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摘要：传统城镇污泥好氧发酵工艺存在一些问题，例如发酵前期或添加大量的辅料，或添加外来生物菌种，或外部提供污泥发酵热能，这些技术使发酵工艺变得繁复，提高了发酵成本。因此着重研究污泥本身特性，通过调节污泥特性来改善其好氧发酵效果显得尤为重要。结果表明：通过调整发酵污泥原料本身特性，可以提高发酵污泥自然升温速率，堆体温度16～48小时就上升到55℃以上，且不需要添加其他促进升温的生物发酵剂，对污泥本身进行改善即可使发酵物料自然升温至70℃，且高温保持时间达3天以上，发酵过程能耗低，成本低，工艺更加简单。
关键词：城镇污泥;好氧发酵;污泥特性;升温速率
中图分类号：X705
近年来，我国污水处理能力与日俱增，随之产生的污泥量也同步飞速增加。调研结果显示，污水处理时所产生的剩余污泥，超过80%没有得到很好的处理处置，污泥随意堆放及所造成的污染与再污染问题已日益凸显，且引起了社会的强烈关注[1]。社会的极大关注促使国家不得不对污泥的处理处置重视起来，国家的重视又促使了污泥处理处置市场步入快速发展阶段。近年来，社会各界学者的不断摸索与探究论证，污泥的处理处置技术方向已经相当明确，从资源化及循环经济的角度出发，污泥经高温好氧发酵后进行土地利用的优点显著[2]。
制约污泥好氧发酵生产化的要素有很多，其中影响好氧发酵一次发酵过程的因素有：物料初始含水率、C/N比、透气性、发酵温度和通风供氧量等[3][4][5][6]。其中，发酵温度是关键的工艺参数，也是反映污泥堆肥发酵是否正常的最直接、最敏感的指标，且受到其它因素的影响。特别是高温期的温度，如果达不到必要的温度，或持续时间不够，对整体好氧发酵速率和效果影响是极大的。对于良好的一次发酵过程的温度要求，前期升温快，高温阶段温度在55℃-65℃（不超过70℃），且持续时间适度，后期温度下降平缓[7]。
针对传统好氧发酵工艺存在的发酵周期长（表现为起温速率慢）、效果不理想（表现为高温保持时间较短）的状况，一些科研机构、企业开展了一定研究。虽然一些技术措施对改善污泥好氧发酵的速率都有一定的促进作用，但是发酵前期或添加大量的辅料，或添加外来生物菌种，或外部提供污泥发酵热能，这些技术使发酵工艺变得繁复，提高了发酵成本。
因此本实验研究使用强氧化剂调质调节污泥本身特性，利用强氧化剂的强氧化性对污泥进行破壁处理，从根本上对污泥进行调节，从而提高污泥好氧发酵速率。
1 材料和方法
1.1 污泥来源
实验污泥取自蚌埠市某污水处理厂带式压滤机初步脱水后的污泥，含水率在80%左右，pH值范围6.5～7.5。
主要试剂：高价铁化合物、有机酸、无机混凝剂
主要仪器：石墨炉-火焰原子分光光度计（北分瑞利）;卤素水分测定仪（HX204型，梅特勒-托利多公司）;温度记录仪（RC-4型，江苏精创电气公司）;污泥压滤设备（自主组装，蚌埠圻润环境工程科技有限公司）
1.2 实验方法
将城镇污水处理厂产生的脱水污泥调制成特定含水率的泥水混合物;用有机酸将混合物pH调至5.5-6.5，再向混合物中加入高价铁化合物，充分反应后进行脱水，脱水后污泥含水率为55%～58%，进一步粉碎，粉碎后污泥的粒径为0.5～1cm，粉碎后的污泥即是发酵原料。一次发酵原料体积约为200L。将得到的发酵原料密闭一段时间后采用静态好氧堆肥方式进行发酵，发酵期间进行间歇式通风方式。发酵完成后得到完全腐熟物料。
