污泥堆肥技術及工藝優化：控制因素、調理劑、堆肥設備等
研究背景
污泥是污水處理過程中產生的固體廢棄物， 其總量占處理水量的0.3%~0.5% ( 按污泥含水率97%計算)。研究表明：我國污泥年產量在2007—2013 年年均增長量為13%，且在2017 年干污泥年產量已達1053萬t。以此估算，2020年我國干污泥年產量將達3978萬t。污泥的處置問題將成為城市固廢處置的重點與難點之一。污泥中含有大量重金屬、病原菌、殘留藥物等有害物質，也包含了大量有機質及N、P、K 等營養元素，這意味著污泥作為固廢的同時，也具備極大的資源化潛力。
目前污泥處置技術主要有衛生填埋、厭氧發酵、堆肥、焚燒、熱解及氣化等。近年來，許多國內學者對不同的污泥處置技術進行對比分析，以尋找適合我國經濟、環境國情的污泥處置技術。Xiao 等發現污泥堆肥技術在CO2 排放、投資運行成本以及技術運行收益上相比焚燒技術占優勢，在不考慮土地占用的情況下，堆肥在上述污泥處置技術中是最優選擇。Liu 等發現堆肥工藝具備溫室氣體產量小、固碳性能好的優點；且相對于焚燒技術的投資運行成本較高，土地填埋技術的占地面積大、溫室氣體排放量大的缺點，污泥堆肥技術是最優處置技術。Hong等對污泥堆肥、焚燒、厭氧發酵、熱解氣化等技術進行溫室氣體、重金屬生命周期和經濟性分析得出，堆肥因農業利用在經濟與環保方面占優勢。
盡管污泥堆肥技術仍存在占地面積較大、處理周期較長、重金屬易富集、溫室氣體及臭氣的排放等限制技術推廣的不足。多年來，學者們針對污泥堆肥技術缺點的優化研究投入了大量精力，并從污泥堆肥技術的發展、技術特點以及堆肥調理劑的應用等方面做了相應闡述。本文綜述了目前污泥堆肥技術優化發展進程、控制因素、技術現狀與劣勢，總結了污泥堆肥技術發展過程堆肥調理劑以及堆肥設備工藝的優化，以期為污泥堆肥技術在我國的實踐與推廣應用提供有效指導，并為污泥堆肥技術的發展方向提出建設性建議。
摘 要
我國污泥產量逐年增長，污泥處置問題面臨嚴峻挑戰。污泥堆肥技術因其符合綠色發展理念，是極具發展潛力的污泥處置技術。高效化、高值化、智能化是目前污泥堆肥技術的發展方向。從堆肥調理劑的優化發展、污泥堆肥的曝氣策略、除臭工藝及堆肥設備的工藝優化等方面，歸納總結了目前污泥堆肥技術工藝的發展現狀及面臨的主要問題。提出從廢物利用、可回收設備研發利用、生物生命活動利用的角度開發堆肥調理劑；結合傳感器反饋、軟件數值模擬等技術，改良堆肥工藝設備；引進新型曝氣及除臭工藝，研發高效堆肥設備。以期為可為我國污泥堆肥工藝的發展及相關研究工作提供參考。
01 污泥堆肥控制因素及國內工業化現狀
1.污泥堆肥控制因素
堆肥技術是一項成熟且簡單有效的技術，是在有氧條件下通過好氧微生物的生命活動，將堆料中的不穩定有機質轉化為較穩定有機質，同時降低揮發性有機質含量、消除臭氣的過程，其主要工藝流程見圖1。目前對于污泥堆肥技術的控制因素受普遍認可的有通風量、含水率、溫度、pH值和碳氮比(C/N)。通風量、含水率、C/N 為堆肥腐熟過程中微生物的生命活動提供必要的原料，溫度及pH 值影響著微生物的活性。
通風量是污泥堆肥過程中最重要的控制因素，其決定了微生物可利用氧氣的含量，并進一步影響堆體的含水率、溫度及pH 值。通風量過小，易形成局部厭氧環境，導致好氧微生物活性低，堆肥效果不佳；通風量過大則會帶走過量的水分及溫度，致使堆體溫度不達標，殺滅致病菌效果不理想。因此，通過優化曝氣策略改善通風狀態是污泥堆肥的主要技術難點之一。
