污泥好氧堆肥的工程实践.docx
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污泥好氧堆肥的工程实践
污泥好氧堆肥的工程实践
污水厂污泥因其独特的物性和特性一直较难处理，因此，污水厂通常将污泥浓缩脱水后直接外运填埋，以节省厂内运行费用。
这一现象随着《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的实施将被改变，该标准对污水厂污泥的处理提出了更高的要求，且提出了相应的标准，如下表1所示。
对照此标准，目前大多数现有污水厂需增设污泥稳定化处理设施。
表1污水厂污泥稳定化控制指标
稳定化方法
控制项目
控制指标
好氧堆肥
含水率（％）
<65
有机物降解率（％）
>50
蠕虫死亡率（％）
>95
粪大肠菌群菌值
>0.01
好氧消化
有机物降解率（％）
>40
厌氧消化
有机物降解率（％）
>40
某污水处理厂处理规模为4.0万m3/d，为典型的城市生活污水处理厂，为满足GB18918-2002的要求，污水厂将进行改造，在污泥处理与处置过程增设好氧堆肥设施，使污泥在厂内经处理后达到稳定化、资源化利用的目标。
2好氧堆肥工艺的原理及过程控制参数
（1）工艺原理
好氧堆肥是在有氧条件下，好氧细菌对废物进行吸收、氧化、分解。
微生物通过自身的生命活动，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，同时释放出可供微生物生长活动所需的能量，而另一部分有机物则被合成新的细胞质，使微生物不断生长繁忙殖，产生出更多的生物体的过程。
在有机物生化降解的同时，伴有热量产生，因堆肥工艺中该热能不会全部散发到环境中，就必然造成堆肥物料的温度升高，这样就会使一些不耐高温的微生物死亡，耐高温的细菌快速繁殖。
生态动力学表明，好氧分解中发挥主要作用的是菌体硕大、性能活泼的嗜热细菌群。
该菌群在大量氧分子存在下将有机物氧化分解，同时释放出大量的能量。
据此好氧堆肥过程应伴随着两次升温，将其分成三个阶段：
起始阶段、高温阶段和熟化阶段。
起始阶段：
不耐高温的细菌分解有机物中易降解的碳水化合物、脂肪等，同时放出热量使温度上升，温度可达15~40℃。
高温阶段：
耐高温细菌迅速繁殖，在有氧条件下，大部分较难降解的蛋白质、纤维等继续被氧化分解，同时放出大量热能，使温度上升至60~70℃。
当有机物基本降解完，嗜热菌因缺乏养料而停止生长，产热随之停止。
堆肥的温度逐渐下降，当温度稳定在40℃，堆肥基本达到稳定，形成腐植质。
熟化阶段：
冷却后的堆肥，一些新的微生物借助残余有机物（包括死后的细菌残体）而生长，将堆肥过程最终完成。
（2）好氧堆肥的控制参数
机械化好氧堆肥过程的关键，就是如何选择和控制堆肥条件，促使微生物降解的过程能快速顺利进行，一般来说好氧堆肥要求控制的参数有：
供氧量
对于好氧堆肥而言，氧气是微生物赖以生存的物质条件，供氧不足会造成大量微生物死亡，使分解速度减慢；但供冷空气量过大又会使温度降低，尤其不利于耐高温菌的氧化分解过程，因此供氧量要适当，一般为0.1~0.2m3/m3.min，供氧方式是靠强制通风，因此保持物料间一定的空隙率很重要，物料颗粒太大使空隙率减小，颗粒太小其结构强度小，一旦受压会发生倾塌压缩而导致实际空隙减小。
因此颗粒大小要适当，可视物料组成性质而定。
含水率
在堆肥工艺中，堆肥原料的含水率对发酵过程影响很大，水的作用一是溶解有机物，参与微生物的新陈代谢；二是可以调节堆肥温度，当温度过高时可通过水分的蒸发，带走一部分热量。
水分太低妨碍微生物的繁殖，使分解速度缓慢，甚至导致分解反应停止。
