赫俊国：寒区贮存污泥特性及其生物干化技术研究

研究项目概况

1、研究背景——现实问题

（1）贮存污泥产量巨大

➢贮存污泥主要就是指在污泥填埋场贮存多年且只经过简单毒性处理的污泥；

➢近年来，我国污水处理量不断上升。而作为污水处理的“衍生品”，我国污泥产量也年年攀升；

➢但是长期以来我国污水处理过程中主要以水质达标为主，“重水轻泥”是普遍存在的现象。污泥处理处置发展却十分缓慢，污泥有效处置率偏低；

➢在我国，目前大约2/3的污泥被填埋，1/5的被外运和随意堆放，焚烧和资源化利用的比例较少。因此导致贮存污泥的产量越来越多。

（2）贮存污泥引发一系列问题，亟需对其进行处理处置

➢含水率高，易产生渗滤液，而渗滤液对土壤和地下水产生污染；

➢内部厌氧发酵，产生恶臭气味，导致周围大气环境污染、蚊蝇滋生；

➢离村庄特别近，影响周边居民的正常生活以及健康；

➢占地面积大，浪费土地资源。

（3）缺乏贮存污泥相关的处理处置标准和技术

➢随着“十三五”规划出台，将更加重视改善生态环境总体质量，贮存污泥带来的环境问题已经引起社会各界的重视。

➢但由于重水轻泥的原因，污泥处置技术发展缓慢，目前还没有贮存污泥处理的相关标准和技术，因此亟需对贮存污泥进行处理处置的技术。

（4）贮存污泥在贮存过程的性质变化、高含水率等会影响后续处理处置

➢目前对于贮存污泥性质在贮存过程中随时间的变化未见相关报道，鉴于贮存污泥特性会影响其处置及利用方式，因此亟需对其贮存过程中的性质进行分析；

➢贮存污泥的含水率仍高75%~80%，影响其后续的处理处置，因为各种处置方法对污泥含水率都有明确的要求：污泥用于卫生填埋和土地利用时含水率需低于60%，作建筑材料时含水率应该低于45%，单独进行焚烧时含水率需要低于50%。同时会增加运输难度和成本。因此对贮存污泥进行干化处理，降低其含水率，是目前解决贮存污泥问题的关键。

2、污泥综合利用研究现状

污泥的综合利用是指污泥处理和处置的综合，污泥的处理和处置密不可分。

（1）处理技术

污泥处理是指污泥经过处理实现减量化、无害化和稳定化。常见的污泥处理技术有浓缩、脱水、消化、干化、堆肥、石灰稳定化等。

（2）处置技术

污泥的处置指经过处理后的污泥在环境中的利用过程中达到稳定，不会对人体及环境产生有害影响的消纳方式。污泥的主要处置方式为填埋、焚烧、土地利用、海洋倾倒及制作建筑材料等。

（3）污泥利用现状

欧美等发达国家早在20世纪中期就具备比较先进的污泥处理水平。

我国与欧美发达国家相比，污泥的处理处置起步较晚，与其存在较大的差异。

“重水轻泥”的现状，更加导致污泥处理处置技术的发展缓慢，造成污泥处理缺乏法律法规的有效监管以及完善的处理设备及工艺。从而导致大部分污泥直接倾倒或掩埋，造成严重的二次污染。