2.污泥堆肥的污染源
1）重金屬。
污泥中的重金屬問題是限制其產物利用的主要障礙之一。污泥中的重金屬源自污水處理系統的重金屬富集。目前污泥重金屬污染風險指標主要包含重金屬總量以及根據化學形態定性的生物有效性。
我國污泥重金屬主要有鋅、銅、鉻、鎳、鉛、砷、鎘、汞等。污泥的農業利用將導致重金屬在土壤、植物中的富集，進而對人體造成危害，這是阻礙污泥堆肥工藝推廣的重要因素。目前尚缺乏經濟有效性的手段大量去除污泥中的重金屬，只能利用添加劑輔助微生物的生命活動，通過堆肥改變重金屬形態，減少污泥堆肥產品重金屬含量并降低重金屬生物有效性。
2）臭氣。
污泥堆肥過程會產生大量的揮發性有機質(VOCs)、氨氣、硫化氫等刺激性氣體，影響堆肥廠家周邊居民生活，是妨礙堆肥工藝推廣的另一大因素。針對污泥堆肥產生的刺激性有毒氣體，國內外眾多學者進行了相關研究，主要通過各種終端控制技術抑制氣體排放并進行處理和針對VOCs 的產生機理進行研究，從臭氣產生源頭進行控制。
3）我國污泥堆肥技術工藝現狀。
污泥堆肥技術起源于國外且普及較廣，在我國起步較晚。20 世紀90年代，在國家“九五”重點科技攻關計劃的支持下，我國建成了第1 座市政污泥機械化堆肥項目——唐山西郊污水處理廠污泥堆肥項目。之后，北京市密云區、太原市楊家堡、北京市龐各莊、太原市河西北中部、唐山市西郊二廠等地區的污泥堆肥系統相繼建成并投入運行。但我國現行技術仍處于模仿、探索階段，處理規模不大，且產品的市場化程度低。國內部分典型的污泥堆肥項目詳情見表1。
目前，國內的污泥處置項目規模較小，大部分項目污泥日處理量在500 t 以下。《國家城鎮污水處理廠污泥處理處置污染防治最佳可行技術指南》指出投資成本與系統的構成、污泥性質、自動化程度、設備質量等因素相關，“一般情況下，設計完整的污泥好氧發酵系統的投資為30萬~ 50 萬元/ t(含水率80%) ”。表1 中所有污泥處置項目的投資額均能滿足技術指南的推薦值，并在設備工藝優化的投資上存在富余空間。
目前，國內的污泥堆肥工藝多個項目在引進如德國BACKHUS系統、高溫好氧發酵處理技術(SACT工藝)、垃圾生化好氧處理技術(ENS 工藝) 等基礎上，均根據當地實際情況對技術進行了改良。例如，北京龐各莊污泥堆肥項目采用了智能化控制系統ENSComposter，利用氧溫探槍對堆肥過程氧含量、溫度變化進行實時監測并通過負反饋系統控制通風系統，實現均勻柔和通風，縮短堆肥周期。洛陽市污泥處理廠二期工程采用SACT隧道倉工藝，相比一期工程的晾曬加動態通風條垛堆肥將處理規模從228 t/ d 提升到328 t/ d，同時也將堆肥周期從30 d 縮短至16 d，并將堆肥占地面積縮小至一期的1/3。桂林市上窯污泥處置場原廠采用垛式堆肥，因臭氣外溢影響環境停產改造。在改造安裝全封閉高溫好氧發酵設備之后，實現了智能監測控制在線篩分與除臭處理，堆肥周期縮短2~ 5d，輔料添加量減少20%。同時，國內污泥處置項目正向大規模化發展。例如，日處理量達到1000 t 的沈陽市污水處理廠污泥處置項目已成功運行2年，且該項目正致力于調整運行模式提高處理效率，提升處理效果與空間利用率。
