1、引言

　　隨著我國社會經(jīng)濟和城市化的發(fā)展，城市污水處理廠的規(guī)模不斷擴大，處理程度不斷提高。到1998年為止，全國已建成和在建的城市污水處理廠已近200座，污水處理能力約為1000余萬m3/d。與蓬勃發(fā)展的污水處理相比，污泥處理和處置技術(shù)在我國還剛剛起步，隨著新建污水處理廠的陸續(xù)投產(chǎn)，污泥產(chǎn)量將會有大幅度的增加，所以對污泥的處理和處置必須予以充分的重視。

　　城市污泥的利用和最終處置方法主要有焚燒、填埋、堆肥和投海等。焚燒法的技術(shù)和設(shè)備復(fù)雜、耗能大、費用較高，并且有大氣污染問題；填埋法受到場地條件及環(huán)境的限制，在污泥運輸距離的合理范圍內(nèi)已很難找到合適的地點；投海會污染海洋，對海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類食物鏈已造成威脅，國際公約已明令禁止；堆肥處理不但可以達到穩(wěn)定污泥的目的，同時制成肥料農(nóng)業(yè)利用具有經(jīng)濟、簡便、可資源化等優(yōu)點，引起各國的重視，并進行大量的研究。

　　北京市密云污水處理廠處理能力為1.5萬立方米/天，日產(chǎn)污泥5～6噸。在我們研究的基礎(chǔ)上，建成了國內(nèi)第一條完整的生產(chǎn)性規(guī)模的污泥制肥生產(chǎn)線，生產(chǎn)線由污泥預(yù)處理、好氧動態(tài)堆肥裝置和復(fù)混肥生產(chǎn)裝置構(gòu)成。生產(chǎn)線已連續(xù)運行兩年，生產(chǎn)的有機復(fù)混肥銷售情況良好。復(fù)混肥生產(chǎn)已有成熟的技術(shù)，我們著重研究污泥的穩(wěn)定化和無害化處置工藝。

　　2、密云污水處理廠污泥處理和利用工藝

　　污水處理廠的初次污泥和二次污泥經(jīng)濃縮后，一般采用帶式壓濾機脫水，泥餅含水率為75～85％。這樣的污泥由于含水率高、粘性大、無結(jié)構(gòu)強度。直接進行堆肥氧氣難以通入，易產(chǎn)生厭氧狀態(tài)。對于中小規(guī)模的污水處理廠，由于剩余污泥量不太大，若廠區(qū)又有足夠的場地，氣候適宜，則選擇自然晾曬是最理想的途徑。本實驗在密云污水處理廠，采用了自然晾曬作為污泥堆肥的污泥含水率預(yù)調(diào)整手段。經(jīng)過堆肥處理的污泥成為性狀良好的腐植顆粒。然后可以按照不同農(nóng)肥標(biāo)準添加一定比例的氮、磷、鉀等化學(xué)原料，通過粉碎、攪拌后進入造粒裝置，成型后經(jīng)干燥、篩分成為成品包裝后入庫或出售。污泥處理和處置工藝流程如圖1。

　　污泥堆肥工藝分為好氧發(fā)酵與厭氧發(fā)酵兩種工藝過程。厭氧發(fā)酵工藝由于產(chǎn)生甲烷、硫化氫、二氧化碳等代謝產(chǎn)物會引起惡臭。由于有機物分解緩慢，發(fā)酵周期長達4～6個月，致使占地面積過大。另外蚊蠅孳生，污水淌流，產(chǎn)生嚴重的二次污染，不適合于大規(guī)模工業(yè)化污泥處置。現(xiàn)代工藝大多采用好氧堆肥，它具有有機物分解率高，堆肥周期短，氣味較小。但傳統(tǒng)好氧堆肥的停留時間長一般10－15天，存在占地面積過大，人工翻堆勞動粗笨的問題。工廠化機械堆肥是堆肥工藝發(fā)展的主流，開發(fā)新的高效堆肥機械也是有迫切要求的。

　　機械化好氧堆肥技術(shù)是在有控制的條件下，利用好氧微生物對污泥中易腐有機物進行生物降解，使之成為具有良好穩(wěn)定性的腐植粒狀物的全部工藝過程。目前國內(nèi)外正在研究開發(fā)的污泥好氧發(fā)酵堆肥技術(shù)都是采用進料、攪拌、通氣、出料同時進行的高效發(fā)酵工藝裝置，其核心是好氧發(fā)酵槽。而發(fā)酵槽按照外形可分為幾類：立式多段發(fā)酵槽；筒倉式發(fā)酵槽；臥式旋轉(zhuǎn)發(fā)酵槽；臥式敞口發(fā)酵槽。幾類發(fā)酵槽性能的比較見表1。

