随着污水处理厂的大规模增加,污水得到妥善的处理,而集中了大部分污染物的脱水后污泥的处置成了一个巫待解决的难题。传统的处理方式一般是填埋或焚烧,填埋势必造成长期的二次污染,使得污水处理的努力化为乌有,而焚烧会带来一些始料未及的环境污染。经过研究人员多年的研究,发现污泥的厌氧消化和好氧发酵是较为可靠安全的处理方式。厌氧消化在去除污泥的污染物的同时,产生的沼气,可以用于发电等用途,但由于沼气产量不稳定,且相对于电厂,产生的电能微乎其微,不宜接人供电网络,效益有限。而好氧发酵工艺,也就是农业使用了几千年的好氧堆肥工艺,却可以通过微生物的作用将污泥转化为可以用于绿化甚至是农业生产的高效肥料。因此,在污泥的处置中,好氧堆肥工艺较为可靠、经济的选择。
好氧堆肥工艺主要通过强化各类微生物对污泥中有机物的降解作用实现污泥的减量化及稳定化。但微生物的组成比较复杂,微生物种群的组成和数量是随着堆肥过程的变化而变化的。传统研究主要集中在细菌、真菌和放线菌之间的关系和数量变化上,用培养基方法理清发酵过程中细菌、真菌和放线菌的变化情况。提出细菌总数和放线菌的变化过程都遵从高一低一高的趋势,而真菌的趋势却呈现一直下降的状态。这样的分析方法无法描述微生物的具体菌群内容,无法具体明确过程中实际发生的反应。现在研究人员采用变性梯度凝胶电泳分析法(DGGE)对堆肥过程中每个阶段中微生物的种群和数量给出了较为明确的描述。在常温阶段,一般是在第0一4天,物料中含有高浓度的有机酸,此阶段微生物多是发酵能力强的细菌,快速分解有机物;在高温阶段,一般是在第4一13天,美国国家环保局(USEPA)规定高温堆肥在55℃以上要维持3一5天,我国国家标准规定是在50-55以上维持5一7天,以达到杀灭病原菌和杂草种子的目的上。pH及温度明显升高,发酵细菌数量减少,与嗜热芽抱杆菌有关的微生物大量出现进行蛋白分解,并产生大量氨气;在冷却阶段,一般是在第13一32天,出现梭状芽抱杆菌类的专性厌氧菌,降解复杂的有机物,此阶段堆肥堆中出现了大量的局部厌氧环境;随后的腐熟阶段,一般是在第32一45天,物料中出现大量的与节杆菌属有关的土壤微生物,使得腐熟产品与土壤类似。由此可见,污泥堆肥的核心动力是微生物的活性和稳定性。因此,通过改善每个阶段相应微生物的生存条件和生存环境,就可以达到提高堆肥效率的目的。
现阶段,研究影响微生物生存状态的条件主要方向在提高微生物种群数量,改善通风条件,调整辅料情况等方面。
1 微生物种群数量
传统堆肥法一般都是利用堆料中的土著微生物来降解有机污染物,但存在发酵时间长、产生臭味且肥效低等问题。而在堆肥初期通过菌剂接种可提高堆肥微生物数量,加速堆肥反应进程。
1.1接种菌剂对堆肥的作用早在40年代,美国就通过接种细菌使堆肥时间缩短1一3d。许多研究结果对堆肥过程中接种菌剂的促进作用还是充分肯定的,不少学者已致力于研究堆肥不同阶段起关键作用的微生物,并在自然界进行优质高效菌群的筛选和接种技术的探讨。
1.1.1提高堆肥的腐熟速度
通过电镜扫描结果表明,接种细菌比不接种细菌的处理角蛋白降解更完全,生物被膜形成的更早。进行菌剂接种的堆料能迅速通过常温阶段,进人高温阶段,节省堆肥过程的起步时间。
1.1.2提高堆肥的腐熟质量
固氮:堆肥过程中各阶段均有不同程度氮素损失,氮损失的重要途径是NH:挥发,NH:产生和挥发损失的高峰期主要是在升温期。石春芝等91和蒲一涛等在生活垃圾中接种固氮菌,堆肥的含氮量有一定提高,保证了腐熟后肥料的质量。
杀毒:国外多项实验证明,用生物技术方法降解尼古丁毒性的可行性,且证实通过高温堆肥处理对毒性有机物的降解有显著效果。据相关研究,在城市污泥堆肥过程中,微生物类群的数量变化与毒性有机物的含量呈正相关关系。通过微生物的生物作用,使最终产品中的毒性降低,达到相关标准。
