劉戰(zhàn)廣

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市　200092）

厭氧消化污泥深度生物干化試驗(yàn)研究

劉戰(zhàn)廣

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

將厭氧消化污泥與返混料、麩皮按一定比例混合，采用自制的生物干化反應(yīng)器研究了厭氧消化污泥的水分去除和減量化效果。經(jīng)過(guò)18 d的生物干化試驗(yàn)后，累積去除水分達(dá)764.2 g/kg初始水分重量，厭氧消化污泥堆體的含水率從55.1%降至27.0%，其中含水率降至30%以下所需的時(shí)間僅為7～12 d。同時(shí)，堆體的重量和體積分別減少48.7%和35.6%，減量化效果明顯。有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生的熱量中有85.94%用于堆料水分的蒸發(fā)去除，熱量利用效率較高，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，堆體的平均溫度大于60℃的時(shí)間達(dá)6 d，大于55℃的時(shí)間達(dá)10 d。生物干化產(chǎn)物有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量分別為58.8%和17.82%，具有土地利用的潛能，且可達(dá)到單獨(dú)焚燒用泥質(zhì)（GB/T 24602-2009）的要求。

厭氧消化污泥；生物干化；減量化；土地利用；污泥焚燒

0　引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理事業(yè)的快速發(fā)展，污水處理廠數(shù)量不斷增多，污泥產(chǎn)生量也日益增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2016年3月，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠數(shù)量達(dá)4 323座，污泥年產(chǎn)生量在4 000萬(wàn)t（含水率80%）以上。厭氧消化作為一種低能耗、資源化的污泥穩(wěn)定化處理技術(shù)，不但有效降低污泥中的有機(jī)質(zhì)含量，而且還能回收沼氣能源，國(guó)內(nèi)外均積極鼓勵(lì)應(yīng)用［1］。然而厭氧消化污泥經(jīng)濃縮脫水后的含水率仍然高達(dá)70%～80%，體積大，不利于污泥的最終處置利用。

生物干化是一種與好氧堆肥相似的污泥處理新技術(shù)。與好氧堆肥工藝相比，生物干化是利用微生物好氧發(fā)酵過(guò)程中降解有機(jī)質(zhì)所產(chǎn)生的生物熱能，實(shí)現(xiàn)物料的快速脫水干化和減容減量，并不強(qiáng)調(diào)干化產(chǎn)品的完全穩(wěn)定化［2］。目前污泥生物干化研究對(duì)象主要為剩余活性污泥［3，4］，荷蘭GMB公司已在荷蘭Zutphen和Tiel分別建有15萬(wàn)t/a和8萬(wàn)t/a的污泥生物干化廠，處理對(duì)象以市政污水處理廠剩余污泥為主［2］。與剩余活性污泥相比，厭氧消化污泥有機(jī)質(zhì)含量已明顯下降，且以厭氧或兼性厭氧菌群為主，可能導(dǎo)致生物干化過(guò)程和效果的不同［1］。由于厭氧消化污泥已實(shí)現(xiàn)部分穩(wěn)定化，因此，進(jìn)一步采用生物干化工藝快速降低厭氧消化污泥的含水率，將有利于污泥的焚燒或土地利用。

本試驗(yàn)采用自制的生物干化反應(yīng)器研究脫水后的厭氧消化污泥生物干化處理效果及溫度、通風(fēng)、輔料等關(guān)鍵因素的影響，探討了厭氧消化污泥生物干化過(guò)程的熱量平衡，并簡(jiǎn)要分析了厭氧消化污泥生物干化產(chǎn)物的處置利用。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

生物干化試驗(yàn)所用的厭氧消化污泥取自上海市某污水處理廠厭氧消化污泥脫水車(chē)間，該廠設(shè)計(jì)厭氧消化溫度為35℃，采用離心脫水機(jī)脫水后的污泥含水率為74%～76%，有機(jī)質(zhì)含量（VS）為45%～50%。試驗(yàn)所用的小麥麩皮購(gòu)自江蘇省無(wú)錫市某副食品加工企業(yè)，含水率為12.6%，VS為93.6%。試驗(yàn)添加適量的上海市松江污水處理廠污泥堆肥產(chǎn)品為返混料，含水率為23.8%，VS為73.6%。