　　從上面對幾類發(fā)酵裝置的比較可以看出，各類發(fā)酵裝置中，臥式旋轉(zhuǎn)發(fā)酵裝置可操作性強、輕易設(shè)備化、建設(shè)投資低、動力消耗小符合高效、低耗的環(huán)保節(jié)能原則。本研究選擇了以臥式旋轉(zhuǎn)式發(fā)酵裝置為基礎(chǔ)，研制設(shè)計了污泥動態(tài)堆肥裝置。

　　3、污泥堆肥裝置設(shè)計

　　根據(jù)對已有設(shè)備類型、操作性能和基建等項費用的比較，在臥式旋轉(zhuǎn)發(fā)酵罐的基礎(chǔ)上進行了改造，設(shè)計出一套污泥堆肥裝置。設(shè)計滾筒直徑為1.2m，出料口和進料口直徑分別為0.4m和0.6m。滾筒總長12m，進料與出料口同時起到空氣補給和氣體排出口的作用。由于進料和出料口的存在，滾筒中實際物料堆放厚度就受到限制，超過一定高度的熟化污泥會自動從出料口流出。這樣滾筒中物料的體積就應(yīng)進行核算。

　　滾筒有效容積V=/4

　　式中：d為滾筒直徑；

　　L為滾筒長度；

　　k為物料布滿度；一般為0.25～0.6

　　即滾筒的有效容積為3.4～8.1m3

　　滾筒內(nèi)壁焊接槳葉按旋轉(zhuǎn)方向呈品字形排列，傾斜角度為2°，起到攪拌物料并限制物料流動速度的作用。整個滾筒沿軸向傾斜5°，從高端進料，在滾動中物料滑落到低端出料口流出滾筒。動力部分由交流電動機經(jīng)雙極擺線減速機，采用齒輪齒圈傳動方式帶動滾筒滾動，轉(zhuǎn)速為0.03轉(zhuǎn)/分，最大扭矩4300NM。通風(fēng)設(shè)備采用軸流風(fēng)機從出料端口鼓入空氣，用定時器設(shè)定控制風(fēng)機開閉。

　　溫度在發(fā)酵過程中的變化，直接的反應(yīng)了發(fā)酵的進程，也是要觀測的主要參數(shù)，在滾筒上布置了五個測溫點。在每個測溫點上安裝熱電偶，用電子溫度計測量讀數(shù)。物料總停留時間為5天，則1#測溫點為進料當(dāng)天的溫度；2#為第2天的溫度；3#代表第3天后的溫度；4#為第4天的溫度；5#為第五天的出口溫度。

　　4、動態(tài)污泥堆肥裝置操作參數(shù)選擇

　　從傳統(tǒng)堆肥的基本原理看，影響好氧堆肥的主要因素是溫度、水分、含水率和供氧量。好氧傳統(tǒng)堆肥的核心問題是供氧受到限制。使用研制出的污泥動態(tài)堆肥裝置，通過自然通風(fēng)、連續(xù)強制通風(fēng)、間斷強制通風(fēng)三種方式對含水率，通風(fēng)與溫度的關(guān)系等進行了實驗，目的在于探索堆肥裝置的最佳運行參數(shù)。

　　1）污泥的前處理

　　由于從密云污水處理廠壓濾機脫除下來的污泥含水率高達80％以上，不易直接進行堆肥試驗。需采取前處理，采用自然晾曬的方式，污泥層厚5－8cm。根據(jù)天氣和季節(jié)情況晾曬3－5天，污泥涼曬前后的含水率變化見表2。

　　2）含水率與溫度

　　通過試驗得出不同含水率的堆溫變化。在同等的通氣條件下，含水率較高則堆溫較低，反之亦然。在自然通風(fēng)的條件下，進料的含水率在70％和60％時，55℃以上的堆溫均能保持三天，但是含水率達到70％，污泥輕易在滾動中成團，甚至形成直徑40～50cm的大球，影響設(shè)備正常工作。但當(dāng)進料含水率在20％以下時，整個罐體溫度改變不大，發(fā)酵作用不明顯。

