黑臭水体底泥无害化处置及资源化利用堆肥技术

杨 星，张家兴，霍兴阳，孙万林，宋绚臻，李九智

(华北地质勘查局五一九大队，河北 保定 071000)

0 引言

底泥疏浚法是目前国内外治理污染河湖的主要措施，底泥疏浚法效果明显，但疏浚后的底泥含水率高，且底泥中含有大量有机质、病原微生物等，若不经处理而在环境中堆弃，对环境和卫生均易造成不良影响。大部分疏浚底泥性质与普遍土壤接近，且有机质、氮、磷等养分丰富，有害物质含量在国家相关标准范围内(如GBT 23486—2009《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》)，因此具有很高的利用价值[1-2]。将疏浚底泥无害化处置并进行资源化利用，既可保护环境，又可节约资源，这种底泥治理方式是当今河湖水环境治理研究的热点[3]。

1 堆肥处理技术

1.1 技术介绍

将黑臭水体底泥脱水后，与各种辅料和复合菌剂按一定比例混合均匀进行堆垛发酵，黑臭水体底泥及发酵辅料中含有大量的多糖、氨基酸等营养物质，刚混合完成的堆垛中含有大量氧气，丝状菌微生物可对黑臭水体底泥中易分解的糖等有机物进行分解、代谢，释放能量，使肥堆温度快速上升，芽胞杆菌开始大量繁殖，分解包裹黑臭水体底泥的胞外聚合物(EPS)，释放出水与大量热量使肥堆温度上升至60 ℃以上，杀灭有害病原菌与虫卵，放线菌开始活跃，释放大量的体外酵素，快速降解黑臭水体底泥中大分子有机物质为植物可以吸收利用的小分子有机质[4]。这些菌剂好氧发酵与厌氧发酵过程中产生大量纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶、淀粉酶、葡萄糖异构酶等胞外酶和胞内酶来分解黑臭水体底泥的有机物。堆肥过程原理如图1所示。

图1 黑臭水体底泥兼氧发酵腐熟堆肥过程原理Fig.1 Principle of aerobic fermentation and composting of sediment in black and odorous water

黑臭水体底泥经复合微生物菌剂(丝状菌、高温放线菌、芽孢杆菌、乳酸菌)高温发酵及中低温发酵最终充分腐熟，可有效去除病原微生物、蛔虫卵等大分子有机物质；同时底泥中的重金属经复合微生物的吸附(生物氧化)、生物代谢等作用，使重金属的形态向氧化态和残渣态转变，以降低重金属的迁移性和生物有效性[5-7]。对于少数污染物超标的腐熟料可与当地禽畜粪便堆肥产物经合理配比及深加工，在达到标准要求的前提下应用于不进入食物链的园林绿化及花卉种植等领域，实现最终的资源化利用。底泥堆肥技术路线如图2所示。

图2 底泥堆肥技术路线Fig.2 Technical roadmap of sediment composting

1.2 堆肥试验

1.2.1 原材料处理

底泥：底泥脱水至含水率达到80%左右。

辅料：为增大接触面积利于发酵，要对玉米秸秆、麦麸进行粉碎。玉米秸秆粉碎成粒径约为1 cm，麦麸粉碎成粉末状态。

复合微生物菌剂：丝状菌、高温放线菌、乳酸菌和枯草芽孢杆菌的有效活菌数比约为5∶2∶2∶1。

1.2.2 堆肥材料配比

含水率约80%的底泥100 kg，辅料10 kg(粉碎玉米秸秆3 kg，麦麸7 kg)，复合微生物菌剂300 g，水适量。

1.2.3 堆肥试验操作

在堆肥试验场地开挖“十”字形沟，深宽各20 cm，在沟上纵横铺满硬坚的作物秸秆(玉米秸秆)，作为堆肥底部的通气沟。

将经过前期处理的原材料充分混合均匀后，进行逐层堆积。适当在各层上均匀地喷洒水，控制堆体含水率在60%～75%。如此一层一层地堆积，直至高度达到1 m左右[8]。每层堆积的厚度，一般是15～25 cm，上层宜薄，中、下层稍厚，每层加入的水用量，要上层多，下层少，方可顺流而下，上下分布均匀[9]。堆积完成后，在堆制期间，定期监测堆体内的含水率和温度。

2 结果与分析

2.1 温度和含水量变化

温度和含水量变化如图3～4所示。此次堆肥试验堆体温度上升较快，在堆肥第4天温度达到60 ℃左右，经后续5次翻抛，历经3次温度高峰，温度在堆肥第13天达到峰值，为72.1 ℃。此次堆肥堆体60 ℃以上高温持续约10 d，能达到完全杀灭虫卵的效果，同时，持续的高温反应了堆体内微生物的活性高，对有机物的分解效率高。堆体含水率在整个堆肥试验中缓慢降低，从初始的含水率70%降至最终的30%左右，达到了堆肥预期的效果。

图3 堆体中部温度变化情况Fig.3 Temperature change in the middle of reactor

图4 堆体中部含水量变化情况Fig.4 Change of water content in the middle of reactor

2.2 底泥堆肥前后检测结果变化

底泥堆肥前后检测结果对比如表1所示。

表1 底泥堆肥前后数据对比Tab.1 Comparison of data before and after composting

(1)底泥中的粪大肠菌群数由堆肥试验前的65个/g降至32个/g，表明堆肥试验的高温阶段对粪大肠菌群的杀灭效果较好，杀灭率能达到50%左右，且重金属的含量均符合NY525—2012《有机肥料》要求，实现了黑臭底泥的无害化处置。

(2)底泥中的有机质含量由堆肥试验前的61%降至53%，总养分含量由11.38%增加至14.70%，表明堆肥试验中微生物活跃，消耗分解有机质，转化为部分养分，对有机质的去除率能达到15%左右，总养分提升约30%[10]。

(3)底泥的含水率由初始的70%降至22.12%，达到了NY525—2012《有机肥料》对肥料含水率的要求。

(4)堆肥试验后的材料符合NY525—2012《有机肥料》要求，可以用作有机肥料，实现了黑臭底泥的资源化利用。

3 结论

本次堆肥试验实现了黑臭水体底泥无害化处置及资源化利用的目标，堆肥试验成功，可在后续生产实践中推广应用。堆肥过程采用兼氧发酵工艺，无需曝气等高耗能操作，具有投资小、工艺简单和发酵速度快的特点；可同时对多种有机废弃物进行处置利用，产品应用范围广；处置后的产品可用于深加工，制成高质量有机肥料，用于园林绿化或花卉种植等领域，在避免重金属进入食物链途径的同时，实现资源的回收，同时可减少化肥施用造成的土地污染，一举多得[11]。