葉慶新，葉寶水，羅文邃

（廈門綠標生物科技有限公司，福建 廈門 361100）

1 概述

隨著人口的迅速增長和城市化進程的加快，城市污水處理事業(yè)發(fā)展迅速，隨之而來的是城市污水的伴生產(chǎn)物城市污泥的產(chǎn)量越來越大。城市污泥含有大量有機質(zhì)、氮、磷等養(yǎng)分，又含有重金屬、有機污染物和病原菌等有害物質(zhì)，若處置不當，可能對生態(tài)環(huán)境和人類自身健康造成很大危害。

傳統(tǒng)的污泥處置方式主要為投海、填埋、焚燒和土地回用。投海、填埋的處置方式相對簡單，但污染環(huán)境且消耗大量土地資源；污泥焚燒處置的成本高，并需消耗大量燃料，同時產(chǎn)生廢氣形成二次污染；而污泥中的大量有害物質(zhì)又限制了其土地回用，因此污泥處置問題日益成為制約污水處理行業(yè)發(fā)展的“瓶頸”，對污泥進行合理的處置已成為一個十分迫切的問題[1]。

2 傳統(tǒng)污泥堆肥發(fā)酵處置模式及其優(yōu)缺點分析

21世紀以來，世界各國在污泥處置利用方面的發(fā)展趨勢為棄用投海、減少填埋，大力增加能源回收和農(nóng)林土地利用。城市污泥中含有較高的有機質(zhì)等植物生長需要的多種營養(yǎng)元素，是重要的有機肥源[2]，將污泥發(fā)酵堆肥進行土地利用是目前污泥資源化利用的發(fā)展方向。目前污泥堆肥工藝主要有好氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵兩種方式。

污泥好氧發(fā)酵工藝通過供氧使好氧菌生長代謝活躍， 使污泥發(fā)酵升溫實現(xiàn)高溫腐熟，該技術(shù)是處置城市污泥的一種經(jīng)濟有效的好方法， 具有使有機有害物質(zhì)分解徹底、堆肥周期短、臭味小、易控制等優(yōu)點， 利用微生物群落在特定的環(huán)境中對多種有機物分解， 將污泥變成為穩(wěn)定的可利用的腐殖質(zhì)， 作為肥料回用田地或用于土壤改良。中國科學院地理科學與資源研究所陳同斌研究員研發(fā)出的CTB自動控制污泥好氧發(fā)酵工藝是目前較為成熟的好氧發(fā)酵工藝，然而污泥中所含的微生物的種類和數(shù)量有限， 傳統(tǒng)自然條件下升溫時間要求較長， 發(fā)酵過程中的溫度上升較慢，需要持續(xù)地供氧，發(fā)酵成本高。

而傳統(tǒng)的沼氣堆肥則為典型的厭氧發(fā)酵工藝， 利用厭氧微生物代謝改變污泥原來的性質(zhì)，可以釋放作為能源的沼氣，發(fā)酵后的污泥脫水性、可壓縮性等特性得到較大的改善，富含營養(yǎng)物質(zhì)，可以作為有機肥料使用，但厭氧發(fā)酵工藝有機物分解緩慢、發(fā)酵周期長（4～6個月）、占地面積過大、厭氧環(huán)境要求高，不適合大規(guī)模的工業(yè)化污泥處置。

3 新型的污泥發(fā)酵工藝——污泥兼氧發(fā)酵

基于傳統(tǒng)污泥堆肥發(fā)酵模式的優(yōu)缺點，一種新型的污泥兼氧發(fā)酵模式可用于改善傳統(tǒng)污泥發(fā)酵模式的不足，該模式無需嚴格的厭氧環(huán)境或人工曝氣，即可實現(xiàn)污泥的快速發(fā)酵腐熟，使污泥等固體廢棄物得到無害化和資源化利用，變廢為寶。

研究發(fā)現(xiàn)，在好氧堆肥過程中，對有機物具有降解能力的微生物主要是高溫放線菌和高溫真菌[3、4]，嗜熱真菌能產(chǎn)生熱穩(wěn)定性纖維素酶、半纖維素酶、木質(zhì)素酶、淀粉酶、葡萄糖異構(gòu)酶以及其它代謝產(chǎn)物等，對于廢物的堆置發(fā)酵等過程可起到很好的生物轉(zhuǎn)化作用[5、6]，也證實了嗜熱放線菌能較容易地利用半纖維素，并能在一定程度上改變木質(zhì)素的分子結(jié)構(gòu)， 繼而分解溶解的木質(zhì)素。

