城市污水污泥及麻黄废渣堆肥化研究

　　我国城市污水处理厂每年产生湿污泥约4.5×106吨，每年以15%的速度增长[7]。污泥的成分非常复杂，不仅含有较丰富的氮、磷及多种微量元素和大量有机质，同时还含有病原菌、寄生虫（卵）、重金属、盐分及某些难分解的有机毒物。因此，必须进行适当处理，才能二次利用，否则会引起二次污染。[1-4]
　　处理污泥的方法主要有四种：填埋、投海、焚烧和土地利用[2]。因环境压力与经济压力的日益增大,世界各国已减少或禁止前三种,而加大以土地利用为主的无害化、资源化处理力度。由于污水污泥处理的投资和运行费用巨大（分别占污水处理厂费用的12 ～30%和20～50%）[2]，我国尤其是新疆的污水污泥基本没有正常的出路，给污水厂造成沉重负担。例如，乌鲁木齐市河东污水处理厂的污泥已堆积成山，任意堆放,造成严重的二次污染。研究探索一种适合新疆污水污泥的处理方法和技术，是很有必要的。另外，新疆是我国麻黄素生产基地之一，将麻黄素厂的麻黄废渣与污水污泥进行堆肥化研究，化害为利，变废为宝，服务于人类，实现可持续发展战略，具有显著的社会效益、经济效益和环境效益。
　　 2 试验材料
　　 2.1 污泥的来源及成分分析
　　本试验的污泥来自乌鲁木齐市河东污水处理厂。该厂的污水处理能力为20万吨/日，以其中含污泥量0.02%计，将产生污泥约40吨/日。 污泥成分分析[1-6]结果见表1。 从表1可知，乌市污泥中的有机质含量较高，其堆肥产品的品质会好。氮和钾的含量也较高，对于缺钾的土壤来说是一个很好的钾肥来源。污泥中磷的含量偏低，但是磷肥是价格比较昂贵的肥料，因此污泥中的磷作为磷肥的有益补充有价值的。由于对进入市政排污系统的污水缺少严格的质量控制，很难保证污泥中低的重金属含量。与国家标准 GB4284-84对照可以看出，河东污水厂污泥中重金属除Zn外，均未超过国家标准。而新疆的土壤又是普遍缺Zn的，施用污泥有助于补充土壤中的Zn。因此，该污泥作为农用是无害的，不会对作物产生重金属污染。
　　 2.2 麻黄废渣来源及分析结果
　　麻黄废渣取自新疆制药厂麻黄素车间。用化学分析法测定麻黄废渣的主要成分[2]，结果见表2。 从表2可知，麻黄废渣中的粗灰分为16.54%，这主要是各种金属元素的无机盐；有机物含量为83.54%，主要富含纤维素、半纤维素、木质素、蛋白和脂肪，完全可作为堆肥的有机原料。
　　 3. 试验设计[5]
　　堆肥化过程是复杂的生物化学过程。试验选用的填充料为剪碎的麻黄杆废渣。把麻黄废渣和污泥进行混合堆肥，不仅能减少环境的污染，降低大量费用，更重要的是能变费为宝，使原来废弃的废渣成为可利用的原料。给麻黄废渣找到了一条合理的出路。试验是模拟大规模堆肥中的一小块污泥微元，可认为与环境没有热交换下，进行九个样的污泥堆肥处理。
　　 4. 实验结果与讨论
　　堆肥过程是在一定的温度、湿度和pH条件下，利用微生物的作用使有机物发生生物化学降解，把废弃有机质转化为类腐殖质的生化过程。本试验考察了各因素在堆肥过程中的变化。
　　 4.1 温度
　　温度是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素。对堆肥过程来讲，温度是其状态的表观体现。所有过程参数的控制都是为了使堆肥时堆体的温度最快上升、维持适当的堆腐温度及顺利地下降。因为堆体的高温才能杀死其中的病原菌，在堆体适当的温度范围内有机质降解最快，同时在适当的情况下进行水分的去除和堆肥温度的下降，结束堆肥。 试验中堆肥的温度随堆肥时间的变化情况如图1所示。
　　堆肥经历了24天的时间。
　　从堆肥的温度变化情况看，堆肥都经历了完整的升温、恒温和降温阶段。从开始发酵，堆体温度持续升高，在1-7天，温度由17℃升至55℃；保持恒温 55～60℃，持续18天左右；随后堆体温度下降到30℃。24天以后，堆体温度保持平稳，继续监测温度，未见温度有上升。说明堆肥已达稳定。