　　堆肥過程中，微生物分解有機物和其生長繁殖過程中需要一定的水分，用于溶解有機物，以利于微生物的攝取，同時水分蒸發(fā)散熱也可以起到調(diào)節(jié)堆溫的作用。據(jù)國外資料道，當(dāng)含水率太低時，微生物在水中攝取營養(yǎng)物質(zhì)的能力降低，有機物分解停止。但含水率過高使堆料互相粘結(jié)，將堵塞空氣的通道，從而使堆肥呈厭氧狀態(tài)。含水率過低，又會影響反應(yīng)過程。這是因為微生物是借在物料之間的游離水的運動中攝取食物和營養(yǎng)物質(zhì)的。假如微生物缺少這種靠液體運動而游動的機會，那么就會在嚴重缺少營養(yǎng)物質(zhì)的狀態(tài)下喪失了分解有機物的能力。

　　綜合幾方面因素，確定了控制進料水份在60％左右，即污水廠的脫水泥餅經(jīng)自然晾曬3～5d就可以做為堆肥裝置的進料。這樣可以比較經(jīng)濟地解決進料含水率的調(diào)整問題，采用其它諸如摻混干燥物或烘干之類的調(diào)整含水率的方法都多少影響了機械堆肥的經(jīng)濟性。

　　3）通風(fēng)方式

　　機械好氧堆肥中要對物料通氣，目的是供給氧氣，維持好氧生物的代謝活動，脫除污泥水分，并防止堆溫過高。根據(jù)理論計算，對于城市生活污水污泥來講，每氧化1g有機物約需要2gO2，但使物料干化所需的空氣量大于生化反應(yīng)的需氧量。所以，針對堆肥過程既要高效分解有機物，又要盡量去除水份，就需要更高的通氣量。從通氣與通風(fēng)效果的關(guān)系曲線可以看到：最高溫度點在2m3氣/m3物料.h，接近70℃。有機物分解量的最大值也在2m3氣/m3物料.h，為70kg/噸物料，所以從有機物分解和得到較高的滅菌溫度來講，顯然通氣量在2m3氣/m3物料.h較好，而從去除水份來講，則3～5m3氣/m3物料.h更好一些。除了通氣量，通風(fēng)方式也直接影響著發(fā)酵反應(yīng)的進程，主要有自然通風(fēng)、連續(xù)強制通風(fēng)和間斷強制通風(fēng)幾類。

　　在污泥好氧發(fā)酵過程中，通風(fēng)是堆肥過程的控制手段，要達到最佳條件就要控制通風(fēng)。通風(fēng)的目的一方面為好氧微生物分解有機物提供釋放能量時所需的氧氣，維持堆層好氧狀態(tài)；另一方面則有蒸發(fā)水分、干燥堆肥物料、驅(qū)散熱量，控制堆肥過程溫度的作用。通風(fēng)量過大時，水分的大量蒸發(fā)導(dǎo)致溫度降低不利于微生物繁殖。反之通風(fēng)不足，好氧微生物則因缺氧而活性減慢甚至停止反應(yīng)。通過幾種供氧方式進行了試驗以找出適當(dāng)?shù)耐�風(fēng)方式，結(jié)果見表4。

　　結(jié)果表明自然通風(fēng)和間斷強制通風(fēng)兩種通風(fēng)方式升溫效果都比較好，最高可達到72℃。而連續(xù)強制通風(fēng)方式，由于空氣帶走大量水份的同時，也帶走熱量，使得升溫困難，普遍溫度在50℃以下，這對殺死致病菌和寄生蟲卵是不利的。

　　間斷通風(fēng)時，溫度平均在65℃，最高達到了68℃的高溫，前3天都可以保持在50℃以上，滿足了污泥無害化處置的基本條件，三種通風(fēng)方式達到穩(wěn)定狀態(tài)時的各點溫度見圖5。

　　另外進、出料性狀可以知道，間斷通風(fēng)的處理效果是可以令人滿足的。首先出料的含水率已經(jīng)降到了44.4％，可以滿足后續(xù)工藝使用。同時也證實在翻堆時強制通風(fēng)是去除水份的最恰當(dāng)時機，滾筒滾動時，物料會隨著筒體的緩慢滾動而一層層滑落。理想狀態(tài)下，料層是薄薄一層逐漸剝落，這樣可以使翻堆過程很均勻徹底，物料充分地與空氣接觸，同時蓄積的水蒸汽也被吹出滾筒，使物料變干。