實踐過程中發(fā)現(xiàn)，在自然環(huán)境中的高溫放線菌與嗜熱真菌并不活躍，這是造成好氧發(fā)酵升溫慢、耗時長的主要原因，即天然溫度環(huán)境下高溫放線菌與嗜熱真菌的作用發(fā)揮有限。此外，好氧發(fā)酵需要大量消耗氧氣，當局部供氧不足時會出現(xiàn)局部的缺氧環(huán)境，使好氧發(fā)酵不夠充分。厭氧發(fā)酵的環(huán)境要求高，工業(yè)化運行需大量資金投入，而厭氧發(fā)酵可以很好地彌補好氧發(fā)酵產(chǎn)生的局部厭氧環(huán)境帶來的發(fā)酵不足問題。因此，如果能使好氧發(fā)酵與厭氧發(fā)酵和諧兼容，則可以互相協(xié)同完成污泥的發(fā)酵。

基于上述分析，設計出的兼氧發(fā)酵模式，通過綜合利用好氧、厭氧和兼氧微生物，使污泥內(nèi)部與外部同時發(fā)酵、繁殖，彌補單一好氧或厭氧發(fā)酵的不足，即通過篩真菌（嗜熱真菌如絲狀菌、酵母菌）、高溫放線菌、細菌（芽孢桿菌、乳酸菌）等多種污泥發(fā)酵過程的優(yōu)勢菌種，加入米糠等載體，復配馴化組成復合發(fā)酵菌劑，以牛、羊等畜禽類糞便、中藥渣、食用菌下腳料以及谷殼、糖泥、糠醛渣、農(nóng)作物秸稈等農(nóng)作物生產(chǎn)廢料作為發(fā)酵輔料，將城市污泥與輔料，以及復合發(fā)酵菌劑按一定比例混合堆垛后，即可進行污泥兼氧堆肥發(fā)酵，該模式發(fā)酵過程及原理描述如下：

污泥及發(fā)酵輔料中含有大量的多糖、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)，剛混合完成的堆垛含有大量的氧氣，此時好氧的芽孢桿菌、兼性的酵母菌利用垛內(nèi)及表面的氧氣進行好氧發(fā)酵，分解污泥里的多糖、氨基酸等有機物產(chǎn)生大量的熱，肥溫上升；隨著垛內(nèi)及表層的氧氣消耗，芽孢菌群的活性降低，兼性酵母、偏厭氧的乳酸菌開始活躍，對污泥進行兼氧發(fā)酵，使肥溫繼續(xù)上升，進入高溫發(fā)酵階段。從肥溫表征上看，該過程一般在24～48小時后即可使肥堆溫度升到60℃甚至70℃以上（不同的環(huán)境條件及污泥成分會有所差別），從而激發(fā)高溫放線菌與嗜熱真菌的活性，釋放大量纖維素酶、半纖維素酶、木質(zhì)素酶、淀粉酶、葡萄糖異構(gòu)酶等來分解污泥中的有機物，分解的污泥有機物又可作為細菌的代謝營養(yǎng)。之后2～5天達到高峰溫值，低溫菌活性降低，高溫菌活躍，有害的微生物、寄生蟲卵在這一階段多數(shù)被殺死、分解。之后溫度開始下降，當溫度降到50℃以下時，堆垛內(nèi)部高溫發(fā)酵接近完成，隨后對堆垛進行翻刨，使整個堆垛的發(fā)酵充分進行。當翻刨后肥溫無法上升到50℃以上時，污泥高溫發(fā)酵階段完成，高溫放線菌與嗜熱真菌的活性降低、消退，而進行休眠的低溫菌開始復蘇進入中低溫（35℃～50℃）發(fā)酵階段，這一階段分解高溫發(fā)酵階段產(chǎn)生的大量大分子殘渣成為植物可利用的小分子物質(zhì)，該過程可維持20～40天，最終使污泥轉(zhuǎn)化為可用于園林綠化的有機肥。

通過上述細菌、真菌、放線菌的復合協(xié)同作用，使污泥的發(fā)酵得以高效、快速完成，又避免了人工曝氣等大量耗氧耗能的操作，同時可使木屑、秸桿等農(nóng)作物廢料充分利用，實現(xiàn)資源化處理。而該兼氧發(fā)酵的菌劑可通過加入米糠等輔料載體制成菌劑，方便使用與保存。經(jīng)過實際試驗，該模式在污泥發(fā)酵堆肥上的效果理想，有利于污泥發(fā)酵堆肥技術(shù)的推廣使用，有望能解決城鎮(zhèn)生活污泥的處置與資源化利用問題。

