功能膜覆盖对市政污泥好氧发酵效能的影响
张燕剑 马小杰
摘要：膜覆盖高温好氧发酵污泥处理术具有臭气散发量小、发酵效果好、能耗低等特点，其与常规好氧发酵的主要区别在于功能膜的使用，该功能膜的作用是既保证了好氧发酵过程高效的进行，又有效解决了好氧发酵过程中的臭气问题。本文结合上海某污泥处理工程项目，通过试验室小试装置，对比有无功能膜及改变好氧发酵物料的配比，考察污泥好氧发酵过程中功能膜对好氧发酵过程的影响及好氧发酵效果的影响，可以为实际应用提供参考。
关键词：市政污泥；功能膜；好氧发酵；稳定化；资源化
中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）07-0086-03
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.07.050
Effect of functional membrane coverage on aerobic fermentation efficiency of municipal sewage sludge
Zhang Yanjian 1， Ma Xiaojie 2，3
（1.Drainage Management Institute of Qingpu District， Shanghai 201799，China； 2. Zhejiang Shuanglin Environmental Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 311100， China；
3. Shanghai Miaoqin Environmental Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201500，China）
Abstract： The membrane covered high temperature aerobic fermentation sludge treatment has the characteristics of small odor emission， good fermentation effect and low energy consumption. The main difference between the membrane and conventional aerobic fermentation is the use of functional membrane. The function of this functional membrane not only ensures the high efficiency of aerobic fermentation process， but also effectively solves the odor in aerobic fermentation process. Question. In this paper， the effect of functional membrane on aerobic fermentation process and the effect of aerobic fermentation in aerobic fermentation process of sludge are compared with the actual sludge treatment project in Shanghai， and the effect of functional membrane on aerobic fermentation process and the effect of aerobic fermentation in aerobic fermentation process are compared.
Key words： Municipal sludge； Functional membrane；Aerobic fermentation； Stabilization； Resource-based
近年來，中国各地陆续兴建了一些膜覆盖高温好氧发酵污泥处理工程[1～3]，该技术具有臭气散发量小、发酵效果好、能耗低等特点。膜高温好氧发酵与常规好氧发酵的主要区别在于功能膜的使用，该功能膜的作用是既保证了好氧发酵过程高效的进行，又有效解决了好氧发酵过程中的臭气问题。本试验结合上海某污泥处理工程项目，通过试验室小试装置，对比有无功能膜及改变好氧发酵物料的配比，考察污泥好氧发酵过程中功能膜对好氧发酵过程的影响及好氧发酵效果的影响，为在实际中的应用提供重要参考。
1 材料与方法
1.1 好氧发酵原料
本试验中试验设计及试验材料如表1所示。
1.2 好氧发酵装置
好氧发酵采用模拟反应装置，为高度 50 cm，直径35 cm的双层有机玻璃柱（图1），容积约为50 L，外部采用隔热棉包裹。实际填充物料容积约为40 L，底部采用穿孔管通风。
2 好氧发酵过程中指标变化