水分过高则会导致原料内部空隙被水充满，使空气量减少，造成向有机物供氧不足，形成厌氧状态。
同时因过多的水分发，而带走大部分热量，使堆肥过程达不到要求的高温阶段，抑制了高温菌的降解活性，最终影响堆肥的效果。
实践证明堆肥原料的水分在50~50％为宜。
碳氮比
有机物被微生物分解的速度随碳氮比变化，微生物自身的碳氮比约为4~30，因此用作其营养的有机物的碳氮比最好也在该范围内，当碳氮比在10~25时，有机物被生物分解速度最大。
如果碳氮比过高，堆肥成品的比值也过高，即出现“氮饥饿”状态，施于土壤后，会夺取土壤中的氮，而影响作物生长。
堆肥过程适宜的碳氮比应为20~30。
碳磷比
磷对微生物的生长也有很大影响，城市污水处理厂的污泥含有丰富的磷，可满足微生物生长的需要，堆肥原料适宜的碳磷比为75~150。
PH值
PH值是微生物生长的重要条件，在堆肥初期，由于酸性细菌的作用，PH值降到5.5~6.0，使堆肥物料呈酸性，而后由于以酸性物为养料细菌的生长和繁殖，会使PH值上升，堆肥过程结束后物料的PH值上升到8.5~9.0。
3污水厂好氧堆肥工艺简介
工艺过程
在污水处理厂改造中，引进了日本的涡流加压混扎机（EcoHerds）高品质快速堆肥化系统。
该系统将污泥和水分调整材料（稻壳、木屑、熟肥返回料）在密团的装置中加压混轧，使污泥和水分调整材料均匀混合。
原料加入涡料加压混轧机后，加压混轧时间（机器内停留时间）约10分钟左右，在此期间产生磨擦热后，原料温度达到50℃左右，如此，使在45℃以下具有活性的低温菌、中温菌、以及恶臭菌活性化。
同时，促进发酵、分解的好氧高温菌增殖，使原料在恶臭难以产生的环境中实现快速堆肥处理。
系统构造
EcoHerds式高品质快速堆肥化系统的构造分二部分。
原料部分：
由待处理原料一次储存的[原料料斗]、水分调整材料一次储存的[辅料料斗]以及熟肥返回料储存的[馈料料斗]构成。
涡流加压混扎机（EcoHerds）主机
输送部分：
由将[原料料斗]的原料定量供料的[供给输送装置]和供给返回料的[皮带式输送装置]构成。
原料供给量的调整、水分调整材料供给量的调整、以及熟肥返回料供给量的调整，都由控制面板按输入程序控制。
异物混入时，异物检出机动作，装置全体自动停止运行。
原料、辅料及返回料供给机中，如任何一个发生空仓状态时，全装置停止运行，同时控制面板警示灯亮灯示警，各供给机有原料投入时，自动启动并连续运行。
工艺特点
EcoHerds式高品质快速堆肥化系统的特点：
1、为使原料、水分调整料、返回熟料混合进入机械的含水率达到60~65％，各供给机的供给量须给予调整。
原料的供给量由输入程序设定
水分调整的供给量由输入程序设定
返回熟料的供给量由输入程序设定
根据原料水分的变动，调整水分，可以通过增减返回熟料的供给量进行调整
由于水分调整料增减的调整，堆肥的成分会参差不齐，因此通过增减返回熟料的供给量进行调整，可使堆肥成分稳定化。
2、EcoHerds的处理（加压混轧）后排出的堆肥化物，由自走式连续搅拌机在发酵槽内20~25天边搅拌边发酵，由自走式连续搅拌机进行的搅拌与迄今为止的搅拌机不同，是为了EcoHerds处理后，更进一步促进发酵而专门开发的装置。
EcoHerds处理后的堆肥化物、原料的颗粒较小、颗粒表面附有裂痕，因此使得菌体易于进入并在短时间内进行分解。
分解进行的同时，与分解相应的氧气供给是必须的，能否满足这一重要条件是稳定发酵所必须的。
自走式连续搅拌机组合而成的系统，实现了短时间内的稳定、完全发酵、熟化堆肥。
3、产品堆肥
使用粉碎的稻草能产生完成发酵、熟化的堆肥
由返回料进行水分调整，因此能产生成分稳定的堆肥
由于加压混轧，杂草的种子和病原菌被灭活，因此能产生安全的堆肥
