隨著污水處理廠的大規模增加,污水得到妥善的處理,而集中了大部分污染物的脫水后污泥的處置成了一個巫待解決的難題。傳統的處理方式一般是填埋或焚燒,填埋勢必造成長期的二次污染,使得污水處理的努力化為烏有,而焚燒會帶來一些始料未及的環境污染。經過研究人員多年的研究,發現污泥的厭氧消化和好氧發酵是較為可靠安全的處理方式。厭氧消化在去除污泥的污染物的同時,產生的沼氣,可以用于發電等用途,但由于沼氣產量不穩定,且相對于電廠,產生的電能微乎其微,不宜接人供電網絡,效益有限。而好氧發酵工藝,也就是農業使用了幾千年的好氧堆肥工藝,卻可以通過微生物的作用將污泥轉化為可以用于綠化甚至是農業生產的高效肥料。因此,在污泥的處置中,好氧堆肥工藝較為可靠、經濟的選擇。

好氧堆肥工藝主要通過強化各類微生物對污泥中有機物的降解作用實現污泥的減量化及穩定化。但微生物的組成比較復雜,微生物種群的組成和數量是隨著堆肥過程的變化而變化的。傳統研究主要集中在細菌、真菌和放線菌之間的關系和數量變化上,用培養基方法理清發酵過程中細菌、真菌和放線菌的變化情況。提出細菌總數和放線菌的變化過程都遵從高一低一高的趨勢,而真菌的趨勢卻呈現一直下降的狀態。這樣的分析方法無法描述微生物的具體菌群內容,無法具體明確過程中實際發生的反應?，F在研究人員采用變性梯度凝膠電泳分析法\\(DGGE\\)對堆肥過程中每個階段中微生物的種群和數量給出了較為明確的描述。在常溫階段,一般是在第0一4天,物料中含有高濃度的有機酸,此階段微生物多是發酵能力強的細菌,快速分解有機物;在高溫階段,一般是在第4一13天,美國國家環保局\\(USEPA\\)規定高溫堆肥在55℃以上要維持3一5天,我國國家標準規定是在50-55以上維持5一7天,以達到殺滅病原菌和雜草種子的目的上。pH及溫度明顯升高,發酵細菌數量減少,與嗜熱芽抱桿菌有關的微生物大量出現進行蛋白分解,并產生大量氨氣;在冷卻階段,一般是在第13一32天,出現梭狀芽抱桿菌類的專性厭氧菌,降解復雜的有機物,此階段堆肥堆中出現了大量的局部厭氧環境;隨后的腐熟階段,一般是在第32一45天,物料中出現大量的與節桿菌屬有關的土壤微生物,使得腐熟產品與土壤類似。由此可見,污泥堆肥的核心動力是微生物的活性和穩定性。因此,通過改善每個階段相應微生物的生存條件和生存環境,就可以達到提高堆肥效率的目的。

現階段,研究影響微生物生存狀態的條件主要方向在提高微生物種群數量,改善通風條件,調整輔料情況等方面。

1 微生物種群數量

傳統堆肥法一般都是利用堆料中的土著微生物來降解有機污染物,但存在發酵時間長、產生臭味且肥效低等問題。而在堆肥初期通過菌劑接種可提高堆肥微生物數量,加速堆肥反應進程。

1.1接種菌劑對堆肥的作用早在40年代,美國就通過接種細菌使堆肥時間縮短1一3d。許多研究結果對堆肥過程中接種菌劑的促進作用還是充分肯定的,不少學者已致力于研究堆肥不同階段起關鍵作用的微生物,并在自然界進行優質高效菌群的篩選和接種技術的探討。

1.1.1提高堆肥的腐熟速度

通過電鏡掃描結果表明,接種細菌比不接種細菌的處理角蛋白降解更完全,生物被膜形成的更早。進行菌劑接種的堆料能迅速通過常溫階段,進人高溫階段,節省堆肥過程的起步時間。

1.1.2提高堆肥的腐熟質量

固氮:堆肥過程中各階段均有不同程度氮素損失,氮損失的重要途徑是NH:揮發,NH:產生和揮發損失的高峰期主要是在升溫期。石春芝等91和蒲一濤等在生活垃圾中接種固氮菌,堆肥的含氮量有一定提高,保證了腐熟后肥料的質量。

殺毒:國外多項實驗證明,用生物技術方法降解尼古丁毒性的可行性,且證實通過高溫堆肥處理對毒性有機物的降解有顯著效果。據相關研究,在城市污泥堆肥過程中,微生物類群的數量變化與毒性有機物的含量呈正相關關系。通過微生物的生物作用,使最終產品中的毒性降低,達到相關標準。

