添加低比例石灰调质的脱水污泥堆肥试验研究

冯 瑞，银 奕，李子富*，张 健，刘 璇，周晓琴（.北京科技大学土木与环境工程学院，工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室，北京 00083；.万若（北京）环境工程技术有限公司，北京 00083）

添加低比例石灰调质的脱水污泥堆肥试验研究

冯 瑞1，银 奕2，李子富1*，张 健2，刘 璇1，周晓琴1（1.北京科技大学土木与环境工程学院，工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室，北京 100083；2.万若（北京）环境工程技术有限公司，北京 100083）

添加石灰可以快速实现污泥干化，抑制污泥恶臭产生、钝化重金属及杀灭病原微生物，但大量石灰（＞5%）的加入不但会增加成本，而且会明显提高产物pH值，极大限制了其后续利用，因此，开展了采用添加低比例（≤5%）石灰调质进行污泥堆肥的研究.试验采用罗迪格（Leodige）高效混合设备制备石灰质量分数分别为1%、5%和5%+熟料的混合污泥作为堆肥原料，与未添加石灰的污泥进行对比堆肥.采用氧温控制系统在线监测氧气和温度，实时反馈并控制系统通风.结果表明:堆肥15d后，添加石灰的3组堆肥pH值分别从9.06、12.17、12.34下降至弱碱性水平（＜8.3），挥发分从57.35%、45.97%、44.59%下降至44.20%、39.28%、38.42%；4组堆肥减量比均达到50%以上，除2#减量速率明显较慢外，其他3组堆肥减量速率无显著差异；重金属浸出试验检测发现，重金属浸出浓度受pH值的影响较大，添加5%石灰的堆体，Cu、Ni、Zn的浸出液浓度最低.工程应用中，建议采用添加质量分数5%的石灰与一定的熟料返混，从而提高堆肥效率及产品品质.

污泥堆肥；添加石灰；pH值；重金属；耗氧速率

污泥作为污水处理的伴生产物，产量逐年上升，但其处理率较低.据住建部统计，2010年，全国城镇污水处理年产生湿污泥超过3000万t，污泥无害化处置率2010年仅为25.1%，仍有3/4的污泥被随意弃置，占用大量土地，对环境造成极大威胁［1］.

目前，堆肥、焚烧、热干化、石灰稳定化为4种主流的污泥处理技术，在实现污泥干化及控制污泥病原微生物方面被广泛应用［2-8］.相比于投资运行成本高昂，工艺复杂、操作要求高的焚烧、热干化技术，堆肥具有投资运行费用低，经济效益高等优点，但堆肥物料停留时间长，占地面积大；而石灰稳定化能通过石灰与污泥中物质的相互作用，实现污泥改性，并且可以杀灭病原微生物，钝化重金属，改善存储和运输条件，有效实现污泥减量化、无害化和稳定化［9］.另外，石灰的水合放热反应也可以提高堆肥系统温度，实现堆肥系统在低温等极端环境下顺利启动［10-11］.

李春萍等［12］研究石灰添加量为5%～15%的污泥干化实验得出污泥在120h后含水率可从86%降至60%以下，但是干化速率在不同石灰添加量间差异并不显著.石灰处理（石灰添加量≥5%）还可抑制恶臭物质硫化物的产生，使污泥臭味强度显著降低，且未检出大肠杆菌，可以满足安全运输和卫生储存的要求，而随着石灰量的增加这种强化效果的提升并不明显［9，13-15］，因此5%的石灰添加量即可使污泥达到无害化，但是石灰干化处理存在产物pH值高居不下，有机物含量较高的缺点，很难进行土地利用.因此本文采用石灰处理与堆肥结合的工艺，旨在降低pH值及有机质.Wong等［16］研究石灰处理联合堆肥发现，低比例石灰添加量（≤1.63）即可大幅度减少重金属中可交换态和酸可提取态的含量，使产物pH值在8以下；Singh等［17］研究了1%、2%、3%石灰添加量下水葫芦联合堆肥，可使Zn、Cu、Ni的浸出液浓度低于标准限值，有机物降解率约为10%.目前对石灰处理污泥的研究重点多在重金属的钝化效果上，而石灰处理对污泥堆肥过程的影响及后续土地利用则较少涉及.因此本文探讨低比例石灰调质污泥堆肥方式的处理效果，通过研究1%和5%石灰添加量对污泥堆肥过程的影响，考察温度、耗氧速率、pH值、挥发分（VS）、减量比、重金属浸出液浓度等变化规律，为污泥土地利用提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验装置

污泥堆肥试验系统如图1所示，由3部分构成:堆肥容器、ENS氧温控制系统［18］、保温系统.

