污泥處理技術三：好氧發酵
1 原理與作用
好氧發酵通常是指高溫好氧發酵，是通過好氧微生物的生物代謝作用，使污泥中有機物轉化成穩定的腐殖質的過程。代謝過程中產生熱量，可使堆料層溫度升高至55℃以上，可有效殺滅病原菌、寄生蟲卵和雜草種籽，并使水分蒸發，實現污泥穩定化、無害化、減量化。
2 應用原則
污泥好氧發酵處理工藝既可作為土地利用的前處理手段，又可作為降低污泥含水率，提高污泥熱值的預處理手段。
污泥好氧發酵廠的選址應符合當地城鎮建設總體規劃和環境保護規劃的規定;與周邊人群聚居區的衛生防護距離應符合環評要求。
污泥好氧發酵工藝使用的填充料可因地制宜，利用當地的廢料(如秸桿、木屑、鋸末、枯枝等)或發酵后的熟料，達到綜合利用和處理的目的。
3 好氧發酵工藝與設備
3.1 一般工藝流程
好氧發酵工藝過程主要由預處理、進料、一次發酵、二次發酵、發酵產物加工及存貯等工序組成，如圖4-4所示。污泥發酵反應系統是整個工藝的核心。
圖 4-4 污泥好氧發酵工藝流程
3.2 好氧發酵的工藝類型
發酵反應系統是污泥好氧發酵工藝的核心。工藝流程選擇時，可根據工藝類型、物料運行方式、供氧方式的適用條件，進行合理的選擇使用，靈活搭配構成各種不同的工藝流程。
1) 工藝類型
工藝類型分一步發酵工藝和二步發酵工藝。一步發酵優點是工藝設備及操作簡單，省去部分進出料設備，動力消耗較少;缺點是發酵倉造價略高，水分散發、發酵均勻性稍差。二步發酵工藝優點是一次發酵倉數少，二次發酵加強翻堆效應，使堆料發酵更加均勻，水分散發較好;缺點是額外增加出料和進料設備。
2) 物料運行方式
按物料在發酵過程中運行方式分為靜態發酵，動態發酵，間歇動態發酵。靜態發酵設備簡單、動力消耗省。動態發酵物料不斷翻滾，發酵均勻，水分蒸發好，但能耗較大。間歇動態發酵較均勻，動力消耗介于靜態發酵與動態發酵之間。
3) 發酵堆體結構形式
發酵堆體結構形式主要分為條垛式和發酵池式。
條垛式堆體高度一般1~2m，寬度一般3~5 m。條垛式設備簡單，操作方便，建設和運行費用低，但堆體高較低，占地面積較大。由于供氧受到一定的限制，發酵周期較長，堆體表面溫度較低，不易達到無害化要求，衛生條件較差。當用地條件寬松、外界環境要求較低時，可選用條垛式，此方式也適用于二次發酵。
發酵池式發酵倉為長槽形，發酵池上小下大，側壁有5°傾角，堆高一般控制在2~3m，設施價格便宜，制作簡單，堆料在發酵池槽中，衛生條件好，無害化程度高，二次污染易控制，但占地面積較大。
4) 供氧方式
供氧方式有自然通風、強制通風、強制抽風、翻堆、強制通風加翻堆。
自然通風能耗低，操作簡單。供氧靠空氣由堆體表面向堆體內擴散，但供氧速度慢，供氣量小，易造成堆體內部缺氧或無氧，發生厭氧發酵;另外堆體內部產生的熱量難以達到堆體表面，表層溫度較低，無害化程度較低，發酵周期較長，表層易滋生蚊蠅類。需氧量較低時(如二次發酵)可采用。
強制通風的風量可精確控制，能耗較低，空氣由堆體底部進入，由堆體表面散出，表層升溫速度快，無害化程度高好，發酵產品腐熟度高。但發酵倉尾氣不易收集。
強制抽風的風量易控制，能耗較低，但堆體表層溫度低，無害化程度差，表層易滋生蠅類。堆體抽出氣體易冷凝成的腐蝕性液體，對抽風機侵蝕較嚴重。
翻堆有利于供氧與物料破碎，但翻堆能耗高，次數過多增加熱量散發，堆體溫度達不到無害化要求。次數過少，不能保證完全好氧發酵。一次發酵翻堆供氧宜與強制供氧聯合使用。二次發酵可采用翻堆供氧。
強制通風加翻堆，通風量易控制，有利于供氧、顆粒破碎和水份的蒸發及堆體發酵均勻。但投資、運行費用較高，能耗大。
5) 發酵溫度
溫度是影響發酵過程的關鍵工藝參數。高溫可以加快好氧發酵速率，更有利于殺滅病原體等有害生物，但溫度過高(>70℃)，對嗜高溫微生物也會產生抑制作用，導致其休眠或死亡，影響好氧發酵的速度和效果。因此，好氧發酵過程中要避免堆體溫度過高，以確保嗜高溫微生物菌群的最優環境條件，從而達到加速發酵過程，增強殺滅蟲卵、病原菌、寄生蟲、孢子以及雜草籽的功能。