在好氧发酵小试过程中，分别测定了污泥的堆体温度变化、总有机碳降解率、总氮、C/N比及速效磷及发芽指数的变化情况。其结果分别如图2-7所示。好氧发酵过程中，处理1为污泥：辅料=1：2，但并没有覆盖膜；处理2为污泥：辅料=1：2，覆盖膜；处理3为污泥：辅料=1：1，覆盖膜[1]。由图2可以看出处理2中温度明显高于处理3，处理2温度最高能达65℃，而处理3仅能达到50℃左右。同时可以看出，好氧发酵过程中，覆盖膜处理温度比无膜覆盖处理平均高3℃。由5.3可知，TOC含量处理1与处理2并无显著性差异。处理3，TOC降解效果显著不如处理1和处理2。总氮含量和C/N比与TOC规律相当，处理1与处理2并无显著性差异（图3和图5）。速效磷处理1与处理2波动较大，总体呈现先上升后下降的趋势。而对于处理2而言，发芽指数在前15天出现明显抑制的现象[2]。
3 结果分析
3.1 数据分析
一般认为，堆体温度在55℃条件下保持3d以上，可以杀灭物料中所含病原菌，满足卫生学指标和好氧发酵腐熟的要求。由上述测定结果不难看出，污泥物料比例在1：2以上均能满足此要求，并且膜的覆盖在一定程度上能够防止热的挥发和散失。处理3污泥含量较高，导致温度无法满足要求。随着好氧发酵的进行，好氧发酵物料越来越稳定，有机质的分解速率明显下降，堆体温度呈下降趋势，最后接近环境温度，说明好氧发酵基本腐熟。好氧发酵初始阶段，嗜温微生物迅速利用易分解有机质进行自身繁殖，大量有机质被分解矿化，快速下降；之后，随着堆体温度升高，嗜热微生物逐渐占有优势，开始大量利用纤维素、半纤维素和木质素等较难分解的有机质，含量缓慢降低。处理3初始TOC含量较低，主要是因为增加污泥比例会相对降低混合物料的TOC含量。但是辅料添加比例过高，导致C/N比高，氮素相对不足，导致大量有机质不能很快被消耗，延缓了有机质降解过程（前述内容中溶解性有机物后期较稳定）[3]。污泥高温好氧发酵有机质降解主要集中在前两周，控制好这一阶段的好氧发酵条件，有助于提高有机质降解速率、无害化程度和好氧发酵效率。
好氧发酵混合料中总氮变化如图4所示。好氧发酵初始阶段，堆体内易分解有机质丰富、氮源充足，大量含氮有机质在微生物的作用下发生氨化作用，产生易挥发的氨，氨氮迅速累积，同时堆体温度迅速上升，并且持续高温，使得被物料吸附和溶解在液相中的氨打破了原有的平衡而大量挥发，反应器内有明显的氨味，大量随着通风而逸出，一直持续到高温期结束，导致大量氮素损失。处理1中由于没有膜的覆盖，导致在前5d总氮下降很快，达到最低点，有机质降解带来的浓缩效应远不能弥补氨气挥发造成的氮素损失，导致TN含量下降，而处理2膜覆盖后能够在一定程度上降低氮素的损失，处理3基本维持在原有水平上。处理1和处理2的C/N比在过程中基本呈现下降趋势，在20天后下降趋势趋于平缓，综合堆体温度变化，说明好氧发酵已经趋于稳定，进入后熟阶段[4]。
图7为好氧发酵过程中GI的变化规律，从图中可以看出，好氧发酵结束后，发芽指数处理2>处理1>处理3。但是在好氧发酵过程中，处理2好氧发酵初期种子发芽率受到抑制，可能的原因有三个：（1）污泥中小分子有机酸初期浓度较高，抑制了种子的发芽率，随着好氧发酵进行，小分子有机酸被分解或者转化成高分子腐殖酸；（2）膜的覆盖导致堆体中氨的大量积累，从而抑制了种子发芽率，随着好氧发酵进行，氨转化、挥发；（3）重金属的固定和有效形态的转变。
3.2 经济性分析
目前有很多关于减少好氧发酵氮素损失、提高速效磷含量的研究。本试验中三个处理均能保证好氧发酵顺利进行，等量辅料（以1.0 kg干重计算）可以处理的污泥量（以干重极）分别为0.5 kg和1.0 kg。处理3调理剂节省了50%，但处理效果不是很好。但过高的增加调理剂含量，会导致运输、粉碎和混合等费用和能耗；增加污泥比例可以大幅度提高处理效率，并且由于碳源限制可以缩短一次发酵时间，好氧发酵系统利用率高，调理剂的好氧发酵产品存储空间减少，基础建设费用降低；污泥好氧发酵在很大程度上只是为了无害化和减量化，所以结合实际运行情况（温度可达80℃），加上本试验的试验结果，认为污泥辅料混合比例在1：1-1：2之间，适当减少曝气量，控制温度在70℃以下， 在满足好氧发酵质量的基础上，还能够提高好氧发酵效率，有显著的生产价值和经济效益。
4 膜覆盖式好氧发酵处理污泥技术评价
从试验结果来看，处理后污泥基本满足《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》（GB/T 23486-2009）中的要求，除个别情况下理化指标（pH和EC）和污染物指标（Cu和As）外，均能满足园林绿化要求。污泥园林绿化利用时，应控制污泥中的盐分，避免对园林植物造成影响。污泥施用到绿化地后，要求对盐分敏感的植物根系周围土壤的EC值宜小于1.0 mS/cm，对某些耐盐的园林植物可以适当放宽到小于2.0 mS/cm。从以上结果分析可知，污泥园林利用时，宜根据污泥使用地点的面积、土壤污染物本底值和植物的需氧量确定合理的污泥使用量。
從养分指标来看，本项目处理污泥泥质均能满足要求，甚至远超过限制要求。但是从测试项目中不难看出，溶解性有机质相对含量较高，膜覆盖导致氮素流失减少，在污泥中大量积累，其结果可能会导致径流中磷和氮浓度的提高，从而导致二次污染。因此污泥如果使用不当，其中的氮磷将随降水进入地表径流最终流入江河湖泊，造成非点源污染问题。从污染物指标来看，污泥经过膜发酵好氧发酵后，重金属无论是总量还是生物有效性，都能得到很好的控制。
