城市污水厂污泥堆肥中试实验研究_图文

1、收稿日期:2006-06-29基金项目:上海市科委清洁生产重大项目城市污水厂污泥综合利用成套技术与示范(02DZ 12101。作者简介:李宇庆(1976-,男,毕业于上海同济大学,获环境科学博士学位,现从事环境保护工程设计和研究工作,曾发表学术论文12篇。文章编号:1673-1212(200605-0093-04城市污水厂污泥堆肥中试实验研究李宇庆1,陈玲2,赵建夫3(11广州市环境保护工程设计院有限公司,广东广州510115;213同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092摘要:城市污水厂污泥由于产生量大且成分复杂,如何对它进行稳定化、无害化处理已越来越受到人们的关注。本研

2、究基于好氧发酵仓式堆肥系统,研究了城市污泥处理过程中温度、含水率、pH 、有机质、水溶性有机碳、总氮和发芽指数等指标参数的变化规律。研究结果表明:当物料初始含水率控制在65%左右时,在强制通风量112.5m 312hr ,搅拌频率30min 24hr 的工艺条件下,堆肥过程可以实现顺利升温并在55以上维持3天,满足杀灭致病菌要求的条件;14天反应周期结束时,物料含水率、水溶性有机碳和有机质含量显著降低,堆肥产品腐熟,卫生学指标达到了美国EPA 污泥产品A 类标准;得到的污泥产品成为性质优良的土壤质量调节剂。关键词:污泥;堆肥;调理剂;强制通风中图分类号:X 703文献标识码:A1前言城市污水厂

3、污泥是指城市生活污水、工业废水处理过程中产生的固体废弃物,是城市污水处理厂的经常性产物。自1857年在英国伦敦建立世界上第一个污水处理厂以来,污泥的处理问题一直是市政管理中的重要问题之一。建设部有关部门统计数据表明,2000年全国有城市污水处理厂427座,2004年增加到708座,据2004年中国环境状况公报,2004年全国废水排放量为482.4亿吨,其中工业废水排放量为221.1亿吨,生活污水排放量为261.3亿吨。全年城市污水处理量162亿立方米,城市污水处理率为45.67%13。因此,随着污水处理量的提高和处理程度的深化,污泥的产生量必将有较大的增长,如何合理地处置污水厂污泥,解决大量污

4、泥的出路已成为非常紧迫的任务。若处理不当将会给生态环境带来严重的影响,因此污泥的处置和利用,已经成为环境领域的重要研究课题。污泥堆肥与其他处理方法,如填埋、焚烧相比,具有建设投资少,运行费用低,无二次污染等优点,适合于我国国情。本研究针对好氧发酵仓式中试堆肥系统,研究了城市污泥堆肥过程中温度、含水率、pH 、有机质、水溶性有机碳(W ater S oluble Organic Carb on ,WS OC 、总氮(T otal nitrogen 发芽指数(G ermination Index 等指标参数的变化规律,以利于进一步优化该堆肥工艺参数和工业化应用研究。2材料与方法2.1污泥堆肥实验装

5、置本实验采用的中试好氧发酵仓式堆肥系统,按照序批式反应器原理设计而成,用于污泥半连续式的发酵试验,该装置由10个单元反应器组成,物料在每个单元反应器中停留时间为1天,14天为一个周期。污泥堆肥反应采用机械混料、人工翻堆和强制通风的方式。整个堆肥系统主要由堆肥仓、送风系统等组成。堆肥发酵仓使用砖+混凝土砌成,每个构筑槽安装活动木制档板和插槽,方便物料进出,内衬20mm 保温隔热板,容积为1m 3(长×宽×高=1m ×1m ×1m 。实验装置上方设遮雨棚,四周预留活动挡板插槽,气温低的时候和保温材料围成保温墙,自然通风顺畅。风机是用来为堆体提供氧气和加快水气

