不同通风量对城市污泥与锯末共堆肥的影响

张军，刘孟子（等）

摘要：为实现城市污泥减量化、无害化和稳定化的综合目的，以城市污泥与锯末为原料，在一体化污泥好氧发酵仓内采用3组不同通风工况进行静态好氧堆肥试验，分析堆体温度、挥发性固体、含水率、发芽指数和pH随时间变化的特点。结果表明，在污泥与锯末含水率分别为83%和11%，质量比为4∶1时，3种通风工况均能实现高温好氧堆肥。工况2（不同时段通风量分别为0.8、0.6、0.4、0.6、1.0、1.0 L/min）时堆肥效果最佳，温度维持50 ℃和55 ℃以上时间最长，堆肥结束时测得白菜种子发芽指数超过80%。

关键词：好氧堆肥；通风量；城市污泥；锯末

中图分类号：S141.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）07-1520-04

Effects of Ventilation Rate on Co-composting of Municipal Sludge and Sawdust

ZHANG Jun，LIU Meng-zi，CHEN Jun，WANG Dun-qiu，YOU Shao-hong

（School of Environmental Science and Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541004， Guangxi， China）

Abstract： Aerobic static co-composting of municipal sludge and sawdust under 3 different ventilation rate of conditions was studied in integrated fermentation device for comprehensive purpose of reduction，harmlessness and stabilization. The indexes such as temperature， VS， moisture content， germination index and pH value were analyzed to examine the feasibility of co-composting of municipal sludge and sawdust. Results showed that when the wet basis ratio of municipal sludge and sawdust was 4∶1 and mixed compost can realize co-composting under 3 different ventilation. The optimal ventilation rate was 0.8，0.6，0.4，0.6，1.0 and 1.0 （L/min） for the temperatures above 50℃ and 55℃ maintained for the longest time. GI of Chinese cabbage was exceeded 80%.

Key words： aerobic composting； ventilation volume； municipal sludge； sawdust

随着我国城镇污水处理厂的迅速发展，污水处理量随之增加，污泥处理问题日益突出。中国水网2012年公布的最新数据显示，截至2011年底，中国累计建成城镇污水处理厂3 138座，总处理能力达1.39亿m3/d。根据估算，2011年中国全年湿污泥（含水率85%）产生量约为2 800万t，每天约产生7.66万t湿污泥。城市污泥中含有重金属离子和病原菌、寄生虫卵等有毒有害物质，若不进行妥善处理，将通过大气、水源等进入人类食物链，严重危害生态环境，对人类健康带来不利影响[1]。目前国内外污泥处置的方法主要有4类：卫生填埋、污泥焚烧、污泥堆肥和污泥农用[2]，与其他处理方式比较，堆肥具有周期短、投资少、资源化回收营养元素和碳排放低等优点。

通风供氧是高温好氧堆肥成功的关键因素之一。通风的主要作用是为微生物提供氧气、调节堆肥进程中的温度和降低含水率。选择合理的通风策略和通风量能实现堆肥快速升温、减少臭气产生、提高堆肥品质、降低能耗和保证堆肥质量[3，4]。通风控制方式包括时间控制、时间-温度控制、O2或CO2含量反馈控制和温度-O2含量反馈控制四种[5]。本试验应用污泥仓式高温好氧堆肥装置，以城市污泥和锯末为原料，采取氧气-温度联合反馈通风的控制方式对高、中、低三组不同通风量条件下的堆肥效果进行了研究，以期为仓式好氧堆肥技术的工艺优化和成套技术的标准化和大规模推广应用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 堆肥原料 污泥取自桂林市七里店污水处理厂，锯末取自桂林市雁山区木材加工站，取回后过筛。堆肥原料的基本性质如表1所示。

1.1.2 试验装置 试验采用直径为0.45 m、高度为0.6 m、容积为50 L的污泥仓式好氧发酵罐（图1）。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 上堆前，根据堆肥物料性质的差异，按污泥与锯末质量比为4∶1进行充分混合，使堆体的C/N比在25～30之间，含水率调节至67%左右。充分混合后装入容积为50 L的仓式好氧堆肥发酵罐。

