城市污泥好氧发酵过程中不同通风设备发酵效果研究

杨俊杰　王淑艳

摘 要：本文利用工程性试验法对好氧发酵车间实际生产发酵过程进行研究，分析不同通风设备条件下，好氧发酵过程温度、氧气、氨气和VOCs的变化。结果表明，不同通风工艺设备对污泥好氧发酵过程有显著的影响，分析各项参数最终表明，在污泥好氧发酵生产过程中采用罗茨风机进行通风供氧效果最好。

关键词：污泥;好氧发酵;通风设备

中图分类号：X799.3文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）31-0036-04

Effects of Different Ventilation Facilities on Aerobic

Fermentation of Sewage Sludge

YANG Junjie WANG Shuyan

（Management Center of Solid Waste of Henan Province，Zhengzhou Henan 450004）

Abstract： In this paper， the engineering test method was used to study the actual production fermentation process of aerobic fermentation plant， and the changes of aerobic fermentation process temperature， oxygen， ammonia and VOCs under different ventilation conditions were analyzed. The results showed that different ventilation process equipment had a significant impact on the aerobic fermentation process of sludge. The analysis of various parameters finally showed that the use of Roots blower in the aerobic fermentation production process of sludge was the best.

Keywords： sludge;aerobic fermentation;ventilation facilitie

好氧發酵是常见污泥处理处置方式之一，通过好氧发酵可以使污泥减量化、稳定化、无害化和资源化，同时发酵产品可作为很好的土壤改良剂或有机肥料实现二次利用[1]。污泥发酵过程会消耗O2，产生CO2、H2O和热量，同时产生大量臭味气体与物质，如NH3、H2S与小分子挥发性有机物（VOCs）等。上述臭味物质无论在厌氧或好氧条件下均可以产生，但厌氧条件下臭气产生量更大[2]。NH3通常来自于微生物对污泥中氨基酸与蛋白质的好氧降解，而VOCs和H2S通常来自于微生物对剩余污泥中有机物的厌氧消化反应，VOCs浓度较低但阈值也低[3]。

通风是好氧发酵过程中的重要调控手段，恰当通风对提升堆体温度、保持堆体氧气含量以及减少局部厌氧发酵与恶臭气体产生有着明显效果。国内外对污泥好氧发酵的研究，主要以堆肥工艺与参数控制为主，如控制调理剂数量、种类，或接种不同菌剂、碳氮比、含水率等，从而优化发酵效果。但是，对污泥好氧发酵通风设备——鼓风机的比选研究相对匮乏，且大部分研究都来自实验室数据，对生产一线而言缺乏参考价值。为了更好地比较污泥好氧发酵工程常用的罗茨风机和离心风机的通风供氧效果，本文选取郑州某大型污泥处置厂生产车间容积为200m3的污泥发酵槽，进行工程性试验，对两种不同鼓风机通风发酵槽内部温度、氧气浓度、NH3浓度和VOCs浓度等多项参数进行跟踪监测，研究不同风机以相同设计参数进行鼓风时的污泥好氧发酵效果，旨在优化生产工艺，提升污泥好氧发酵效率。

1 材料与方法

1.1 试验材料

该试验位于郑州市某污泥处置厂内，设计规模为日处理污泥600t。污泥处理工艺为高温固态好氧槽式发酵（翻抛加强制通风）工艺。供试污泥含水率（MC）为80.12%，挥发性固体（VS）含量为62.4%。调理剂为锯末和腐熟料，其含水率分别为9.02%、35%，VS含量分别为96.3%、44.2%。污泥、锯末和腐熟料采用100：15：85的比例均匀混合，混合后待发酵物料的含水率、VS含量分别为55.8%、53.4%左右，每个发酵槽容量为200m3，上料约150t。

1.2 试验方法

试验时间设置在春季，分别选取两个不同通风风机的发酵槽进行对比试验。处理1：选取罗茨风机，其特点是能够满足大通风量风压动力，实现强制打压;处理2：选取离心风机，其特点是便于维修，造价低廉，但通风过程中无法强制打压，鼓风穿透力较弱。

试验过程中，对温度、O2浓度、NH3浓度和VOCs浓度进行跟踪监测。监测点布设于污泥堆体内距表层污泥30cm处。此范围内污泥受于外界环境干扰较小，且堆体疏松度较好，可以代表整个发酵槽内的污泥发酵情况。

2 结果与分析

2.1 不同通风设备对温度变化的影响

污泥好氧发酵作为一种生物反应系统，反应的速度与温度有关。一般温度每升高10℃，生化反应的速率增大2倍。因此，堆体内的温度越高，反应的速度越快。然而，当温度超过一定限值后，催化反应酶失活，部分微生物死亡，反应速度反而会下降。发酵过程的平均温度可以反应不同发酵天数温度变化情况，两个处理方案堆体温度变化均呈现先升高后降低的变化趋势，如图1所示。

图中曲线变化原因是微生物在堆肥初期生命活动剧烈，迅速降解有机物从而产生大量热量，后期微生物生命活动逐渐停止导致温度降低。同时，两个处理方案的最高温度、高温持续时间以及升温速率并不相同。其中，处理1最高温度达到67.8℃，55℃以上持续天数为15d，并且升温期升温速率较快，在第4d即达到最高温度，发酵效果较好;处理2最高温度为64.5℃，55℃以上持续天数为13天，升温速率相对较慢，在第7天才达到最高温度。虽然两个处理方案均能满足污泥无害化要求，但处理2方案效果不如处理1方案。