6、蒸发,其风量维持整个堆肥过程的需氧要求,采用微电脑时控开关控制堆肥的通风时间和间隔频率。2.2污泥堆肥材料(1堆肥原料,选取上海市某水质净化厂内的脱水污泥作为研究对象。该厂主要处理生活污水(约90%,另外还有少量食品加工废水(约10%,采用普通活性污泥法处理,剩余污泥采用阴离子混合型絮凝剂调节后带式压滤脱水,污泥含水率在80%左右。具体的基本性质参数见表1所示。(2堆肥调理剂,本实验所选调理剂为木屑,含水率约15%,有机质约84%。根据堆料的含水率控制要求,通过物料衡算(以堆料含水率控制为依据确定污泥与木屑的质量比,并加入一定量的回流污泥,使搅拌后的初始物料含水率在60%左右,同时加入适量的强

7、化菌剂。第31卷第5期2006年8月环境科学与管理ENVIR ON MENTA L SCIENCE AN D MANAGEMENT V ol 1311N o 15Aug 12006表1上海某污水厂污泥的基本性质指标数值指标数值指标数值含水率,%80±4CN810pH 6.57.0挥发性固体,%5060水溶性总氮,gkgDM 3.06.0有机质,gkgDM500700残渣,%20总油,gkgDM5560优先控制污染物ND 大肠杆菌,MPN24000Zn,mgkgDM1652.7Cd,mgkgDM17.4注:DMDry M atter(干物质;NDN ot Detected(未检出。2.

8、3采样和分析方法采样时间在堆肥试验开始的第114天,每天采样一次,每次采样约1kg。采用多点混合法,将采集的样品混匀后,装入干净的密封袋中,部分新鲜样品在4冰箱内保存,24小时内分析完毕;另一部分样品平铺在托盘中自然风干,研磨过筛后进行分析,样品各化学指标的分析方法见表2。表2堆肥过程化学指标及其分析方法化学指标测试条件仪器和分析方法样品含水率%105下24h减重(DHG-9030A型电热恒温鼓风干燥箱鲜样pH110蒸馏水浸提玻璃电极(pHS-3风干样有机质VS%550灼烧4h K SW-4-12型马福炉烘干样WS OC110蒸馏水浸提T OC-VCPN测定仪,SHIM ADZ U(日本风干样

9、T N110蒸馏水浸提T OC-VCPN测定仪,SHIM ADZ U(日本风干样2.4发芽实验发芽实验目前常用的两种方法是干样法和湿样法,其中湿样法因简单、快捷而较为常用,该方法已被意大利政府用作评价有机废物和粪便堆肥腐熟度的标准4,5。本研究采用湿样法,具体方法为:新鲜样品与蒸馏水按110(WV比例混合振荡2h,浸提液在5000rmin下离心分离20min,上清液经滤纸过滤后待用,将一张滤纸置于干净无菌的9cm培养皿中,滤纸上整齐摆放10粒种子,准确吸取3ml滤液于培养皿中,在25,暗箱中培养48h,每个样品做3个重复,并同时用去离子水作空白对照,发芽指数GI(G ermination In

10、dex可由下式计算:发芽指数GI(G ermination Index可由下式计算:GI=样品发芽数×样品根长度对照发芽数×对照根长度×100%3实验条件和方法实验材料主要包括脱水污泥、木屑和VT菌剂,中试实验操作步骤如下:(1将污泥与调理剂(木屑和回流物料以机械混合方式充分混合;(2将不同配比条件下的堆肥原料混合均匀后装入堆肥仓;(3进行好氧堆肥过程,每隔1天人工翻堆一次,时间控制在30min,或启动通风控制系统;(4采用多点混合采样法按时采集堆肥样品,并进行相关指标分析。4实验结果与讨论4.1实验工况发酵仓底端加设管径20cm的穿孔PVC管,穿孔管的孔隙率为6

11、%,采用机械混料与人工翻堆相结合的方法,即堆肥开始时物料经搅拌机混合均匀后进入发酵仓,随后每天进行人工翻堆。通风量的计算参考文献:6,由于考虑到中试堆肥系统处于自然开放状态,因此设计通风量时未考虑散热部分,所需通风总量Q=(V1+V2T=(187. 1m3+3553.1m3(14×2=133.6m312hr,这里T表示堆肥过程高速反应阶段所需时间,在此取14d。因中试实验中每天人工翻堆0.5小时,实际通风量设定为112.5m312hr,用离心风机对堆肥物料间歇式曝气,由微电脑时控开关控制鼓风机的开启或关闭。具体工艺运行参数见表3。表3堆料组成和工艺运行参数工况编号原泥木屑强化菌剂回流

