1、引言
隨著我國社會經濟和城市化的發展，城市污水處理廠的規模不斷擴大，處理程度不斷提高。到1998年為止，全國已建成和在建的城市污水處理廠已近200座，污水處理能力約為1000余萬m3/d。與蓬勃發展的污水處理相比，污泥處理和處置技術在我國還剛剛起步，隨著新建污水處理廠的陸續投產，污泥產量將會有大幅度的增加，所以對污泥的處理和處置必須予以充分的重視。
城市污泥的利用和最終處置方法主要有焚燒、填埋、堆肥和投海等。焚燒法的技術和設備復雜、耗能大、費用較高，并且有大氣污染問題；填埋法受到場地條件及環境的限制，在污泥運輸距離的合理范圍內已很難找到合適的地點；投海會污染海洋，對海洋生態系統和人類食物鏈已造成威脅，國際公約已明令禁止；堆肥處理不但可以達到穩定污泥的目的，同時制成肥料農業利用具有經濟、簡便、可資源化等優點，引起各國的重視，并進行大量的研究。
北京市密云污水處理廠處理能力為1.5萬立方米/天，日產污泥5～6噸。在我們研究的基礎上，建成了國內第一條完整的生產性規模的污泥制肥生產線，生產線由污泥預處理、好氧動態堆肥裝置和復混肥生產裝置構成。生產線已連續運行兩年，生產的有機復混肥銷售情況良好。復混肥生產已有成熟的技術，我們著重研究污泥的穩定化和無害化處置工藝。
2、密云污水處理廠污泥處理和利用工藝
污水處理廠的初次污泥和二次污泥經濃縮后，一般采用帶式壓濾機脫水，泥餅含水率為75～85％。這樣的污泥由于含水率高、粘性大、無結構強度。直接進行堆肥氧氣難以通入，易產生厭氧狀態。對于中小規模的污水處理廠，由于剩余污泥量不太大，若廠區又有足夠的場地，氣候適宜，則選擇自然晾曬是最理想的途徑。本實驗在密云污水處理廠，采用了自然晾曬作為污泥堆肥的污泥含水率預調整手段。經過堆肥處理的污泥成為性狀良好的腐植顆粒。然后可以按照不同農肥標準添加一定比例的氮、磷、鉀等化學原料，通過粉碎、攪拌后進入造粒裝置，成型后經干燥、篩分成為成品包裝后入庫或出售。污泥處理和處置工藝流程如圖1。
污泥堆肥工藝分為好氧發酵與厭氧發酵兩種工藝過程。厭氧發酵工藝由于產生甲烷、硫化氫、二氧化碳等代謝產物會引起惡臭。由于有機物分解緩慢，發酵周期長達4～6個月，致使占地面積過大。另外蚊蠅孳生，污水淌流，產生嚴重的二次污染，不適合于大規模工業化污泥處置。現代工藝大多采用好氧堆肥，它具有有機物分解率高，堆肥周期短，氣味較小。但傳統好氧堆肥的停留時間長一般10－15天，存在占地面積過大，人工翻堆勞動粗笨的問題。工廠化機械堆肥是堆肥工藝發展的主流，開發新的高效堆肥機械也是有迫切要求的。
機械化好氧堆肥技術是在有控制的條件下，利用好氧微生物對污泥中易腐有機物進行生物降解，使之成為具有良好穩定性的腐植粒狀物的全部工藝過程。目前國內外正在研究開發的污泥好氧發酵堆肥技術都是采用進料、攪拌、通氣、出料同時進行的高效發酵工藝裝置，其核心是好氧發酵槽。而發酵槽按照外形可分為幾類：立式多段發酵槽；筒倉式發酵槽；臥式旋轉發酵槽；臥式敞口發酵槽。幾類發酵槽性能的比較見表1。
從上面對幾類發酵裝置的比較可以看出，各類發酵裝置中，臥式旋轉發酵裝置可操作性強、輕易設備化、建設投資低、動力消耗小符合高效、低耗的環保節能原則。本研究選擇了以臥式旋轉式發酵裝置為基礎，研制設計了污泥動態堆肥裝置。
3、污泥堆肥裝置設計
根據對已有設備類型、操作性能和基建等項費用的比較，在臥式旋轉發酵罐的基礎上進行了改造，設計出一套污泥堆肥裝置。設計滾筒直徑為1.2m，出料口和進料口直徑分別為0.4m和0.6m。滾筒總長12m，進料與出料口同時起到空氣補給和氣體排出口的作用。由于進料和出料口的存在，滾筒中實際物料堆放厚度就受到限制，超過一定高度的熟化污泥會自動從出料口流出。這樣滾筒中物料的體積就應進行核算。
滾筒有效容積V=/4
式中：d為滾筒直徑；
L為滾筒長度；
k為物料布滿度；一般為0.25～0.6