氮、磷、钾的添加，可使产品根据耕种农业的要求生产出附加价值更高的堆肥。
4、污泥堆肥产品成分表
为验证好氧堆肥工艺对污水厂污泥的处理效果及堆肥后污泥的性质，采集了现有污泥的样本，进行了试验验证，经堆肥后的污泥成分检测如下表2所示。
表2厂现状污泥堆肥成分表
检测项目
单位
监测结果
计量方法（标准JIS）
氮N
％
2.89
肥料分析法5.3.1.2
磷酸P2O5
％
4.10
肥料分析法5.3.3
钾K2O
％
1.04
肥料分析法5.3.3
铜
mg/kg
162
肥料分析法5.18.2
锌
mg/kg
353
肥料分析法5.1.2
碳酸钙
%
2.56
肥料分析法5.3.1.2
水分
%
33.1
肥料分析法3.1.1
经评估，上表数据符合JA（日本农业协会）的标准，可用于任何经济农作物。
高品质快速堆肥化系统致臭物质测定
高品质快速堆肥化系统的环境质量可以达到相应的环境质量标准。
其堆肥过程的致臭物质测定值（日本检测数据）如下表3所示：
表3污水厂污泥堆肥过程致臭物质分析
项目
日本规范、标准
原料堆放处
处理装置口
发酵槽
临界线
氨气
1~2ppm
0.3ppm
0.3ppm
0.2ppm
0.2ppm
甲硫醇
0.002~0.004ppm
0.0002ppm
0.0096ppm
<0.0001ppm
<0.0001ppm
硫化氢
0.02~0.06ppm
<0.005ppm
<0.005ppm
<0.0005ppm
<0.0005ppm
甲硫醚
0.0003ppm
0.015ppm
<0.0001ppm
<0.0001ppm
乙硫醚
0.0044ppm
0.060ppm
<0.0001ppm
<0.0003ppm
室温23.4℃ 湿度49％
室温22.7℃ 湿度53％
室温22.1℃ 湿度52％
测定方法：
NH3—EPCN（Fe）铁吸光光度法 MeSH、H2S、Me2S、Me2S2—FPD法
从以上对堆肥过程环境气体质量的监测数据来看，本堆肥过程的环境空气质量完全可以满足我国的国家标准。
污泥活性抑制和污泥上浮的检测及控制
引言
在采用活性污泥法处理废水的运行过程中，有多种原因可引起曝气池活性污泥的活性受到抑制而导致微生物性质和类群的改变、有机底物的去除率下降。
有些微生物（如丝状菌）的过量增长会形成泡沫（foam）或浮渣（scum），运行时机械应力、挟裹气泡等均会使活性污泥的比重降低而上浮飘走，不仅增加了出水中的悬浮固体量，而且会大大降低生物反应系统中活性污泥的活性和数量。
本文在阅读大量国内外文献基础上，对导致活性污泥活性抑制与上浮的原因、检测分析方法和控制技术进行了讨论。
1引起活性污泥上浮的主要因素
1.1进水水质
1.1.1过量的表面活性物质和油脂类化合物
这类物质可以影响细胞质膜的稳定性和通透性，使细胞的某些必要成分流失而导致微生物生长停滞和死亡。
当曝气池进水中含有大量这类物质时，会产生大量泡沫（气泡），这些气泡很容易附聚在菌胶团上，使活性污泥的比重降低而上浮。
另外，当进水含油脂量过高时，经过曝气与混合，油脂会附聚在菌胶团表面，使细菌缺氧死亡，导致比重降低而上浮[1-3]。
1.1.2pH值冲击
过高或过低的pH值会影响活性污泥微生物胞外酶及存在于细胞质和细胞壁里酶的催化作用以及微生物对营养物质的吸收。
当连续流曝气反应池内pH＜4.0或pH＞11.0时，多数情况下活性污泥中微生物活性受到抑制，或失去活性，甚至死亡，以致发生污泥上浮[4]。
用SBR法处理啤酒废水和化工废水的实验结果表明：
当进水pH值为2.5－5.0和10.0－12.0时，pH值越低（或越高），污泥活性受抑制越严重，上浮污泥量越多。
