生物调理剂及有机质组分对污泥干化影响研究

谭林， 庞冬， 文方

（1.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司， 乌鲁木齐 830046； 2.新疆农业大学， 乌鲁木齐 830011；3.新疆环境保护科学研究院， 乌鲁木齐 830011）

污废水处理时产生大量污泥， 造成土地占用、水体污染、 河床淤泥等环境问题， 实现减量化、 稳定化、 无害化和资源化是目前污泥处理与处置的研究重点［1-2］。 由于污泥具有含水率高、 有机物丰富、不利于运输、 性质不稳定等特点［3-4］， 污泥干化是实现污泥减量化以及资源化的主要手段［5-7］。 目前，污泥生物物理干化技术相比传统的干化技术， 具有能耗低和热处理效率高的优点， 处理后含水率明显降低， 污泥分散成颗粒状， 物理性状明显改善， 有利于运输、 填埋、 焚烧以及回收利用等［8-10］。 现阶段国内外学者已经对污泥生物物理干化方面开展了一些研究， 影响干化效果的因素主要包括通风强度［11］、 通风方式［12］、 温度［13］、 含水率［14］， 以及调理剂种类［15］及其与污泥的质量配比［16-17］等。

蘑菇渣中富含多种菌体蛋白、 代谢产物以及未被利用的矿物质等， 玉米芯中富含纤维素、 半纤维素和木质素等， 因此， 蘑菇渣与玉米芯是非常好的有机肥料与土壤调理剂， 作为外加碳源， 可以提供丰富的有机物、 快速提高堆体温度以及减少臭气等的散发［18］。 有关蘑菇渣和玉米芯综合利用的研究较多［19－21］， 但应用在污泥干化中研究较少。 本研究以蘑菇渣、 玉米芯为调理剂， 使用生物物理干化技术， 研究蘑菇渣和玉米芯对污泥干化的效能， 重点探讨了不同调理剂以及不同质量配比对污泥干化过程的影响， 分析升温能力、 水分脱除效果、 有机质稳定化能力以及调理剂有机质组分变化规律， 为废弃物综合利用提供新思路。

1 材料与方法

1.1 试验场地

试验场地为某污泥处置企业的反应槽， 反应槽长65 m， 宽5 m， 高2.5 m。 试验装置由1 个反应槽和6 个鼓风机组成， 将反应槽划分为等面积的3 个区域， 分别进行3 个试验研究。 试验于2016 年8 月1 日—16 日连续进行， 历时16 d。 试验装置示意如图1 所示。

图1 试验装置示意Fig. 1 Experimental equipment

1.2 试验原料

试验污泥由乌鲁木齐市河东污水处理厂提供。所选用的调理剂为蘑菇渣和玉米芯， 由农户提供。其中， 混合料是由蘑菇渣与玉米芯按1 ∶1 比例混合而成。

1.3 试验方法

试验重点探讨调理剂种类以及调理剂与污泥的质量配比对污泥干化过程的影响， 分析升温能力、水分脱除效果、 有机质稳定化能力以及调理剂有机质组分变化规律。 将污泥与调理剂按一定质量配比， 在搅拌箱内混合均匀， 随后拉运到反应槽中，将其堆成长5.0 m， 宽1.0 m， 高0.8 m 的堆体。 定期对堆体进行机械翻抛， 对物料自下而上旋转翻料， 翻抛周期为3～5 d。 本试验所用调理剂为蘑菇渣、 玉米芯和蘑菇渣的混合料（m（蘑菇渣） ∶m（玉米芯） ＝1 ∶1）。 1 号、 2 号以及3 号堆体的试验设计参数见表1。

表1 试验设计参数Tab. 1 Parameters of experimental design

1.4 采样与测定方法

定期采集样品进行检测， 主要检测指标包括温度、 有机质、 含水率、 粗油脂、 水溶物、 半纤维素、 纤维素、 木质素和蛋白质。 直接测定并记录3个反应槽每天的环境温度和堆体温度， 通过采样器采取1 kg 样品测定每天的含水率， 并且定期在试验第3、 6、 11、 15 天采集样品， 测定3 个反应槽内污泥的有机质与有机质组分含量。 采样方法采用4 分法。 粗油脂采用索氏提取法［22］， 水溶物采用冷萃取法［23］， 半纤维素、 纤维素、 木质素均采用NREL 法［24］， 有机质采用土壤农化分析法［25］， 蛋白质采用凯氏定氮法［26］。

