城市生活污泥堆肥技術應用

郭志國 胡開明 李博睿

1. 新疆天物生態環保股份有限公司 新疆 烏魯木齊 830000

2. 新疆生活垃圾與污泥處理工程技術研究中心 新疆 烏魯木齊 830000

城市生活污泥是生活污水經污水廠處理后剩余的固體，伴隨著城市化進程的加快和城市人口的增加，城市生活污泥產生量越來越大，在最近幾年的時間里出現了顯著增長[1]。污泥成分復雜，除含有大量水分外，還存在重金屬、病原菌、有機污染物等有害成分，由于我國污泥無害化處理率極低，造成的環境污染問題日益突出。目前，城市生活污泥處理主要方式有投海、衛生填埋、高溫焚燒、建筑材料和堆肥利用，其中高溫好氧堆肥具有堆肥周期短、減量化效果明顯、無害化處理程度高和穩定化的特點，是處理污泥較為有效、適宜的處置手段[2,3]。污泥富含有機質、氮磷鉀及中微量元素，作為堆肥原料制作高利用價值的農業生產肥料，堆肥可以穩定有機物質并在高溫發酵過程中殺死病原菌，最終產品用作有機肥料或土壤改良劑，不僅減少污泥對環境造成的危害，還能實現污泥的資源化利用[4]。

1 城市生活污泥的特點和性質

城市生活污泥是污水處理后剩余的半固態或固態物質，是一種由復雜的有機混合物和微生物、無機物以及水分組成的非均相絮狀物質。一般具有密度小，顆粒相對細密，體積大、含水量高的特點，并且含有大量的微生物和氮、磷等營養物質[2]。在一些處理不規范的污泥中還含有重金屬、病原微生物等有害物質，因此在資源化利用過程中需進行預處理或根據污泥來源進行分類利用[5]。

2 城市生活污泥堆肥處理方法

城市生活污泥富含有機質，是優質的堆肥原料之一。堆肥技術主要是利用微生物的作用，在人為控制的條件下，不穩定的有機質轉化成較為穩定的腐殖質，生成適合植物生長發育所需的營養物質。堆肥技術能實現污泥的穩定化，堆肥產品中含有大量的腐殖質，含有植物生長發育所需的營養元素，同時還可以作為土壤改良劑，增加有機質，改善土壤結構，使土壤疏松透氣。

以城市生活為基質，添加作物秸稈、蘑菇渣、養殖糞便等，采用好氧和厭氧方法可得到具有高利用價值的農業、林業生產所需的肥料[6,7]。其中，好氧堆肥是目前應用最廣泛的堆肥方式，具有分解物質徹底、周期短、臭味小、宜于機械化操作等優點。好氧堆肥由四個階段組成，即升溫階段、高溫階段、降溫階段和腐熟階段。污泥經過好氧堆肥處理后，有機物被分解、轉化為腐殖質，含有的氮、磷、鉀等元素可為植物生長提供營養物質。目前，從我國污泥堆肥采用的工藝情況來看，大多數選擇發酵池式堆肥工藝，堆垛式次之[8]。

堆肥處理工藝比較

目前，堆肥處理的發酵工藝主要有：厭氧堆肥、條垛堆肥、槽式堆肥和無臭覆膜好氧發酵四種方式，其中：

厭氧堆肥生產周期長、易產生惡臭；條垛堆肥占地面積大，臭氣、粉塵不易控制，生產過程粗放；槽式堆肥需要復雜的設計、施工技術和熟練的操作人員，基礎投資和運營成本較高；無臭覆膜好氧發酵是一種靜態與動態相結合的堆肥技術，兼顧靜態與動態堆肥的優點，快速生產高品質有機肥的同時，不僅建造成本低、運行成本低、防止臭氣外溢等優點，而且處理規?？筛鶕幚砹肯鄳{整，尤其適合于北方寒冷地區的污泥處理。

表1 堆肥處理不同模式比較

3 影響污泥好氧堆肥的因素

3.1 溫度和濕度

溫度和濕度是影響污泥堆肥效果的重要因素，在堆肥周期內需要嚴格控制堆肥處于適宜的溫度和濕度。在堆肥過程中，若溫度過低將會延長堆肥周期和肥效下降；溫度過高可能會對微生物活性產生有害影響；堆肥濕度控制不好，可能會造成肥料肥效下降甚至導致堆肥失敗，如濕度過低，含水量不足，可能會導致堆肥在初期產生脫水現象。

3.2 碳氮比

碳氮比指堆肥混合物料中碳元素與氮元素質量之比，是微生物活動的重要營養條件。微生物在一定的碳氮比范圍內才能正常生長，因此是評價堆肥腐熟度的方法之一。研究表明，污泥堆肥較為適宜的初始碳氮比為25-30∶1，當其高于35∶1時導致微生物缺乏足夠的氮源而無法快速生長繁殖，使堆肥周期進展緩慢；當其低于20∶1時，微生物生長可能會過于旺盛，甚至會出現局部厭氧，部分氮轉化為氨而排放到大氣中，降低堆肥質量，污染環境的同時還會造成資源浪費。

