城市污水廠脫水污泥好氧發酵強化技術及效果

楊廣平,張 云,李海兵,鄒 超,劉 巖,李 彭

(1.南京清元景和環境科技有限公司,江蘇南京 210019;2.南京水務集團有限公司,江蘇南京 210002;3.江蘇金陵環境股份有限公司,江蘇南京 210014;4.上海交通大學環境科學與工程學院,上海 200240)

當前,隨著我國城市化的快速發展,污水處理設施日益增多,隨之帶來的污泥處理處置問題日益嚴峻。根據《2021年城鄉統計年鑒》及《2021年中國環境公報》統計,截至2021年年底,全國污水處理廠污水處理能力為2.02億m3/d,每年產生的城市污泥(含水率按80%考慮)達到6000萬t。城市污泥具有“資源”和“污染”的雙重屬性。根據國家2021年6月發布的《“十四五”城鎮污水處理及資源化利用發展規劃》及2022年9月發布的《污泥無害化處理和資源化利用實施方案》要求,“十四五”期間,全國新增污水處理能力2000萬m3/d,新增污泥(含水率80%的濕污泥)無害化處置設施規模不少于2萬t/d,城市污泥無害化處置率達到90%以上,地級及以上城市達到95%以上,基本形成設施完備、運行安全、綠色低碳、監管有效的污泥無害化資源化處理體系。因此,實現污泥的資源化利用不僅是環境保護的需要,更是一項重大的國家戰略要求。

污泥好氧發酵處理技術設備簡單,運行操作方便,基建投資和運行費用都低,可廣泛應用在中小規模污水廠,發酵后熟化污泥可用于土壤修復、園林綠化,是目前污泥資源化的重要研究方向。好氧發酵過程也是微生物降解有機物維持生命活動的自發熱過程[1],堆體溫度是衡量污泥好氧發酵過程是否成功的關鍵參數。因此,改善處理技術如添加膨松劑[2]、接種微生物菌劑[3-5]、控制好氧發酵工藝條件(如pH、C/N、通風條件)[6-8]等均能對微生物的生長有積極的影響,進而有助于達到嗜熱溫度階段[6]。翻拋能使物料均勻,有利于堆體充氧、進而促進發酵、改善發酵產品品質[8]。本研究擬通過接種耐高溫菌劑、添加活性炭并結合不同的翻拋模式,利用箱式好氧發酵槽開展污泥好氧發酵試驗,研究耐高溫菌劑、活性炭和翻拋在污泥好氧發酵各階段作用,為提高污泥好氧發酵工藝提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗在南京某污水處理廠進行,供試的脫水污泥來自該廠污泥濃縮池,經過試驗自備的板框壓濾機脫水,進入試驗的好氧發酵工藝流程。調理劑采用粉碎的小麥秸稈,粒徑為1～2 cm。污泥的含水率、有機質含量、總有機碳(TOC)、TN、pH值和電導率分別為83.3%±0.5%、57.3%±0.5%、(209.2±5) g/kg、(44.0±1.0) g/kg、5.88和0.334 mS/cm。小麥秸稈的含水率、有機質含量、TOC和TN分別為8.2%±0.5%、88.2%±0.5%、(426.4±5) g/kg和(6.2±1.0) g/kg。接種菌劑采用自主研發的固態和液態兩種好氧發酵菌劑,其中,固態好氧發酵菌劑可耐受一般好氧發酵溫度為60～65 ℃,以下簡稱“常規菌劑”;液態好氧發酵菌劑可耐受較高發酵溫度為65～70 ℃,以下簡稱“耐高溫菌劑”。耐高溫菌劑主要菌屬包括:Geobacillus、Bacillus、Chelativo-rans和Thermobacillus等。所用的廢棄活性炭為粉末煤質活性炭,粒徑為8～30目,比表面積>1 000 m2/g,碘值>1 050 mg/g,取自南京某自來水廠的活性炭濾池上層。廢棄活性炭重金屬含量為:總鉻4.54 mg/kg、總銅210.47 mg/kg、總砷21.57 mg/kg、總鎘3.28 mg/kg、總鉛1.04 mg/kg。

1.2 試驗設備

試驗采用自主研發制作的污泥好氧發酵槽設備(L×B×H為2.0 m×1.0 m×1.2 m),在發酵槽一側開門做出料口,槽體上設置有翻拋系統,槽體底部布置有曝氣風管,采用變頻鼓風機和可編程邏輯控制(PLC)系統聯動控制對發酵槽內堆體進行通風供氧,控制流量為5～10 m3/h。此外,發酵槽還設置有氧含量傳感器和溫度傳感器,和PLC系統共同構成智能控制污泥好氧發酵系統,實現污泥發酵過程自動翻拋、自動曝氣。堆體兩側各設一個溫度探頭,PLC每分鐘記錄一次數值,同時記錄環境溫度;發酵物料堆芯處預埋氧含量探頭。試驗設備和好氧發酵工藝如圖1所示。