灭菌除草:沈根祥等报道了HsP菌剂能迅速提高牛粪堆肥的发酵温度,有效杀灭粪中所含的杂草种子和虫卵病菌,具有快速堆肥腐熟和无害化的功效。庞金华等和顾希贤等分别用菌剂堆肥成品进行肥效试验,结果证明施接菌堆肥比施不接菌堆肥增产显著。席北斗等接种高效复合微生物菌群生产的堆肥成品中含有大量生物活性的微生物,是一种良好的生物活性有机肥料。
1.1.3对堆肥除臭效果显著
接种菌剂可以降低NH3的排放。在常温阶段,随着微生物快速生长和繁殖,加速了有机氮的分解,并以NH4+一N的形式快速积累的结果。而后随着温度、pH值的升高,积累的NH4+一N一部分以NH3的形式释放到大气中,一部分被微生物同化或被硝化成No3一N。通过菌剂接种,可以将升温过程缩短,同时由于菌剂的固氮作用,减少NH3的释放,达到除臭效果。
1.2接种菌剂的实际效果
在张陇利等进行的试验中充分证实了微生物菌剂的接种对污泥堆肥的积极作用。
试验中接种菌剂为研制的复合微生物制剂,主要有酵母菌、乳酸菌、放线菌和丝状真菌四类近ro个菌株构成。试验设计用污泥、锯末和回流堆肥三种物料按不同比例混合成6个试验堆体。堆体为1.5mx1mx1.Zm的梯形,初始含水率为55%,C/N比为20左右,露天堆肥,当堆体超过65℃时翻堆,低于65℃时,间隔2天翻堆。经过为期21天的数据收集和分析工作,研究小组对6个堆体的总碳、总氮和发芽指数变化进行了分析。试验证明,所有堆体温度在50℃以上均保持了7天以上,满足堆肥卫生标准,发芽指数GI在50%一80%:之间,堆肥基本无毒性;而接种菌群的堆体升温速率和温度最高值均大于未接种菌群的堆体,且接种菌群的堆体增加率水分散失额有机质降解速度,控制了氮的损失,提高了GI值。
从接种菌剂的理论分析和实际试验中,可以得出接种菌剂对于污泥堆肥工艺效率和质量的提高起到了巨大的积极作用,节省堆肥时间,降低了运行成本。
2 通风条件
氧气是影响堆肥进程的关键因素,是判断堆肥阶段的重要参数!”,。氧气的供给影响到堆肥过程中微生物活动、温度控制、臭气产生、堆肥速度和质量等诸多方面。
2.1通风对堆肥的影响
2.1.1影响堆肥的速度
堆体氧气状况直接影响堆肥微生物的活性,从而影响碳的转化形式。通风是改善氧气状况的重要措施L”〕。污泥好氧堆肥过程的碳主要以coZ的形式去除,但当堆体出现通风不畅而导致的局部厌氧环境时,碳会通过厌氧菌的作用生成CH、的形式排放。但由于CH4性质不稳定,部分厌氧产生的cH、在好氧区域又被氧化为c02。研究表明,污泥堆肥的最佳通风量为8.48L·h一’·kg一’(干基),此时CH4的排放量仅为初始总碳的0.12%。。而改变通风强度会增大CH、的排放,通风量为1.69L·h一‘·kg一’(干基)和16.63L·h一‘·kg一’(干基)时cH4的排放量分别是最佳通风量时的27倍和5倍。主要原因就是通风量过低,堆体易出现厌氧区域,增加CH4产生量;通风量过高会缩短CH4的氧化时间,增加cH、排放量。因此,在好氧发酵过程中,应通过调节通风状况,减少cH、的产生,最大程度培养和增加好氧微生物,进而提高好氧发酵的速率。
2.1.2影响恶臭气体的排放
污泥堆肥过程中主要产生的恶臭气体是HZS,挥发性有机酸(VOAS)和氨气。
根据中科院的相关研究,污泥好氧堆肥过程中产生HZS的时段主要集中在堆肥过程的前40小时。缺少充足的氧气供应是产生HZS的主要原因。保持堆体内部气体中氧气含量超过14%的就减少HZS的产生。因此,对堆体进行持续或经常性的通风是避免产生HZs污染的最佳策略。
挥发性有机酸发出臭味的闽值低于氨气,在很低的浓度下会产生很重的臭味,而氨气在很高的浓度下才能产生臭味。在厌氧状态下,堆体产生大量厌氧菌,并产生挥发性有机酸。国外研究发现,以50mFmin的速率通人氧气没有VOAS产生;以10mFmin的速率通人氧气在堆肥开始两天发现VOAs;以1mFmin的速率通人氧气,VOAs逐渐增加,在堆肥第五天达到峰值,之后逐渐减少;以O或0.1mFmin的速率通人氧气,在整个堆肥过程中都有VOAs释放。这表明减少VOAs的产生与充足的氧气供给有着明显的关系。