图1 试验装置示意Fig.1 Diagram of the experimental composting reactor

堆肥容器为不锈钢筒体，直径22cm，高13cm，容积约4L.容器上端设进气口，气管由进气口盘至容器底部，距离底部5cm处设填料层，形成气室，使空气均匀扩散，同时起到承托物料和收集堆肥渗沥液的作用.填料层上部铺设一层纱布，防止物料落入，顶部盖子预留探枪插口和排气口.

ENS氧温控制系统包括:氧温控制器（氧温控制PLC和氧温显示屏，）、氧温集成探枪、空气泵、转子流量计.探枪斜插入物料中，在线测定堆体温度和氧气浓度.氧温控制器的主要功能是实现氧气-温度-通风的联锁控制，本试验通风量为1.0L/min［16］.

保温系统:由于本实验体积较小，为了考察堆体的堆肥效果，需要为物料提供外加热源.本试验的保温系统为数显恒温水浴锅，设定温度为55℃.

1.2 试验材料及测定方法

表1 试验用物料基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of the materials

试验污泥取自小红门污水处理厂脱水污泥，考察4个不同堆体，其配比参数如表2所示，熟料来源为CK组堆肥结束后的腐熟产品，基本性质见表1.通过加入烘干污泥调节含水率.

表2 4组堆肥物料配比及基本特征Table 2 Proportion and basic characteristics of four composting trials

采样方法:堆肥周期内于每日上午10:00左右在堆体中心和边缘不同深度处分别取样，每次取样质量30g，分别测定含水率、pH值、VS、重金属浸出液浓度.含水率、VS采用减重法测定，pH值采用电极法［19-20］，重金属浸出试验采用《固体废物浸出毒性浸出方法——水平振荡法（HJ 557-2009）》［21］，每个样品测定3次，以平均值作为最终数据.温度、耗氧速率通过ENS氧温控制系统自动记录，耗氧速率需经计算得出.

2 结果与讨论

2.1 耗氧速率的变化

耗氧速率可直接反映堆肥微生物的活动状况.耗氧速率降低至0.0003～0.0017%/s后，可认为有机质分解趋于稳定，堆肥接近终点［22-23］.

图2 耗氧速率的变化曲线Fig.2 Changes in oxygen uptake rate during co-composting process

从图2可看出，4组堆肥分别经过10、26、 267、68h 的迟滞期后，耗氧速率达到最大值，分别为:0.0365%/s、0.0327%/s、0.0032%/s、0.0027%/s.与对照组相比，1#堆肥达到峰值的时间滞后了约16h，峰值比对照组略低，2#的迟滞期延长了约20倍，且峰值降低为对照组的1/10.这是因为加入1%的石灰，对物料前期水解的抑制作用较弱，经过较短的调整期，微生物能够较快适应，石灰添加量为5%时，高pH值杀灭了大量中性菌，微生物活性较低，微生物调整期延长，但是加入一定量的熟料可以给堆肥体系带来大量“活跃”的微生物，使堆肥系统对高pH值的适应能力增强，迟滞期缩短了约4倍.Liang等［24］认为耗氧速率在达到峰值前，并非波动上升，而是在短时间内骤升至最高值.Tremier等［25］采用氧气吸收率评价分析微生物代谢情况，也得到相似的曲线.

2.2 温度的变化

图3 温度的变化曲线Fig.3 Changes in temperature during co-composting process

4组堆肥温度在进入高温期前均经历了一定的迟滞期，且迟滞期随石灰量的增加而延长（图3），与耗氧速率的变化基本一致，由于耗氧速率是衡量微生物活性高低最直接的指标，进而在宏观上以温度的形式体现.与对照组相比，1#堆肥的迟滞期延长了1.36倍，温度峰值和高温期持续时间均大于对照组（高温期持续时间分别为106、139h），表明1%的石灰加入量对堆肥系统几乎没有抑制作用，微生物活性仍较高，另外由于石灰可以缓冲堆肥过程中pH值的下降以及适量Ca可以提高微生物的代谢水平，因此产热量大于对照组［26］.2#、3#堆肥的迟滞期分别延长了23.27倍和5.09倍，表明加入5%的石灰对微生物的活性产生了明显的抑制作用，但加入一定的熟料返混，可以明显缩短迟滞期，提高堆肥效率.尽管从温度来看2#、3#没有达到灭菌的要求，但是由于其pH值较高，符合《城镇污水处理厂污泥处理技术规程》（CJJ/131-2009）［27］中pH值应维持在11.5以上24h的灭菌要求.综上所述，高温期的持续时间与石灰的加入量呈正相关，但是随着石灰量的增加，碱度升高，微生物的活性明显降低［17，28］，堆肥周期延长.