即滾筒的有效容積為3.4～8.1m3
滾筒內壁焊接槳葉按旋轉方向呈品字形排列，傾斜角度為2°，起到攪拌物料并限制物料流動速度的作用。整個滾筒沿軸向傾斜5°，從高端進料，在滾動中物料滑落到低端出料口流出滾筒。動力部分由交流電動機經雙極擺線減速機，采用齒輪齒圈傳動方式帶動滾筒滾動，轉速為0.03轉/分，最大扭矩4300NM。通風設備采用軸流風機從出料端口鼓入空氣，用定時器設定控制風機開閉。
溫度在發酵過程中的變化，直接的反應了發酵的進程，也是要觀測的主要參數，在滾筒上布置了五個測溫點。在每個測溫點上安裝熱電偶，用電子溫度計測量讀數。物料總停留時間為5天，則1#測溫點為進料當天的溫度；2#為第2天的溫度；3#代表第3天后的溫度；4#為第4天的溫度；5#為第五天的出口溫度。
4、動態污泥堆肥裝置操作參數選擇
從傳統堆肥的基本原理看，影響好氧堆肥的主要因素是溫度、水分、含水率和供氧量。好氧傳統堆肥的核心問題是供氧受到限制。使用研制出的污泥動態堆肥裝置，通過自然通風、連續強制通風、間斷強制通風三種方式對含水率，通風與溫度的關系等進行了實驗，目的在于探索堆肥裝置的最佳運行參數。
1）污泥的前處理
由于從密云污水處理廠壓濾機脫除下來的污泥含水率高達80％以上，不易直接進行堆肥試驗。需采取前處理，采用自然晾曬的方式，污泥層厚5－8cm。根據天氣和季節情況晾曬3－5天，污泥涼曬前后的含水率變化見表2。
2）含水率與溫度
通過試驗得出不同含水率的堆溫變化。在同等的通氣條件下，含水率較高則堆溫較低，反之亦然。在自然通風的條件下，進料的含水率在70％和60％時，55℃以上的堆溫均能保持三天，但是含水率達到70％，污泥輕易在滾動中成團，甚至形成直徑40～50cm的大球，影響設備正常工作。但當進料含水率在20％以下時，整個罐體溫度改變不大，發酵作用不明顯。
堆肥過程中，微生物分解有機物和其生長繁殖過程中需要一定的水分，用于溶解有機物，以利于微生物的攝取，同時水分蒸發散熱也可以起到調節堆溫的作用。據國外資料道，當含水率太低時，微生物在水中攝取營養物質的能力降低，有機物分解停止。但含水率過高使堆料互相粘結，將堵塞空氣的通道，從而使堆肥呈厭氧狀態。含水率過低，又會影響反應過程。這是因為微生物是借在物料之間的游離水的運動中攝取食物和營養物質的。假如微生物缺少這種靠液體運動而游動的機會，那么就會在嚴重缺少營養物質的狀態下喪失了分解有機物的能力。
綜合幾方面因素，確定了控制進料水份在60％左右，即污水廠的脫水泥餅經自然晾曬3～5d就可以做為堆肥裝置的進料。這樣可以比較經濟地解決進料含水率的調整問題，采用其它諸如摻混干燥物或烘干之類的調整含水率的方法都多少影響了機械堆肥的經濟性。
3）通風方式
機械好氧堆肥中要對物料通氣，目的是供給氧氣，維持好氧生物的代謝活動，脫除污泥水分，并防止堆溫過高。根據理論計算，對于城市生活污水污泥來講，每氧化1g有機物約需要2gO2，但使物料干化所需的空氣量大于生化反應的需氧量。所以，針對堆肥過程既要高效分解有機物，又要盡量去除水份，就需要更高的通氣量。從通氣與通風效果的關系曲線可以看到：最高溫度點在2m3氣/m3物料.h，接近70℃。有機物分解量的最大值也在2m3氣/m3物料.h，為70kg/噸物料，所以從有機物分解和得到較高的滅菌溫度來講，顯然通氣量在2m3氣/m3物料.h較好，而從去除水份來講，則3～5m3氣/m3物料.h更好一些。除了通氣量，通風方式也直接影響著發酵反應的進程，主要有自然通風、連續強制通風和間斷強制通風幾類。
在污泥好氧發酵過程中，通風是堆肥過程的控制手段，要達到最佳條件就要控制通風。通風的目的一方面為好氧微生物分解有機物提供釋放能量時所需的氧氣，維持堆層好氧狀態；另一方面則有蒸發水分、干燥堆肥物料、驅散熱量，控制堆肥過程溫度的作用。通風量過大時，水分的大量蒸發導致溫度降低不利于微生物繁殖。反之通風不足，好氧微生物則因缺氧而活性減慢甚至停止反應。通過幾種供氧方式進行了試驗以找出適當的通風方式，結果見表4。
