赫俊国

发布日期：2021-06-07   浏览量：2247

1、研究背景——现实问题

（1）贮存污泥产量巨大

➢贮存污泥主要就是指在污泥填埋场贮存多年且只经过简单毒性处理的污泥；

➢近年来，我国污水处理量不断上升。而作为污水处理的“衍生品”，我国污泥产量也年年攀升；

➢但是长期以来我国污水处理过程中主要以水质达标为主，“重水轻泥”是普遍存在的现象。污泥处理处置发展却十分缓慢，污泥有效处置率偏低；

➢在我国，目前大约2/3的污泥被填埋，1/5的被外运和随意堆放，焚烧和资源化利用的比例较少。因此导致贮存污泥的产量越来越多。

（2）贮存污泥引发一系列问题，亟需对其进行处理处置

➢含水率高，易产生渗滤液，而渗滤液对土壤和地下水产生污染；

➢内部厌氧发酵，产生恶臭气味，导致周围大气环境污染、蚊蝇滋生；

➢离村庄特别近，影响周边居民的正常生活以及健康；

➢占地面积大，浪费土地资源。

（3）缺乏贮存污泥相关的处理处置标准和技术

➢随着“十三五”规划出台，将更加重视改善生态环境总体质量，贮存污泥带来的环境问题已经引起社会各界的重视。

➢但由于重水轻泥的原因，污泥处置技术发展缓慢，目前还没有贮存污泥处理的相关标准和技术，因此亟需对贮存污泥进行处理处置的技术。

（4）贮存污泥在贮存过程的性质变化、高含水率等会影响后续处理处置

➢目前对于贮存污泥性质在贮存过程中随时间的变化未见相关报道，鉴于贮存污泥特性会影响其处置及利用方式，因此亟需对其贮存过程中的性质进行分析；

➢贮存污泥的含水率仍高75%~80%，影响其后续的处理处置，因为各种处置方法对污泥含水率都有明确的要求：污泥用于卫生填埋和土地利用时含水率需低于60%，作建筑材料时含水率应该低于45%，单独进行焚烧时含水率需要低于50%。同时会增加运输难度和成本。因此对贮存污泥进行干化处理，降低其含水率，是目前解决贮存污泥问题的关键。

2、污泥综合利用研究现状

污泥的综合利用是指污泥处理和处置的综合，污泥的处理和处置密不可分。

（1）处理技术

污泥处理是指污泥经过处理实现减量化、无害化和稳定化。常见的污泥处理技术有浓缩、脱水、消化、干化、堆肥、石灰稳定化等。

（2）处置技术

污泥的处置指经过处理后的污泥在环境中的利用过程中达到稳定，不会对人体及环境产生有害影响的消纳方式。污泥的主要处置方式为填埋、焚烧、土地利用、海洋倾倒及制作建筑材料等。

（3）污泥利用现状

欧美等发达国家早在20世纪中期就具备比较先进的污泥处理水平。

我国与欧美发达国家相比，污泥的处理处置起步较晚，与其存在较大的差异。

“重水轻泥”的现状，更加导致污泥处理处置技术的发展缓慢，造成污泥处理缺乏法律法规的有效监管以及完善的处理设备及工艺。从而导致大部分污泥直接倾倒或掩埋，造成严重的二次污染。