5 建议
本项目污泥处理泥质可满足园林绿化使用要求。为进一步提高污泥处理效果，根据本项目测定指标，结合国家相关标准和国内外参考文献，建议如下：
（1）污泥、辅料的参合比例为1：2，处理后污泥中溶解性有机物含量较高，因此建议可适当降低辅料投加比例，在重金属达标的基础上，控制在1：1-1：2之间为宜。
（2）本项目好氧发酵过程中温度高达80℃，温度高于65℃时并不利于微生物的增值和活性。因此可合理控制曝气量，控制最高温度在70℃左右，这样不仅可以节约能源，而且能够促进有机物的降解，减少二次污染的可能性。
（3）处理污泥应根据实际情况，确定合理比例，正确使用。
参考文献
[1]王涛.膜覆盖条垛堆肥技术与应用案例[J].中国环保产业，2013（12）：25-28.
[2]马小杰，黄瑾.膜覆盖好氧发酵工艺在城镇污泥处理中的应用[J].中国市政工程，2015，180（4）：42-44.
[3]王军军.膜高温好氧发酵技术在污泥处理工程中的应用[J].给水排水，2016（4）：40-44.
[4]马小杰，黄瑾.膜覆盖好氧发酵工艺在城镇污泥处理中的应用[J].中国市政工程，2015（4）：42-44.
收稿日期：2018-05-22
作者简介：张燕剑（1984-），女，工程师，学士，研究方向为给排水管理。
摘要：膜覆盖高温好氧发酵污泥处理术具有臭气散发量小、发酵效果好、能耗低等特点，其与常规好氧发酵的主要区别在于功能膜的使用，该功能膜的作用是既保证了好氧发酵过程高效的进行，又有效解决了好氧发酵过程中的臭气问题。本文结合上海某污泥处理工程项目，通过试验室小试装置，对比有无功能膜及改变好氧发酵物料的配比，考察污泥好氧发酵过程中功能膜对好氧发酵过程的影响及好氧发酵效果的影响，可以为实际应用提供参考。
关键词：市政污泥；功能膜；好氧发酵；稳定化；资源化
中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）07-0086-03
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.07.050
Effect of functional membrane coverage on aerobic fermentation efficiency of municipal sewage sludge
Zhang Yanjian 1， Ma Xiaojie 2，3
（1.Drainage Management Institute of Qingpu District， Shanghai 201799，China； 2. Zhejiang Shuanglin Environmental Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 311100， China；
3. Shanghai Miaoqin Environmental Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201500，China）
Abstract： The membrane covered high temperature aerobic fermentation sludge treatment has the characteristics of small odor emission， good fermentation effect and low energy consumption. The main difference between the membrane and conventional aerobic fermentation is the use of functional membrane. The function of this functional membrane not only ensures the high efficiency of aerobic fermentation process， but also effectively solves the odor in aerobic fermentation process. Question. In this paper， the effect of functional membrane on aerobic fermentation process and the effect of aerobic fermentation in aerobic fermentation process of sludge are compared with the actual sludge treatment project in Shanghai， and the effect of functional membrane on aerobic fermentation process and the effect of aerobic fermentation in aerobic fermentation process are compared.