2 结果与讨论

2.1 原料性质分析

原料的部分理化特性如表2 所示。

由表2 可知， 污泥的有机质含量是原料中最低的， 在化学组分当中， 粗油脂和蛋白质的含量较高； 其余测定的生化组分较低。 这主要是由于污泥中微生物种类较多， 导致粗油脂和蛋白质的含量比较高［27］。 蘑菇渣、 玉米芯以及混合料的含水率相对污泥较低， 但是有机质的含量高出污泥有机质含量的3 倍多； 在3 种原料中， 蘑菇渣的粗油脂含量大约是玉米芯和混合料的4 倍； 对于水溶物而言， 3种原料相差不大， 但比污泥的水溶物含量多了7 倍多； 在蘑菇渣中， 半纤维素、 纤维素以及木质素的含量相对玉米芯和混合料而言都是最低的， 而相对污泥和其它2 种调理剂而言， 蛋白质却是最高的。

表2 原料的化学组分和物理参数Tab. 2 Chemical components and physical parameters of compost materials

2.2 生物调理剂对堆体温度变化的影响

温度是影响污泥微生物活性、 干化周期以及效果的重要因素［28］。 不同处理中堆体温度随时间变化如图2 所示。

图2 堆体温度变化情况Fig. 2 Changes of piles′ temperature

由图2 可知， 试验温度变化分为3 个阶段： 升温期、 高温期和降温期。 1 号和2 号堆体3 个阶段大致相同， 温度从第2 天起开始急剧上升， 最高温度及达到最高温度的时间分别为73.9 ℃、 7 d 和71.5 ℃、 5 d； 3 号堆体达到最高温度73.0 ℃经历了9 d 的时间。 这3 个时期的长短不尽相同， 说明不同调理剂以及调理剂与污泥的不同质量配比对堆体温度有较大的影响。 污泥中微生物好氧呼吸， 放出大量的热量， 温度不断上升， 随着有机物逐渐减少， 温度逐渐降低［29］。 试验结果表明， 混合料的投加有利于热量的产生， 效果要高于单独使用蘑菇渣；在相同质量配比下（m（污泥）∶m（调理剂） ＝2 ∶1），混合料升温能力强于蘑菇渣， 主要原因是混合料中加入了玉米芯［15］； 在相同生物调理剂下， 1 号混合料升温能力强于3 号混合料（1 ∶1）， 可能原因是污泥含量过低不利于微生物的生长［30］。 试验中， 1 号堆体达到的温度最高， 且维持高温时间最长（8 d），说明该堆体升温能力最强、 最有利于热量的产生以及高温的保持。

2.3 生物调理剂对堆体含水率变化的影响

含水率的控制是实现污泥减量化与资源化的前提［31］。 不同调理剂以及调理剂与污泥的不同质量配比对水分变化的影响如图3 所示。

图3 堆体含水率变化情况Fig. 3 Changes of piles′ moisture content

3 组堆体的总体趋势大致分为3 个阶段： 下降－上升－缓慢下降。 前6 d 含水率缓慢下降， 下降趋势大致相同， 此时主要是通风促使水分缓慢蒸发［12］。从第8 天开始， 堆体含水率迅速下降， 1 号堆体经历4 d 时间含水率达到最低值35.10%， 2 号堆体经历3 d 时间含水率达到最低值40.10%， 而3 号堆体在第10 天含水率就达到最低值33.79%， 此时含水率的降低可能是因为好氧微生物正常生命活动产生大量的热外加通风作用使得水分快速蒸发［32］。 3组堆体含水率达到最低值后， 又开始逐渐回升， 可能是因为温度降低， 水分蒸发速率下降以及有机物的分解又产生了水分， 这与张喻等［21］得出的结论相似。 当反应结束时3 组堆体的含水率分别为39.99%、 38.40%、 39.20%， 与开始相比， 分别下降了15.51%、 15.90%、 14.40%。 表明3 组堆体的含水率下降都很明显， 水分脱除效果很好， 含水率都低于40%， 都达到了园林绿化用泥质的标准［33］。