国内多名学者对堆肥过程中通风控制方式及通风量进行了研究[6-8]，但因各自采用的堆体物料、反应器及控制策略不同而得出的结论也不尽相同。本试验根据堆肥进程中温度的动态变化和氧气消耗规律将堆肥分为4个阶段（图2），分阶段采用氧气-温度反馈通风的策略，由温度探头（PT-100铂电极）和氧气探头（O2 I/-01型O2传感器）探测堆体内温度和氧气的实际值，并将信号传送至可编程逻辑控制器（PLC）和上位组态软件，根据预先设定的通风流量自动调整通风电机阀门的开度，以实现通风流量的精确控制。

1.2.2 通风量的设置 陈同斌等[9]将整个堆肥过程分成4个阶段，即缓慢升温阶段、快速升温阶段、高温维持阶段和降温阶段。为了更加直观地表示堆肥进程中温度的动态变化，此次试验将堆体进程分为适应期（0 ℃

1.2.3 采样及测定 堆肥开始后，通过发酵罐顶部预留的取样孔，依据5点取样法每天取样，风干后进行相关试验测定。

含水率采用减重法测定，取鲜样置于电热烘箱（GZX-9240MBE）内在105 ℃下烘24 h。VS含量采用重量法测定，置于550 ℃的马弗炉中灼烧12 h。TOC采用重铬酸钾容量法-外加热法测定[10]。TN用H2SO4-H2O2消煮，凯氏定氮法测定[11]。

种子发芽指数（GI）：取5 g新鲜堆肥样品与50 mL去离子水充分混合并振荡2 h，在转速为5 000 r/min下进行离心分离，取5 mL滤液放入铺有两张滤纸直径为9 cm的无菌培养皿中，每个培养皿均匀播20粒太原二青白菜种子，30 ℃下恒温培养48 h，测定发芽率和根长，计算GI。

发芽指数（GI）=■×100%

2 结果与分析

2.1 堆体中心温度随时间的动态变化

温度变化特性如图3所示。工况1第3天堆体温度达到55 ℃，较工况2、3提前1 d，表明在堆肥初期通风量越小堆体温度上升越快[6]。在3种通风工况下，工况1、工况2、工况3堆体温度在50 ℃以上分别持续7、8、6 d，在55℃以上维持了4、6、5 d。研究表明，堆体温度在50 ℃以上维持5～7 d或55 ℃条件下维持3 d以上，可以杀灭病原菌和杂草种子[12]。由表3可知，3种通风工况均可实现高温好氧堆肥。工况2时，堆体温度最快进入高温期，且堆体温度维持在50 ℃和55 ℃以上的时间最长，因此堆肥效果最佳。与工况3相比，可以保持相对较小的通风量，符合低功耗连续运行的策略。

持续高温期过后，堆肥进入物料脱水期以完成堆体的快速腐熟。到第16天，测得工况1、工况2、工况3堆体温度分别降至26.0、24.3、23.5℃，接近环境温度22.7℃。其中，由于工况3在物料脱水期保持了较高的通风量，使得堆体可以较好地完成物料脱水和快速腐熟，故与环境温度最相近。

2.2 VS的变化

有机物是微生物赖以生存和繁殖的基本条件，在一定程度上堆肥过程中有机物的变化可以反映堆肥的进程，有机物的降解率可用来判断堆肥的腐熟度[13，14]。研究表明，在高温好氧堆肥中，适合堆肥的有机物含量变化范围为20%～80%[15]。当有机物含量低于20%时，堆肥产生的热量不足以使堆肥进入持续高温期，从而达不到高温灭菌的效果。当堆体有机物含量高于80%时，会导致发酵仓内氧气的过度消耗，甚至出现厌氧状态而产生臭气，降低了堆肥稳定性且污染环境。许多研究证明，所有的有机物都是挥发性固体，故测定原料中VS的量就可以知道原料中有机物的大致比例。如图4所示，3种工况下堆体的VS含量均随堆制时间的延长呈现下降的趋势。已有学者研究表明，堆肥中高温阶段持续的时间越长，有机物的降解越显著，特别是在80 ℃以上的超高温期[16，17]。结合表3可知，工况2在50 ℃以上的高温期持续时间最长，更有利于堆肥过程中有机物的降解，这对缩短堆肥时间、保证堆肥质量和降低运行成本有一定的帮助。