滅菌除草:沈根祥等報道了HsP菌劑能迅速提高牛糞堆肥的發酵溫度,有效殺滅糞中所含的雜草種子和蟲卵病菌,具有快速堆肥腐熟和無害化的功效。龐金華等和顧希賢等分別用菌劑堆肥成品進行肥效試驗,結果證明施接菌堆肥比施不接菌堆肥增產顯著。席北斗等接種高效復合微生物菌群生產的堆肥成品中含有大量生物活性的微生物,是一種良好的生物活性有機肥料。

1.1.3對堆肥除臭效果顯著

接種菌劑可以降低NH3的排放。在常溫階段,隨著微生物快速生長和繁殖,加速了有機氮的分解,并以NH4+一N的形式快速積累的結果。而后隨著溫度、pH值的升高,積累的NH4+一N一部分以NH3的形式釋放到大氣中,一部分被微生物同化或被硝化成No3一N。通過菌劑接種,可以將升溫過程縮短,同時由于菌劑的固氮作用,減少NH3的釋放,達到除臭效果。

1.2接種菌劑的實際效果

在張隴利等進行的試驗中充分證實了微生物菌劑的接種對污泥堆肥的積極作用。

試驗中接種菌劑為研制的復合微生物制劑,主要有酵母菌、乳酸菌、放線菌和絲狀真菌四類近ro個菌株構成。試驗設計用污泥、鋸末和回流堆肥三種物料按不同比例混合成6個試驗堆體。堆體為1.5mx1mx1.Zm的梯形,初始含水率為55%,C/N比為20左右,露天堆肥,當堆體超過65℃時翻堆,低于65℃時,間隔2天翻堆。經過為期21天的數據收集和分析工作,研究小組對6個堆體的總碳、總氮和發芽指數變化進行了分析。試驗證明,所有堆體溫度在50℃以上均保持了7天以上,滿足堆肥衛生標準,發芽指數GI在50%一80%:之間,堆肥基本無毒性;而接種菌群的堆體升溫速率和溫度最高值均大于未接種菌群的堆體,且接種菌群的堆體增加率水分散失額有機質降解速度,控制了氮的損失,提高了GI值。

從接種菌劑的理論分析和實際試驗中,可以得出接種菌劑對于污泥堆肥工藝效率和質量的提高起到了巨大的積極作用,節省堆肥時間,降低了運行成本。

2 通風條件

氧氣是影響堆肥進程的關鍵因素,是判斷堆肥階段的重要參數!”,。氧氣的供給影響到堆肥過程中微生物活動、溫度控制、臭氣產生、堆肥速度和質量等諸多方面。

2.1通風對堆肥的影響

2.1.1影響堆肥的速度

堆體氧氣狀況直接影響堆肥微生物的活性,從而影響碳的轉化形式。通風是改善氧氣狀況的重要措施L”〕。污泥好氧堆肥過程的碳主要以coZ的形式去除,但當堆體出現通風不暢而導致的局部厭氧環境時,碳會通過厭氧菌的作用生成CH、的形式排放。但由于CH4性質不穩定,部分厭氧產生的cH、在好氧區域又被氧化為c02。研究表明,污泥堆肥的最佳通風量為8.48L·h一’·kg一’\\(干基\\),此時CH4的排放量僅為初始總碳的0.12%。。而改變通風強度會增大CH、的排放,通風量為1.69L·h一‘·kg一’\\(干基\\)和16.63L·h一‘·kg一’\\(干基\\)時cH4的排放量分別是最佳通風量時的27倍和5倍。主要原因就是通風量過低,堆體易出現厭氧區域,增加CH4產生量;通風量過高會縮短CH4的氧化時間,增加cH、排放量。因此,在好氧發酵過程中,應通過調節通風狀況,減少cH、的產生,最大程度培養和增加好氧微生物,進而提高好氧發酵的速率。

2.1.2影響惡臭氣體的排放

污泥堆肥過程中主要產生的惡臭氣體是HZS,揮發性有機酸\\(VOAS\\)和氨氣。

根據中科院的相關研究,污泥好氧堆肥過程中產生HZS的時段主要集中在堆肥過程的前40小時。缺少充足的氧氣供應是產生HZS的主要原因。保持堆體內部氣體中氧氣含量超過14%的就減少HZS的產生。因此,對堆體進行持續或經常性的通風是避免產生HZs污染的最佳策略。

揮發性有機酸發出臭味的閩值低于氨氣,在很低的濃度下會產生很重的臭味,而氨氣在很高的濃度下才能產生臭味。在厭氧狀態下,堆體產生大量厭氧菌,并產生揮發性有機酸。國外研究發現,以50mFmin的速率通人氧氣沒有VOAS產生;以10mFmin的速率通人氧氣在堆肥開始兩天發現VOAs;以1mFmin的速率通人氧氣,VOAs逐漸增加,在堆肥第五天達到峰值,之后逐漸減少;以O或0.1mFmin的速率通人氧氣,在整個堆肥過程中都有VOAs釋放。這表明減少VOAs的產生與充足的氧氣供給有著明顯的關系。