1.2試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在PVC材料的圓柱形生物干化反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)器容積0.18 m3，高度0.9 m，直徑0.5 m。如圖1所示，反應(yīng)器底部0.15 m為布?xì)馐?，采用時(shí)控開(kāi)關(guān)控制風(fēng)機(jī)強(qiáng)制向上通風(fēng)，風(fēng)機(jī)流量通過(guò)浮子流量計(jì)調(diào)節(jié)。堆體溫度及氣體的溫度和濕度采用多通道參數(shù)記錄儀在線監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)在未設(shè)空調(diào)的室內(nèi)進(jìn)行，反應(yīng)器壁外部包裹0.05 m厚的保溫棉以減少熱量損失。反應(yīng)器整體置于500 kg電子臺(tái)秤上便于記錄重量變化。

圖1　生物干化試驗(yàn)裝置

1.3試驗(yàn)方法

離心脫水后的厭氧消化污泥與返混料、麩皮按4∶1∶1的比例（濕重）混合均勻后投入生物干化反應(yīng)器，總進(jìn)料體積0.09 m3，堆體在反應(yīng)器內(nèi)的高度為0.45 m。采用間歇通風(fēng)方式供氣，通風(fēng)頻率為開(kāi)20 min/關(guān)40 min，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中保持通風(fēng)速率為12 L/min。多通道參數(shù)記錄儀的4個(gè)溫度傳感器分別沿高程均布于堆體的上、中、下三層及空氣中，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)定為30 min/次。前期試驗(yàn)表明，堆體溫度上升速率快，反應(yīng)器出口的氣體濕度恒定在100%，因此僅設(shè)置1個(gè)氣體濕度傳感器測(cè)定空氣濕度。試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)堆體溫度的變化情況進(jìn)行翻堆，每天定期記錄電子臺(tái)秤重量，并采用土壤取樣器在沿高程均布的三個(gè)取樣點(diǎn)定期等量取樣，取200 g混合均勻的樣品測(cè)定含水率、VS、pH、種子發(fā)芽指數(shù)等參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)束后，將堆體翻動(dòng)均勻，取樣檢測(cè)最終產(chǎn)物的含水率、VS、pH、EC、總養(yǎng)分、糞大腸菌群、種子發(fā)芽指數(shù)等參數(shù)。

2　結(jié)果與討論

2.1溫度變化與水分去除

溫度是生物干化工藝的重要參數(shù)，溫度升高可加快水分的蒸發(fā)和去除。試驗(yàn)共進(jìn)行了18 d，試驗(yàn)過(guò)程中溫度變化與水分去除的情況見(jiàn)圖2。如圖2（a）所示，試驗(yàn)開(kāi)始后堆體溫度迅速升高，第7 h堆體的平均溫度達(dá)61.3℃，第20 h進(jìn)一步升至70.0℃，顯示在試驗(yàn)開(kāi)始的24 h內(nèi)堆體中的微生物活性較高。第1 d之后堆體溫度略有下降，且受晝夜溫差的影響形成波浪形曲線。試驗(yàn)第5 d時(shí)進(jìn)行第1次翻堆，翻堆后6 h堆體的平均溫度重新升至60.0℃以上，第12 h再次到達(dá)70.0℃，升溫速率較試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)有所加快。此后直至試驗(yàn)第10 d，堆體的平均溫度均保持在50.0℃以上，但整體上呈現(xiàn)波浪形的緩慢下降趨勢(shì)。試驗(yàn)第10 d～12 d堆體溫度快速下降，第12 d降至33℃時(shí)進(jìn)行第2次翻堆。第2次翻堆后，堆體溫度仍可上升至64.5℃，但上升速率顯著降低，且到達(dá)最高溫度后迅速下降，基本呈現(xiàn)單峰狀態(tài)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，堆體的平均溫度大于60℃的時(shí)間達(dá)6 d，大于55℃的時(shí)間達(dá)10 d。如圖2（b）所示，堆體經(jīng)18 d生物干化試驗(yàn)后累積升溫427℃，試驗(yàn)前10 d的累積升溫曲線呈線性增加趨勢(shì)，線性擬合模型為y=33.4x，R2為0.999。