結果表明自然通風和間斷強制通風兩種通風方式升溫效果都比較好，最高可達到72℃。而連續強制通風方式，由于空氣帶走大量水份的同時，也帶走熱量，使得升溫困難，普遍溫度在50℃以下，這對殺死致病菌和寄生蟲卵是不利的。
間斷通風時，溫度平均在65℃，最高達到了68℃的高溫，前3天都可以保持在50℃以上，滿足了污泥無害化處置的基本條件，三種通風方式達到穩定狀態時的各點溫度見圖5。
另外進、出料性狀可以知道，間斷通風的處理效果是可以令人滿足的。首先出料的含水率已經降到了44.4％，可以滿足后續工藝使用。同時也證實在翻堆時強制通風是去除水份的最恰當時機，滾筒滾動時，物料會隨著筒體的緩慢滾動而一層層滑落。理想狀態下，料層是薄薄一層逐漸剝落，這樣可以使翻堆過程很均勻徹底，物料充分地與空氣接觸，同時蓄積的水蒸汽也被吹出滾筒，使物料變干。
5、二次堆肥效果
二次堆肥發酵是將一次發酵出料翻倒均勻，使微生物獲得了一次重新接種的機會。在一次發酵中未分解完全的一些較難分解的有機物，得以繼續分解。本試驗是用發酵后的出料進行二次發酵。二次發酵采用室內平地堆積，堆高1m，堆長2m堆寬1.5m，表5為二次發酵過程的溫度變化。
從試驗看出二次發酵溫度隨時間緩慢下降，溫度沒有回升現象，并且沒有蚊蠅孳生現象出現。這說明在堆肥發酵階段有機物已得到分解，蟲卵已被殺死，污泥達到腐熟和穩定。二次堆肥發酵證實了污泥動態堆肥裝置中可以較短的停留時間，并且高效、較為徹底地對污泥進行穩定化和無害化處理，并為后續造肥工藝提供了有利的條件。
病原微生物的去除
好氧堆肥過程是放熱過程，嗜溫菌與嗜熱菌由適于環境的變化到死亡，完成分解有機物的作用。同時，在堆肥升溫過程中又可殺死病原微生物和寄生蟲卵等使污泥無害化。試驗證實堆溫達到50℃時，并保持3天絕大部分病原微生物可被殺滅。自然通風、連續通風、間斷通風這幾種運轉方式都可以達到殺滅病原微生物的目的。生污泥的大腸菌值在10－7～10－9之間，蛔蟲卵數在3.8×103～3.7×104個/kg之間變化，經過在滾筒中5日的高溫發酵，出料的大腸菌值≤10-2，蛔蟲卵為0。做為復混肥的添加輔料，污泥投加率只有5～10％。在常用的復混肥園盤造粒生產線中，物料要經過混合、粉碎、成型、烘干、篩分等多個工藝段。在烘干段成型的肥料要在100℃溫度下烘烤約20分鐘，能夠進一步殺滅殘存的病原微生物。
結論
污泥動態堆肥裝置上的試驗研究探討了影響機械堆肥過程的幾個重要參數的相應關系，通過試驗得出如下結論：
污泥含水率是影響堆肥過程的重要因素，適合的含水率為50～65％，在這一范圍內，污泥進入堆肥系統中，可以有較好的通透性，更好地進行好氧發酵反應，通過分解污泥來使堆溫升高。含水率80％的脫水污泥在自然晾曬條件下，3～5日其含水率即可達到65％以下，可以做為堆肥原料，自然晾曬是較為經濟的預調整手段。
堆肥的一個主要目的是實現污泥的無害化。在污泥動態堆肥裝置中的堆肥過程達到55℃以上的高溫，并維持超過3日的時間，可以充分地殺滅病原微生物，其中蛔蟲卵的殺滅率達到100％，大腸桿菌值降低約5～7個數量級，達到無害化標準。
在污泥動態堆肥裝置中，采用三種通風條件，分別對比實際堆肥效果發現：自然通風、連續強制通風和間斷強制通風都可以達到較好的堆肥效果，實現無害化目標。其中間斷性強制通風溫度積蓄良好，堆溫保持較高，間斷性的翻堆和通風又可以有效地帶走水分。因而污泥無害化和水分脫除都是最好的，能量消耗也比較低，是建議使用的堆肥通風方式。
通過對堆肥成品的二次堆肥試驗可以看出，在污泥中已較好地完成了污泥穩定化過程。易腐有機物得到降解，病原微生物得到殺滅，堆肥成品松散、無惡臭，達到無害化要求，污泥動態堆肥裝置是較為理想的機械化堆肥裝置。