3、干化方法概况

（1）物理干化

热干化：最常用的一种干化技术，干化效率高，但污染环境，费用高。

自然干化：利用自然力量去除水分，节能、成本低，但周期长，占地面积大、污染环境。

微波干化：利用微波技术处理，高效、应用前景广阔。

油炸干化：利用各种废弃油（精炼工业废油、回收的烹饪油、燃料油等）作为热介质，技术还不成熟。

（2）化学干化

生石灰干化：与污泥内部的水分发生化学反应来去除水分，工艺简单、投资少，但导致固体总量增加。

电渗析干化：利用直流电场的作用，提高脱水效率，此技术还不太成熟。

（3）生物干化

不需要外加热源，能耗低且无燃料产生的有害尾气。

生物干化技术

➢起源

1984年美国康奈尔大学Jwell教授在处理牛粪时第一次提出生物干化的概念。

➢原理

利用好氧微生物降解物料中的有机物产生热量，结合外界适宜的通风将物料中的水分去除，最终降低物料的含水率。

➢目的

最大限度去除物料中的水分，使物料减量减容，同时使物料在一定程度上得以稳定化，便于后续处理。

➢优点

不需外加热源，不会产生有毒有害气体，更加经济环保。

4、研究目的与意义

（1）贮存污泥在贮存的过程中会引发一系列的问题，因此对贮存污泥的处理处置迫在眉睫。

（2）贮存污泥在贮存过程中性质会发生变化，由于性质会决定后续的处理处置方式，因此需对贮存污泥性质的变化规律进行分析。

（3）贮存污泥的含水率仍然很高，影响进一步的处理处置，因而对贮存污泥脱水干化是后续处理的关键。

（4）生物干化技术是一种新型的干化技术，具有不需要外加热源、成本低、环境友好以及操作简单等优点，是处理贮存污泥的首选方法。

5、研究的主要内容与技术路线

（1）贮存污泥特性与变化规律分析；

（2）贮存污泥生物干化的关键工艺参数确定及预测模型建立；

（3）贮存污泥生物干化过程中组分变化规律及水分和能量分析；

（4）贮存污泥生物干化过程中微生物特性研究。

实验材料与方法

1、实验装置

2、实验原料

3、主要检测指标

（1）常规理化指标：含水率、pH、VS、重金属、PAM、总碳和总氮等；

（2）有机物指标检测：溶解性有机质、腐殖质、水溶性有机质的EEM、有机元素等；

（3）水分和热量平衡

贮存污泥特性与变化规律分析

1、贮存污泥理化性质随时间变化规律

含水率受降水等外界条件影响明显，变化无明显规律性；VS前期下降明显，后期趋于稳定，且与傅里叶函数拟合较好；pH呈下降趋势，但下降不明显，始终维持在7左右。

2、贮存污泥营养元素随时间变化规律

总碳、总氮、总磷及总钾均前期下降明显，后期趋于稳定。

总氮逐渐下降，与高斯函数拟合较好；铵态氮先增加后减少，与傅里叶函数拟合效果较好；硝态氮逐渐增加，与多项式函数拟合较好。

3、贮存污泥中微生物组成随时间变化规律

细菌占绝对优势，且逐渐下降；真菌相对稳定（4%~5%）；放线菌逐渐减少；原生动物逐渐增加；厌氧微生物逐渐增多。

4、贮存污泥中重金属随时间变化规律

从表中可以发现各种重金属总量并没有发生明显的变化，且只有Cu、Zn两种元素超过国标中的污泥农用标准，但是满足欧盟及法国的标准。

各种形态之间的转化并不明显，且大部分的重金属始终以比较稳定的可氧化态和残渣态形态存在，说明贮存时间对重金属形态变化影响并不显著。

贮存污泥特性与变化规律分析-小结

（1）pH在贮存过程中未产生明显波动，稳定在7左右。含水率变化无明显规律性，其与贮存时间无关，主要与外界降雨（雪）、蒸发等自然条件有关。

（2）贮存污泥中的有机质及营养元素随着贮存时间的增加而逐渐减少。VS、TN、NH4+-N和NO3--N的变化趋势分别与傅里叶函数、高斯函数、傅里叶函数和多项式函数拟合较好。