圖1 污泥好氧發酵槽及好氧發酵工藝

1.3 試驗設計

將計算稱重好的城市污泥和小麥秸稈分別通過螺旋輸送機送入臥式螺帶混料機里充分混合,混合過程中分次加入調配好的微生物菌劑,混合均勻后進入發酵槽發酵?；旌衔锪峡傎|量為400 kg,設計混合物料初始含水率為60.0%±1.5%,C/N為25∶1。本試驗共設5組(A1～A5),以添加常規菌劑為對照。通過變頻鼓風機通風和PLC聯鎖控制氧含量在8%～15%。設計試驗組如表1所示。

表1 試驗設計

1.4 取樣與分析方法

在堆體首尾兩端上下部4處取樣,總重500 g,混合均勻后進行分析。按照農業農村部行業標準《有機肥料》(NY 525—2021)中所規定的方法進行含水率、有機質、pH、電導率和種子發芽率指標的檢測。

2 結果與討論

2.1 堆體溫度變化分析

好氧發酵堆肥試驗周期為20 d,20 d后堆肥出料至槽外靜態二次發酵至40 d。各試驗組處理的溫度變化趨勢如圖2和表2所示。堆體A2～A5經歷了快速升溫、高溫持續和緩慢降溫等階段;對照組A1試驗組堆體升溫期不翻拋,堆體升溫緩慢,發酵進程滯后,發酵至第8 d才升溫至60 ℃以上,且持續高溫時間短。對比A2組與A3組的堆體溫度曲線,可以發現A2組在高溫期出現了迅速降溫(第4～6 d)和二次升溫(第6～9 d)的現象,而A3組的高溫期溫度維持相對穩定,這說明通過溫度連鎖翻拋設備的自動控制策略有利于穩定維持高溫期的發酵溫度,緩解顯著降溫和二次升溫問題。升溫期翻拋有助于好氧發酵過程增加堆體氧氣含量,堆體升溫速度快?？刹捎脮r間控制模式,翻拋頻率控制在間隔6～8 h(A2～A5)。高溫期采用溫度聯鎖控制翻拋模式(A3～A5),有助于堆體穩定維持高溫。

表2 各試驗組別堆體溫度變化

圖2 各試驗組別堆體溫度與環境溫度隨時間變化

根據圖2(d)和圖2(e),加入耐高溫菌劑和活性炭均能提升堆體升溫速率,堆體在12 h內快速升溫至60 ℃以上,且維持高溫時間長,保證堆體持續高溫好氧發酵。A2和A3呈現兩個明顯溫度峰值,A2堆體發酵至第6 d時溫度驟降至29 ℃,是由于高溫期翻拋不及時,溫度持續在65～70 ℃高溫,甚至70 ℃以上,普通菌劑不耐受此溫度而大量死亡,發酵階段性結束造成的溫度驟降;第二個峰值是由于微生物重新繁殖生命活動帶來的溫度高值。因此,高溫期采取溫度聯鎖控制翻拋,維持堆體溫度在65～60 ℃的試驗組A3此趨勢有所緩解。對于加入耐高溫菌劑和活性炭并采用高溫期溫度聯鎖控制翻拋工藝的A4和A5堆體,則能維持較長的高溫期好氧發酵,發酵12 d后逐漸降溫至40 ℃,并逐步趨向于環境溫度。這表明A4和A5堆體內微生物活性明顯高于其他試驗組,與污泥超高溫堆肥技術[1,5,9]中的溫度行為相同?？梢?在污泥好氧發酵過程中,加入少量的活性炭可以改善好氧發酵的穩定性,還可以消納廢棄活性炭,達到廢棄物資源化的目的。而接種耐高溫菌劑,可以提高好氧發酵溫度,有利于有機質轉化和含水率的降低。因此,加入少量活性炭和接種耐高溫菌劑是強化好氧發酵的有效技術手段。