　　5、二次堆肥效果

　　二次堆肥發(fā)酵是將一次發(fā)酵出料翻倒均勻，使微生物獲得了一次重新接種的機會。在一次發(fā)酵中未分解完全的一些較難分解的有機物，得以繼續(xù)分解。本試驗是用發(fā)酵后的出料進行二次發(fā)酵。二次發(fā)酵采用室內(nèi)平地堆積，堆高1m，堆長2m堆寬1.5m，表5為二次發(fā)酵過程的溫度變化。

　　從試驗看出二次發(fā)酵溫度隨時間緩慢下降，溫度沒有回升現(xiàn)象，并且沒有蚊蠅孳生現(xiàn)象出現(xiàn)。這說明在堆肥發(fā)酵階段有機物已得到分解，蟲卵已被殺死，污泥達到腐熟和穩(wěn)定。二次堆肥發(fā)酵證實了污泥動態(tài)堆肥裝置中可以較短的停留時間，并且高效、較為徹底地對污泥進行穩(wěn)定化和無害化處理，并為后續(xù)造肥工藝提供了有利的條件。

　　病原微生物的去除

　　好氧堆肥過程是放熱過程，嗜溫菌與嗜熱菌由適于環(huán)境的變化到死亡，完成分解有機物的作用。同時，在堆肥升溫過程中又可殺死病原微生物和寄生蟲卵等使污泥無害化。試驗證實堆溫達到50℃時，并保持3天絕大部分病原微生物可被殺滅。自然通風(fēng)、連續(xù)通風(fēng)、間斷通風(fēng)這幾種運轉(zhuǎn)方式都可以達到殺滅病原微生物的目的。生污泥的大腸菌值在10－7～10－9之間，蛔蟲卵數(shù)在3.8×103～3.7×104個/kg之間變化，經(jīng)過在滾筒中5日的高溫發(fā)酵，出料的大腸菌值≤10-2，蛔蟲卵為0。做為復(fù)混肥的添加輔料，污泥投加率只有5～10％。在常用的復(fù)混肥園盤造粒生產(chǎn)線中，物料要經(jīng)過混合、粉碎、成型、烘干、篩分等多個工藝段。在烘干段成型的肥料要在100℃溫度下烘烤約20分鐘，能夠進一步殺滅殘存的病原微生物。

　　結(jié)論

　　污泥動態(tài)堆肥裝置上的試驗研究探討了影響機械堆肥過程的幾個重要參數(shù)的相應(yīng)關(guān)系，通過試驗得出如下結(jié)論：

　　污泥含水率是影響堆肥過程的重要因素，適合的含水率為50～65％，在這一范圍內(nèi)，污泥進入堆肥系統(tǒng)中，可以有較好的通透性，更好地進行好氧發(fā)酵反應(yīng)，通過分解污泥來使堆溫升高。含水率80％的脫水污泥在自然晾曬條件下，3～5日其含水率即可達到65％以下，可以做為堆肥原料，自然晾曬是較為經(jīng)濟的預(yù)調(diào)整手段。

　　堆肥的一個主要目的是實現(xiàn)污泥的無害化。在污泥動態(tài)堆肥裝置中的堆肥過程達到55℃以上的高溫，并維持超過3日的時間，可以充分地殺滅病原微生物，其中蛔蟲卵的殺滅率達到100％，大腸桿菌值降低約5～7個數(shù)量級，達到無害化標(biāo)準。

　　在污泥動態(tài)堆肥裝置中，采用三種通風(fēng)條件，分別對比實際堆肥效果發(fā)現(xiàn)：自然通風(fēng)、連續(xù)強制通風(fēng)和間斷強制通風(fēng)都可以達到較好的堆肥效果，實現(xiàn)無害化目標(biāo)。其中間斷性強制通風(fēng)溫度積蓄良好，堆溫保持較高，間斷性的翻堆和通風(fēng)又可以有效地帶走水分。因而污泥無害化和水分脫除都是最好的，能量消耗也比較低，是建議使用的堆肥通風(fēng)方式。

　　通過對堆肥成品的二次堆肥試驗可以看出，在污泥中已較好地完成了污泥穩(wěn)定化過程。易腐有機物得到降解，病原微生物得到殺滅，堆肥成品松散、無惡臭，達到無害化要求，污泥動態(tài)堆肥裝置是較為理想的機械化堆肥裝置。