頻繁的動態翻拋不利于維持高溫，會大大延長達到腐熟和無害化的時間，增加能耗和運行成本。
通風過程可以補充氧氣，促進好氧微生物活動和產熱，但與此同時也會帶走堆體的熱量，從而降低堆體溫度。
3.3 好氧發酵工藝設備
1)混合—破碎設備
該設備將脫水污泥與填充料均勻混合后，破碎為粒徑均勻的顆粒物料，以保證發酵過程中良好的通風性能。混合設備主要為混料機，其運行功率建議選擇40~50m3/h為宜。
2)輸送—鋪料設備
經過混合后的物料經過輸送設備，送入鋪料機，并將物料置入相應的發酵倉。一般情況下，輸送設備與鋪料設備相聯接，鋪料設備將物料均勻鋪入堆體上部，避免堆體壓實。鋪料機建議選擇行走速度為4.5~5.0 m/min，可堆高度 1.5~2.0 m 為宜。
輸送設備應具有防粘功能，易耗部件應易于拆卸和更換。主要輸送設備包括皮帶機和料倉。成套化的輸送—鋪料設備適合應用于大中型污泥好氧發酵工程，宜與自動化控制系統相結合，以保證工藝運行的穩定性。
3)翻拋設備
污泥發酵過程需通過翻拋設備輔助完成供氧，調整堆體結構，均勻溫度。對于中等規模污泥發酵廠，采用的翻拋機工作參數建議選擇250~300 m3/h，操作寬度不宜超過 5 m，最大翻拋深度為2 m，行走速度在 1.5 m/min。同時還應配備移行車，其功能主要為將翻拋機運送至作業位置，移行車的行走速率建議選擇4.5~5.0 m/min 為宜。
4)出料設備
發酵過程結束后，可通過出料設備，將熟料輸送至倉外，以便進一步處置。目前一般采用皮帶機作為作為出料設備。皮帶機一般適用于對工藝自動化運行要求較高的大中型污泥好氧發酵工程，小型污泥好氧發酵可采用鏟車出料或人工出料。
5)供氧設備
在污泥好氧發酵工藝中，應用最多的供氧設備有羅茨風機、高壓離心風機、中低壓風機等。強制供風方式中，根據風壓風量要求，宜采用羅茨風機為宜，一臺風機可為多個發酵倉供風。
6)監測儀器
污泥高溫好氧發酵工藝運行過程中，為保證發酵充分并避免臭氣污染，應進行在線監測。在線監測的主要指標是臭氣指標(NH3、H2S)和工藝指標(溫度、氧氣濃度)。需要配備 NH3、H2S、溫度、氧氣濃度的在線監測儀器。儀器材料應選擇以耐腐蝕、靈敏度高、操作簡便的金屬類探頭為主。
7)自動控制操作系統
大中型污泥發酵工程應配備自動控制操作系統，以便達到精確控制發酵參數，縮短發酵周期，促進污泥發酵腐熟。該系統包括操作平臺、自動實時采集及反饋控制軟件、便攜式設備等。
3.4 新型膜覆蓋高溫好氧發酵工藝
膜覆蓋高溫好氧發酵工藝是一種將微孔功能膜作為脫水污泥好氧發酵處理覆蓋物的工藝技術。
覆蓋功能膜的堆體在鼓風的作用下，在膜內形成一個低壓內腔，從而使堆體供氧均勻充分，溫度分布均勻，可以確保發酵物的衛生化水平，保證致病性微生物在發酵過程中得到有效殺滅，大大減少敞開式堆體工藝由于局部易發生厭氧而導致的臭氣產生。
由于功能膜的微孔特性，覆蓋在發酵體上，發酵中的水蒸氣和CO2可以自由排出，而致病性微生物、氣溶膠等被有效隔離。功能膜同時還具有防雨功能，因此可以在室外建立發酵堆體。
膜覆蓋高溫好氧發酵工藝的堆體可采用條垛式、發酵池式或簡倉式。堆體高度一般1.5~2.5m，寬度一般4~7m。供氧一般采用堆體底部通風方式，采用中壓離心風機供風。各堆體宜單獨設立風機，并根據堆體的工藝指標(溫度、氧氣濃度)對風機進行實時控制。由于功能膜的覆蓋作用，風機供氧利用率提高，風機功率較小，能耗低。
膜覆蓋高溫好氧發酵工藝由預處理、進料、一次發酵、二次發酵等工序組成。膜覆蓋高溫好氧發酵工藝發酵產品衛生化程度高、腐熟均勻。
4 好氧發酵設計與運行控制
4.1 預處理