隨著污泥堆肥技術在我國的發展，其作為主要污泥處置技術的運用在城市中面臨的問題也逐漸凸顯。國內污泥堆肥處置項目一般采用農業廢棄物作為堆肥調理劑，然而這類調理劑季節性特征明顯，在運輸、儲存方面會造成額外的運行成本；堆肥產物作為肥料使用，存在“經濟半徑”，即產物運輸距離超過50 km經濟性將受影響，如無補貼，堆肥產物的利用范圍會受到較大限制；除臭效果良好的堆肥項目均采取全封閉的發酵設備，通過離心通風機除臭，耗電量會有所增加。以上幾方面劣勢限制了堆肥技術國產化的推廣腳步，使其難以成為最主流的污泥處置技術。污泥焚燒目前被認為是污泥處置技術中最具發展前景的技術之一。然而，相比于污泥焚燒技術的耗能高、尾氣排放量大且有害成分含量高，污泥堆肥具備能源消耗低、氣體產物毒性低的特點。同時，污泥焚燒適用于較大規模的污泥處置項目以保證項目的經濟性，而污泥堆肥則可適用于中小型項目。發展污泥堆肥技術，優化堆肥工藝仍具備一定的市場前景。
在“十一五”與“十二五” 期間，我國污泥處置技術實現了從無到有、從點到面的突破，取得了階段性成果。對于污泥堆肥技術及其土地利用，國家制定了一系列相應標準，初步建立了污泥處置領域的標準規范與政策體系。其中，污泥堆肥技術方面的標準包括T/CECS 536—2018《城鎮污水處理廠污泥好氧發酵技術規程》、CJ/T 510—2017《城鎮污水處理廠污泥處理穩定標準》， 污泥土地利用方面的標準包括CJ/T 309—2009《城鎮污水處理廠污泥處置 農用泥質》、CJ/T 362—2011《城鎮污水處理廠污泥處置 林地用泥質》與GB/T 24600—2009《城鎮污水處理廠污泥處置土地改良用泥質》。以上政策對污泥堆肥處置與土地利用分別做出了操作層面的規定，形成了“污泥堆肥+土地利用”的技術路線，但其仍存在一些問題：污泥堆肥處置標準與農林業施用泥質標準之間缺乏銜接與融合，對于污泥堆肥產物利用于農林業的方法與用量缺乏明確指導；對于污泥的土地利用未建立完善的環保監督體系與處罰體制，不能有力保障污泥堆肥土地利用的規范性；由于民眾對污泥堆肥過程中污染物去除機理缺乏了解，導致民眾對污泥堆肥土地利用的接納度有限，影響產物銷路。
總體上，污泥堆肥技術在我國得到了快速發展，“污泥堆肥+土地利用”的技術路線已具雛形。隨著相關技術難點的攻克，污泥堆肥與土地利用相關技術標準的結合完善，支持性政策與管理辦法的出臺，以及對民眾關于污泥堆肥安全性的科普與推廣，污泥堆肥及其土地利用有望成為我國污泥處理與處置的有效途徑。
02 堆肥調理劑研究進展
調理劑是污泥堆肥過程改善堆肥環境，提升堆肥效果的添加物。原污泥的含水率、孔隙度及C/N特征導致其不適宜單獨作為堆肥原料，必須添加調理劑調節理化性質以符合堆肥需求。同時，通過添加調理劑可使污泥堆肥達到加速有機質降解及腐熟、減少氮素損失、降低溫室氣體排放量等效果。調理劑可分為活性調理劑、惰性調理劑及生物調理劑。
1.活性調理劑
活性調理劑是指含有參與微生物生命活動的可降解有機質，在堆肥過程中為堆體提供碳源并調節C/N的調理劑。常用活性調理劑有秸稈、稻殼、木屑等包含一定有機質且具備調節堆體孔隙度能力的生物質材料。近年來，污泥熟肥作為活性調理劑已被部分堆肥廠家采用，按比例與其他調理劑配比堆肥效果理想。總的來說，活性調理劑大部分由農林業生物質廢棄物組成，其在污泥堆肥中的添加不僅能增長堆肥高溫期時間，增強堆肥微生物的活性，提升堆肥效果，更能解決農林業生物質廢棄物處置問題。