Key words： Municipal sludge； Functional membrane；Aerobic fermentation； Stabilization； Resource-based
近年來，中国各地陆续兴建了一些膜覆盖高温好氧发酵污泥处理工程[1～3]，该技术具有臭气散发量小、发酵效果好、能耗低等特点。膜高温好氧发酵与常规好氧发酵的主要区别在于功能膜的使用，该功能膜的作用是既保证了好氧发酵过程高效的进行，又有效解决了好氧发酵过程中的臭气问题。本试验结合上海某污泥处理工程项目，通过试验室小试装置，对比有无功能膜及改变好氧发酵物料的配比，考察污泥好氧发酵过程中功能膜对好氧发酵过程的影响及好氧发酵效果的影响，为在实际中的应用提供重要参考。
1 材料与方法
1.1 好氧发酵原料
本试验中试验设计及试验材料如表1所示。
1.2 好氧发酵装置
好氧发酵采用模拟反应装置，为高度 50 cm，直径35 cm的双层有机玻璃柱（图1），容积约为50 L，外部采用隔热棉包裹。实际填充物料容积约为40 L，底部采用穿孔管通风。
2 好氧发酵过程中指标变化
在好氧发酵小试过程中，分别测定了污泥的堆体温度变化、总有机碳降解率、总氮、C/N比及速效磷及发芽指数的变化情况。其结果分别如图2-7所示。好氧发酵过程中，处理1为污泥：辅料=1：2，但并没有覆盖膜；处理2为污泥：辅料=1：2，覆盖膜；处理3为污泥：辅料=1：1，覆盖膜[1]。由图2可以看出处理2中温度明显高于处理3，处理2温度最高能达65℃，而处理3仅能达到50℃左右。同时可以看出，好氧发酵过程中，覆盖膜处理温度比无膜覆盖处理平均高3℃。由5.3可知，TOC含量处理1与处理2并无显著性差异。处理3，TOC降解效果显著不如处理1和处理2。总氮含量和C/N比与TOC规律相当，处理1与处理2并无显著性差异（图3和图5）。速效磷处理1与处理2波动较大，总体呈现先上升后下降的趋势。而对于处理2而言，发芽指数在前15天出现明显抑制的现象[2]。
3 结果分析
3.1 数据分析
一般认为，堆体温度在55℃条件下保持3d以上，可以杀灭物料中所含病原菌，满足卫生学指标和好氧发酵腐熟的要求。由上述测定结果不难看出，污泥物料比例在1：2以上均能满足此要求，并且膜的覆盖在一定程度上能够防止热的挥发和散失。处理3污泥含量较高，导致温度无法满足要求。随着好氧发酵的进行，好氧发酵物料越来越稳定，有机质的分解速率明显下降，堆体温度呈下降趋势，最后接近环境温度，说明好氧发酵基本腐熟。好氧发酵初始阶段，嗜温微生物迅速利用易分解有机质进行自身繁殖，大量有机质被分解矿化，快速下降；之后，随着堆体温度升高，嗜热微生物逐渐占有优势，开始大量利用纤维素、半纤维素和木质素等较难分解的有机质，含量缓慢降低。处理3初始TOC含量较低，主要是因为增加污泥比例会相对降低混合物料的TOC含量。但是辅料添加比例过高，导致C/N比高，氮素相对不足，导致大量有机质不能很快被消耗，延缓了有机质降解过程（前述内容中溶解性有机物后期较稳定）[3]。污泥高温好氧发酵有机质降解主要集中在前两周，控制好这一阶段的好氧发酵条件，有助于提高有机质降解速率、无害化程度和好氧发酵效率。
好氧发酵混合料中总氮变化如图4所示。好氧发酵初始阶段，堆体内易分解有机质丰富、氮源充足，大量含氮有机质在微生物的作用下发生氨化作用，产生易挥发的氨，氨氮迅速累积，同时堆体温度迅速上升，并且持续高温，使得被物料吸附和溶解在液相中的氨打破了原有的平衡而大量挥发，反应器内有明显的氨味，大量随着通风而逸出，一直持续到高温期结束，导致大量氮素损失。处理1中由于没有膜的覆盖，导致在前5d总氮下降很快，达到最低点，有机质降解带来的浓缩效应远不能弥补氨气挥发造成的氮素损失，导致TN含量下降，而处理2膜覆盖后能够在一定程度上降低氮素的损失，处理3基本维持在原有水平上。处理1和处理2的C/N比在过程中基本呈现下降趋势，在20天后下降趋势趋于平缓，综合堆体温度变化，说明好氧发酵已经趋于稳定，进入后熟阶段[4]。
