来自洗毛废水絮凝沉积物的生物质肥料制备

徐 升，徐 鹏，赵浦岐，杜玉婷，葛振楠，闫 涵

(内蒙古工业大学 轻工与纺织学院，内蒙古 呼和浩特 010080)

洗毛污泥中有许多的细菌、寄生虫以及一些固体的悬浮杂质等，如果没有采取适当的措施进行处理，会造成二次污染[1]。目前对于洗毛污泥的相关处理方式为：卫生填埋、土地直接施用和焚烧等[2-3]，上述方法不仅消耗大量热能，而且也不符合可持续发展的环保要求。

洗毛污泥中含有大量的无机、有机元素，可运用好氧发酵等方法将其制作成肥料，用于改良土壤，增加土地微量元素，补充植物所需的营养成分，进而增强植物的抵抗力并加快生长速度[4]；另一方面洗毛废水处理过程中加入的少量絮凝剂，如聚合氯化铝、聚丙烯酰胺等，其不仅对土壤无害，有些还会在堆肥过程中被消化，起到保土、保水、保肥和增产的作用[5]。

本文选取鄂尔多斯资源股份有限公司绒纺事业部分梳车间的一槽洗毛废水，用聚合硫酸铝铁、聚合氯化铝、硫酸铁3种絮凝剂进行絮凝试验。在去除污泥中的羊脂后，通过接种有机发酵菌、EM菌和污泥发酵菌进行好氧发酵试验，同时设置对照试验，通过温度、pH值、水分和有机物的含量进行分析，以探究生物堆肥的可行性。

1 试验部分

1.1 试验原料

洗毛废水(鄂尔多斯资源股份有限公司绒纺事业部分梳车间一槽洗毛废水)；硫酸铝(天津市致远化学试剂有限公司)；聚合氯化铝、聚合硫酸铝铁(无锡市亚泰联合化工有限公司)；EM菌(广州市睦邦科技有限公司)；CK酵母菌、有机发酵菌(郑州旺农宝生物科技有限公司)；污泥发酵菌(山东贝佳生物科技有限公司)；环己烷(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 洗毛废水的絮凝

正交试验：试验变量设计为絮凝剂种类、接种量、pH值，设置3因素3水平正交试验，通过分析废水的吸光度及其絮凝前后的pH值确定最优工艺。

将3种絮凝剂按照正交表设计参数分别加入装有200 mL且已设置好pH值的洗毛废水烧杯中，搅拌3 min，搅拌结束后，静置2 h。

絮凝结束后，废水分为上下2层，以波长380 nm测定其上层吸光度数值，并做好数值记录，下层沉淀物即为洗毛污泥。

1.2.2 污泥中的羊脂提取

按正交设计最优工艺进行絮凝，取絮凝液下层污泥置于烘箱中烘干，加入环己烷进行萃取，环己烷与污泥的质量比为10∶1，萃取时间5 min；萃取结束后离心 (转速为4 000 r/min) 5 min，离心完毕后取下层絮凝物进行污泥发酵；上清液即为羊脂与环己烷的混合溶液。

1.2.3 污泥的发酵

污泥的发酵试验分为4步：

①污泥和稻壳按照质量比2∶1的比例混合，分别添加在5个桶中(编号1～5)，使5组含水率均在65%，之后按照3%的比例将菌剂添加到2～5号桶内，手动搅拌，使菌落均匀分散开，最后形成一个约5 L的小型好氧发酵装置，1号桶做空白对照试验(即1号桶不添加菌剂，自然发酵)；(2～5号桶依次添加CK酵母菌、有机发酵菌、EM菌、污泥发酵菌)。

②测温：每日上、下午固定时间分别测温1次，利用水银温度计在样品中心插入5 cm左右，待温度稳定之后进行读数，每个样品每次分不同位置测量5次。

③翻堆：每隔3 d进行翻堆，使污泥均匀发酵，翻堆之后，做好桶内高度的测量。

④检测：检测项目包括pH值、含水率、有机碳含量、全氮含量、全钾含量。全氮、全钾含量参考NY 525—2012《有机肥料》进行测试；总有机碳参考HJ 695—2014《土壤有机碳的测定 燃烧氧化-非红外分散法》进行测试。检测条件：温度24 ℃，相对湿度28%。检测样品质量均为20 g。测试仪器：kjeltecTM8100凯式定氮仪(美国FOSS公司)，OI Analytical总有机碳分析仪(美国OI Corporration公司)，ZA3300 7J1-8327原子吸收分光光度计(日本HITACHI公司)。

1.3 污泥评价标准

1.3.1 物理评价指标

温度：堆肥时，温度被划分为升温、高温、降温和稳定4个阶段。通常情况下，肥料需要花2～3 d完成升温，为确保废弃物无害，通常需要5～10 d保持这一高温不发生较大变化。在高温阶段之后，堆肥温度会慢慢降低至环境温度，此时堆肥的腐熟度就趋于稳定[6]。