3、干化方法概况

（1）物理干化

热干化：最常用的一种干化技术，干化效率高，但污染环境，费用高。

自然干化：利用自然力量去除水分，节能、成本低，但周期长，占地面积大、污染环境。

微波干化：利用微波技术处理，高效、应用前景广阔。

油炸干化：利用各种废弃油（精炼工业废油、回收的烹饪油、燃料油等）作为热介质，技术还不成熟。

（2）化学干化

生石灰干化：与污泥内部的水分发生化学反应来去除水分，工艺简单、投资少，但导致固体总量增加。

电渗析干化：利用直流电场的作用，提高脱水效率，此技术还不太成熟。

（3）生物干化

不需要外加热源，能耗低且无燃料产生的有害尾气。

生物干化技术

➢起源

1984年美国康奈尔大学Jwell教授在处理牛粪时第一次提出生物干化的概念。

➢原理

利用好氧微生物降解物料中的有机物产生热量，结合外界适宜的通风将物料中的水分去除，最终降低物料的含水率。

➢目的

最大限度去除物料中的水分，使物料减量减容，同时使物料在一定程度上得以稳定化，便于后续处理。

➢优点

不需外加热源，不会产生有毒有害气体，更加经济环保。

4、研究目的与意义

（1）贮存污泥在贮存的过程中会引发一系列的问题，因此对贮存污泥的处理处置迫在眉睫。

（2）贮存污泥在贮存过程中性质会发生变化，由于性质会决定后续的处理处置方式，因此需对贮存污泥性质的变化规律进行分析。

（3）贮存污泥的含水率仍然很高，影响进一步的处理处置，因而对贮存污泥脱水干化是后续处理的关键。

（4）生物干化技术是一种新型的干化技术，具有不需要外加热源、成本低、环境友好以及操作简单等优点，是处理贮存污泥的首选方法。

5、研究的主要内容与技术路线

（1）贮存污泥特性与变化规律分析；

（2）贮存污泥生物干化的关键工艺参数确定及预测模型建立；

（3）贮存污泥生物干化过程中组分变化规律及水分和能量分析；

（4）贮存污泥生物干化过程中微生物特性研究。

实验材料与方法

1、实验装置

2、实验原料

3、主要检测指标

（1）常规理化指标：含水率、pH、VS、重金属、PAM、总碳和总氮等；

（2）有机物指标检测：溶解性有机质、腐殖质、水溶性有机质的EEM、有机元素等；

（3）水分和热量平衡

贮存污泥特性与变化规律分析

1、贮存污泥理化性质随时间变化规律

含水率受降水等外界条件影响明显，变化无明显规律性；VS前期下降明显，后期趋于稳定，且与傅里叶函数拟合较好；pH呈下降趋势，但下降不明显，始终维持在7左右。

2、贮存污泥营养元素随时间变化规律

总碳、总氮、总磷及总钾均前期下降明显，后期趋于稳定。

总氮逐渐下降，与高斯函数拟合较好；铵态氮先增加后减少，与傅里叶函数拟合效果较好；硝态氮逐渐增加，与多项式函数拟合较好。

3、贮存污泥中微生物组成随时间变化规律

细菌占绝对优势，且逐渐下降；真菌相对稳定（4%~5%）；放线菌逐渐减少；原生动物逐渐增加；厌氧微生物逐渐增多。

4、贮存污泥中重金属随时间变化规律

从表中可以发现各种重金属总量并没有发生明显的变化，且只有Cu、Zn两种元素超过国标中的污泥农用标准，但是满足欧盟及法国的标准。

各种形态之间的转化并不明显，且大部分的重金属始终以比较稳定的可氧化态和残渣态形态存在，说明贮存时间对重金属形态变化影响并不显著。

贮存污泥特性与变化规律分析-小结

（1）pH在贮存过程中未产生明显波动，稳定在7左右。含水率变化无明显规律性，其与贮存时间无关，主要与外界降雨（雪）、蒸发等自然条件有关。

（2）贮存污泥中的有机质及营养元素随着贮存时间的增加而逐渐减少。VS、TN、NH4+-N和NO3--N的变化趋势分别与傅里叶函数、高斯函数、傅里叶函数和多项式函数拟合较好。

（3）随着贮存时间的增加，污泥中的厌氧微生物数量增加，但总的微生物数量呈现减少趋势，细菌仍占绝对优势。

（4）重金属含量及形态在贮存过程中没有明显规律性变化，说明贮存时间对重金属的含量及形态变化影响较小。

贮存污泥生物干化关键工艺参数研究

1、调理剂种类对贮存污泥生物干化的影响

非木质调理剂（啤酒糟、稻草、白酒糟）的生物干化效果优于木质调理剂（锯末、刨花、细木条）的效果。

2、调理剂配比对贮存污泥生物干化的影响

B2（5:1）堆体高温维持时间最长，积累温度值最高。

B2（5:1）堆体含水率减少及VS降解幅度最大。

pH及CO2含量均先增加后减少；O2含量与CO2变化趋势相反：先减少后增加。

3、通风方式对贮存污泥生物干化的影响

当通风方式为间歇通风(A1、A2)时，更有利于堆体温度的积累、水分的去除以及VS的降解，且A2的效果更好。

4、通风量对贮存污泥生物干化的影响

D2堆体高温维持时间最长，积累温度值最高；含水率减少最明显，并且Stage 2是水分去除的主要阶段。

VS逐渐降低；pH及CO2含量均先增加后减少；O2含量与CO2变化趋势相反：先减少后增加。

5、基于支持向量回归机的预测模型建立

预测模型：

从验证结果可知，含水率的预测值和实验值的变化趋势是一致的，并且预测值与实验值的误差范围较小，最大误差为1.98%，最小误差仅为0.57%，因此该模型的预测效果较好。

贮存污泥生物干化关键工艺参数研究-小结

（1）采用6种调理剂进行实验，结果发现调理剂的种类对生物干化有显著影响，木质调理剂（锯末、刨花和细木条）的效果比非木质调理剂（稻草、啤酒糟和白酒糟）的效果要差。对调理剂配比的研究表明，配比为5:1（w/w，湿重）时较合适。

（2）采用不同通风方式及通风量研究通风状况对生物干化的影响，研究表明：通风方式为10min开/20min关的间歇通风方式，通风量为1.4L min-1 kg-1干物质是较为合适的选择。

（3）基于支持向量回归机的预测模型预测效果较好（最大误差为1.98%），可以用于生物干化过程中含水率的变化预测。

贮存污泥生物干化过程中组分变化规律及效能研究

1、不同组分转化规律——溶解性有机质变化