2.4 污泥干化过程中有机质组分含量变化

有机质在微生物生长和繁殖过程中起到非常重要的作用， 是必不可少的条件之一［34］。 对不同试验分别测了3 次有机质含量， 结果如表3 可知。

3 组堆体干化前后的有机质含量变化并不是很大， 原因是调理剂中含有丰富的有机质且易降解成分含量较低［15］。 为进一步研究有机质作用原理， 分析了干化效果较好的1 号和2 号堆体的有机质组分变化， 结果见图4。

从图4 可以看出， 2 组堆体中水溶物和蛋白质含量随着时间的延长而缓慢升高； 1 号和2 号堆体的木质素含量都是先降低后升高， 但总体变化不大； 粗油脂含量呈现下降的趋势， 2 号堆体的下降速率要高于1 号， 但最终趋于稳定； 就纤维素而言， 2 组堆体的变化趋势都是先升高后降低， 但1号波动幅度远大于2 号， 在第11 天达到了最大值（124 mg／g）， 这是因为1 号堆体中添加调理剂的纤维素含量远高于2 号； 1 号堆体中半纤维素呈现缓慢降低的趋势， 而2 号堆体呈现缓慢上升的趋势。

表3 3 组堆体有机质含量变化情况Tab. 3 Changes of organic matters content of 3 piles

图4 干化过程中有机质组分含量变化情况Fig. 4 Changes of organic components during drying process

2.5 主要影响因子分析

为更直观地显示有机质含量的主要影响因素对温度和含水率的影响， 对干化过程的物理参数与有机质组分进行冗余分析（RDA）， 结果如图5 所示。

图5 干化过程物理特征与有机质组分冗余分析二维排序Fig. 5 Bidimensional ordering of RDA of physical characteristics of drying process and organic components

从图5 可以看出， 1 号堆体中半纤维素、 水溶物和蛋白质与排序轴的夹角相对较小且箭头线较长， 2 号堆体中水溶物、 粗油脂和半纤维素与排序轴的夹角相对较小且箭头线较长， 可知水溶物、 粗油脂、 半纤维素和蛋白质对干化过程物理参数变化起到了很好的解释。

有机组分变量解释的重要性排序如表4 所示。在1 号堆体中， 重要性大小排序依次为： 半纤维素、 水溶物、 蛋白质、 粗油脂、 纤维素、 木质素，半纤维素、 水溶物和蛋白质的因子解释量都达到了40% 以上， 其中半纤维素更高达80%； 2 号堆体中， 水溶物对物理参数的重要性达到了75%， 水溶物、 粗油脂和半纤维素的因子解释量达到40%以上。 当投加混合料（2 ∶1）时， 影响温度与含水率最主要的因素是半纤维素； 投加蘑菇渣（2 ∶1）时，影响温度与含水率最主要的因素是水溶物。 因此，影响干化过程中温度与含水率变化的主要因素是半纤维素和水溶物， 与牛明杰等［35］研究发现半纤维素和水溶物分别在稳定期和高温期降解量大有关。

表4 有机组分变量解释的重要性排序Tab. 4 Importance sequencing of organic components variates

3 结论

（1） 3 组堆体试验温度均从第2 天开始急剧上升， 均大致经历了升温期、 高温期和降温期3 个阶段。 添加的生物调理剂都能够快速提高堆体温度，其中1 号堆体添加的混合料（污泥与调理剂质量比为2 ∶1）达到的温度最高（73.9 ℃）， 且达到60 ℃高温持续时间最长（8 d）， 说明该混合料作为生物调理剂更能加强堆体升温能力， 更有利于热量的产生以及高温的保持。

（2） 干化过程中， 3 组堆体的含水率总体有明显下降的趋势， 且最终含水率都降低到40% 以下，达到了园林绿化用泥质的标准。

（3） 干化结束时， 有机质含量总体变化不大，更加有利于污泥干化后的利用。 有机质组分变化明显， 1 号和2 号堆体的有机质组分中近似保持一样趋势的有粗油脂、 水溶物、 木质素； 而趋势不同或相反的有机质组分有纤维素和半纤维素。 通过RDA分析， 半纤维素和水溶物间接性地影响含水率和温度的变化。