4 污泥兼氧發(fā)酵的應用試驗

為驗證上述污泥兼氧發(fā)酵的可行性與實際效果，采用廈門某生物科技公司篩選復配的污泥兼氧發(fā)酵菌劑，分別對同安污水處理廠、海滄污水處理廠、集美污水處理廠、西柯污泥處置廠脫水生活污泥進行試驗。

4.1 材料

材料采用上述原理篩選復配的污泥兼氧發(fā)酵復合菌劑。

輔料采用木屑、香蕉葉（粉碎）、蘑菇渣、稻殼等農(nóng)作物加工的下腳料。

污泥分別采用同安污水處理廠、海滄污水處理廠、集美污水處理廠、西柯污泥處置廠的城鎮(zhèn)生活污泥（含水率約80%）。

4.2 試驗方法

根據(jù)NY525-2011標準檢測污水處理廠提供的原泥。

分別取各污水處理廠污泥80kg，加入木屑、香蕉葉（粉碎）、蘑菇渣、稻殼各5kg，污泥兼氧發(fā)酵菌300g，混合均勻，使混合后體系的含水率達到約60%，堆垛發(fā)酵。發(fā)酵出的產(chǎn)品取樣根據(jù)NY525-2002標準測試。

試驗組的污泥兼氧堆肥發(fā)酵工藝見圖1。

圖1 污泥兼氧堆肥發(fā)酵工藝流程圖

4.3 檢測結(jié)果

對同安、海滄、集美污水處理廠及西柯污泥處置廠的脫水污泥發(fā)酵前后取樣分析檢測，結(jié)果見表1、表2、表3、表4。

表1 同安污水處理廠檢測結(jié)果

表2 海滄污水處理廠檢測結(jié)果

表3 集美污水處理廠檢測結(jié)果

表4 西柯污泥處置廠檢測結(jié)果

經(jīng)處理的污泥堆好后，溫度開始迅速上升，3～4天溫度上升到最高，達70℃左右，之后開始緩慢下降，50℃以上高溫可持續(xù)7～10天，25天后基本達到穩(wěn)定狀態(tài)（見圖2）。

圖2 堆肥發(fā)酵過程肥溫變化曲線圖

5 結(jié)論

從試驗結(jié)果可以看出，通過兼氧發(fā)酵處置城市污泥制造有機肥是可行的。改進后的兼氧模式比原先發(fā)酵模式的發(fā)酵速度更快，升溫過程一般在48小時內(nèi)可達到60℃以上，高溫（50℃以上）持續(xù)的天數(shù)為7～10天，發(fā)酵過程只需簡單地翻刨，無需大量的曝氣，可節(jié)約大量能耗。

發(fā)酵使用的輔料可因地置宜，選用當?shù)氐霓r(nóng)作物生產(chǎn)廢料來調(diào)節(jié)污泥的含水率及改善污泥成分，同時實現(xiàn)廢料再利用。發(fā)酵后的有害微生物及寄生蟲卵基本滅活，高溫可促使污泥包裹的水分釋放蒸發(fā)，經(jīng)發(fā)酵后的肥料初含水率為30%左右，進一步干燥造粒后得到的有機肥含水率在20%以下。

[1]張增強，殷憲強.污泥土地利用對環(huán)境的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2004，23（6）：1182-1187.

[2]陳同斌，鄭國砥，高定，等.城市污泥堆肥化處理及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中的幾個關(guān)鍵問題[J].中國給水排水，2009，25（9）：104-108.

[3]劉有勝，楊朝暉，曾光明，等.PCR-DGGE技術(shù)對城市餐廚垃圾堆肥中細菌種群結(jié)構(gòu)分析[J].環(huán)境科學學報，2007，27（7）：1151-1156.

[4]席北斗，劉鴻亮，白慶中，等.堆肥中纖維素和木質(zhì)素的生物降解研究現(xiàn)狀[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設備，2002，3（3）：19-23.

[5]連賓，劉叢強.嗜熱真菌的生物轉(zhuǎn)化功能與經(jīng)濟價值[J].地球與環(huán)境，2004，32（2）：49-54.