12、物料初始含水率强制通风量人工翻堆1320kg80kg50m L68.3%112.5m312hr30min24hr 2320kg80kg40kg63.9%37.5m36hr30min24hr4.2好氧堆肥工艺运行参数的变化(1温度的变化在堆肥过程中,温度与污泥的无害化、稳定化和减量化有很大关系。工况1和工况2采用了强制间歇机械通风,初始物料经机械混合后与人工翻堆相结合,如图1所示,堆肥开始后2天后即可迅速升温到55以上,工况1和工况2最高温度分别达到了61和58,并且可以维持55以上的高温期3天,满足了堆肥卫生学指标和堆肥腐熟的要求7,8 。图1中试实验过程中温度随时间的变化高温期以后,堆体温度

13、缓慢下降,至第14天时温度降为39左右。工况1和工况2堆温在50以上维持的时间分别是3天和6天,两者差别较大的原因主要在于:一是工况2中加入回流堆肥后引入了大量优势菌种,促进了好氧堆肥的快速高效进行;二是工况2采用通风频率更高、通风时间稍短的方式,比较适合好氧堆肥的需氧特点。(2含水率和VS 变化 图2中试实验过程中含水率和VS 随时间的变化图2表明了工况1和工况2含水率和挥发性固体的变化情况。工况1和工况2含水率分别从6813%和6319%下降到56.8%和4019%,下降比例为1115%和23%,工况2含水率下降较高的主要原因在于物料回流和合理的通风量促使生物反应的顺利进行。在堆肥过程发生

14、的生化反应中,有机质是微生物赖以生存和繁殖的重要条件,VS 一般随堆肥的进行而逐渐下降,工况1和工况2中VS 分别下降513%和1017%,工况2中VS 降低较高的原因是其高温期维持了较长时间,在较合适的工艺条件下发生好氧生物反应。堆肥过程是利用微生物分解堆料中的可降解有机物产生C O 2、H 2O 和热量的过程。这种过程的实质是挥发性固体分解为气体、水分等小分子物质的过程,由此达到稳定化和减量化的目的。表4是堆肥实验中物料重量和体积的变化情况,工况1和工况2物料重量和体积分别下降3718%、3512%和2814%、2715%。表4好氧堆肥物料减量化一览表工况编号初始物料重量木屑百分比出料重量

15、重量降低百分比体积降低百分比1400kg 20%248.8kg 37.8%28.4%2440kg18.2%285.1kg35.2%27.5%注:堆肥后出料重量中包括调理剂。(3水溶性有机碳和总氮的变化如图3所示,由于有机质由微生物合成自身物质及转化为C O 2、H 2O 等,堆肥过程中水溶性有机碳随着发酵反应的进行逐渐降低,工况1和工况2的降解率分别是4314%和3016%。此外,WS OC 降解速率最快的阶段是高温期,工况1和工况2分别从1810g kg 和1717g kg 下降到1213g kg 和1310g kg ,降解率为3210%和2614%。从水溶性总氮变化曲线可以看出,工况1降低

16、幅度较小,从4135g kg 降为3153g kg ,而工况2出现了较大的变化,由3134g kg 降为1106g kg ,特别是高温期尤为明显。这是因为在堆肥高温期,由于含氮有机物的降解,NH 4+-N 大量产生,硝化细菌使堆料中NH 4+-N 等氮素成分通过硝化作用转化为NO -3-N ,强制通风使堆肥反应产生的氨气和氮气从反应体系中逸出。图3中试实验过程中WS OC 和T N 随时间的变化(4pH 值的变化根据美国环保局(USEPA 的规定,污泥与调理剂的pH 值应在69之间9。适宜的pH 值可使微生物有效地发挥作用,保留堆料中有效氮成分,pH 值过高或过低都会影响堆肥的效率。本次实验中