生物干化的重要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)含水率的快速下降。如圖2（c）、（d）所示，本試驗(yàn)堆料的初始含水率為55.1%，經(jīng)過(guò)18 d的生物干化試驗(yàn)，堆料的含水率下降至27.0%，累積去除水分達(dá)764.2 g/kg初始水分重量，表明本試驗(yàn)的水分去除效率較高。堆料含水率降至50%、40%和30%的時(shí)間分別為2.5 d、7.5 d和11 d。試驗(yàn)0～12 d對(duì)應(yīng)于試驗(yàn)的高溫段，水分去除速率較快，12～18 d基本對(duì)應(yīng)于試驗(yàn)的低溫段，水分去除速率顯著降低，表明水分去除受溫度的影響較大，生物干化過(guò)程中應(yīng)維持高溫狀態(tài)以達(dá)到快速干化目的。此外，第一次翻堆后含水率下降速率略有升高，主要是由于翻堆提高了物料的孔隙率和松散度，從而加快了水分的去除。翻堆有利于改善堆體的物理結(jié)構(gòu)，但同時(shí)也導(dǎo)致熱量的損失［4］。在生物干化的實(shí)際生產(chǎn)中，由于物料集中，產(chǎn)生的熱量多，甚至可能設(shè)有熱量回收利用系統(tǒng)［2］，則翻堆所引起的熱量損失相對(duì)較小。

根據(jù)生物干化反應(yīng)器進(jìn)出口氣體的溫度、濕度及通風(fēng)量，假設(shè)逸出堆體的空氣濕度恒定為100%，計(jì)算通入空氣的持水能力和理論最大失水量［4］，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3（a）可見(jiàn)，空氣持水能力的變化趨勢(shì)與溫度的變化相似，表明堆體溫度與水分去除能力具有顯著正相關(guān)關(guān)系。由于飽和空氣的含水量隨溫度升高呈指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，因此即使在濕度很高的氣候條件下，只要反應(yīng)器進(jìn)出口的空氣溫差足夠大，水分去除效果也很明顯。如圖3 （b）所示，堆體的實(shí)際失重小于理論最大失水量，且兩者的差值逐漸擴(kuò)大，這是由于污泥中水分的蒸發(fā)受溫度和水分子存在形態(tài)的共同影響。試驗(yàn)初期主要去除污泥顆粒間隙中的游離水，水分蒸發(fā)受到的束縛較小，因此實(shí)際失重與理論失重基本吻合。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，剩余水分蒸發(fā)受到的束縛逐漸加大，因此導(dǎo)致逸出堆體的空氣飽和度下降，實(shí)際失重與理論失重的差值擴(kuò)大。

圖2　生物干化過(guò)程中溫度及含水率的變化

圖3　生物干化過(guò)程中空氣的涵水能力與理論最大失水量

2.2有機(jī)質(zhì)降解與熱量平衡

生物干化利用微生物好氧發(fā)酵降解有機(jī)質(zhì)所產(chǎn)生的生物熱能實(shí)現(xiàn)水分去除，因此基于有機(jī)質(zhì)的降解進(jìn)行熱量平衡分析有助于了解生物干化的內(nèi)在機(jī)制。如圖4所示，本試驗(yàn)堆料的初始有機(jī)質(zhì)（VS，干基）含量為70.2%，經(jīng)過(guò)18d的生物干化試驗(yàn)，堆料的VS下降至58.8%，累積VS降解為344.2 g/kg初始VS含量。本試驗(yàn)采用的厭氧消化污泥已得到部分的穩(wěn)定化，可降解VS含量顯著降低，因此需要適當(dāng)添加輔料增加可降解VS的含量以縮短生物干化時(shí)間。