　　堆肥过程中，寄生虫和病原菌[6]被杀死，在12天测定细菌数，结果见表3。实验表明，污泥堆肥经过9、10、11三天的55℃高温，即可杀灭决大多数的病原菌符合堆肥的卫生学指标，可以安全施用。
　　 4.2 水分
　　在堆肥生态系统中，水分含量是一个重要的物理因素。水分对于有机物的分解和微生物的生长繁殖是不可缺少的。堆肥中水分的主要作用在于：1.溶解有机物，参与微生物的新陈代谢；2.水分蒸发时带走热量，起调节堆肥温度的作用。堆肥原料水分的多少，直接影响好氧堆肥反应速度的快慢，影响堆肥的质量，甚至关系到好氧堆肥工艺过程的成败，因此堆肥中水分的控制十分重要。在堆肥过程中，取污泥样品，在105～110℃的烘箱中烘干4小时，称量以烘干损失重量作为水分含量[1.2]。
　　从图中总的水分变化趋势可以看出，水分的变化不大，在69—75%之间变化，这也是微生物活动的适宜条件。从图2可以看出，在达到高温44℃后，即第5天，大量微生物开始进行有机质的降解，出现了水分含量升高的现象，这一现象完全符合有机质的好氧分解会有水分产生的原理。 C10H19O3N+12.5O2→10CO2+8H2O+NH3 随后堆肥达到高温55℃，水分含量基本保持不变。这说明，好氧微生物在适宜条件下，能迅速繁殖，进行有机物的降解，放出热量，以维持堆体高温，同时也分解生成水分。到第17天，堆肥温度开始下降，堆体的水分也略有降低，堆肥过程结束。
　　 4.3 pH值
　　对堆肥体系进行pH值的测定。在堆肥过程中，pH值变化不大，均在6～7之间变化。说明堆肥在接近中性条件下进行。
　　 4.4 有机成分
　　快速高温堆肥，首要的是热量平衡问题。低的有机质含量产生的热量不足以维持堆肥所需的温度，并且堆肥产品由于肥效低而影响使用。有机质含量过高，又会给通风供氧带来影响，可能造成部分厌氧状态和产生恶臭。堆肥原料适宜的有机质含量为20～80%。本试验的堆肥污泥有机质含量在50～70%之间，因此适宜堆肥。对堆肥体系的有机质、腐殖质、脂肪和蛋白质的含量变化[7]作了监测。
　　从图3可以看出：1.随着堆肥的进行，各堆肥有机质均呈现下降趋势；2.腐殖质总的趋势呈下降趋势；3.脂肪、蛋白质的含量也有所下降。4.淀粉的含量由开始的0.18%在第九天即降为零。 本试验把污泥中的有机质划分为淀粉类、类脂物类、蛋白质类、腐殖质类，纤维素类等[20]。在微生物的作用下，这些有机质都应发生不同程度的分解，最终都呈下降趋势。淀粉、蛋白质、脂肪、腐殖质等有机物降解难易程度不同。在中、高温期的降解顺序是：淀粉>脂肪>蛋白质>腐殖质。 应该加以说明的是，本次试验未测定堆肥过程中纤维素的降解情况。文献综述中已提到，纤维素与淀粉、蛋白质、脂肪、腐殖质相比是较稳定的，不易被分解的有机质。
　　 4.5 堆肥腐熟度的初步探讨
　　 本次试验堆肥产品的腐熟度从以下几个方面分析：
　　 1.堆肥的物理性状：
　　（1）本次试验的堆腐污泥，后期温度自然下降，不再上升；
　　（2）堆肥后的污泥含水率下降，呈现疏松的团粒结构，臭味消失。
　　 2.堆肥的化学性状：
　　（1）.腐殖质、蛋白质的降解。堆肥过程中，腐殖质和蛋白质的含量均呈现下降趋势；
　　（2）脂肪的降解。脂肪的降解随堆肥的进行逐渐平缓，呈较强的规律性。当脂肪降解平缓时，堆体中降解的主要是腐殖质和纤维素，它们不会产生太多的热量使堆体升温，因此堆体的温度保持平缓。因此，使用脂肪作为腐熟度的指标是合理及可行的。只要处于正常的堆肥状态下，当其中的脂肪降解达到平缓时，说明堆体中的易降解有机物已经降解完全，堆体的温度不会再次上升，堆肥已达稳定。