本文屬于一組系列文章：
《污泥處理技術 | 濃縮脫水》
《污泥處理技術 | 厭氧消化》
《污泥處理技術 | 好氧發(fā)酵》
《污泥處理技術 | 熱干化》
《污泥處理技術 | 石灰穩(wěn)定》
本文即系第三篇《污泥處理技術 | 好氧發(fā)酵》。
1 原理與作用
好氧發(fā)酵通常是指高溫好氧發(fā)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(wěn)定的腐殖質的過程。代謝過程中產(chǎn)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(fā)，實現(xiàn)污泥穩(wěn)定化、無害化、減量化。
2 應用原則
污泥好氧發(fā)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(fā)酵廠的選址應符合當?shù)爻擎?zhèn)建設總體規(guī)劃和環(huán)境保護規(guī)劃的規(guī)定；與周邊人群聚居區(qū)的衛(wèi)生防護距離應符合環(huán)評要求。
污泥好氧發(fā)酵工藝使用的填充料可因地制宜，利用當?shù)氐膹U料（如秸桿、木屑、鋸末、枯枝等）或發(fā)酵后的熟料，達到綜合利用和處理的目的。
3 好氧發(fā)酵工藝與設備
3.1 一般工藝流程
好氧發(fā)酵工藝過程主要由預處理、進料、一次發(fā)酵、二次發(fā)酵、發(fā)酵產(chǎn)物加工及存貯等工序組成，如圖4-4所示。污泥發(fā)酵反應系統(tǒng)是整個工藝的核心。
圖 4-4 污泥好氧發(fā)酵工藝流程
3.2 好氧發(fā)酵的工藝類型
發(fā)酵反應系統(tǒng)是污泥好氧發(fā)酵工藝的核心。工藝流程選擇時，可根據(jù)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(fā)酵工藝和二步發(fā)酵工藝。一步發(fā)酵優(yōu)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(fā)酵倉造價略高，水分散發(fā)、發(fā)酵均勻性稍差。二步發(fā)酵工藝優(yōu)點是一次發(fā)酵倉數(shù)少，二次發(fā)酵加強翻堆效應，使堆料發(fā)酵更加均勻，水分散發(fā)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(fā)酵過程中運行方式分為靜態(tài)發(fā)酵，動態(tài)發(fā)酵，間歇動態(tài)發(fā)酵。靜態(tài)發(fā)酵設備簡單、動力消耗省。動態(tài)發(fā)酵物料不斷翻滾，發(fā)酵均勻，水分蒸發(fā)好，但能耗較大。間歇動態(tài)發(fā)酵較均勻，動力消耗介于靜態(tài)發(fā)酵與動態(tài)發(fā)酵之間。
3） 發(fā)酵堆體結構形式
發(fā)酵堆體結構形式主要分為條垛式和發(fā)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(fā)酵周期較長，堆體表面溫度較低，不易達到無害化要求，衛(wèi)生條件較差。當用地條件寬松、外界環(huán)境要求較低時，可選用條垛式，此方式也適用于二次發(fā)酵。
發(fā)酵池式發(fā)酵倉為長槽形，發(fā)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(fā)酵池槽中，衛(wèi)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(fā)生厭氧發(fā)酵；另外堆體內部產(chǎn)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(fā)酵周期較長，表層易滋生蚊蠅類。需氧量較低時（如二次發(fā)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(fā)酵產(chǎn)品腐熟度高。但發(fā)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(shù)過多增加熱量散發(fā)，堆體溫度達不到無害化要求。次數(shù)過少，不能保證完全好氧發(fā)酵。一次發(fā)酵翻堆供氧宜與強制供氧聯(lián)合使用。二次發(fā)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(fā)及堆體發(fā)酵均勻。但投資、運行費用較高，能耗大。
5） 發(fā)酵溫度
溫度是影響發(fā)酵過程的關鍵工藝參數(shù)。高溫可以加快好氧發(fā)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(chǎn)生抑制作用，導致其休眠或死亡，影響好氧發(fā)酵的速度和效果。因此，好氧發(fā)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(yōu)環(huán)境條件，從而達到加速發(fā)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(tài)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(chǎn)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(fā)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(fā)酵過程中良好的通風性能�；旌显O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(jīng)過混合后的物料經(jīng)過輸送設備，送入鋪料機，并將物料置入相應的發(fā)酵倉。一般情況下，輸送設備與鋪料設備相聯(lián)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(fā)酵工程，宜與自動化控制系統(tǒng)相結合，以保證工藝運行的穩(wěn)定性。
3）翻拋設備
污泥發(fā)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(guī)模污泥發(fā)酵廠，采用的翻拋機工作參數(shù)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(yè)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(fā)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(fā)酵工程，小型污泥好氧發(fā)酵可采用鏟車出料或人工出料。
5）供氧設備
在污泥好氧發(fā)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(jù)風壓風量要求，宜采用羅茨風機為宜，一臺風機可為多個發(fā)酵倉供風。
6）監(jiān)測儀器