控制低pH值（3.5-7.0）的反应周期内pH值不变，两种废水的活性污泥在pH≤5.5时就开始出现污泥上浮[5-6]。
另一方面，随着pH值的增加，由于胞外聚合物（ExtraCelluar Polymer）的电离官能团增加，活性污泥絮凝作用增加（尽管带的负电性增加），但当pH值超过一定范围后，絮凝作用下降。
可见，这时的电排斥作用增加，也会造成活性污泥脱絮（悬浮、不絮凝、反絮凝（deflocculation）和上浮[6]。
1.1.3盐含量的影响
对进水的pH值调整不能消除碱度对活性污泥的影响。
对碱性进水调pH值，虽然中和了碱性物质，但产生了盐。
盐溶液浓度不同其渗透压也不同，渗透压是影响微生物生存的重要因素之一[7]。
如微生物所处的溶液渗透压发生突变，就会导致细胞死亡。
1.1.4水温过热
组成活性污泥的微生物适合的温度范围一般为15－35℃，超过45℃时会使活性污泥中大部分微生物死亡而上浮（经过长期驯化的或特殊微生物除外）[8]。
另外，KlausKriebitzsch等在用SBR工艺测定温度对细胞内酶活性影响的试验中也发现，温度在20、30和40℃时酶活性较好，大于50℃之后，酶的活性明显下降。
1.1.5致毒性底物
对好氧活性污泥微生物有致毒作用的底物主要包括：
含量过高的COD、有机物（酚及其衍生物，醇，醛和某些有机酸等）、硫化物、重金属及卤化物。
高底物浓度可与细胞酶活动中心形成稳定的化合物，导致基质不能接近，无法被降解，甚至使细胞中毒死亡。
重金属离子进人细胞后主要与酶或蛋白质上的-SH基结合而使之失活或变性。
微量的重金属离子还能在细胞内不断积累最终对微生物发生毒害作用（微动作用）。
卤化物最常见的是碘和氯，碘不可逆地与菌体蛋白质（或酶）的酪氨酸结合，生成二碘酪氨酸，使菌体失活。
氯与水合成次氯酸，其分解产生强氧化剂。
而且废水中有机物的突变，使原被驯化好的并能降解有机毒物的微生物减少或消失。
1.2工艺运行
1.2.1过量曝气
微生物处于饥饿状态而引起自身氧化进人衰老期，池中溶解氧浓度（DO）上升；或者由于污泥活性差，曝气叶轮线速度过高，供氧过多。
总之，DO上升，短期内污泥活性可能很好，因为新陈代谢快，有机物分解也快，但时间一久，污泥被打得又轻又碎（但无气泡），象雾花片似的飘满沉淀池表面，随水流走。
这种污泥色浅，活性差，耗氧速率下降，污泥体积和污泥指数增高，处理效果明显降低。
1.2.2缺氧引起的污泥上浮
污泥呈灰色，若缺氧过久则呈黑色，并常带有小气泡。
1.2.3反硝化引起的污泥上浮
当废水中有机氨化合物含量高或氨氮高时，在适宜条件下可被硝酸菌和亚硝酸菌氧化为NO3-，如二沉池积泥或停留时间过长，NO3-还原产生的N2会被活性污泥絮凝体所吸附，使得活性污泥上浮。
1.2.4回流量太大引起的污泥上浮
回流量突增，会使气水分离不彻底，曝气池中的气泡带到沉淀区上浮，这种污泥呈颗粒状，颜色不变，上翻的方向是从导流区壁直向沉淀区壁成湍流翻动。
1.2.5二沉池池底积泥引起的污泥上浮
如果二沉池底泥发酵，产生的CO2和H2也会附聚在活性污泥上，使污泥比重降低而上浮。
污泥腐化产生CH4、H2S后卜浮，首先是一个个小气泡逸出水面，紧接着有黑色污泥上浮。
1.3活性污泥丝状菌过量生长及其控制产生的污泥上浮
1.3.1温度与负荷
微丝菌（Mocrothrixpatvicella）的最佳生长条件是温度在12－15℃，污泥负荷小于0.1kg/（kg·d）。
它的天然疏水性会引起活性污泥的脱水性差，最高为490mL/g。
在温度高于20℃后、即使污泥负荷是0.2kg/（kg·d），M.parvicella也不增值。
它打碎成30－80μm的碎片，成浮渣形式而上浮。
