污泥生物干化是一种对外界投入能量需求较低的污泥干化技术,主要是利用微生物好氧发酵释放热量,快速蒸发污泥水分,使污泥含水率在短时间内快速降低。该技术具有处理效率较高、投资较少、设备和操作简单等特点,有利于提高污泥后续处理处置(如制肥、焚烧或掺烧等)的效率,降低运行成本。发酵温度是污泥生物干化技术的一个重要控制指标,通常其值多在40~70℃。有研究采用静态好氧工艺分析55 ℃、60 ℃、65 ℃温度下的废物减量化、底物降解、水分去除等效果随时间的变化特征,结果表明,60 ℃控温工艺的废物减量化效果最好,65 ℃次之,55 ℃最差;60 ℃控温工艺的底物降解能力最强;60 ℃和65 ℃控温工艺的水分去除能力最强^[1]。但少有研究考察温度对污泥快速生物干化的曝气均匀性和发酵稳定性的影响。由于免翻堆污泥快速生物干化多利用微生物发酵产热提高污泥堆料温度,并在静态条件下进行强制通风以供氧和降温,因此曝气均匀性和发酵稳定性是决定该技术是否具备推广应用可能性的重要因素。本文主要分析温度与通风控制对污泥堆料孔隙率及干化过程稳定性的影响,并通过调整通风控制策略和温度控制,确保免翻堆污泥快速生物干化顺利进行。

　　 污泥:厦门某污水处理厂主要处理生活污水^[2],产生的脱水污泥有机物含量近50%,总养分(N+P₂O₅+K₂O)大于5%,重金属满足《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质 》(GB/T 23486-2009)标准要求^[3],见表1。

　　 辅料:蘑菇渣中含有大量食用菌的代谢产物,可提供数量较为丰富的易降解有机物,为污泥快速生物干化提供温度快速上升的热量来源^[4],其重金属含量和含水率均较低,见表1。

　　 将脱水污泥与蘑菇渣按质量比1∶1混合搅拌均匀后,转移至L×W ×H=2m×1m×1.2m的生物干化反应箱中,实际堆高1.2m,采用离心鼓风机强制通风+间歇曝气的工作模式进行污泥快速生物干化。通过微生物分解代谢易降解有机物,释放热量使污泥温度升高,水分主要以热水蒸汽的形式在鼓风机曝气时被吹出。

　　 温度监控:在污泥发酵干化反应箱的宽度侧面、中心处和长度侧面(分别记A、B和C点)设置温度探测点,探测点深度为堆体表面以下50cm,发酵干化周期为7天,每日9:00和15:00各记录一次温度。

　　 初始曝气策略:(1) 初期设置曝气时长1 min,间隔30min(简记为1/30,下同),此阶段蓄积热量,促使堆料快速升温;(2)中期设置1/1,缩短曝气间隔,满足高温下好氧微生物对氧气的快速消耗需求;(3)后期设置2/15,延长曝气时间,减少热水蒸汽在堆料上层冷凝的可能性,并开始对污泥堆料降温,待降落至室温时,污泥快速生物干化过程结束。

　　 孔隙率和含水率检测:干化结束后,采用环切法取样,采用李氏瓶检测孔隙率,采用重量法检测含水率,其他指标参照GB/T 23486-2009标准进行检测。

　　 在进行污泥快速生物干化时,可观察到污泥堆料发生中间 “塌陷”现象,即污泥堆料与箱体侧壁发生剥离,堆料四周与中部的高度差可达10~20cm以上(见图1)。此外,表层30cm以内较为干燥、蓬松,但30cm以下则含水率较高,并产生“夹心”现象(见图1),即中部含水率高且有较重的厌氧发酵臭味,而顶部和底部含水率相对较低。即使延长污泥生物干化反应时间,该现象依然存在。进一步观察发现,随着污泥生物干化的进行,箱体侧壁温度先是从室温上升至60 ℃以上,再逐渐下降至室温或略高于室温,而箱体内部温度则是上升至60 ℃ 后,温度变化幅度较小,且在7 天的干化周期内仍长时间维持在50 ℃ 以上。 从上述观察结果可知,堆料四周与中部的温度差异是导致“塌陷”现象的原因之一,进而导致 “夹心”现象产生。

　　 通过对污泥干化反应箱的A、B和C点进行温度监控,并对监测数据进行相关性和单因素方差分析,结果如图2和表2~表4所示。可知,污泥生物干化过程中,污泥堆料最高温度达65 ℃,且保持超过12h以上;污泥堆料不同区域的温度差异较大,最大相差17.7 ℃;堆体中部(B点)的温度总体高于堆体四周(A点和C点),但温度变化的相关性较差,其中A与B的相关系数仅为0.654 499。方差分析结果显示P值为0.003 381,小于0.05,表明具有显著差异。温度存在差异必然导致污泥堆料发酵不均匀。