研究同样证明,在氧气不充足的情况下不直接产生氨气,只是在堆体pH>7.0的情况下才会产生氨气。但氧气供给不足会在堆体内繁殖大量厌氧微生物,增加挥发性有机酸的形成,释放VOAs;而一味加大通气量会导致堆体pH的快速升高,增加氨气释放的可能。
2.1.3影响堆肥的质量
堆肥的稳定性是衡量堆肥质量的重要参数。不稳定的堆肥产品会抑制植物的生长和发芽,并带人有害物质与各种病原菌,导致植物患病。国外试验表明,供氧量在。和0.1mFmin的堆肥性质不稳定,10mF而。的堆肥性质稳定。且在早期的堆体呼吸测量试验中也证明,随着堆肥稳定性的增加,氧气的消耗量越来越小。以上的结果在国内学者的试验中也得到证明,郑玉琪在堆肥过程好氧速率变化特征的研究中发现,在堆肥高温阶段末期,好氧速率下降到100以下即可以作为堆肥腐熟的标志。由此可见,充足的氧气供给,可以保证微生物的活动,加快堆肥的稳定和腐熟,氧气供给不足会导致堆肥不稳定并具生物毒性。
在堆肥过程中,氮素含量是堆肥质量的基础。氮素主要是通过氨气,NZO和堆肥渗滤液等形式损失。沈玉君的试验表明,在充足氧气供应的情况下,堆体pH增加,氨气大量释放;而在供氧不足的情况下,pH较低,容易形成局部厌氧环境,满足反硝化作用的条件,产生大量N20气体。
2.2通风量的控制
污泥堆肥工艺对通风条件比较敏感,过大或过小的通气量都不利于堆肥效果。合理的通风不仅可以加快堆肥速率,提高堆肥质量和减少臭气污染,还可以节省能耗,因为在堆肥过程中,通风所消耗的能源是最大的。国外的通风控制技术研究较早且较深人,可以针对基于时间参数、温度参数、好氧速率和综合控制等的多方面对堆肥的通风进行控制,而国内研究的通风控制主要采用基于温度、时间和含氧量的控制方式,相对比较简单。徐德全设计的全自动堆肥通风控制系统同时监测堆体上、中、下三层温度及中层湿度、含氧量参数变化,可根据堆体温度和含氧量参数变化自动控制风机开关,并可自定义设置不同阶段和报警状态的风机通断时间、含氧量、界限温度和报警温度等控制参数。采用此控制系统,能够保证高温期时长超过9天,有效杀死病原体,稳定堆肥产品。
3 辅料的应用
污泥堆肥过程中,辅料的应用也是一个重要的因素。现常见的堆肥辅料主要有各类秸秆,木屑或一些植物类产品加工企业的下脚料等。虽每种辅料在实际应用的表现略有不同,但它们都具有含碳量高的特点。由于堆肥过程对堆体C/N一般要求在25一30:1之间,因此在辅料使用前应试验并确定合适的投放比例,以免影响堆肥效果。
3.1辅料的作用
辅料的作用主要体现在破坏局部厌氧环境,建立堆体内均匀的好氧条件,提供微生物代谢所需的额外碳源等方面。对堆体进行强制通风手段进行供氧,在堆体内部可能会形成局部厌氧环境,破坏好氧发酵过程,释放臭气,降低堆肥效率。此时辅料在堆体内部形成一个个小的空隙结构,再连通成供氧通道,满足了堆体的好氧条件。另外,微生物在对有机质进行降解时需要大量碳源参与反应,而脱水污泥中的含碳量难以满足需要,而一般的辅料在堆肥过程中却可以作为外加碳源使用,满足好氧发酵的需要。
3.2辅料的选择
现实生活中,可以选用为污泥堆肥辅料的材料很多,只要结构稳固,具有较高的含碳量即可。但结合堆肥成本和实际应用条件,一般选用缺少进一步使用价值的农作物秸秆或植物类产品加工的下脚料。
在对河北承德地区秸秆堆肥特性的研究中,研究人员将玉米秸秆、油葵秸秆和大豆秸秆按不同比例投入堆体中,充分混合,用少量尿素调整C/N,在堆肥的第。天、第3天、第6天、第10天、第巧天、第21天、第30天、第45天进行多点取样,四分法收集样品。在实际分析中,通过考察每个堆体的温度变化情况、含水率变化情况、pH变化情况、C/N变化情况和发芽指数GI的变化情况,来确定合适的辅料投放比例。