2.3 含水率的变化

在好氧堆肥过程中，水分的主要作用是为微生物吸收营养物质提供良好的介质，使堆体保持适宜的温度，为微生物的生长繁殖和新陈代谢提供合适的环境条件[18]。堆肥过程中含水率的变化主要是两个方面共同作用的结果，一是堆体中有机物氧化分解产生水分，二是在高温期液态水吸热变成水蒸气挥发。由图5可知，至堆肥结束时工况1、2、3含水率分别为61.2%、52.1%、49.8%，较初始含水率67%分别下降了5.8、14.9、17.2个百分点。理论上，3种工况都经历了较长时间的持续高温期，应有利于水蒸气的形成，但工况1的含水率变化不明显，而工况2和3均下降了10%以上。可能是由于在堆肥后期，即物料脱水期工况1的通风量不足，不利于水分的去除致使部分水蒸气在发酵仓顶部凝结成小水滴再次滴落到堆体。因此，在物料脱水期保证足够的通风量更有利于降低堆体的含水率，实现堆肥减量化的目的。

2.4 种子发芽指数

用种子发芽指数作为检测堆肥对植物毒性的生物学指标，GI不仅能检测堆肥的毒性，还能在一定程度上预测堆肥毒性的发展[19]。有研究表明，当GI>50%时，堆肥对土壤的毒性已经基本消失，堆肥已经达到腐熟的程度[20]。另有研究指出，当把GI为90%的堆肥应用到农业生产会对植物产生负面效应[21]。综上所述，当GI为50%～90%时最为适宜。至堆肥结束时工况1、工况2和工况3的GI分别上升至68.5%、82.4%和72.5%，均超过50%，其中以工况2最高（图6），表明堆肥经过较长时间的持续高温期后已经基本消除毒性。

2.5 pH的变化

pH的动态变化可以直观地揭示堆肥过程。适宜的pH可使微生物有效地发挥作用，保留堆体中有效的氮成分，减少氨氮的损失，pH太高和太低都会影响堆肥的效率。一般认为pH在7.5～8.5时可获得最大堆肥速率[22]。3种工况中，随着堆体温度的升高， pH的动态变化规律为先上升，然后经过几次波动，最后呈现出下降的趋势。在快速升温期由于微生物对有机氮进行分解，产生大量NH3引起pH上升，到堆肥后期由于有机物分解产生大量H+及NH3降低造成pH下降。如图7所示，3种工况的pH大部分时间为7.5～8.5，有利于堆体的快速分解，因而不需要调整堆体的pH。

3 结论

1）根据堆肥过程温度的动态变化，将堆肥过程分为适应期、快速升温期、持续高温期和物料脱水期，结合堆体中心点温度和氧气含量的变化规律，分阶段控制通风量有利于堆体快速升温和有机质的降解，减少通风能耗。

2）根据堆体温度、VS、含水率的动态变化及白菜种子GI的检测结果，城市污泥与锯末质量比为4∶1，工况1（不同阶段通风量分别为0.4、0.3、0.2、0.3、0.5、0.5 L/min）、工况2（不同阶段通风量分别为0.8、0.6、0.4、0.6、1.0、1.0 L/min）和工况3（不同阶段通风量分别为1.2、0.9、0.6、0.9、1.5、1.5 L/min）时均可实现高温好氧堆肥。从高温灭菌和降低能耗的角度看，工况2通风量适度，堆体温度在50 ℃以上持续8 d、55 ℃以上持续6 d，较工况1和工况3时间长，灭菌效果好，节能；从有机物的降解程度上看，工况2的VS含量降低最为明显，可缩短堆肥周期和降低运行成本；从堆肥的腐熟度指标上考虑，堆肥结束后测得工况2的白菜种子GI>80%，表明堆肥的毒性基本消失。整体比较工况2的低功耗连续通风方式堆肥效果最佳。