圖4　生物干化過(guò)程中VS含量的變化

VS降解產(chǎn)生的生物熱能的消耗途徑包括通入的干空氣及干空氣中的水分升溫（Qdryair、Qwatvap）、堆料中的水分與固體物質(zhì)升溫（Qwater、Qsolid）、堆料中蒸發(fā)去除的水分潛熱（Qevapo）、反應(yīng)器壁散失的傳導(dǎo)熱（Qconduc）、堆體表面散失的輻射熱（Qradi），其中 Qwater和Qsolid包含翻堆所損失的熱量。根據(jù)文獻(xiàn)［4］中提供的公式分別計(jì)算以上各項(xiàng)熱量消耗，結(jié)果如見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，本試驗(yàn)中Qevapo占總熱量的比例達(dá)85.94%，表明VS降解產(chǎn)生的熱量主要用于水分的蒸發(fā)去除，熱量利用效率較高。本試驗(yàn)經(jīng)18 d生物干化過(guò)程降解的VS總量（ΣΔVS）為6.30 kg，計(jì)算得到的燃燒熱系數(shù) Hc=ΣQconsum/ΣΔV S= 18.95 kJ/g，與文獻(xiàn)［1］的結(jié)果（19.92 kJ/g BVS）相近。

表1　熱量消耗的主要途徑

2.3重量與體積的消減

污泥經(jīng)生物干化過(guò)程后具有減量化效果。試驗(yàn)中堆體重量（濕基）和高度隨時(shí)間的變化分別如圖5（a）、（b）中的白色圓點(diǎn)所示。經(jīng)過(guò)18 d的生物干化過(guò)程，堆體的濕基重量和高度分別較初始值降低48.7%和35.6%，污泥減量化效果明顯。本試驗(yàn)的堆料中添加了適量的污泥堆肥返混料，由于返混料經(jīng)過(guò)堆肥過(guò)程已基本穩(wěn)定，含水率較低，假設(shè)生物干化過(guò)程中返混料的重量保持不變，如圖5 （a）中的淺色陰影區(qū)所示，則厭氧消化污泥和輔料的減重比例可達(dá)58.5%。如圖5（b）所示，第12 d之前的堆體體積明顯減小。每次翻堆之后堆體體積有所上升，表明翻堆可改善堆體結(jié)構(gòu)，有助于水分去除，從而加快污泥減量。隨著堆體的逐步壓實(shí)及溫度的下降，體積減小速率逐漸降低。

圖5　生物干化過(guò)程中重量與體積的消減

2.4生物干化產(chǎn)物性質(zhì)與處置分析

試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)得厭氧消化污泥生物干化產(chǎn)物的pH值和EC值分別為7.93和6.60 mS/cm。生物干化產(chǎn)物總養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量分別為17.82%和 58.8%，養(yǎng)分含量較高。經(jīng)厭氧消化和生物干化兩級(jí)處理后，糞大腸桿菌未檢出，衛(wèi)生狀況良好。此外，由于厭氧消化污泥取自城市污水處理廠，進(jìn)水中未接入工業(yè)廢水，前期研究表明該廠污泥重金屬含量均低于國(guó)家相關(guān)泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此本試驗(yàn)未再檢測(cè)重金屬含量。

根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（GB/T 23486-2009）中規(guī)定的種子發(fā)芽指數(shù)測(cè)試方法，采用小白菜種子對(duì)生物干化產(chǎn)物進(jìn)行試驗(yàn)未檢出種子發(fā)芽。對(duì)厭氧消化污泥和輔料單獨(dú)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，生物干化前的厭氧消化污泥種子發(fā)芽指數(shù)為33.0%，輔料則未檢出，但將輔料稀釋2倍和5倍后可測(cè)得種子發(fā)芽指數(shù)分別為2.7%和38.9%，表明生物干化產(chǎn)物中未降解的輔料可能是導(dǎo)致種子發(fā)芽指數(shù)未檢出的主要原因，可進(jìn)一步優(yōu)化輔料配比，或根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，因地制宜選取輔料來(lái)源，在保證生物干化效果的同時(shí)，降低成本，促進(jìn)生物干化產(chǎn)物的土地資源化利用。