2.3 pH值的变化

图4 堆肥系统pH值的变化曲线Fig.4 Changes in pH during co-composting process

由图4可以看出，3组加入石灰的堆肥系统初始pH值均明显高于对照组（6.74），分别为9.06、12.17、12.34，经过12d后，加入石灰的3组堆肥的pH值最终可以下降到弱碱性水平（pH＜8.3）， CK组pH值最终为7.6.这是因为随着堆肥过程产生了大量CO2和水平衡，多余的CO2会促使CaO转变成CaCO3，从而使pH值降低［16-17，28-29］.袁进等［30］在堆肥过程中对两组物料分别加入CH3COOH和NaOH改变pH值，发现pH值低于5.2或高于8.8时，堆肥无法进行.而本研究中加入1%石灰的堆体初始pH值为9.06，在第2d即下降到中性，该现象表明微生物的适应性较强，在pH值为9.06时仍较为活跃，水解速率较快，由此产生的大量有机酸、CO2中和了OH-，使pH值降低.当石灰添加比例为5%时，pH值超过12，细菌总数明显下降，大肠杆菌、粪大肠杆菌均为检出［6-7］.但是，后期pH值存在骤降点，且pH值骤降点与温度和耗氧速率的峰值基本一致，这表明pH值下降的主要原因是存活下来的微生物经过一定适应期后大量增殖，分解有机物产生有机酸中和了一部分碱性.另外，有机物和Ca（OH）2的相互作用也会消耗一定的碱度.加入熟料的污泥堆肥，pH值变化和2#相似，只是骤降点向左平移了5d，即调整期缩短了约5d，这是因为熟料本身富含微生物从而缩短了微生物的调整期.

2.4 挥发分的变化

图5 VS的变化曲线Fig.5 Changes in VS co-composting process

从图5可以看出，加入石灰的堆肥初始VS低于CK组，且VS随着石灰量的增加而降低，一方面是因为无机物的加入，另外石灰与污泥中有机物的相互作用，也会使有机物转化并去除［6］.在堆肥过程中，VS呈下降趋势，有机物逐渐转变成腐殖质，从而进入相对稳定的阶段.4组堆肥的VS下降率分别为17.0%、22.9%、14.6%、13.8%，1#堆肥的VS下降率大于对照组，这是因为耗氧速率高峰期维持时间较长，微生物快速分解的稳定期延长，因此在1%石灰添加量下，VS下降以有机物被微生物分解，最终以CO2的形式逸散［31］为主，另外石灰和微生物的协同作用也在一定程度促使VS降低.2#、3#由于初始pH值较高，微生物活性很低，经过较长的适应期后，VS逐渐降低，因此有机物分解较慢，此外，蛋白质、糖类、脂肪等有机物在高温高碱度条件下（pH＞12）可与Ca（OH）2生成无机钙盐或发生络合反应和螯合反应［32-33］.有研究表明［6，34］，污泥中50%～90%为胞外聚合物（EPS），而EPS中75%～89%为多聚糖和蛋白质，在高温高碱度下蛋白质可被分解成三甲胺和二甲基二硫，随尾气排出.

2.5 减量比的变化

堆肥减量是蒸发作用和好氧分解作用的共同结果，污泥减量是污泥生物干化效率的重要指标.4组堆肥在15d后减量比均达到50%以上，减量比与时间呈线性关系（r2＞0.98）.减量速率随石灰量的增加而降低，但是，除2#减量速率明显较慢外，其他3组堆肥减量速率并无显著差异.这表明熟料的加入，可弱化石灰的抑制作用，加快减量速率.

图6 减量比随时间的变化曲线Fig.6 Changes in reduction ratio during co-composting process

2.6 石灰处理对重金属浸出效果的影响

表3 重金属浸出浓度（mg/L）Table 3 Leaching concentration of heavy metals in four composting trials （mg/L）

Cu、Ni、Zn是中国市政污泥中3种浓度最高的重金属［35］，重金属危害与浸出浓度和形态分布均有关系，可分为可交换态、碳酸盐结合态、Fe-Mn氧化态、有机结合态和残渣态［36］.水浸提形态重金是生物有效性最高、危害最大的重金属形态［37］.4组堆肥重金属浸出浓度如表3所示.CK组堆肥前重金属浸出浓度和原泥相差不大，堆肥后Cu、Ni、Zn三者的浓度均有下降，表明堆肥过程能起到钝化重金属的效果［38］.