3）在高、中、低3种不同通风工况下，城市污泥与锯末质量比为4∶1时，堆肥过程中pH大部分时间为7.5～8.5，有利于堆体的快速分解，不需进行pH的调整。

参考文献：

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[22] 陈世和，张所明.城市垃圾堆肥原理与工艺[M].上海：复旦大学出版社，1990.

3 结论

1）根据堆肥过程温度的动态变化，将堆肥过程分为适应期、快速升温期、持续高温期和物料脱水期，结合堆体中心点温度和氧气含量的变化规律，分阶段控制通风量有利于堆体快速升温和有机质的降解，减少通风能耗。

2）根据堆体温度、VS、含水率的动态变化及白菜种子GI的检测结果，城市污泥与锯末质量比为4∶1，工况1（不同阶段通风量分别为0.4、0.3、0.2、0.3、0.5、0.5 L/min）、工况2（不同阶段通风量分别为0.8、0.6、0.4、0.6、1.0、1.0 L/min）和工况3（不同阶段通风量分别为1.2、0.9、0.6、0.9、1.5、1.5 L/min）时均可实现高温好氧堆肥。从高温灭菌和降低能耗的角度看，工况2通风量适度，堆体温度在50 ℃以上持续8 d、55 ℃以上持续6 d，较工况1和工况3时间长，灭菌效果好，节能；从有机物的降解程度上看，工况2的VS含量降低最为明显，可缩短堆肥周期和降低运行成本；从堆肥的腐熟度指标上考虑，堆肥结束后测得工况2的白菜种子GI>80%，表明堆肥的毒性基本消失。整体比较工况2的低功耗连续通风方式堆肥效果最佳。

3）在高、中、低3种不同通风工况下，城市污泥与锯末质量比为4∶1时，堆肥过程中pH大部分时间为7.5～8.5，有利于堆体的快速分解，不需进行pH的调整。

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[22] 陈世和，张所明.城市垃圾堆肥原理与工艺[M].上海：复旦大学出版社，1990.

3 结论

1）根据堆肥过程温度的动态变化，将堆肥过程分为适应期、快速升温期、持续高温期和物料脱水期，结合堆体中心点温度和氧气含量的变化规律，分阶段控制通风量有利于堆体快速升温和有机质的降解，减少通风能耗。

2）根据堆体温度、VS、含水率的动态变化及白菜种子GI的检测结果，城市污泥与锯末质量比为4∶1，工况1（不同阶段通风量分别为0.4、0.3、0.2、0.3、0.5、0.5 L/min）、工况2（不同阶段通风量分别为0.8、0.6、0.4、0.6、1.0、1.0 L/min）和工况3（不同阶段通风量分别为1.2、0.9、0.6、0.9、1.5、1.5 L/min）时均可实现高温好氧堆肥。从高温灭菌和降低能耗的角度看，工况2通风量适度，堆体温度在50 ℃以上持续8 d、55 ℃以上持续6 d，较工况1和工况3时间长，灭菌效果好，节能；从有机物的降解程度上看，工况2的VS含量降低最为明显，可缩短堆肥周期和降低运行成本；从堆肥的腐熟度指标上考虑，堆肥结束后测得工况2的白菜种子GI>80%，表明堆肥的毒性基本消失。整体比较工况2的低功耗连续通风方式堆肥效果最佳。

3）在高、中、低3种不同通风工况下，城市污泥与锯末质量比为4∶1时，堆肥过程中pH大部分时间为7.5～8.5，有利于堆体的快速分解，不需进行pH的调整。

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