图7为好氧发酵过程中GI的变化规律，从图中可以看出，好氧发酵结束后，发芽指数处理2>处理1>处理3。但是在好氧发酵过程中，处理2好氧发酵初期种子发芽率受到抑制，可能的原因有三个：（1）污泥中小分子有机酸初期浓度较高，抑制了种子的发芽率，随着好氧发酵进行，小分子有机酸被分解或者转化成高分子腐殖酸；（2）膜的覆盖导致堆体中氨的大量积累，从而抑制了种子发芽率，随着好氧发酵进行，氨转化、挥发；（3）重金属的固定和有效形态的转变。
3.2 经济性分析
目前有很多关于减少好氧发酵氮素损失、提高速效磷含量的研究。本试验中三个处理均能保证好氧发酵顺利进行，等量辅料（以1.0 kg干重计算）可以处理的污泥量（以干重极）分别为0.5 kg和1.0 kg。处理3调理剂节省了50%，但处理效果不是很好。但过高的增加调理剂含量，会导致运输、粉碎和混合等费用和能耗；增加污泥比例可以大幅度提高处理效率，并且由于碳源限制可以缩短一次发酵时间，好氧发酵系统利用率高，调理剂的好氧发酵产品存储空间减少，基础建设费用降低；污泥好氧发酵在很大程度上只是为了无害化和减量化，所以结合实际运行情况（温度可达80℃），加上本试验的试验结果，认为污泥辅料混合比例在1：1-1：2之间，适当减少曝气量，控制温度在70℃以下， 在满足好氧发酵质量的基础上，还能够提高好氧发酵效率，有显著的生产价值和经济效益。
4 膜覆盖式好氧发酵处理污泥技术评价
从试验结果来看，处理后污泥基本满足《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》（GB/T 23486-2009）中的要求，除个别情况下理化指标（pH和EC）和污染物指标（Cu和As）外，均能满足园林绿化要求。污泥园林绿化利用时，应控制污泥中的盐分，避免对园林植物造成影响。污泥施用到绿化地后，要求对盐分敏感的植物根系周围土壤的EC值宜小于1.0 mS/cm，对某些耐盐的园林植物可以适当放宽到小于2.0 mS/cm。从以上结果分析可知，污泥园林利用时，宜根据污泥使用地点的面积、土壤污染物本底值和植物的需氧量确定合理的污泥使用量。
從养分指标来看，本项目处理污泥泥质均能满足要求，甚至远超过限制要求。但是从测试项目中不难看出，溶解性有机质相对含量较高，膜覆盖导致氮素流失减少，在污泥中大量积累，其结果可能会导致径流中磷和氮浓度的提高，从而导致二次污染。因此污泥如果使用不当，其中的氮磷将随降水进入地表径流最终流入江河湖泊，造成非点源污染问题。从污染物指标来看，污泥经过膜发酵好氧发酵后，重金属无论是总量还是生物有效性，都能得到很好的控制。
5 建议
本项目污泥处理泥质可满足园林绿化使用要求。为进一步提高污泥处理效果，根据本项目测定指标，结合国家相关标准和国内外参考文献，建议如下：
（1）污泥、辅料的参合比例为1：2，处理后污泥中溶解性有机物含量较高，因此建议可适当降低辅料投加比例，在重金属达标的基础上，控制在1：1-1：2之间为宜。
（2）本项目好氧发酵过程中温度高达80℃，温度高于65℃时并不利于微生物的增值和活性。因此可合理控制曝气量，控制最高温度在70℃左右，这样不仅可以节约能源，而且能够促进有机物的降解，减少二次污染的可能性。
（3）处理污泥应根据实际情况，确定合理比例，正确使用。
参考文献
[1]王涛.膜覆盖条垛堆肥技术与应用案例[J].中国环保产业，2013（12）：25-28.
[2]马小杰，黄瑾.膜覆盖好氧发酵工艺在城镇污泥处理中的应用[J].中国市政工程，2015，180（4）：42-44.
[3]王军军.膜高温好氧发酵技术在污泥处理工程中的应用[J].给水排水，2016（4）：40-44.
[4]马小杰，黄瑾.膜覆盖好氧发酵工艺在城镇污泥处理中的应用[J].中国市政工程，2015（4）：42-44.
收稿日期：2018-05-22
作者简介：张燕剑（1984-），女，工程师，学士，研究方向为给排水管理。