17、堆肥的pH 值一直稳定在6.006.52范围内,如图4所示。(5GI 的变化Chanyasak 等10认为植物毒性与堆肥初期降解过程有关,需要适当的腐熟期消除这种植物毒性。本实验选用了对植物毒性较敏感的阳春大白菜和华王青梗菜种子,两种工况在堆肥过程发芽指数的变化趋势基本相似,都是先降低后升高,这主要是因为堆肥开始后,物料中的有机物、蛋图4中试实验过程中pH值随时间的变化白质等分解成有机酸、醛和氨气的缘故,这些物质对种子的发芽产生抑制作用。随着堆肥过程的进行,这些抑制物质的浓度逐渐降低,堆肥结束时种子发芽指数分别达到56%,54%(阳春大白菜和5519%,4912%(华王青梗菜,接近或者大于50

18、%,认为物料基本达到腐熟,达到可以接受的植物毒性程度。(6卫生学指标对宝山堆肥试验同样进行了病原菌、寄生虫卵和细菌的跟踪检测,中试堆肥产品均达到粪便无害化卫生标准(G B7959-87(G B8172-87中卫生学指标的要求。因此,从卫生学指标来说,堆肥产品的土地利用是比较安全的。5结论5.1通过中试实验研究,获得城市污泥好氧堆肥合理工艺参数如下:添加18.2%20.0%的木屑,辅以9.1%的回流物料,调节物料初始含水率65%左右,采用强制间歇通风方式,机械混料与人工翻堆相结合的搅拌方式。在此条件下,好氧堆肥过程可以实现顺利升温,堆肥高温期(55以上持续了3天,14天后堆料基本腐熟,卫生学指标

19、达到了美国EPA污泥产品A类标准。5.2堆肥物料初始含水率的高低,直接影响着好氧堆肥的速度和质量,甚至关系到整个堆肥过程的成败,本实验中将堆肥初始含水率控制在为65%左右较为适宜。5.3污泥堆肥过程中,含水率、有机质、水溶性有机质明显降低;pH值的变化基本维持在中性范围内;反应周期结束时,堆肥产品的发芽指数达到50%左右,表明其14天内基本达到腐熟,实现了城市污水厂污泥的快速、高效好氧堆肥。参考文献:1国家环保总局.2004年中国环境状况公报R.2建设部综合财务司.1990年2002年中国城市建设统计年报R.中国建筑工业出版社,北京:2002.3国家建设部.2004年全国城市建设统计公报R.4

20、杨国义.夏忠文.李芳柏等.不同填充剂对猪粪堆肥腐熟过程的影响J.土壤肥料,2003(3.29-33.5Zucconi F,Pera A,F orte M,et al.Evaluating toxicity of immature com postJ.Biocycle,1981.(22.54-57.6魏源送.樊耀波.王敏健等.堆肥系统的通风设计J.环境污染治理技术与设备,2000.1(3.1-9.7中华人民共和国标准.粪便无害化卫生标准S.G B795987.8USEPA.A plain English G uide to the EPA Part503 Bios olids RuleS.EPA

21、8322R-93003,1994.9Design Manual Number44:C om posting of municipal wastewater sludgeJ.WW BLDM44.US EPA6254-85014. August1985.10Chanyasak,V.and K ub ota,H.(1981.Carb onor2 ganic nitrogen ratio in water extract as measure of com post degra2 dationJ.Ferment T echn ology.59,215-219.Study O f Chlorobenze

22、nes P ollution In The S onghua RiverLI Y u-qing1,CHE N Ling2,ZH AO Jian-fu3(11G uangzh ou EP Environmental Engineering C onsulting LT D,G uangzh ou510115,China;213S tate K ey of P ollution C ontrol and Res ource Reuse,T ongji University,Shanghai200092,ChinaAbstract:A great deal of municipal sludge h

23、as been producing annually,and its com ponents are very com plex.H ow to stabilize and dispose sewage sludge harmlessly is becoming m ore and m ore im portant.The changes of chemical parameters,such as tem perature,m ois2 ture,pH,organic matter,water s oluble organic carb on,total nitrogen and germination index were s