分析项目和方法
1.3 常规指标的测定
含水率为污泥脱水粉碎后用含水率测定仪测定，好氧发酵过程温度变化情况用温度记录仪测定。重金属含量用原子分光光度计检测。
2 结果与讨论
2.1 有机酸的使用对好氧发酵的影响
实验中有机酸的主要作用是调节泥水混合物的pH值，利于下一步反应的进行，同时增加溶液中的碳含量，污泥脱水后部分有机酸分子会留在污泥中，从而增加污泥整体的碳含量，增加一部分碳氮比。污泥好氧发酵过程中由于碳氮比的增加，污泥好氧发酵的臭味得到了很大程度的降低，几乎不需要额外添加辅料即可好氧发酵。
由图1可知，不同初始pH条件下，污泥最终含水率有一定差异，即实验中改变反应体系初始pH对后续污泥调质有明显改善作用。根据结果，我们选择初始pH调节在5.5-6.5之间。如果酸性继续降低，对设备存在一定的腐蚀性，因此本实验未考虑pH降低的情况。
2.2 高价铁化合物对发酵的影响
高价铁化合物的氧化预处理，可以加速好氧发酵的升温过程，使用经氧化处理后的脱水污泥作为原料进行好氧发酵，堆体温度普遍16-48小时内可上升到55℃以上，最高温度可达到70℃。无氧化的发酵温度约滞后50小时。高价铁化合物的加入可以明显提高好氧发酵速率。
由于高价铁化合物超高的氧化性，用于发酵的污泥细胞壁和胞外的刚性结构得到破解，使细胞内的有机质快速溶出，有机物分解速度加快，使得发酵周期大大缩短，提高了污泥发酵效率;同时高价铁化合物中的Fe元素可以激活微生物脱氢酶活性，加快微生物的代谢速率。通过对比有无添加高价铁化合物氧化处理后污泥的好氧发酵升温速率（图2）可以看出，加入高价铁化合物氧化处理后的脱水污泥作为原料进行好氧发酵，自然升温速率明显提升。而未加入高价铁化合物的脱水污泥自然升温速率明显滞后，且高温保持时间较短，無法达到相关标准。
这个研究提出了一种新的加快好氧发酵速率的方法，不需要添加其他促进升温的生物发酵及或者掺混料，对污泥本身进行改善即可使发酵污泥自然升温至55℃～65℃，且高温保持时间较长，发酵过程能耗低，成本低，工艺更加简单，发酵后产品符合国家相关标准规定。
2.3 污泥好氧发酵后各项检测指标 由表1可见，发酵后的腐熟物料各项指标均达到污泥农用标准要求，符合发酵污泥农用条件。
由表2可见，发酵后的腐熟物料各项指标均达到堆肥产品卫生学标准，能够消除病虫害。
2.4 工艺比较
传统发酵技术是直接利用污水处理厂脱水污泥进行发酵，初始含水率约为80%左右，阳光棚下晾晒至约65%含水率后进行好氧发酵。为了改善初始脱水污泥细腻、粘稠等不良特性，往往需要大量添加调理剂（添加量>20%）来调节物料的松散性及含水率，发酵前期喷洒生物发酵剂，以保证堆肥的快速高效运行。目前运行的污泥好氧发酵工程中，经常使用的调理剂有碎秸秆、锯末、木屑、蘑菇渣等，对大多数地区而言，小麦、玉米、水稻等作物的秸秆是产生量较大的物料，然而作物秸秆季节性强，在非收割季节难以大量提供，因此需要场地做好储存工作;锯末、木屑、蘑菇渣、花生壳等具有地域性，与当地的产业结构有关。并且生物发酵剂的使用会大大提高发酵成本。
近年来，许多新型的发酵工艺也相继出现，某种程度上解决了传统发酵工艺的弊端，但是这些新工艺往往对设备的要求极高，大量添加的其他辅料并不利于发酵产品的进一步使用。
传统好氧发酵工艺和本研究的优化发酵工艺各有特点，通过对两种发酵方式进行对比分析得到的结果见表3。