　　 由于温度升高会造成污泥堆料内部的物质发生膨胀,进而压缩堆料孔隙,存在堵死气孔的可能性。此外,当温度升高时,污泥堆料的弹性模量也会下降,在自身重力作用下,污泥堆料的孔隙将进一步被压缩。因此,通过调整曝气时间和间隔,控制污泥堆料在不同发酵温度下(40 ℃、55 ℃、70 ℃和80 ℃)维持约2h,之后检测距污泥堆料底部20~30cm的堆料孔隙率(见图3)。

　　 可知,随着污泥发酵温度的不断升高,污泥堆料的孔隙率呈加速下降的趋势。40 ℃时,污泥堆料的孔隙率约为18%,55 ℃ 时约为15%,70 ℃时约为9%,但到80 ℃ 时,孔隙率已经下降至0.2% 左右。这将导致污泥堆料的鼓风曝气压力降迅速增大,从而易造成曝气短路等现象。

　　 污泥堆料鼓风曝气的压力降可参考固定床压降的计算公式,近似推导出污泥堆料内部对鼓风曝气的压降变化趋势^[1]。

　　 式中L———堆体高度,m;

　　 E———堆体孔隙率,%;

　　 ²μ———气体平均黏合度,Ns/m;

　　 U———气体流速,m/s;

　　 ρ———堆体的平均密度,kg/m³;

　　 dp———堆体颗粒测定平均直径,m。

　　 从式(1)可知,在污泥堆料相同的条件下,鼓风曝气压降与堆料孔隙率呈负相关关系,即堆料孔隙率变小,鼓风曝气所需的压降增大。因此,在污泥堆料温度较高的区域,因孔隙率受高温影响急剧降低,压降增大,导致鼓入污泥堆料的气流向孔隙率较大(温度较低)的区域流动,最终造成堆体鼓风曝气时发生气体 “短路”现象,影响发酵均匀性。

　　 根据上述试验结果与分析,确定了“初期以控制孔隙率为主,中期以控制温度为主,后期以控制含水率为主”的通风控制策略:

　　 初期,污泥堆料在顺利升温后,延长曝气时间使发酵温度控制在中低温下(40 ℃左右)维持一段时间后,再逐渐上升至50 ℃以上。本研究中,设置曝气频率为1/30,在12~24h内快速升温至40 ℃左右;之后调整曝气频率为2/15,使堆体温度维持在40 ℃ 2天。

　　 中期,缩短曝气时间使发酵温度上升至50 ℃后,延长或缩短曝气时间使发酵温度维持在50~55 ℃保持5天以上,达到卫生无害化处理要求。本研究中,设置曝气频率为1/15,促使温度继续快速升温至50~55 ℃;之后调整曝气频率为2/15,在中后期温度下降时调整为1/15,以保证温度维持在50~55 ℃超过5天。

　　 后期,延长曝气时间和间隔,使热水蒸汽尽量避免在堆料上层冷凝,并使温度维持在40~50 ℃,以进一步降低含水率和促进污泥产物的稳定性。本研究中,调整为3/30以进一步降低含水率。

　　 应用优化后的通风控制策略,每日9:00、12:00、15:00和18:00污泥堆料的检测温度(见图4),第1、3、5和8日检测含水率(见图5)。可知,优化控制策略后,污泥堆料不同位置的温度差异显著减小,且分布相对均匀,温度变化的相关性良好;A、B、C 3组数据的相关系数均大于0.94;单因素方差分析显示,P值为0.982 387,大于0.05,说明数据无显著差异(见表5~表7)。

　　 由于免翻抛污泥快速生物干化技术免去了翻抛过程,有利于减少翻抛过程中产生的污泥臭味,但也对污泥发酵的均匀性和稳定性提出了更高的要求。本研究通过分析污泥发酵过程中孔隙率与温度的变化关系,发现温度对污泥堆料发酵的孔隙率具有重要影响,尤其是高温下污泥堆料孔隙率显著下降,压力降增大,从而导致发生气体 “短路”和增大了发酵 “死槽”的可能性。通过控制发酵温度,优化通风曝气控制策略,可有效保证污泥发酵干化的均匀性,有利于提高污泥发酵干化产物的稳定性,为进一步推广免翻堆污泥快速生物干化技术提供了有力支撑。