（3）随着贮存时间的增加，污泥中的厌氧微生物数量增加，但总的微生物数量呈现减少趋势，细菌仍占绝对优势。

（4）重金属含量及形态在贮存过程中没有明显规律性变化，说明贮存时间对重金属的含量及形态变化影响较小。

贮存污泥生物干化关键工艺参数研究

1、调理剂种类对贮存污泥生物干化的影响

非木质调理剂（啤酒糟、稻草、白酒糟）的生物干化效果优于木质调理剂（锯末、刨花、细木条）的效果。

2、调理剂配比对贮存污泥生物干化的影响

B2（5:1）堆体高温维持时间最长，积累温度值最高。

B2（5:1）堆体含水率减少及VS降解幅度最大。

pH及CO2含量均先增加后减少；O2含量与CO2变化趋势相反：先减少后增加。

3、通风方式对贮存污泥生物干化的影响

当通风方式为间歇通风(A1、A2)时，更有利于堆体温度的积累、水分的去除以及VS的降解，且A2的效果更好。

4、通风量对贮存污泥生物干化的影响

D2堆体高温维持时间最长，积累温度值最高；含水率减少最明显，并且Stage 2是水分去除的主要阶段。

VS逐渐降低；pH及CO2含量均先增加后减少；O2含量与CO2变化趋势相反：先减少后增加。

5、基于支持向量回归机的预测模型建立

预测模型：

从验证结果可知，含水率的预测值和实验值的变化趋势是一致的，并且预测值与实验值的误差范围较小，最大误差为1.98%，最小误差仅为0.57%，因此该模型的预测效果较好。

贮存污泥生物干化关键工艺参数研究-小结

（1）采用6种调理剂进行实验，结果发现调理剂的种类对生物干化有显著影响，木质调理剂（锯末、刨花和细木条）的效果比非木质调理剂（稻草、啤酒糟和白酒糟）的效果要差。对调理剂配比的研究表明，配比为5:1（w/w，湿重）时较合适。

（2）采用不同通风方式及通风量研究通风状况对生物干化的影响，研究表明：通风方式为10min开/20min关的间歇通风方式，通风量为1.4L min-1 kg-1干物质是较为合适的选择。

（3）基于支持向量回归机的预测模型预测效果较好（最大误差为1.98%），可以用于生物干化过程中含水率的变化预测。

贮存污泥生物干化过程中组分变化规律及效能研究

1、不同组分转化规律——溶解性有机质变化

 
 