从表3可以看出，添加石灰的3组堆肥1#、2#、3#在堆肥结束时Cu、Ni、Zn的浸出浓度均比对照组较低.Cu、Ni、Zn的浸出浓度在4组堆肥中差异显著（单因素方差分析）.（Cu: F=30.829，P＜0.001； Ni: F=17.963， P＜0.001； Zn: F=40.802，P＜0.001）.通过LSD方法（最小显著性差异法）分析得出Zn的浸出浓度除2#和3#间差异不显著外，其他任意组两两对比均存在显著差异（P＜0.05），因此石灰添加量对Zn的浸出浓度影响最大，浸出浓度随石灰添加量的增加而降低（石灰添加量≤5%），Cu和Ni的浸出浓度随石灰添加量增加而降低的趋势不是很明显.另外，可以看出，Zn和Cu的浸出浓度在堆肥第1d时明显小于结束时的浓度.这是因为Cu和Zn的浸出浓度受pH值的影响较大，堆肥第1d，物料由于石灰处理，pH值分别上升至9.06、12.17、12.34，Cu浸出浓度迅速降至0.05mg/L以下，Zn的浸出浓度降低至原泥的1/3，Ni的浓度也有小幅下降，随着堆肥的进行，pH值渐渐趋于中性，另外由于VS降低从而产生重金属浓缩效应［39］， Cu和Zn的浓度又有所上升，但仍低于对照组.这是因为初期加入石灰提高了污泥的pH值，降低了重金属的可溶性，而在堆肥后期，pH值逐渐降低至弱碱性，增加了部分重金属的可溶性，但由于堆肥本身及石灰的双重钝化重金属作用，因此，重金属含量有所降低，且低于对照组.葛骁等［40］认为pH值会影响可还原态及生物有效性重金属的含量.Chen等［41］认为Zn在pH＜7.5时，主要以Zn2+存在，在7.5＜pH＜11.5时会向氢氧化物（Zn（OH）2）形式转变，另外， pH值在7～12之间时由于Ca2+的存在也会形成更复杂的物质如［CaZn2（OH）6·2H2O］，从而使可溶Zn浓度降低.

3 结论

3.1 分别添加1%和5%的石灰进行联合堆肥15d后可使污泥pH值从9.06、12.17、12.34下降至8.2、8.27、8.09，挥发分从57.35%、45.97%、44.59%下降至44.20%、39.28%、38.42%，解决了污泥石灰处理中pH值和VS较高的问题，使污泥稳定程度提高，有利于污泥土地利用.

3.2 经过15d后堆肥减量比均达到50%以上，减量速率除2#较小外，其他3组堆肥减量速率无显著差异.

3.3 重金属浸出液浓度随石灰添加量的增加而降低.在5%的石灰添加量下，Cu、Ni、Zn的浸出浓度均最低.

3.4 工程中建议采用5%石灰添加量同时混以一定量的熟化污泥或富含微生物的土壤，以期提高堆肥效率.

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致谢：本试验氧温监测设备应用是在万若（北京）环境工程技术有限公司工作人员协助下完成，在此表示感谢.

Experimental study on composting of dewatered sewage sludge by addition of low ratio lime mixture. FENG Rui1，

YIN Yi2， LI Zi-fu1*， ZHANG Jian2， LIU Xuan1， ZHOU Xiao-qin1（1.Beijing Key Laboratory of Resource-oriented Treatment of Industrial Pollutants， School of Civil and Environmental Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China；2.EnviroSystems Engineering and Technology Co.， Ltd， Beijing 100083， China）. China Environmental Science， 2015，35（5）：1442～1448

With addition of lime， rapid sludge dewatering and sludge stabilization could be achieved. However， high cost and high pH are occurred due to the increase of lime usages （＞ 5%）， and the utilization possibility of the final product is greatly limited due to the high pH values. The effect of co-composting by addition of low ratio lime mixture （≤5%） during the sludge composting process was studied. Four laboratory scale composting trials were set up， in which the lime mass fraction of 1%， 5% and 5% were mixed with sludge as compost raw materials respectively， and in the trial 3some matured compost materials were also added， and the trial CK without lime was used as control. Oxygen-temperature control system was applied to control ventilation with real-time feedback. The results showed that pH values of sludge mixtures significantly decreased from 9.06， 12.17 and 12.34to weak alkaline level （＜8.3） and volatile solid of sludge decreased from 57.35%、45.97%、44.59% to 44.20%、39.28%、38.42% respectively after composting processes. The over 50% of weight reduction in three trials could be achieved， while there was no significant difference for reduction rate except trail 2. In addition， heavy metal concentrations in the leachates were strongly influenced by pH. Moreover， Cu， Ni， Zn concentrations in the leachates with 5% lime addition were lowest. For practical application， lime mass fraction of 5% mixing with a certain amount of matured compost materials for sludge composting is recommended in order to improve composting efficiency and product quality.

sludge composting；lime addition；pH value；heavy metals；oxygen uptake rate

X705

A

1000-6923（2015）05-1442-07

冯 瑞（1990-），女，内蒙古鄂尔多斯人，硕士，主要从事固体废物处置及资源化利用.

2014-09-27

中奥国家国际科技合作计划项目（2013DFG92620）；北京市科技计划（D141100001214003）

* 责任作者， 教授， zifulee@aliyun.com