通过表3可以看出，传统发酵工艺初始含水率高，需要晾晒，发酵初期需添加生物发酵剂及大量调理剂，发酵时间长，占地面积大。本研究的优化工艺初始含水率为55～60%，无需晾晒可直接进行发酵，发酵前期不需要添加调理剂及生物菌剂，占地面积小。
3 结论
（1）堆肥发酵原料经过氧化处理，用于发酵的污泥细胞壁和胞外的刚性结构得到破解，使细胞内的有机质快速溶出，有机物分解速度加快，使得发酵周期大大缩短，提高了污泥处理效率。
（2）高价Fe化合物的加入能够改变原始污泥的脱水性能，深度脱水后含水率为55%～58%，并不需要额外添加物料调节污泥含水率，大大简化了发酵步骤，节约了发酵成本。
（3）本实验不需要添加其他促进升温的生物发酵剂，对污泥本身进行调节即可使发酵物料自然升温至70℃，且高温保持时间较长，发酵过程能耗低，成本低，工艺更加简单。
通过对发酵原料的调整处理，本发明还可应用于有机工业污泥、养殖厂牲畜粪便、有机餐厨垃圾的处理，发酵产物可用作有机菌肥、营养土或饲料等。
参考文献
[1] 吴晶晶，胡浩. 减少污染，中国在行动—解读中国环境状况公告[J]. 资源与人居环境， 2009， 13： 54-55.
[2] 李仙粉，周玉松，任福民，等. 上海城市污泥成分特性及分析方法研究[J]. 中国环境监测， 2006（06）：48-50.
[3] 袁进，魏永杰，于芳芳. 污泥堆肥处理影响因素研究[J]. 化肥工业， 2008， 35（3）： 32-35.
[4] Bishop P.L， Godfrey C. Nitrogen transformations during sludge composting[J]. Biocycle， 1983， 24： 34-39.
[5] 许效天，杨跃伟，孟俊峰. 城市污水污泥堆肥控制因素和腐熟度评价[J]. 环境科学与管理， 2008， 33（10）： 191-194.
[6] de Bertoldi M， Vallini G， Pera A. The biology of composting： a review[J]. Waste Management & Research， 1983， 1： 157-176.
[7] 紀轩. 脱水污泥堆肥的生产试验性研究[J]. 中国给水排水， 2003， 6（19）： 53-55.
作者简介：朱艳红（1989-），女，汉族，安徽蚌埠人，硕士研究生，主要从事固体废弃物资源化利用的研究。
关键词：城镇污泥;好氧发酵;污泥特性;升温速率
中图分类号：X705
近年来，我国污水处理能力与日俱增，随之产生的污泥量也同步飞速增加。调研结果显示，污水处理时所产生的剩余污泥，超过80%没有得到很好的处理处置，污泥随意堆放及所造成的污染与再污染问题已日益凸显，且引起了社会的强烈关注[1]。社会的极大关注促使国家不得不对污泥的处理处置重视起来，国家的重视又促使了污泥处理处置市场步入快速发展阶段。近年来，社会各界学者的不断摸索与探究论证，污泥的处理处置技术方向已经相当明确，从资源化及循环经济的角度出发，污泥经高温好氧发酵后进行土地利用的优点显著[2]。
制约污泥好氧发酵生产化的要素有很多，其中影响好氧发酵一次发酵过程的因素有：物料初始含水率、C/N比、透气性、发酵温度和通风供氧量等[3][4][5][6]。其中，发酵温度是关键的工艺参数，也是反映污泥堆肥发酵是否正常的最直接、最敏感的指标，且受到其它因素的影响。特别是高温期的温度，如果达不到必要的温度，或持续时间不够，对整体好氧发酵速率和效果影响是极大的。对于良好的一次发酵过程的温度要求，前期升温快，高温阶段温度在55℃-65℃（不超过70℃），且持续时间适度，后期温度下降平缓[7]。