研究同樣證明,在氧氣不充足的情況下不直接產生氨氣,只是在堆體pH>7.0的情況下才會產生氨氣。但氧氣供給不足會在堆體內繁殖大量厭氧微生物,增加揮發性有機酸的形成,釋放VOAs;而一味加大通氣量會導致堆體pH的快速升高,增加氨氣釋放的可能。

2.1.3影響堆肥的質量

堆肥的穩定性是衡量堆肥質量的重要參數。不穩定的堆肥產品會抑制植物的生長和發芽,并帶人有害物質與各種病原菌,導致植物患病。國外試驗表明,供氧量在。和0.1mFmin的堆肥性質不穩定,10mF而。的堆肥性質穩定。且在早期的堆體呼吸測量試驗中也證明,隨著堆肥穩定性的增加,氧氣的消耗量越來越小。以上的結果在國內學者的試驗中也得到證明,鄭玉琪在堆肥過程好氧速率變化特征的研究中發現,在堆肥高溫階段末期,好氧速率下降到100以下即可以作為堆肥腐熟的標志。由此可見,充足的氧氣供給,可以保證微生物的活動,加快堆肥的穩定和腐熟,氧氣供給不足會導致堆肥不穩定并具生物毒性。

在堆肥過程中,氮素含量是堆肥質量的基礎。氮素主要是通過氨氣,NZO和堆肥滲濾液等形式損失。沈玉君的試驗表明,在充足氧氣供應的情況下,堆體pH增加,氨氣大量釋放;而在供氧不足的情況下,pH較低,容易形成局部厭氧環境,滿足反硝化作用的條件,產生大量N20氣體。

2.2通風量的控制

污泥堆肥工藝對通風條件比較敏感,過大或過小的通氣量都不利于堆肥效果。合理的通風不僅可以加快堆肥速率,提高堆肥質量和減少臭氣污染,還可以節省能耗,因為在堆肥過程中,通風所消耗的能源是最大的。國外的通風控制技術研究較早且較深人,可以針對基于時間參數、溫度參數、好氧速率和綜合控制等的多方面對堆肥的通風進行控制,而國內研究的通風控制主要采用基于溫度、時間和含氧量的控制方式,相對比較簡單。徐德全設計的全自動堆肥通風控制系統同時監測堆體上、中、下三層溫度及中層濕度、含氧量參數變化,可根據堆體溫度和含氧量參數變化自動控制風機開關,并可自定義設置不同階段和報警狀態的風機通斷時間、含氧量、界限溫度和報警溫度等控制參數。采用此控制系統,能夠保證高溫期時長超過9天,有效殺死病原體,穩定堆肥產品。

3 輔料的應用

污泥堆肥過程中,輔料的應用也是一個重要的因素?，F常見的堆肥輔料主要有各類秸稈,木屑或一些植物類產品加工企業的下腳料等。雖每種輔料在實際應用的表現略有不同,但它們都具有含碳量高的特點。由于堆肥過程對堆體C/N一般要求在25一30:1之間,因此在輔料使用前應試驗并確定合適的投放比例,以免影響堆肥效果。

3.1輔料的作用

輔料的作用主要體現在破壞局部厭氧環境,建立堆體內均勻的好氧條件,提供微生物代謝所需的額外碳源等方面。對堆體進行強制通風手段進行供氧,在堆體內部可能會形成局部厭氧環境,破壞好氧發酵過程,釋放臭氣,降低堆肥效率。此時輔料在堆體內部形成一個個小的空隙結構,再連通成供氧通道,滿足了堆體的好氧條件。另外,微生物在對有機質進行降解時需要大量碳源參與反應,而脫水污泥中的含碳量難以滿足需要,而一般的輔料在堆肥過程中卻可以作為外加碳源使用,滿足好氧發酵的需要。

3.2輔料的選擇

現實生活中,可以選用為污泥堆肥輔料的材料很多,只要結構穩固,具有較高的含碳量即可。但結合堆肥成本和實際應用條件,一般選用缺少進一步使用價值的農作物秸稈或植物類產品加工的下腳料。

在對河北承德地區秸稈堆肥特性的研究中,研究人員將玉米秸稈、油葵秸稈和大豆秸稈按不同比例投入堆體中,充分混合,用少量尿素調整C/N,在堆肥的第。天、第3天、第6天、第10天、第巧天、第21天、第30天、第45天進行多點取樣,四分法收集樣品。在實際分析中,通過考察每個堆體的溫度變化情況、含水率變化情況、pH變化情況、C/N變化情況和發芽指數GI的變化情況,來確定合適的輔料投放比例。