脫水污泥好氧發酵前須進行適當的預處理，以調節適宜的含水率、碳氮比(C/N)等參數，并破碎成較小的顆粒。
污泥發酵前，脫水污泥必須與填充料進行混合、破碎。混合破碎后物料的顆料直徑應≤20mm，含水率為55%~60%，有機質含量≥35%，C/N在20:1~30:1，pH值應調整至6.0~8.0之間。
與脫水污泥混合的填充料要求具有含水率低、C/N比值高、具有一定的強度、顆粒分散性好的特點。可利用剪枝、落葉等園林廢棄物和秸桿、木屑、鋸末等有機廢棄物，或利用已發酵的熟料作為回填料。
4.2發酵工藝參數與操作條件
1)衛生學要求
應達到無害化衛生要求，符合現行國家相關衛生標準。
2)工藝設計參數
供氣系統設計要求：供氧方式有自然通風供氧、強制通風供氧，翻堆供氧。在工程中三種供氧方式可相互結合，形成多種供氧方式，但須保證發酵堆體中始終均勻有氧。一次發酵堆體氧氣濃度應在5%以上。
發酵倉設計要求：采用風機強制供氧時，堆體高度不宜超過3.0 m，當污泥物料含水率較高時，堆體高度不宜超過 2 m。一次發酵推薦采用發酵池式發酵。
工藝參數監控：溫度、氧氣、水分、C/N、臭氣是影響好氧發酵過程的關鍵工藝參數。大中型發酵工程應對關鍵工藝參數進行在線監測和調控，以提高發酵效率和工藝穩定性，達到更好的臭氣控制和節能減排效果。對原始污泥和發酵產品的理化性質和衛生學指標也應根據需要進行必要的檢測。
進出料設計要求：進料應均勻鋪料，防止出現堆體物料擠壓;采用布氣板系統，可有效避免物料壓實，造成的通氣不暢。
3) 一次發酵操作條件
發酵堆體中的溫度、氧氣濃度、耗氧速率監測間隔應以分鐘計。條件允許時，建議采用自動采集與實時監測系統獲取參數信息，保證發酵通風風量的及時調整。一次發酵堆體氧濃度不低于5%，溫度應保持在55℃以上，持續時間不少于6d，總發酵時間不少于7d。一次發酵結束時，發酵污泥須滿足表4-2中的相關指標。
4.3二次發酵工藝參數與操作條件
二次發酵堆體溫度建議不高于45℃，二次發酵周期一般在30~50d。二次發酵推薦采用條垛式發酵。二次發酵結束時，發酵污泥須滿足表4-3 中的相關指標。
5 二次污染控制要求
1)作業環境要求
作業區的監測項目應包括噪聲、粉塵、惡臭氣體(H2S、NH3等)、細菌總數(空氣);廠內外環境的監測項目應包括大氣中單項指標(CO2、CO、NOx、飄塵、總懸浮顆粒物)、地面水水質、噪聲、蠅類密度和臭級。污泥不宜在廠內外場地上裸卸，場地上散落污泥必須每日清掃;發酵車間構筑物應具有防雨、隔音、防腐功能;應配置換氣裝置和排水設施;廠內應采取滅蠅措施;在發酵過程中應保證全過程好氧，減少臭氣產生;發酵廠宜全封閉運行，發酵車間內需保持微負壓，并設計良好的通風條件。惡臭污染物控制建議采用生物除臭法。惡臭氣體(H2S、NH3 等)的允許濃度，應符合現行國家標準《工業企業設計衛生標準》GBZ1、《工作場所有害因素職業接觸限值》GBZ2 和《惡臭污染物排放標準》GB14554的規定。
2)脫水污泥和發酵產物的儲存和輸送要求
應避免脫水污泥的長時間儲存，脫水污泥儲存時間不宜超過12h;脫水污泥的輸送應有良好的銜接，避免污泥散落，盡可能減少臭氣污染的發生;應設置污泥發酵產物倉庫，倉庫容量應按能存儲30d 以上污泥發酵產品來設置。
6 高溫好氧發酵工藝的成本評價與分析
根據機械化和自動化水平、工程規模的不同，投資成本可按25~45萬元/t污泥(含水率80%)·d進行估算(不含征地費)。
考慮人工、能耗、調理劑、藥劑、設備折舊、維修等因素，運行成本大致為120~160元/t污泥(含水率80%)。
根據處理規模的不同，發酵裝置的型式、機械化程度的不同，處理工藝所需的土地面積也不同，一般占地面積可按150~200m2/t污泥(80%含水率)進行估算。
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