针对传统好氧发酵工艺存在的发酵周期长（表现为起温速率慢）、效果不理想（表现为高温保持时间较短）的状况，一些科研机构、企业开展了一定研究。虽然一些技术措施对改善污泥好氧发酵的速率都有一定的促进作用，但是发酵前期或添加大量的辅料，或添加外来生物菌种，或外部提供污泥发酵热能，这些技术使发酵工艺变得繁复，提高了发酵成本。
因此本实验研究使用强氧化剂调质调节污泥本身特性，利用强氧化剂的强氧化性对污泥进行破壁处理，从根本上对污泥进行调节，从而提高污泥好氧发酵速率。
1 材料和方法
1.1 污泥来源
实验污泥取自蚌埠市某污水处理厂带式压滤机初步脱水后的污泥，含水率在80%左右，pH值范围6.5～7.5。
主要试剂：高价铁化合物、有机酸、无机混凝剂
主要仪器：石墨炉-火焰原子分光光度计（北分瑞利）;卤素水分测定仪（HX204型，梅特勒-托利多公司）;温度记录仪（RC-4型，江苏精创电气公司）;污泥压滤设备（自主组装，蚌埠圻润环境工程科技有限公司）
1.2 实验方法
将城镇污水处理厂产生的脱水污泥调制成特定含水率的泥水混合物;用有机酸将混合物pH调至5.5-6.5，再向混合物中加入高价铁化合物，充分反应后进行脱水，脱水后污泥含水率为55%～58%，进一步粉碎，粉碎后污泥的粒径为0.5～1cm，粉碎后的污泥即是发酵原料。一次发酵原料体积约为200L。将得到的发酵原料密闭一段时间后采用静态好氧堆肥方式进行发酵，发酵期间进行间歇式通风方式。发酵完成后得到完全腐熟物料。
分析项目和方法
1.3 常规指标的测定
含水率为污泥脱水粉碎后用含水率测定仪测定，好氧发酵过程温度变化情况用温度记录仪测定。重金属含量用原子分光光度计检测。
2 结果与讨论
2.1 有机酸的使用对好氧发酵的影响
实验中有机酸的主要作用是调节泥水混合物的pH值，利于下一步反应的进行，同时增加溶液中的碳含量，污泥脱水后部分有机酸分子会留在污泥中，从而增加污泥整体的碳含量，增加一部分碳氮比。污泥好氧发酵过程中由于碳氮比的增加，污泥好氧发酵的臭味得到了很大程度的降低，几乎不需要额外添加辅料即可好氧发酵。
由图1可知，不同初始pH条件下，污泥最终含水率有一定差异，即实验中改变反应体系初始pH对后续污泥调质有明显改善作用。根据结果，我们选择初始pH调节在5.5-6.5之间。如果酸性继续降低，对设备存在一定的腐蚀性，因此本实验未考虑pH降低的情况。
2.2 高价铁化合物对发酵的影响
高价铁化合物的氧化预处理，可以加速好氧发酵的升温过程，使用经氧化处理后的脱水污泥作为原料进行好氧发酵，堆体温度普遍16-48小时内可上升到55℃以上，最高温度可达到70℃。无氧化的发酵温度约滞后50小时。高价铁化合物的加入可以明显提高好氧发酵速率。
由于高价铁化合物超高的氧化性，用于发酵的污泥细胞壁和胞外的刚性结构得到破解，使细胞内的有机质快速溶出，有机物分解速度加快，使得发酵周期大大缩短，提高了污泥发酵效率;同时高价铁化合物中的Fe元素可以激活微生物脱氢酶活性，加快微生物的代谢速率。通过对比有无添加高价铁化合物氧化处理后污泥的好氧发酵升温速率（图2）可以看出，加入高价铁化合物氧化处理后的脱水污泥作为原料进行好氧发酵，自然升温速率明显提升。而未加入高价铁化合物的脱水污泥自然升温速率明显滞后，且高温保持时间较短，無法达到相关标准。