1.3.2表面活性物质、类脂化合物及机械应力作用
引起低负荷膨胀和污泥上浮的最频繁的丝状菌是：
微丝菌、0092型、0041型。
在进水中表面活性物质和类脂化合物浓度的升高、接种和机械应力也会引起放线菌（Actinomycetes）的增长。
Kappeleretal观察到机械应力（如离心泵）损坏紧密的活性污泥絮凝体并导致微丝菌的过量增长[9]。
1.3.3过量投加丝状菌抑制剂
在曝气池流出槽中注人过氧化氢，数天后，丝状菌就消失，SVI从580mL/g下降至178mL/g。
且过氧化氢也有确保曝气池DO和去除H2S臭味的效果。
但若加人量太多会引起活性污泥的活性抑制及污泥上浮。
2活性污泥活性抑制与上浮的检测方法
2.1测定污泥的耗氧速率（OUR）和ATP
测定活性污泥的耗氧速率（OUR），可判断有无毒物流入、负荷条件和排泥平衡情况[10]。
若同时测定三磷酸腺苦（ATP），还可以从处理机能方面对微生物量和活性度进行定量分析。
根据P.E.Jorgensen等的研究表明，测定ATP含量和OUR是检测生物量活性的可靠方法。
2.2利用指示生物诊断活性污泥状态和性能
用显微镜对活性污泥中的微生物进行镜检，其中的原生动物和后生动物（统称为微型动物）相对比细菌个体大，在显微镜下易于观察、鉴别和计数，且对外界环境条件的变化更为敏感，作为指示生物来诊断活性污泥的状态和性能，在工程实践中已有较广泛应用。
这种指示作用概括于表1中。
表1 微型动物对活性污泥状态和性能的指示作用
微型动物镜检情况
活性污泥状态
①钟虫、遁纤虫、累枝虫、聚缩虫、独缩虫等固着型原声动物和轮虫等后生动物大量出现（≥106个/L）
良好
②微型动物种类高度多样化，没有占绝对优势数量的微生物
①波豆虫、尾波虫、侧滴虫、屋滴虫、豆形虫、草履虫等快速游泳型原生动物较多
恶化
②严重恶化时微型动物极少，或被一种（或一组）占优势
漫游虫、斜叶虫、管叶虫等慢速游泳型或匍匐行进的原生动物较多
恶化→良好
可观察到微型动物，但个体数比正常污泥害臊，蠕动纤毛类叫少。
球衣菌、丝硫菌、微丝菌、放线菌大量出现
膨胀、泡沫和浮渣
变形虫和简便虫等肉足类原生动物的个数在混合液中出现104个/mL
分散、解体
新态虫、扭头虫、草履虫出现较多
溶解氧（DO）不足
轮虫和变形虫大量出现
曝气过剩
3控制污泥上浮的技术措施
①稳定曝气池进水水质的最可行、最经济的方法是终水回流，用以稀释、调节曝气池进水中的有机物浓度，使其稳定在一定范围内，终水回流的先决条件是污水处理厂的处理能力必须大于实际进水量。
②污水处理厂应考虑设有较大容积的调节池（均质池）并控制好均质池（调节池）液位。
因高液位会使均质池的水量缓冲能力下降，甚至丧失；而低液位运行不仅均质效果差，且易使油和均质池底的杂质进人曝气池，造成活性污泥受冲击而上浮。
液位宜控制在50％－70％。
③合理投加营养盐。
由于工业废水中营养比例失调，常常碳源充分而氮、磷等营养物不足，因此处理工业废水时须另外补加。
一般以尿素和磷酸盐为氮源和磷源，但投加量不宜过量。
④曝气池人口设中和池及由碱池、酸池、pH检测仪、pH自动调节阀等组成的pH自动调节系统，使曝气池进水的pH值控制在要求范围内。
⑤采用纯氧曝气。
从西德引进的纯氧曝气装置，投产5a以来从未出现污泥上浮。
⑥污泥中毒引起的污泥上浮可以加大曝气量，减少进水量并清除死污泥。
⑦活性污泥的微生物组成主要依赖于废水成分、流动形式、运行条件和适宜的设计。
由于在实际处理过程中几乎难以控制废水成分，因此对运行条件和反应器设计进行优化选择至关重要。
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