温度的变化在一定程度上反映堆体内部微生物活动的变化情况,在一定的温度范围内,每升高10℃,有机体生化反应速率提高一倍。辅料的含碳量和纤维结构的不同,会使堆体在高温阶段停时长不同。适当的高温时长可以杀死病原微生物,保证堆肥质量,但温度过高会导致氮素的流失。
堆体中水分的作用是溶解有机物,参与微生物的代谢;水分蒸发时带走热量,调整堆体温度。有研究表明堆体内部含水率最好保持在50%一60%,既有利于微生物的新陈代谢,又利于NH犷一N的积累。氨气的挥发、水溶性NH犷一N的浓度和pH值有着密切关系,可以通过提高堆体含水率和降低堆体pH值来减少氨气的排放,从而降低堆体总氮损失。
C/N是好氧微生物能够正常完成自身新陈代谢和分解有机物的一个重要指标。C/N过低会导致好氧微生物无法正常生存,直接破坏堆肥过程,过高会使堆体高温阶段过长,释放大量氨气,造成总氮损失,降低堆肥效率和质量。
根据zucconi的研究,当发芽指数GI>50%时,表示堆肥已经达到腐熟程度。添加不同辅料的堆体一般都会达到腐熟要求,但是达到腐熟所需的时间不同,也应作为选择合适辅料的条件。
3.3辅料的处理
辅料的处理并未引起过多的重视,但这一环节在污泥堆肥的过程中却起到了巨大的作用。辅料处理不佳,会丧失引入辅料的价值。若辅料外形调整不当,在堆体中就无法构架通气的通道,无法保证均匀布气;若辅料自身纤维结构紧密,不易破解,在堆肥过程中就无法为微生物的新陈代谢提供充足的碳源,影响堆肥效果,甚至中断堆肥过程。辅料处理一般包括物理处理和生物处理。
3.3.1物理处理
在污泥好氧堆肥中,辅料普遍使用的是成本低廉,持续供货的植物秸秆。对于秸秆的物理处理就是将秸秆切断为2一5Cm长度的辅料段。这样的长度便于在含水率80%左右的脱水污泥为主的堆体中支撑出局部空隙,保证堆体各处的氧气供应。
3.3.2生物处理
植物秸秆辅料中含有大量的纤维素,它由p(1一4)键的葡萄糖单元所组成,通常与半纤维素和木质素连接在一起,其非均质基团为各种己糖、戊糖、糖醛酸聚体,它们在物料中常与一些更难分解的物质相结合,分解难度大。尽管自然界存在可以产生纤维素酶的微生物,包括:真菌、细菌、放线菌,可以通过纤维素酶分解纤维素。然而天然的纤维素分解菌的活性低,降解速度慢,且传代性状不稳定,导致发酵时间长,降低堆肥效率。针对上述问题,有研究人员通过各类微生物培养方法,分离、筛选和复合出不同的纤维素分解菌群。有研究表明,在污泥堆肥过程中,可以进行纤维素分解的菌群有中温好氧纤维素分解菌、高温好氧纤维素分解菌和高温厌氧纤维素分解菌。其中中温好氧纤维素分解菌的数量在前3d上升,随后很快下降;高温好氧纤维素分解菌在前6d数量上升,随后开始下降,第巧d达到最低值;高温厌氧纤维素分解菌在整个过程中数量不断增加。这说明在污泥堆肥过程中,纤维素分解菌群始终起到分解纤维素的作用。在纤维素分解菌群应用方面,现有的研究主要集中在城市固体垃圾或农业垃圾堆肥中纤维素分解菌群的表现,在城市污泥堆肥中的应用研究较少。但随着城市污水处理规模的大幅度增加,污泥相应增加,污泥堆肥必会等到广泛应用,因此进一步研究纤维素分解菌群在污泥堆肥过程中的对辅料的分解颇具研究价值。
与污水处理中活性污泥法一样,污泥堆肥工艺中也需要依靠各类微生物的作用来实现污泥的腐熟,转化为腐殖质肥料。由于各污水处理厂进水水质有较大区别,污泥成分也不同,所以在进行污泥堆肥过程中应结合实际情况,投放微生物菌剂,改善通风条件和选择合适辅料。虽然堆肥工艺已有上千年的应用历史,但城市污水处理厂污泥堆肥工艺出现较晚,在工艺调整和影响因素的研究方面还有许多空白,因此在提高污泥堆肥效率和降低成本等方面的研究有极大空间和实际意义。