目前，我國污泥堆肥廠主要以秸稈、稻殼為主的農業廢棄物作為活性調理劑，但其生產受季節性影響較大，且農業廢棄物產地相對分散，無法滿足堆肥廠的持續供應需求，需要額外的運輸、儲存支出，增加了污泥堆肥廠的運營成本。農業生物質廢棄物與污泥熟肥結合使用將成為被廣大污泥堆肥廠家接納的主流活性調理劑，不僅減少農業廢棄物的需求量，更提高了堆肥效果。同時，多樣化活性調理劑的研發有利于緩解目前以農業廢棄物為主要調理劑供應不便的現狀，可通過使用鋸末、蘑菇渣等有相對較穩定產出的物質作為活性調理劑，降低堆肥廠家在調理劑運輸、儲存上的運行投入。在此背景下，對于多樣化活性調理劑的添加劑量及其對于污泥堆肥的影響效果的研究，是目前國內污泥堆肥廠需重點關注的方向。
2.惰性調理劑
惰性調理劑指本身不含參與堆肥微生物生命活動的可降解有機質，其主要作用是增加堆體孔隙率，提升氧氣傳質效率，同時減少臭氣釋放。常用的惰性調理劑有沸石、浮石、碎輪胎等。表2列出了目前在污泥堆肥中采用的惰性調理劑及其對堆肥過程的優化效果。惰性調理劑對于污泥堆肥的有機質降解、腐殖質生成、微生物繁殖以及營養元素的保存等方面均有顯著優化，其調配與添加是污泥堆肥技術發展與應用過程中必須重視的環節。
目前，學者們正積極研發具備結構性優勢的新型惰性調理劑。未來，對于物理化學性質穩定、結構性能良好、可回收利用程度高的惰性調理劑的研究是污泥堆肥調理劑優化的趨勢。
3.生物調理劑
污泥堆肥是在微生物和相應酶的作用下，將有機質轉化為穩定無毒復雜大分子的生物轉化過程。有研究表明，相比于其他生物質廢棄物(如動物糞便)，污泥堆肥的微生物活動更加強烈。因此，對污泥堆肥過程的生物種群發展分析有利于更清晰了解污泥堆肥機理。生物調理劑的優化研發也在堆肥工藝優化中占據重要位置。
污泥堆肥過程的微生物包含細菌、真菌、放線菌等，不同菌群在堆肥的升溫、高溫、腐熟階段分別成為優勢菌群，分工協作促進堆肥進程，具體分類見表3。基于對微生物作用機理的深入研究，學者們致力研發復合微生物菌劑，縮短堆肥時間，提升堆肥效果。
蚯蚓污泥堆肥是一種以蚯蚓為生物添加劑的污泥處置技術，無臭高效、氮素損失小的特點使其近年來得到廣泛關注與應用。蚯蚓堆肥無高溫階段，主要靠蚯蚓的生命活動使污泥中的有機質腐殖化。相比于普通堆肥，蚯蚓堆肥的整體耗時較短，產物的營養物質存在形態更加穩定，同時還具備富集重金屬、降低溫室氣體排放的優點。但因蚯蚓需要活動空間，蚯蚓堆肥具有場地需求面積較大的缺點。
復合菌劑堆肥與蚯蚓堆肥各自存在不足之處，復合菌劑堆肥需要長時間使腐殖質穩固化，且需要頻繁曝氣維持好氧條件；蚯蚓堆肥因蚯蚓的存在不能使堆體升溫至殺滅病原菌的溫度，無法滿足無害化要求。故將2種工藝結合使用，利用復合菌劑堆肥高溫殺菌后，加入蚯蚓堆肥加速腐殖化，彌補各自劣勢。目前來看，盡管國內污泥堆肥廠家的堆肥產物重金屬大部分能滿足農林業用的控制標準，但大量連續施用勢必引起土壤中的重金屬積累，進而影響人類身體健康，這是導致我國污泥堆肥產物銷路受阻的主要因素之一。復合菌劑堆肥和蚯蚓堆肥的聯用技術在保證堆肥腐熟料的無害化同時，控制產物重金屬含量并降低重金屬的生物有效性，擴大了堆肥產物在農林業的應用范圍，這為我國污泥堆肥廠提升產物質量，保證堆肥產物的經濟性提供了新的思路。如何在經濟成本上對聯用技術進行控制，同時控制溫室氣體的排放以及富集重金屬后的蚯蚓的后續處理問題，是未來需要深入探討的方向。
03 污泥堆肥設備工藝優化研究進展
1.曝氣策略優化