2.2 堆體含水率、有機質變化分析

由于熱和通風的綜合作用,堆體發酵過程中水分因蒸發而減少,有機質被微生物降解而減少,有機質含量通常在發酵末期達到相對穩定的狀態,表示好氧發酵進入腐熟階段[10]。

由圖3可以看出各試驗組發酵過程中堆體含水率和有機質含量呈現相同的規律,均隨著發酵時間延長逐漸減少,前7 d速度較快,后面較緩。根據圖3(a),A2～A5組好氧發酵過程中堆體含水率的變化趨勢接近,發酵前7 d,堆體的含水率迅速下降至27%左右,而對照組A1含水率降低速率相對較小,降低至35.8%,說明發酵初期微生物大量繁殖生長,升溫速率快,持續高溫期長的A2～A5含水率降速也快。根據圖3(b),好氧發酵過程中各組堆體的有機物均表現出快速降解,其中A4和A5的有機物降解速率最快,A2和A3次之,對照組A1的降解速率最低。好氧發酵第7 d,A4和A5組堆體有機物由初始的58%降至43%,A1、A2和A3分別降低至51%、47%和48%,說明接種耐高溫菌劑和添加活性炭可以強化發酵過程,促進有機質降解;而A2和A3組,盡管高溫期持續時間長,但因水分蒸發過快,溫度過高,不適應普通微生物生命活動,有機物降解速率不及A4和A5。對照組A1組好氧發酵過程翻拋不及時,充氧不均勻,微生物生命活動低,發酵進程最為緩慢。

圖3 40 d內各試驗組別堆體含水率和有機質變化

發酵至20 d,含水率降低速率逐漸變緩,除A1含水率為22.6%,A2～A5含水率均降低至20%以下且降低速率差別不明顯,其中A4和A5的含水率分別為18.00%和19.65%;相應的有機質降解速率也趨于平緩,A4和A5有機質含量降低至37.9%和38.6%,A1、A2和A3有機質含量分別降低至44.5%、42.6%和41.9%。發酵至40 d,A1含水率為15.7%,A2～A5含水率均降低至10%左右,堆體減量化效果更明顯;A1有機質含量為38.6%,A2和A3為36%左右,而A4和A5有機質含量最低,為33%左右。

綜上,升溫期適宜的翻拋聯合高溫期溫度聯鎖控制翻拋模式,疊加耐高溫菌劑和活性炭的A4和A5試驗組減量化、無害化效果更明顯。好氧發酵7 d含水率即可降低到30%以下,完成二次腐熟的堆肥產物有機質含量超過35%,滿足《有機肥料》(NY/T 525—2021)對產品的品質要求。

2.3 堆體pH、電導率變化分析

pH是堆肥過程中影響微生物生長和繁殖的重要因素,當pH值為7～8時,微生物生長繁殖快,有機物降解效率高,而過高或過低的pH都會影響好氧發酵[11]。從圖4(a)中看出試驗組A1～A5堆體發酵過程中各階段pH整體呈現先上升后下降的趨勢。好氧發酵初始,各試驗組pH值都在6.3左右,呈弱酸性。發酵3 d,各試驗組pH值均大幅度升高,升至7.0以上,升幅最大的是試驗組A2和A4,其次是A5;發酵7 d,除A2和A5呈現下降的趨勢,其余均持續上升;發酵12 d,除A3略微下降,其余各試驗組均呈現緩慢上升的趨勢;發酵20 d時,pH值均在7.2～8.3;至好氧發酵結束40 d時,5種處理的堆肥呈現中性偏弱堿性,滿足《有機肥料》(NY/T 525—2021)對產品pH值=5.5～8.5的要求。從整個堆肥過程來看,pH的變化與微生物活動強弱有密切關系,A2持續高溫造成微生物死亡,厭氧菌大量繁殖,堆體酸化,造成pH顯著變化,而A3、A4和A5發酵升溫快,發酵前期pH上升明顯。另外,這種堆肥的弱堿性pH可以通過有機氮礦化釋放氨和微生物分解有機酸[1]來解釋;然后隨著發酵過程的進行,氨在嗜熱階段的揮發和逐漸增強的硝化作用,造成發酵后期pH降低[1,11]。

圖4 40 d內各試驗組別堆體pH值和電導率變化趨勢

從圖4(b)中看出電導率整體呈現逐漸增加的趨勢。堆肥過程中試驗組電導率維持在1.6～4.0 mS/cm,符合國家相關標準;電導率的變化在各個試驗組之間差異不明顯,A1對照組因發酵進程緩慢,發酵至中間12 d,電導率超出4.0 mS/cm,其后隨著發酵進行,緩慢降低至4.0 mS/cm左右。電導率的增加可能是由于有機物分解過程中釋放的礦物鹽和銨離子引起的,然后隨著發酵的進行,氨的揮發和礦物鹽的沉淀導致電導率逐漸趨于穩定[1,11]。綜上,通過堆體發酵過程中pH和電導率的變化分析,與A1、A2和A3相比,A4和A5微生物活性更高,更利于堆體快速穩定。