2.2 不同通风设备对氧气浓度变化的影响

适当的氧气浓度是满足微生物生命活动的必要条件。通常认为堆体内氧气含量在10%以上时，适合好氧菌生存。发酵过程中上述两个处理方案堆体内部氧气浓度均呈现为先降低后升高的趋势，这是由于前期易降解有机质较多，微生物代谢速率高，有机物降解过程消耗大量的氧气，在高温期后期和降温期微生物生命活动逐渐减弱，需氧量减少导致氧气浓度逐渐回升，如图2所示[4]。

对比两个处理方案可以发现，两个处理方案氧气浓度均在15%以上，但处理2方案氧气浓度始终低于处理1方案，因此可以判断处理1方案供氧效果要优于处理2方案。但仅从氧气数据不能够充分说明两种设备效果，需要进一步对NH3和VOCs气体产生状况进行分析。

2.3 不同通风设备对NH3变化的影响

在污泥好氧发酵过程中，有机氮在微生物脱氨作用下生成NH+4-N和游离态NH3，最终以气态NH3形式释放到堆体外[5]。随着有机物质矿化，有机氮不断转化为NH+4-N，而NH+4-N进一步转化成氨气并释放到堆体外。因此，好氧发酵过程中有机氮的矿化是一个不可避免的过程，也是好氧发酵正常进行的标志之一。通常认为NH3是污泥完全好氧发酵的最终产物之一。同时，NH3与VOCs等其他气体相比，嗅阈值很高，相对来说对环境影响较小。两个处理方案中，NH3产生浓度均呈现先升高后降低的规律。这是由于前期微生物生命活动剧烈，有机氮快速被分解产生大量的NH3，在堆肥后期温度降低、NH+4-N溶解度增加导致NH3释放浓度降低，如图3所示。

从图中可以发现，两个处理方案NH3气体均在第5天达到最大值，分別为112.5mg/m3和76.5mg/m3。但在堆肥前8天，处理1方案NH3释放浓度要高于处理2方案;第8天后，两个处理方案NH3释放浓度相差不大，均在60mg/m3以下。

2.4 不同通风设备对TVOCs释放特征影响

TVOCs是污泥堆肥发酵过程所产生的少量气体，但TVOCs嗅阈值很低，且伴有强劣的刺激性臭味，易在大气中与其他物质反应，对大气产生二次污染，通常认为是污泥局部厌氧发酵产生的。两个处理方案TVOCs释放浓度均呈现先升高后降低并再次升高降低的规律，这是由于堆肥初期微生物生命活动剧烈，好氧速率高，导致堆体内局部氧气供应不足，不能满足好氧发酵的需求，使得微生物厌氧发酵产生大量TVOCs气体，如图4所示。

两个处理堆体内部TVOCs释放浓度均在高温前期维持较高水平，第5天左右迅速下降，并在高温后期有显著的回升，呈现出两个波峰。第一个TVOCs释放高峰值出现在污泥堆肥第1～4天，此时处于升温期;第二个TVOCs释放高峰值出现在第10～14天，此时处于降温期，TVOCs主要来源为堆体某些局部发生厌氧反应。因此，在好氧发酵调控过程中需要注意这两个时间段的臭气控制。

两个处理堆体在第4天与第5天达到最大值，TVOCs浓度分别为1 635.50μg/m3和1 080.42μg/m3。在整个发酵周期内，处理1方案TVOCs释放浓度平均值为564.4μg/m3，处理2方案TVOCs释放浓度平均值为699.9μg/m3。两者进行对比可以看出，处理2方案TVOCs释放浓度明显高于处理1方案，可得处理2方案内部氧气供应相对不足，微生物厌氧发酵现象相对频繁。

综合来看，处理1方案比处理2方案多排放了6.5%的NH3气体，但却减少了24.0%的TVOCs气体排放，有效地减少了臭气二次污染。

3 结论

与采用离心风机相比，采用罗茨风机进行通风供氧可以提高整个堆肥周期的升温速率、高温持续时间、平均温度和氧气含量。尽管多排放了部分嗅阈值较低的NH3，但却减少了更多恶臭组分TVOCs气体的排放，能够有效降低堆肥过程产生的臭气。综合考虑污泥好氧发酵温度、氧气，NH3和TVOCs状况，在污泥好氧发酵工程设计和生产过程中，推荐采用罗茨风机进行强制通风供氧。

参考文献：

[1]赵晨阳，魏源送，葛振，等.连续流强制通风槽式污泥堆肥工艺的温室气体和氨气排放特征[J].环境科学，2014（7）：2788-2806.

[2]陈是吏，袁京，李国学，等.过磷酸钙和双氰胺联用减少污泥堆肥温室气体及NH3排放[J].农业工程学报，2017（6）：199-205.

[3]Abbasi SA.Solid Waste Management by Composting： State of the Art[J].Critical Reviews in Environmental Science & Technology，2008（5）：311-400.

[4]郑国砥，高定，陈同斌，等.污泥堆肥过程中氮素损失和氨气释放的动态与调控[J].中国给水排水，2009（11）：121-124.

[5]赵占楠，赵继红，马闯，等.污泥堆肥过程中挥发性有机物（VOCs）的研究进展[J].环境工程，2014（11）：93-97.