污泥堆肥活性的主要影響因素是堆肥微生物的活性，為其提供更加適宜的生長環境，有效提升污泥堆肥活性。曝氣方式直接影響堆體溫度與含水率，進而影響堆肥好氧發酵菌群的生長。目前，較典型的污泥堆肥曝氣方式有自然通風靜樁、強制曝氣靜樁及旋樁。自然通風靜樁方便簡潔，設備成本低；強制曝氣靜樁相比于自然通風靜樁，具備堆肥快速腐熟的優勢，且能有效減少N損失；旋樁在堆料均勻化及熱分層形成的減少上具備優勢， 且減量化效果明顯。隨著研究的深入，學者們發現單一的曝氣方式并不契合堆肥微生物的生長規律。根據堆肥微生物的生長與生活特性對曝氣策略進行調整優化，是優化污泥堆肥工藝的可行思路。
此外，傳感器技術在堆肥曝氣上運用的越來越廣泛。Ekinci等研究了熱電偶在靜樁系統中對溫度反饋控制曝氣風扇的影響。傳感器技術的應用使污泥堆肥向自動化、智能化方向發展，在節省大量人力物力的同時，也提升了污泥堆肥的效果，是現行污泥堆肥設備改良的著手點。
數值模擬技術在污泥堆肥的曝氣優化上有巨大的推進作用，在提高污泥堆肥效率、降低運行成本、提升控制能力等方面成效顯著。根據堆肥過程的能量與質量守恒原則，學者們提出了許多數值模擬方程以預測堆肥的溫度、含水率、有機質降解等指標的演變。隨著對污泥堆肥曝氣研究的深入，也有學者對不同環境條件下的曝氣策略提出數值模擬模型，并實驗驗證了模型的準確性。計算機技術與人工智能技術是當今社會熱門發展的新興科技，對更加全面的污泥堆肥數值模擬模型進行深入研究并與之結合，是污泥堆肥工藝向高效化、環保化、智能化方向發展的必由之路。
2.除臭技術優化
生物除臭技術是20世紀50年代后期發展起來的處理臭氣的方法，其利用微生物的降解作用，把惡臭物質轉化為CO2 、H2O、N2 、硫酸鹽等無害物質，具備處理效率高、無二次污染、設備簡單、操作簡便、運行管理費用低等特點。常用的生物除臭工藝有生物過濾法、生物洗滌法、生物滴濾法、曝氣式除臭法及各工藝聯用等。其中，生物過濾法具有投資低、效率高的優點，在國內外應用廣泛。學者們在生物過濾法的濾料優化上進行了大量的研究。生物過濾法傾向于利用生物質廢棄物作為濾料，不僅達到廢物利用效果，更能提升臭氣去除效率。
膜覆蓋技術是一種對靜態條垛堆肥進行臭氣控制優化的技術， 在20世紀80年代由德國Baden-Baden 提出，利用功能膜將堆體與周圍環境隔離開的除臭工藝。該工藝利用聚四氟乙烯(PTFE) 微孔膜與植物復合的功能膜覆蓋堆肥，通過鼓風作用在發酵堆體內部形成的低壓內腔，在減少通風量的同時減少臭氣的逸散，極大程度地緩解了臭氣對環境的影響。由已有實踐經驗分析，膜覆蓋技術仍存在堆肥周期長，保溫性能不佳，覆蓋過程無法翻堆等問題，需要進一步進行工藝改良以提高其實用性。
生物除臭技術與膜覆蓋技術，均無法做到完全防止臭氣逸散至堆肥廠空間，全封閉式的廠房設計配合離心通風機抽風仍是目前有效防治臭氣逸散至周邊環境的主要有效手段。故目前國內污泥堆肥廠家為防止臭氣逸散在廠房設計、抽風電耗上的投入仍居高不下。在效果完美的除臭技術被開發之前，添加優化調理劑降低臭氣產生量，結合現有除臭技術減少臭氣擴散量，降低抽風機工作頻率，是目前國內污泥堆肥廠家控制成本的有效途徑。
3.堆肥設備優化
堆肥設備是各類堆肥技術的綜合體，設備優化是污泥堆肥廠家長期致力研究的方向。目前，對堆肥設備的開發研究主要集中在以下方面：反應器堆肥設備結構優化，包括可再生能源利用、機械結構優化；曝氣策略與除臭技術整合應用。
