超高温自发热好氧堆肥工艺处理剩余污泥薛兆骏

中国环境科学2017,37(9)：3399~3406ChinaEnvironmentalScience超高温自发热好氧堆肥工艺处理剩余污泥薛兆骏1,周国亚2,俞肖峰2,王洪春2,王耀元2,郑大为2,贾方旭1,黄宇1,王淑莹1,彭永臻1*(1.北京工业大学,国家工程实验室,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124；2.鹏鹞环保股份有限公司,江苏宜兴214205)摘要：对超高温(~80℃)自发热好氧堆肥工艺进行了研究,重点考察了堆肥过程中温度、含水率、氨氮浓度、氨气浓度、细菌丰度、污泥中可挥发性固体(VS)、种子发芽率(GI)的变化情况.并利用高通量测序考察了堆肥前后物料中微生物种群结构的变化情况.结果表明:堆肥过程中平均温度始终保持在70℃以上,峰值在82℃.含水率,VS随堆肥进行逐渐下降,最终含水率从44.17%降至31.94%,VS从45.08%降至40.25%.发酵最终减容40.95%,减量50.23%.细菌丰度在第一个周期中迅速减少,然后趋于稳定.NH4+-N在8.80~11.66mg/g干污泥内变化.浸提液稀释75倍时对种子发芽有明显促进作用.高通量测序分析显示:堆肥结束后,剩余污泥中的微生物93%以上裂解死亡.功能菌中主要为Firmicutes门中的Saccharomonospora属、Bacillus属、Geobacillus属、Oceanobacillus属,以及Actinobacteria门中的Actinomadura属、Thermobifida属,总量达83.09%.最终堆肥产品稳定无异味.关键词：超高温；好氧堆肥；剩余污泥；减容减量；稳定化中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)09-3399-08Ultrahightemperatureaerobiccompostingprocessintreatingmunicipalsludge.XUEZhao-jun,ZHOUGuo-ya,YUXiao-feng,WANGHong-chun,WANGYao-yuan,ZHENGDa-wei,JIAFang-xu,HUANGYu,WANGShu-ying,PENGyong-zhen*(1.NationalEngineeringLaboratoryforAdvancedMunicipalWastewaterTreatmentandReuseTechnology,KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China；2.PenyaoEnvironmentalProtectionCo.Ltd.,Yixing214205,China).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(9)：3399~3406Abstract：Thedynamiclawoftemperature,moisture,ammoniumion,ammonia,bacteriaabundance,volatilesolid(VS)andseedgerminationindex(GI)wasstudiedduringtheultrahightemperature(~80℃)aerobiccompostingprocess.Meanwhile,thetranslocationofmicrobialcommunitystructurewasrevealedbyhigh-throughputsequencingtechnology.Theresultsshowedthattheaveragetemperatureincompostingprocessremainedabove70℃andthemaximumvaluewas82℃.MoistureandVSweredecreasingfrom44.17%to31.94%and45.08%to40.25%duringcompostingprocess,respectively.Noticeablevolume(40.95%)andmass(50.23%)reductionwasacquired.Theabundanceoftotalbacteriahasdeclineddramaticallyinthefirstcycleandthenmaintainedastablelevel.TheconcentrationofNH4+-Nwasvariedbetween8.80and11.66mg/gSS.Theobviousfacilitationofseedgerminationwasverifiedat75timesdilutedliquidextract.High-throughputsequencingresultsshowedthatabove93%ofbacterialcellswerelysedaftercompostingprocess.ThefunctionalbacteriawasbelongedtophylaofFirmicutes(generaofSaccharomonospora,Bacillus,GeobacillusandOceanobacillus)andActinobacteria(generaofActinomaduraandThermobifida),whichaccountfor83.09%ofthetotalbacteriaabundance.Finally,thestableandodorlesscompostproductwasachieved.Keywords：ultrahightemperature；aerobiccompost；municipalsludge；sludgereduction；stabilization截至2015年9月,全国城镇累计建成污水处理厂3830座,污水处理能力已达1.62亿m3/d,随之产生的剩余污泥已经突破3000万t/a.