2.4 堆肥產物及浸出液中氮素物質含量

氮含量是堆肥產物品質的重要指標,不合理的堆肥條件可能導致過度的氮損失。選擇A3、A4和A5 3種工況堆肥產物,分別檢測最終堆肥產物TN、浸出液中氨氮和硝態氮的濃度,結果如表3所示。耐高溫菌劑的堆肥產物總氮含量略高于常規菌劑,浸出液中氨氮和硝態氮差異較小;加入活性炭的堆肥產物總氮含量大幅高于前兩者,達到42.30 g/kg,浸出液中的氨氮和硝態氮含量也較高。以上結果說明,從堆肥產物的含氮量角度評價,加入活性炭的強化手段能夠提高產物的保氮效果,而高溫發酵的強化效果不顯著。按照《有機肥料》(NY/T 525—2021)標準要求,有機肥料總養分(N+P2O5+K2O)的質量分數應≥4.0%。加入活性炭的好氧發酵產物的含氮量高于4.0%,僅以氮評價已經達到標準的品質要求,又可利用自來水廠廢棄活性炭,和市政污泥好氧發酵堆肥協同處理,具有很好的資源循環、降碳減排效益。污泥在好氧發酵過程中進行降解和轉化,與重金屬結合后能夠降低其生物可利用形態[12]。在高溫好氧發酵條件下,抗生素等新污染物也可以得到大幅削減[13]。但值得注意的是,盡管廢棄活性炭主要來自城市自來水廠,但飲用水源中的重金屬和新污染物等具有環境風險的物質可能在活性炭中富集。利用廢棄活性炭強化污泥好氧發酵,堆肥產物的環境生態風險有必要開展系統深入的研究,確保資源化過程的生態安全性。

表3 堆肥產物及浸出液中氮素物質含量

2.5 種植試驗分析

取A4試驗組發酵腐熟40 d的污泥好氧發酵產物,測定其種子發芽指數為89%。進行植物種植試驗,試驗采取與不添加發酵污泥的同質素土作參照,在本試驗所在污水廠的建筑垃圾回填土壤上種植波斯菊和油菜兩種植物,并進行植物生長觀察。油菜和波斯菊生長情況分別如圖5和圖6所示,對應的植物生長情況的數據參數列入表4和表5。

表4 油菜種植第25 d植株生長對比

表5 波斯菊種植第25 d植株生長對比

圖5 油菜種植試驗

圖6 波斯菊種植試驗

由圖5和圖6的油菜和波斯菊生長情況看出,添加了堆肥污泥的兩種植物,從發芽率、植物根莖粗細、植株莖的長度及植株葉片直徑均明顯優于素土種植的植物,說明發酵污泥能促進植物生長。

油菜比波斯菊發芽和生長快,前期油菜生長較旺盛而波斯菊生長緩慢,后期至第25 d兩者生長情況接近,均達到茂盛階段。同期對比兩者生長情況可以看出,堆肥對波斯菊的生長促進優勢比油菜顯著。

3 結論

本文試驗基于智能控制污泥高溫好氧發酵工藝,討論了堆肥發酵過程中不同階段翻拋模式、耐高溫菌劑以及活性炭3個因素對好氧發酵工藝的影響,并進行了兩種植物種植試驗。

(1)按照好氧發酵不同階段,采用升溫期時間控制和高溫期堆體溫度反饋控制的翻拋控制策略有利于堆體的快速升溫,以及維持高溫期溫度的穩定,避免過溫導致的降溫和二次升溫問題。升溫階段適宜翻拋頻率為間隔6～8 h,高溫階段溫度限值根據菌劑可設定為60～70 ℃。

(2)添加耐高溫菌劑能顯著提升堆體升溫速率,12 h內快速升溫至60 ℃,高溫期溫度可提升至70 ℃以上,持續維持高溫期(≥60 ℃)5 d,有機物降解加速,發酵產物腐熟加快。

(3)添加活性炭亦能顯著提升堆體升溫速率,10 h內快速升溫至60 ℃,增加堆體孔隙率,促進堆體內部充氧,堆肥產物品質滿足標準要求,同時再利用自來水廠廢棄活性炭,實現水-泥協同處理、降碳減排、資源循環。

(4)翻拋模式采用升溫期時間控制翻拋和高溫期溫度聯鎖控制翻拋相結合,并接種耐高溫菌劑(A4)和添加活性炭(A5)的堆體微生物活性更強,7 d含水率可降至30%以下;發酵20 d的A4和A5的含水率分別為18.00%和19.65%,有機質含量分別為37.9%和38.6%。

(5)污泥好氧發酵產物明顯有助于油菜和波斯菊生長,無燒苗現象。適于在土壤改良、園林綠化等場景進行應用,實現泥-土資源化循環。