这个研究提出了一种新的加快好氧发酵速率的方法，不需要添加其他促进升温的生物发酵及或者掺混料，对污泥本身进行改善即可使发酵污泥自然升温至55℃～65℃，且高温保持时间较长，发酵过程能耗低，成本低，工艺更加简单，发酵后产品符合国家相关标准规定。
2.3 污泥好氧发酵后各项检测指标 由表1可见，发酵后的腐熟物料各项指标均达到污泥农用标准要求，符合发酵污泥农用条件。
由表2可见，发酵后的腐熟物料各项指标均达到堆肥产品卫生学标准，能够消除病虫害。
2.4 工艺比较
传统发酵技术是直接利用污水处理厂脱水污泥进行发酵，初始含水率约为80%左右，阳光棚下晾晒至约65%含水率后进行好氧发酵。为了改善初始脱水污泥细腻、粘稠等不良特性，往往需要大量添加调理剂（添加量>20%）来调节物料的松散性及含水率，发酵前期喷洒生物发酵剂，以保证堆肥的快速高效运行。目前运行的污泥好氧发酵工程中，经常使用的调理剂有碎秸秆、锯末、木屑、蘑菇渣等，对大多数地区而言，小麦、玉米、水稻等作物的秸秆是产生量较大的物料，然而作物秸秆季节性强，在非收割季节难以大量提供，因此需要场地做好储存工作;锯末、木屑、蘑菇渣、花生壳等具有地域性，与当地的产业结构有关。并且生物发酵剂的使用会大大提高发酵成本。
近年来，许多新型的发酵工艺也相继出现，某种程度上解决了传统发酵工艺的弊端，但是这些新工艺往往对设备的要求极高，大量添加的其他辅料并不利于发酵产品的进一步使用。
传统好氧发酵工艺和本研究的优化发酵工艺各有特点，通过对两种发酵方式进行对比分析得到的结果见表3。
通过表3可以看出，传统发酵工艺初始含水率高，需要晾晒，发酵初期需添加生物发酵剂及大量调理剂，发酵时间长，占地面积大。本研究的优化工艺初始含水率为55～60%，无需晾晒可直接进行发酵，发酵前期不需要添加调理剂及生物菌剂，占地面积小。
3 结论
（1）堆肥发酵原料经过氧化处理，用于发酵的污泥细胞壁和胞外的刚性结构得到破解，使细胞内的有机质快速溶出，有机物分解速度加快，使得发酵周期大大缩短，提高了污泥处理效率。
（2）高价Fe化合物的加入能够改变原始污泥的脱水性能，深度脱水后含水率为55%～58%，并不需要额外添加物料调节污泥含水率，大大简化了发酵步骤，节约了发酵成本。
（3）本实验不需要添加其他促进升温的生物发酵剂，对污泥本身进行调节即可使发酵物料自然升温至70℃，且高温保持时间较长，发酵过程能耗低，成本低，工艺更加简单。
通过对发酵原料的调整处理，本发明还可应用于有机工业污泥、养殖厂牲畜粪便、有机餐厨垃圾的处理，发酵产物可用作有机菌肥、营养土或饲料等。
参考文献
[1] 吴晶晶，胡浩. 减少污染，中国在行动—解读中国环境状况公告[J]. 资源与人居环境， 2009， 13： 54-55.
[2] 李仙粉，周玉松，任福民，等. 上海城市污泥成分特性及分析方法研究[J]. 中国环境监测， 2006（06）：48-50.
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[7] 紀轩. 脱水污泥堆肥的生产试验性研究[J]. 中国给水排水， 2003， 6（19）： 53-55.
作者简介：朱艳红（1989-），女，汉族，安徽蚌埠人，硕士研究生，主要从事固体废弃物资源化利用的研究。