污泥高溫好氧發(fā)酵工藝運行過程中，為保證發(fā)酵充分并避免臭氣污染，應進行在線監(jiān)測。在線監(jiān)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(jiān)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(tǒng)
大中型污泥發(fā)酵工程應配備自動控制操作系統(tǒng)，以便達到精確控制發(fā)酵參數(shù)，縮短發(fā)酵周期，促進污泥發(fā)酵腐熟。該系統(tǒng)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(fā)酵工藝
膜覆蓋高溫好氧發(fā)酵工藝是一種將微孔功能膜作為脫水污泥好氧發(fā)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(fā)酵物的衛(wèi)生化水平，保證致病性微生物在發(fā)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(fā)生厭氧而導致的臭氣產(chǎn)生。
由于功能膜的微孔特性，覆蓋在發(fā)酵體上，發(fā)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(fā)酵堆體。
膜覆蓋高溫好氧發(fā)酵工藝的堆體可采用條垛式、發(fā)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(jù)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(fā)酵工藝由預處理、進料、一次發(fā)酵、二次發(fā)酵等工序組成。膜覆蓋高溫好氧發(fā)酵工藝發(fā)酵產(chǎn)品衛(wèi)生化程度高、腐熟均勻。
4 好氧發(fā)酵設計與運行控制
4.1 預處理
脫水污泥好氧發(fā)酵前須進行適當?shù)念A處理，以調節(jié)適宜的含水率、碳氮比（C/N）等參數(shù)，并破碎成較小的顆粒。
污泥發(fā)酵前，脫水污泥必須與填充料進行混合、破碎�；旌掀扑楹笪锪系念w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�？衫眉糁Α⒙淙~等園林廢棄物和秸桿、木屑、鋸末等有機廢棄物，或利用已發(fā)酵的熟料作為回填料。
4.2發(fā)酵工藝參數(shù)與操作條件
1）衛(wèi)生學要求
應達到無害化衛(wèi)生要求，符合現(xiàn)行國家相關衛(wèi)生標準。
2）工藝設計參數(shù)
供氣系統(tǒng)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(fā)酵堆體中始終均勻有氧。一次發(fā)酵堆體氧氣濃度應在5%以上。
發(fā)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(fā)酵推薦采用發(fā)酵池式發(fā)酵。
工藝參數(shù)監(jiān)控：溫度、氧氣、水分、C/N、臭氣是影響好氧發(fā)酵過程的關鍵工藝參數(shù)。大中型發(fā)酵工程應對關鍵工藝參數(shù)進行在線監(jiān)測和調控，以提高發(fā)酵效率和工藝穩(wěn)定性，達到更好的臭氣控制和節(jié)能減排效果。對原始污泥和發(fā)酵產(chǎn)品的理化性質和衛(wèi)生學指標也應根據(jù)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(xiàn)堆體物料擠壓；采用布氣板系統(tǒng)，可有效避免物料壓實，造成的通氣不暢。
3） 一次發(fā)酵操作條件
發(fā)酵堆體中的溫度、氧氣濃度、耗氧速率監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)獲取參數(shù)信息，保證發(fā)酵通風風量的及時調整。一次發(fā)酵堆體氧濃度不低于5%，溫度應保持在55℃以上，持續(xù)時間不少于6d，總發(fā)酵時間不少于7d。一次發(fā)酵結束時，發(fā)酵污泥須滿足表4-2中的相關指標。
表4-2 發(fā)酵結束時發(fā)酵污泥相關指標
4.3二次發(fā)酵工藝參數(shù)與操作條件
二次發(fā)酵堆體溫度建議不高于45℃，二次發(fā)酵周期一般在30~50d。二次發(fā)酵推薦采用條垛式發(fā)酵。二次發(fā)酵結束時，發(fā)酵污泥須滿足表4-3 中的相關指標。
表 4-3 二次發(fā)酵結束時發(fā)酵污泥相關指標
5 二次污染控制要求
1）作業(yè)環(huán)境要求
作業(yè)區(qū)的監(jiān)測項目應包括噪聲、粉塵、惡臭氣體（H2S、NH3等）、細菌總數(shù)（空氣）；廠內外環(huán)境的監(jiān)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(fā)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(fā)酵過程中應保證全過程好氧，減少臭氣產(chǎn)生；發(fā)酵廠宜全封閉運行，發(fā)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(xiàn)行國家標準《工業(yè)企業(yè)設計衛(wèi)生標準》GBZ1、《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值》GBZ2 和《惡臭污染物排放標準》GB14554的規(guī)定。
2）脫水污泥和發(fā)酵產(chǎn)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(fā)生；應設置污泥發(fā)酵產(chǎn)物倉庫，倉庫容量應按能存儲30d 以上污泥發(fā)酵產(chǎn)品來設置。
6 高溫好氧發(fā)酵工藝的成本評價與分析
根據(jù)機械化和自動化水平、工程規(guī)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(jù)處理規(guī)模的不同，發(fā)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。
延伸閱讀
《污泥處理技術 | 濃縮脫水》
《污泥處理技術 | 厭氧消化》
《最全污泥行業(yè)標準、政策及出路分析》
《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術政策》
《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術指南（試行）》
《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理技術規(guī)程》
《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理技術標準（征求意見稿）》
《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術規(guī)范》
《生態(tài)環(huán)境部關于污泥單獨焚燒飛灰可否填埋的回復》
《固體廢物污染環(huán)境防治法（修訂草案）》