颜色及气味：腐熟堆肥主要具备如下特征，温度接近自然环境的温度，且异味已经消散，附近也没有蚊蝇，结构比较疏松，且颗粒状清晰可见[7]。

1.3.2 化学评价指标

pH值：受到微生物活动的影响，腐熟堆肥通常都为弱碱性，pH值保持在8～9之间，不过pH值的高低也和发酵材料有关。

氮的变化：在堆肥时，由于是处在碱性环境中，一部分氮离子可能会转化成氨气，随后挥发到空气当中，另一部分则可能会在硝化作用下变为硝酸根离子。

碳与氮(C与N)质量比的变化：堆肥中的碳元素可以给微生物提供能量，氮元素可以给微生物提供营养物质，有机质在腐殖化的过程中，碳类有机物会被分解成二氧化碳或者其他腐殖物质，一般来说，总有机碳、全氮含量高时腐熟效果较好[8]。

2 试验数据及分析

2.1 洗毛废水正交试验

试验设计变量为絮凝剂种类A、絮凝剂的投入量B、pH值C，组成3因素3水平正交试验，以吸光度为评价指标进行正交分析。正交试验及结果如表1所示。表中A1代表聚合硫酸铝铁、A2代表硫酸铝、A3代表聚合氯化铝。

表1 正交试验结果Tab.1 Orthogonal data table

由表1可知，因素A(絮凝剂种类)的极差R1=0.207>因素B(絮凝剂的投入量)的极差R2=0.048=因素C(絮凝前pH值)的极差R3=0.048。根据R1>R2=R3，得出各因素影响大小为：絮凝剂种类>絮凝剂投量和絮凝前pH值。取各因素最大值得出最优水平A3B2C2，即絮凝剂选用聚合氯化铝，絮凝前pH值为8，投入量为1.5 g/(200 mL)时絮凝效果最好。

2.2 污泥处理数据

2.2.1 温度对洗毛污泥发酵的影响

洗毛污泥接种微生物菌剂前，预处理污泥混合物呈褐色，咖啡味浓。由于外界温度在10 ℃以上，接种后升温速度较快，高温期持续时间在12 d左右。污泥发酵温度变化曲线如图1所示。当环境温度高于15 ℃时，微生物的活性会迅速增加，不断增加污泥的发酵温度，达到高温后会维持一定的时间。高温结束后，污泥混合物会逐渐向环境温度靠拢，直至趋于稳定，此时发酵系统即为腐熟。通过对比来看，添加菌剂主要影响的是发酵速度。

图1 污泥发酵温度变化曲线Fig.1 Temperature curve of sludge fermentation

温度是发酵过程最关键的一个参数，一方面高温让无害化进行得更彻底，另一方面过高的温度又会让微生物休眠，不利于物料的降解。对于无害化要求，一般是将堆体温度维持在55 ℃以上，持续7 d。如果温度过高，就要增大通风曝气量；温度过低时，就要减少曝气量，减少翻抛，减少热量损失。

2.2.2 含水率对洗毛污泥发酵的影响

含水率是污泥发酵的一个重要指标，通过含水率的变化可以对污泥发酵过程进行监控。微生物在含水率为50%～60%之间最为适合[9]，如果含水率低于40%，则会限制微生物的活性；高于70%，会产生厌氧的发酵环境，会相对降低污泥发酵效率。伴随着发酵的进行，水分会逐渐散失，所以每隔一定的时间就要测试其含水率，以保证发酵的正常进行。

2.2.3 pH值对于洗毛污泥发酵的影响

pH值是指示微生物生存环境和有机物降解的重要指标。合适的pH值可以提高有机质降解速率，缩短堆肥进入高温期的时间。适宜堆肥的pH值范围为7.5～8.5[10]，超出此范围会对微生物的活动起到抑制作用。pH值的变化范围与堆肥原料的性质和堆肥条件等因素有关。虽然在堆肥过程中，污泥混合物的pH值在动态变化，但最终都能够通过自身得到调节。如果没有特殊情况，一般不必调节，微生物可在pH值6.7～9.0的较大范围内正常繁殖。

2.2.4 洗毛污泥中有机碳/全氮/全钾等元素变化

有机碳、全氮、全钾检测数据见表2，微量元素散点图见图2。

表2 有机碳、全氮、全钾检测数据Tab.2 Detection data of organic carbon, total nitrogen and total potassium

图2 微量元素散点图Fig.2 Scatter plot of trace elements

通过数据分析可知，5组样品中微量元素含量正常，C与N质量比分别为0.060、0.067、0.070、0.081、0.066。通过比对可知，CK酵母菌与有机发酵菌的C与N质量比较低，参照标准来说，即其发酵的效果较好，添加菌剂的其他2组发酵效果相对较差。添加有机发酵菌的污泥组中的全钾、全氮、总有机碳含量较CK酵母菌污泥组高，故其效果较好。

3 结 论

在相同的外界条件下，絮凝剂聚合硫酸铝铁、硫酸铝、聚合氯化铝对于洗毛废水的絮凝都有一定的效果，但是由于絮凝剂本身的特性，导致絮凝后的废水酸碱度不一致，因此，本着既要保证絮凝效果又要避免对环境造成二次影响的原则，选取聚合氯化铝进行絮凝，设计并进行正交试验，得出优化处理工艺：洗毛废水絮凝前pH值为8、絮凝剂投入量为1.5 g/(200 mL)时效果较好。

通过污泥发酵试验可知，CK酵母菌对照组的发酵速度明显比其他3组的发酵速度慢，并且发酵过程中所有试验组别的pH值一直处于8～9之间，这是由于微生物发酵时，氮元素经过不断的分解，产生弱碱性的氨所导致；从温度角度看，发酵速度以有机发酵菌最为明显，结合温度等因素判断，有机发酵菌为快速堆肥的理想选择。