反應器堆肥具備發酵周期短、占地面積小及自動化程度高的優點，對反應器堆肥設備的能源及機械結構的優化備受關注。調整反應器設備能源與機械結構，進一步提升污泥堆肥效率是目前設備研發的主要方向。
在污泥堆肥廠的實踐應用中，對先進曝氣策略與除臭技術的整合應用取得了優異成效。在大規模的堆肥設備應用中正在對曝氣策略優化及臭氣逸散防治進行攻堅，努力向廠房一體化、設備自動化及空間利用高效化發展。
不論是反應器堆肥還是大規模堆肥廠家設備，空間合理利用和自動化信息化提升都是目前設備優化的著力點。反應器堆肥可控程度高，但處置規模較小，成本較高；堆肥廠家污泥綜合處置量大、效率高，但一體化效果與自動化程度難以兼顧。如何整合兩者優勢，取長補短，是未來堆肥設備設計與應用的研究方向。
04 結論與展望
我國的污泥產量正迅速上升，合理控制污泥增產并進行可持續化綠色處置是其應對之策。污泥堆肥工藝因其耗能少，資源利用程度高，有一定經濟效益等優點，是符合可持續發展戰略的優良污泥處置工藝。如能攻克降低除臭技術成本難題，優化堆肥調理劑供給及完善產物土地利用相關法規，污泥堆肥將具備極大的發展及市場空間。本文針對目前污泥堆肥重金屬、臭氣污染、占地面積大，自動化程度不夠導致處理效率低等問題，從調理劑開發與應用，曝氣策略與除臭技術發展和優化，軟件數值模擬及新型堆肥設備研發等方面對污泥堆肥技術進行綜述。污泥堆肥技術與工藝優化的探討與深入研究，將為我國全面實現污泥堆肥的減量化、無害化與資源化處置提供有力的技術支持。現對未來研究方向作如下展望：
1)調理劑研發。污泥堆肥調理劑需要從廢物利用、可回收利用設備、生物生命活動利用的角度入手進行深入研發。現有研究表明:生物質廢物制備的生物炭、可回收塑料膨脹劑、蚯蚓等調理劑均在重金屬吸附、臭氣產生源控制、提升污泥堆肥效果方面展現了優良性能，且契合可持續發展污泥堆肥理念，是污泥堆肥調理劑研發的主要研究方向。
2)控制智能化。在當今高度信息化的時代，需開發更加豐富、精確、切合污泥堆肥實際的數值模擬模型，精確定位污泥堆肥過程中的污染產生源，并統籌結合多種優良堆肥工藝，實現污泥堆肥的信息化、智能化，對高效解決城市污泥處置問題，維護城市環境意義重大。
3)工藝和設備優化。污泥堆肥廠家應引進先進曝氣、除臭等設備，結合傳感器反饋技術，組建系統控制網絡，并根據實際運行情況對污泥堆肥工程進行因地制宜地改良與優化，為我國污泥堆肥技術的高效化、高值化發展提供技術支持。
4)工藝國產化。我國現行污泥堆肥技術仍處于模仿、探索階段，處理規模不大，產物市場應用不廣泛，臭氣防治難及占地面積大等問題限制了污泥堆肥廠家的發展。應做到堆肥調理劑的多樣化選擇以應對目前調理劑受季節性影響的不足;采用新型調理劑改善堆肥產物質量，擴大適用范圍確保產物經濟性;引進先進通風除臭技術與設備，改良堆肥廠空間設計以提高空間利用率，優化能源結構降低運行成本。結合以上節點加大研發力度，推進工藝設備國產化，可有效解決我國城市污泥處置問題。
5)完善相關標準，健全法律法規。應深入關于污泥堆肥技術與其產物土地利用的銜接性研究，出臺相應的質量控制標準;完善相關部門對與污泥堆肥土地利用的監督體系，出臺相應法律法規以保障污泥堆肥土地利用的安全性;對于民眾進行污泥堆肥安全性相關知識的科普，提升民眾對污泥堆肥土地利用的接納度，拓寬堆肥產物的銷路。
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