而且2010年有55.7%的污泥未经任何稳定化处理,2015年仍有44%的污泥未经无害化处理,污泥处理发展缓慢[1-2].收稿日期：2016-12-26基金项目：国家重点研发计划课题(2016YFC0401102);北京市教委资助项目*责任作者,教授,[e-mail]3400中国环境科学37卷污泥中含有大量的有机物,易腐败产生臭气,同时根据污水厂进水水质的不同,剩余污泥中也可能含有重金属及其他有毒有害物质.大量的污泥不经处理随意堆放,极容易造成二次污染,成为威胁环境安全的巨大隐患.大量剩余污泥亟待处理,但目前常用的处理工艺都有各种各样的问题,各工艺优缺点分析见表1.在此背景下,为探索污泥处理的新出路,并实现资源的回收利用,本实验对污泥超高温自发热好氧堆肥技术进行了研究和分析.主要对本工艺堆肥过程中的温度、含水率、pH等指标的变化情况进行研究,并考察堆肥减容减量的效果和减容减量的途径,以及本工艺能否实现污泥处理的稳定化和资源化.表1各污泥处理工艺优缺点分析Table1Characteristicsofdifferentsludgetreatmentprocess污泥处置工艺工艺优点工艺缺点发展状况参考文献填埋前处理简单、处理费用低未进行稳定化处理,容易对环境造成二次污染,适宜污泥填埋土地减少逐渐减少[4,7-8,11-12]厌氧消化能实现资源回收利用,消化后污泥稳定,无需曝气,节能降耗国内污泥有机质含量低,国外成熟工艺不适应;设备多,工艺复杂,前期投资大;上清液需二次处理;会产生臭气;集气装置复杂,危险性高国内处于起步阶段[2,4-5,10,13]干化焚烧处理彻底,减容减量效果最好工程规模大,工艺复杂,成本高;产生二恶英等致癌气体;国内污泥有机质含量低,污泥热值低,焚烧产值很小近几年有较快发展[1,3,7-9,11-12]传统好氧堆肥工艺简单,投资小,可产类腐植质肥料,资源化效果好产品安全性差,工业废水污泥会含重金属,产品土地利用受限是主要处理方式之一,仍在发展[2-3,6,8,10,12]1材料与方法1.1材料来源与性质实验菌种取自长春鹏鹞环保有限公司,污泥取自长春东南污水处理厂、长春西郊污水处理厂、长春北郊污水处理厂.菌种及污泥的性质及用量见表2.表2试验用泥泥质Table2Characteristicsofsludge样品含水率(%)VS(%)pH值EC(ms/cm)游离氨(mg/g干污泥)细菌数(×1011个/g干污泥)污泥量(t)菌种北郊污泥东南污泥西郊污泥27.8177.1380.4881.6946.1344.8641.9950.708.137.617.627.6420.900.901.422.4510.320.551.571.720.722.871.842.40121.3228.8932.869.021.2实验装置图1为实验装置平面示意图,图2为现场实验装置图.实验装置为混凝土槽体,槽体内侧尺寸为11m×9.7m×3m,槽两侧墙高3m,后部挡墙3.5m,墙体厚0.25m.槽体底部设4根内径10cm曝气管,曝气管间距2.5m,两侧曝气管与墙体间距1.1m,曝气管置于宽20cm的沟槽内,曝气管底部每隔36cm设一个直径8mm气孔.1.3工艺流程Haug[14]、Jimenez等[15]通过研究发现堆肥起始含水率一般为50%~60%比较合适,美国环保局规定[16]:无论什么堆肥系统,水分均不应小于40%.综合考虑将菌种与剩余污泥以重量比2:1进行混合拌匀,控制含水率在43%~45%.然后堆入槽体,图2为闲置槽体,堆肥时堆满开始曝气进行堆肥反应.堆体如图2中深色边界,上边长7m,底边长10m,宽9.7m,堆高2.5m.堆肥过程中每7d为一个周期,每7d进行1次翻堆,7个周期后堆9期薛兆骏等：超高温自发热好氧堆肥工艺处理剩余污泥3401肥结束,总反应时间49d.曝气采取正压沟槽加管式[17],随周期进行曝气量呈规律性变化,结合研究文献[18]与实验地点温度低的特点,确定7d的鼓风风量分别为:0.0003、0.0006、0.0006、0.0006、0.0006、0.0012、0.0003m3/(m3·min).反应槽体曝气管槽鼓风风机曝气干管曝气管流量测定仪球阀图1超高温自发热好氧堆肥工艺反应槽示意Fig.1Schematicdiagramoftheultrahightemperatureaerobiccompostingprocess图2超高温自发热好氧堆肥工艺反应槽Fig.2Pictureoftheultrahightemperatureaerobiccompostingreactor1.3测定项目与方法1.3.1取样每周期翻堆时取样,翻堆由铲车进行,先将槽中物料倒出,然后在倒回槽体.在倒回过程中沿程取样,混合均匀.1.3.2含水率测量方法用坩埚称取8~12g样品,置于105℃烘箱中10h,取出置于干燥器中冷却至室温,称量,样品减少的重量与样品的重量之比即为含水率.1.3.3VS测量方法记录烘干样品的重量,然后将样品置于550℃马弗炉中8h,取出置于烘箱中降温,然后置于冷却皿中冷却至室温,称量,样品减少的重量与烘干样品的重量之比即为VS.1.3.4蒸馏水浸提液提取测量出物料的含水率后,称取含10g干污泥的新鲜污泥,然后用去离子水与污泥以10:1(V:W)的比例在25℃水浴中振荡1h,取振荡液在4000r/min离心机中离心15min,得到上清液,取出用pH计(Multi-340i多参数测定仪及pH检测探头,WTW)测pH,用电导率仪(CM-31P,DKK)测电导率(EC).1.3.5游离氨浸提液提取测量出物料的含水率后,称取含5g干污泥的新鲜污泥,然后用2mol/L氯化钾溶液与污泥以10:1(V:W)的比例在2