溫度的變化在一定程度上反映堆體內部微生物活動的變化情況,在一定的溫度范圍內,每升高10℃,有機體生化反應速率提高一倍。輔料的含碳量和纖維結構的不同,會使堆體在高溫階段停時長不同。適當的高溫時長可以殺死病原微生物,保證堆肥質量,但溫度過高會導致氮素的流失。

堆體中水分的作用是溶解有機物,參與微生物的代謝;水分蒸發時帶走熱量,調整堆體溫度。有研究表明堆體內部含水率最好保持在50%一60%,既有利于微生物的新陳代謝,又利于NH獷一N的積累。氨氣的揮發、水溶性NH獷一N的濃度和pH值有著密切關系,可以通過提高堆體含水率和降低堆體pH值來減少氨氣的排放,從而降低堆體總氮損失。

C/N是好氧微生物能夠正常完成自身新陳代謝和分解有機物的一個重要指標。C/N過低會導致好氧微生物無法正常生存,直接破壞堆肥過程,過高會使堆體高溫階段過長,釋放大量氨氣,造成總氮損失,降低堆肥效率和質量。

根據zucconi的研究,當發芽指數GI>50%時,表示堆肥已經達到腐熟程度。添加不同輔料的堆體一般都會達到腐熟要求,但是達到腐熟所需的時間不同,也應作為選擇合適輔料的條件。

3.3輔料的處理

輔料的處理并未引起過多的重視,但這一環節在污泥堆肥的過程中卻起到了巨大的作用。輔料處理不佳,會喪失引入輔料的價值。若輔料外形調整不當,在堆體中就無法構架通氣的通道,無法保證均勻布氣;若輔料自身纖維結構緊密,不易破解,在堆肥過程中就無法為微生物的新陳代謝提供充足的碳源,影響堆肥效果,甚至中斷堆肥過程。輔料處理一般包括物理處理和生物處理。

3.3.1物理處理

在污泥好氧堆肥中,輔料普遍使用的是成本低廉,持續供貨的植物秸稈。對于秸稈的物理處理就是將秸稈切斷為2一5Cm長度的輔料段。這樣的長度便于在含水率80%左右的脫水污泥為主的堆體中支撐出局部空隙,保證堆體各處的氧氣供應。

3.3.2生物處理

植物秸稈輔料中含有大量的纖維素,它由p\\(1一4\\)鍵的葡萄糖單元所組成,通常與半纖維素和木質素連接在一起,其非均質基團為各種己糖、戊糖、糖醛酸聚體,它們在物料中常與一些更難分解的物質相結合,分解難度大。盡管自然界存在可以產生纖維素酶的微生物,包括:真菌、細菌、放線菌,可以通過纖維素酶分解纖維素。然而天然的纖維素分解菌的活性低,降解速度慢,且傳代性狀不穩定,導致發酵時間長,降低堆肥效率。針對上述問題,有研究人員通過各類微生物培養方法,分離、篩選和復合出不同的纖維素分解菌群。有研究表明,在污泥堆肥過程中,可以進行纖維素分解的菌群有中溫好氧纖維素分解菌、高溫好氧纖維素分解菌和高溫厭氧纖維素分解菌。其中中溫好氧纖維素分解菌的數量在前3d上升,隨后很快下降;高溫好氧纖維素分解菌在前6d數量上升,隨后開始下降,第巧d達到最低值;高溫厭氧纖維素分解菌在整個過程中數量不斷增加。這說明在污泥堆肥過程中,纖維素分解菌群始終起到分解纖維素的作用。在纖維素分解菌群應用方面,現有的研究主要集中在城市固體垃圾或農業垃圾堆肥中纖維素分解菌群的表現,在城市污泥堆肥中的應用研究較少。但隨著城市污水處理規模的大幅度增加,污泥相應增加,污泥堆肥必會等到廣泛應用,因此進一步研究纖維素分解菌群在污泥堆肥過程中的對輔料的分解頗具研究價值。

與污水處理中活性污泥法一樣,污泥堆肥工藝中也需要依靠各類微生物的作用來實現污泥的腐熟,轉化為腐殖質肥料。由于各污水處理廠進水水質有較大區別,污泥成分也不同,所以在進行污泥堆肥過程中應結合實際情況,投放微生物菌劑,改善通風條件和選擇合適輔料。雖然堆肥工藝已有上千年的應用歷史,但城市污水處理廠污泥堆肥工藝出現較晚,在工藝調整和影響因素的研究方面還有許多空白,因此在提高污泥堆肥效率和降低成本等方面的研究有極大空間和實際意義。