 經(jīng)過高溫階段,微生物絕大部分被殺死或活動(dòng)減少,接下來就進(jìn)入到降溫階段。在降溫過程中,嗜溫性生物就會(huì)逐漸占優(yōu)勢(shì),進(jìn)一步分解剩余的有機(jī)物。但是該過程堆肥物體釋放的熱量較少,溫度會(huì)逐漸下降,有機(jī)物也會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定,堆肥進(jìn)入到腐熟或者后熟階段。

2.2 污泥堆肥工藝分析

目前,典型的堆肥工藝技術(shù)主要有以下幾種[4]。

(1)發(fā)酵槽式堆肥 該種堆肥工藝主要分為隧道式發(fā)酵倉(cāng)堆肥與陽光棚發(fā)酵槽堆肥。第一種是利用封閉式的結(jié)構(gòu),物料在發(fā)酵與堆肥過程中產(chǎn)生的粉塵與臭氣,通過廢氣管收集再進(jìn)行處理。這種堆肥周期一般半個(gè)月左右,溫度可達(dá)60～70℃。第二種堆肥工藝是利用太陽能提高發(fā)酵溫度?？杀ＷC發(fā)酵不因天氣溫度的變化而中斷,周期一般在半個(gè)月左右,槽內(nèi)溫度須在55℃以上。

(2)條垛式堆肥 該種堆肥工藝可以分為靜態(tài)堆肥與動(dòng)態(tài)堆肥。靜態(tài)堆肥是指在整理后的堆肥物料上采用強(qiáng)制通風(fēng)來保證所需氧氣。動(dòng)態(tài)堆肥采用輪式或履帶式機(jī)械翻堆來使堆肥物料獲得充足氧氣的一種方式。堆肥過程中溫度可以達(dá)到75℃以上,一般翻堆的周期為每周2次。整個(gè)堆肥過程需要半個(gè)月左右。

2.3 污泥堆肥的控制參數(shù)

污泥堆肥的最終目的是使污泥處理形成一種穩(wěn)定化、資源化與無害化的模式,同時(shí)投資成本低、操作方便、技術(shù)工藝成熟,這就要求污水處理廠進(jìn)行污泥好氧堆肥時(shí)要控制好參數(shù)[5]。

(1)溫度 溫度在堆肥工藝過程中起著重要的作用,堆肥的關(guān)鍵是要使堆肥的物料溫度能夠盡快升高,維持適當(dāng)?shù)臏囟纫约澳軌蚴箿囟软樌陆?。因?yàn)橹挥性诟邷叵虏拍軌驓⑺啦【?而只有在適宜溫度下才能夠最快降解有機(jī)質(zhì)。從開始發(fā)酵開始,在1～7d左右,溫度會(huì)從18℃上升到55℃,然后保持恒溫55℃至60℃,持續(xù)18d左右后,溫度會(huì)下降到30℃左右。24d后,堆體的溫度就會(huì)保持平穩(wěn),不再上升。溫度的變化對(duì)堆肥的過程的每個(gè)階段都發(fā)揮著必不可少的作用。

(2)供氧量 好氧堆肥過程中,微生物是依賴氧氣而存活的。氧氣不足會(huì)使得微生物大量死亡,分解速度減緩。通常供氧的方式是采用強(qiáng)制通風(fēng)。

(3)水分 在好氧堆肥過程中,水分也是一個(gè)重要的因素,對(duì)于任何微生物,水分都是不可缺少的。水分在堆肥過程中的作用主要是溶解有機(jī)物及調(diào)節(jié)溫度。堆肥物料中水分參數(shù)能否控制好,直接關(guān)系到好氧堆肥的反應(yīng)速度,甚至?xí)绊懙秸麄€(gè)堆肥工藝的成效。

(4)pH pH對(duì)微生物的生長(zhǎng)也非常重要。在堆肥最開始階段,由于酸性細(xì)菌的作用,pH會(huì)下降到5.5～6.0,使堆肥物質(zhì)呈酸性,在后期,pH會(huì)有所升高,堆肥過程結(jié)束后,pH會(huì)上升到8.5～9.0左右。

3 小結(jié)與展望

污泥的堆肥資源化是對(duì)污泥的一種有效處理方式,可以將污泥變廢為寶,進(jìn)行生態(tài)化的循環(huán)利用,有利于減少對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重威脅,緩解對(duì)環(huán)境所造成的壓力。但是,我國(guó)污泥堆肥資源化的技術(shù)還不成熟,設(shè)施條件也不完善,因而有必要加強(qiáng)對(duì)該技術(shù)的研究。例如,污泥的資源化利用及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受到氣候條件、植物種類、土壤性質(zhì)和污泥性狀象等因素影響,使用時(shí)須考慮上述相關(guān)因素,但我國(guó)還缺乏一套完善的污泥利用技術(shù)規(guī)范,而且對(duì)污泥與施用污泥土壤中有機(jī)污染物的研究較少,不利于污泥利用的規(guī)范化管理和土壤生態(tài)保護(hù)。此外,由于過量重金屬隨污泥進(jìn)入土壤會(huì)造成環(huán)境危害,因此重金屬含量是限制污泥大規(guī)模利用的最關(guān)鍵因素,需通過化學(xué)或生物學(xué)方法來降低污泥中重金屬含量。因此,必須加強(qiáng)開展污泥堆肥資源化技術(shù)的研究,并制定技術(shù)性規(guī)范和法規(guī),以利于該技術(shù)應(yīng)用和推廣。

[1]王敦球,解慶林,李金城.城市污水污泥農(nóng)用資源化研究 [J].重慶環(huán)境科學(xué),1999,11(2):95-96.

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[4]張 霞.城市污水處理廠污泥堆肥資源化利用的可行性研究[D].四川:西南交通大學(xué),2008.

[5]周少奇.城市污泥處理處置與資源化 [M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2002.