3.3 pH值

堆肥過程中原料的pH值是影響微生物生長繁殖的一個重要因素，微生物生長適宜的pH值范圍一般在6.5-8.5，過高或過低都會對堆肥處理造成影響。具體的，大多數細菌的最適pH值為6.5-7.5；霉菌的最適pH值為4.0-5.8，酵母菌的最適pH值為3.8-6.0；放線菌的最適pH值為6.5-8.0。污泥等有機固廢發酵是多種微生物菌群共同作用的結果，每個階段隨著溫度的變化，不同微生物菌群隨著發酵物料溫度、pH的變化，菌群結構進行結構性變化，最終對發酵物料進行腐熟。

pH值對發酵的影響主要有幾個方面：（1）影響發酵過程代謝產物的合成途徑。對污泥發酵終端產品營養物質影響大，有益類生化腐殖酸黃腐酸生成少，相對氨氣硫化器其他有害氣體產生多；（2）影響原生質膜的性質，改變膜電荷狀態，影響發酵過程微生物菌群活性，造成發酵效率慢；（3）影響產物的穩定性。pH的變化，直接影響不同微生物群落的活性，不同微生物群落的作用，發酵生成的終端產物不同，最終影響產物的穩定性。

3.4 含水率

在堆肥過程中，由于微生物只能攝取溶解性養料，而且有機物質的分解和微生物的活動都離不開水分，所以含水率是好氧堆肥的關鍵因素，直接影響堆肥工藝的成效。含水率過高，妨礙通氣造成厭氧狀態，易產生氨氣、硫化氫等惡臭氣體，含水率超過70%，溫度難以快速上升，分解速度明顯降低。含水率過低影響微生物的生長繁殖，不利于微生物分解有機質，導致厭氧發酵。當含水率低于40%，不能滿足微生物的生長需要，有機物質難以分解，含水率下降到20% 以下時，微生物活動基本停止。

污泥本身高粘高濕特性，自身的絮凝劑結合微生物群體和其他有機物，造成污泥高濕高粘，成團不易分散，影響污泥發酵過程中通氣供氧，往往造成污泥厭氧發酵，達不到好氧堆肥發酵的目的。通過添加一定比例的外源農業固廢，一是中和污泥自身的水分，二是打破污泥高粘高濕的絮凝結構，呈現一種分散狀態，以利于后期污泥均勻通氣供氧，保障好氧發酵過程。

3.5 通風供氧

通風量與微生物活動的強烈程度和有機物的分解速度密切相關，堆肥時必須保證充分供氧。如果通風量不足，會出現厭氧現象，導致升溫效果差，產生臭氣；通風量過高則會使堆肥冷卻，導致病原菌的大量存活而達不到無害化要求。

結合污泥特性，目前市場較為成熟的解決工藝有翻拋機翻堆，打破污泥團性結構，利用物料的均勻布氣；其次是近幾年推廣較好的覆膜正壓發酵。

4 污泥堆肥技術推廣應用及其產品在土地改良中的應用

4.1 污泥堆肥技術推廣應用

發酵槽膜覆蓋發酵技術能夠實現一個較恒定的氣候環境，在鼓風的作用下，在發酵槽內能夠形成一個微高壓內腔，使堆體供氧均勻充分，溫度分布均勻，為微生物好氧發酵構建了一個適宜的小環境，同時，水蒸氣和二氧化碳能夠借助功能膜的微孔結構擴散出去，維持了發酵堆體膜內外的氣流平衡，保證好氧發酵進行得更加充分徹底，發酵溫度保持在70℃以上達7天以上，最高溫度達到95℃，致病性病原菌和雜草種子得到有效殺滅，有效減少臭氣排放和氨的流失，提高資源化產品養分含量和品質。

利用覆膜發酵工藝，結和市政污泥、餐廚垃圾進行協同處置，達到較好的有機固廢處理處置的效果。具體處理工藝如圖1所示。

圖1 槽式膜覆蓋高溫好氧發酵技術處理市政污泥等有機固廢物流程圖

堆肥技術能夠實現污泥的穩定化、減量化、無害化和資源化利用，堆肥產品作為有機肥或土壤改良劑具有增加土壤有機質含量，改善土壤理化性質的作用。黃殿男等人研究表明，污泥作為土壤改良劑具有增加沙化土壤的保水能力,提高沙化土壤有效鉀含量，土壤理化性質接近適宜耕作土壤[9]。孟繁宇等人研究污泥對鹽堿地和小麥生長的影響，結果表明土壤容重、pH值和堿化度有效降低，養分含量明顯增加，有效促進小麥種子在鹽堿環境中發芽并長勢較好[10]。王曉輝等人研究表明，堆肥污泥可以調節土壤的pH值，提高土壤肥力，有機質含量增加，合理的投加量可以促進植物的生長[11]。儲雙雙等人研究表明，污泥堆肥合理利用能顯著增加黃梁木的株高、地徑和生物量，促進氮磷鉀的吸收[12]。董曉蕓等人研究表明，使用污泥堆肥產品可提高土壤酶活性、氮、鉀和總有機碳含量，重金屬質量分數低于國家農用地污染標準[13]。冀拯宇等人研究表明，使用污泥堆肥可以在短時間內有效提升沙質潮土的土壤肥力，改善土壤微生物學特性[14]。王社平等人研究表明，施用適量污泥堆肥能有效增加草莓產量[15]。

5 展望

城市生活污泥富含農作物生長所需的氮、磷、鉀和有機質等營養物質，具有良好的農業應用價值和廣闊的市場前景。在今后相當長的時間段內，堆肥將是我國污泥處理的主要發展方向，尋找更為安全、高效的堆肥處理方法，實現污泥最大程度的資源化利用。