污泥的有機(jī)質(zhì)含量也是決定污泥熱值的重要參數(shù)。根據(jù)上文計(jì)算的Hc值及產(chǎn)物VS含量，可計(jì)算得到生物干化產(chǎn)物的干基低位熱值為11 148.3 kJ/kg，按含水率27.0%計(jì)算得到的濕基低位熱值為8 137.1 kJ/kg。按照《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨(dú)焚燒用泥質(zhì)》（GB/T 24602-2009）中的規(guī)定，自持焚燒要求有機(jī)質(zhì)含量大于50%，低位熱值大于5 000 kJ/kg，含水率小于50%。因此，厭氧消化污泥生物干化產(chǎn)物可達(dá)到單獨(dú)焚燒用泥質(zhì)的要求。

3　結(jié)論

（1）生物干化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)厭氧消化污泥的高效低耗深度干化，經(jīng)過(guò)7～12 d左右的生物干化過(guò)程，厭氧消化污泥堆體的含水率可從55%以上快速降至30%以下，且堆體的重量和體積可分別減少40%和30%以上，減量化效果明顯。

（2）有機(jī)質(zhì)降解和溫度是影響水分去除速率的重要因素，通過(guò)添加輔料增加可降解有機(jī)質(zhì)含量可提升有機(jī)物降解速率并維持高溫，從而加快水分的蒸發(fā)和去除。在18 d的試驗(yàn)過(guò)程中，厭氧消化污泥堆體平均溫度大于60℃的時(shí)間達(dá)6 d。

（3）根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況因地制宜選取輔料來(lái)源，或通過(guò)優(yōu)化輔料配比，可在保證生物干化效果的同時(shí)降低成本。

（4）厭氧消化污泥生物干化產(chǎn)物的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量較高，衛(wèi)生狀況良好，具有土地資源化利用的潛能。同時(shí)，厭氧消化污泥生物干化產(chǎn)物各項(xiàng)指標(biāo)均符合GB/T 24602-2009的規(guī)定，可達(dá)到單獨(dú)焚燒用泥質(zhì)的要求。

［1］Li，X.W.，Dai，X.H.，Yuan，S.J.，etc.Thermal analysis and454 pyrosequencing to evaluate the performance and mechanisms for deepstabilizationandreductionofhigh-solidanaerobically digested sludge using biodrying process［J］.Bioresource Technology，2015（175）:245-253.

［2］Winkler，M.-K.H.，Bennenbroek，M.H.，Horstink，F(xiàn).H.，etc.The biodrying concept:An innovative technology creating energy from sewage sludge［J］.Bioresource Technology，2013（147）:124-129.

［3］張喻，韓融，陸文靜，等.通風(fēng)強(qiáng)度對(duì)市政污泥生物干化中試效果的影響［J］.環(huán)境科學(xué)，2015，36（5）:1727-1732.

［4］Zhao，L.，Gu，W.M.，He，P.J.，etc.Effect of air-flow rate and turning frequency on bio-drying of dewatered sludge［J］.Water Research，2010，44（20）:6144-6152.

［5］Bilgin，M，Tuluns，.Biodrying for municipal solid waste:volume and weight reduction［J］.Environmental Technology，2015，36（13）: 1691-1697.

X70

A

1009-7716（2016）07-0294-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.088

2016-05-13

上海市國(guó)際科技合作基金項(xiàng)目（14230700400）。

劉戰(zhàn)廣（1985-），男，湖北隨州人，博士，工程師，從事水污染控制及污泥資源化利用方面的研究工作。