➢ DOC逐渐下降，且前前快速下降，后期减缓；

➢ DON初期短暂的快速上升，第3天之后快速下降；

➢ DOC/DON比值逐渐下降，最后趋于稳定，表明物料稳定性增加。

2、不同组分转化规律——溶解性有机质EEM变化

➢蛋白类物质、微生物副产物、富里酸类物质荧光强度逐渐减弱；腐殖酸类物质逐渐增强；

➢干化结束时DOM的主要成分发生显著变化，腐殖酸类物质成为主要成分，说明物料向稳定大分子转变；

➢M2堆体腐殖酸荧光强度最强，表明以啤酒糟为调理剂的堆体稳定化程度最高。

3、不同组分转化规律——有机质不同溶解性组分转化

➢水溶性组分降解程度最高，且其降解主要发生在生物干化的升温期以高温前期；

➢半纤维素的降解程度仅次于水溶性组分，降解主要发生在高温期及降温期；

➢纤维素的降解程度低于半纤维素，纤维素主要在高温期及后期发生降解；

➢木质素是生物干化过程中最难降解的有机物，整个干化过程含量有少量增加。

4、不同组分转化规律——主要元素变化

➢在生物干化过程中各种元素含量均呈现逐渐下降的趋势，且初期阶段下降速率较快，后期趋于稳定，表明有大量的有机物在初期发生降解；

➢C/N比随着生物干化的进行降低，意味着经过生物干化物料的稳定性和矿化程度得以提高。

5、不同组分转化规律——腐殖质及其组成变化

➢腐殖质含量缓慢上升；

➢胡敏酸（腐殖酸，HA）和富里酸（FA）是腐殖质的主要成分，HA含量呈现上升的趋势，反之FA含量逐渐下降，与EEM吻合；

➢HA/FA随着生物干化的进行逐渐升高，说明生物干化有利于大分子物质的形成。

6、水分变化分析——水分去除量

➢生物干化过程中Stage 2是水分去除的主要阶段，占总去除量的比例接近60%；

➢生物干化过程中水分的去除量大小顺序为：Stage 2 > Stage 1> Stage 3；

➢M2堆体的干化效果好于M1和M3，因此进一步说明啤酒糟更加适合作为的调理剂。

7、水分变化分析——蒸发及产生水分变化

➢水分的蒸发速率及代谢产水速率先增加后降低，且与温度变化密切相关；

➢堆体代谢产水量与蒸发量的比值约为1:6.42，说明生物干化过程中堆体蒸发水量远大于产水量，因此水分得以减少，生物干化才可以实现。

8、水分变化分析——水分平衡分析

➢水分的散失途径有蒸发和翻堆两种途径，且蒸发是水分去除的主要途径，占总去除量的90%以上；

➢微生物新陈代谢产生的水分含量远小于脱水量。

9、热量分析——热量平衡

生物干化系统热量平衡分析

➢蒸发散热是热量损失的主要途径，占60%左右，其次为反应器散热（20%左右）和物料升温消热（15%左右）。

➢产生的生物热稍大于消耗的热量，说明系统产生的生物热足以维持系统的热量利用。

10、热量分析——污泥与调理剂生物热贡献分析

贮存污泥和调理剂各自产热量分析

➢贮存污泥的生物产热量仅占总产热量的13.33~17.65%，调理剂对生物热的贡献值大于80%，远高于贮存污泥，所以生物干化过程添加调理剂非常有必要。

贮存污泥生物干化过程中组分变化规律及效能研究-小结

（1）生物干化过程中的DOM含量、EEM图谱以及腐殖质变化表明，生物干化可以促进物料向稳定的大分子物质转化；结构不同的有机组分在生物干化过程中降解情况不同。

（2）蒸发是生物干化过程中水分去除的主要途径，占总去除量的90%以上，其中Stage 2是水分去除的主要阶段，60%左右的水分在此阶段被去除。微生物新陈代谢产生的水分远小于脱水量，因此生物干化过程可以实现物料的干化。

（3）蒸发散热是热量损失的主要途径，占总消耗热量的60%左右。微生物代谢产生的生物热稍高于消耗的热量，可以维持系统热量的利用。调理剂对生物干化系统生物热的贡献值大于80%，远远高于贮存污泥的贡献。

贮存污泥生物干化过程中微生物特性研究

1、常规微生物数量变化

➢细菌和放线菌数量变化类似，总体先增加后减少，但是由于放线菌耐高温，在高温期仍能维持相对较高的水平；

➢真菌数量在生物干化初期出现短暂的上升，由于真菌不耐高温，此后快速下降，在后期出现短暂的上升。

2、酶活性变化

➢生物干化过程中对易降解有机物的降解起作用的酶类（淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶）活性在干化初期快速增高，进入高温期后活性降低。总体先增高后降低。

3、酶活性变化——木质纤维素酶活性

• 木聚糖酶进入高温期之后活性出现轻微的上升；

• 羧甲基纤维素酶活性在初期缓慢增加，在高温期活性达到较高的水平，之后逐渐降低；

• 木质过氧化物酶在整个生物干化过程中始终维持在较低的水平，说明对木质素的降解程度很低。

• 总之，木质纤维素酶在整个生物干化过程中始终维持在较低的水平。

4、细菌群落特性分析——群落丰度和多样性



➢稀释曲线、OTUs数目、Chao 1和ACE指数表明生物干化过程在一定程度上会到导致细菌群落的物种丰度降低；

➢ Shannon和Simpson指数表明细菌群落多样性也逐渐降低。

细菌的alpha多样性指数



5、细菌群落特性分析——群落结构



➢门水平，优势菌为Firmicutes（厚壁菌门）、Proteobacteria（变形菌门）、Bacteroidetes（拟杆菌门）、Actinobacteria（放线菌门）和Chloroflexi （绿弯菌门）。厚壁菌门和放线菌门为嗜热菌。

➢由PCoA分析可知，群落相似性在生物干化过程中始终在发生变化。



➢属水平，整个生物干化过程中的优势属为Ureibacillus和Bacillus（芽孢杆菌属），且两者均为嗜热菌。

6、细菌群落特性分析——群落间相互作用



➢可以发现为Firmicutes（厚壁菌门）、Proteobacteria（变形菌门）、Bacteroidetes（拟杆菌门）、Actinobacteria（放线菌门）和Chloroflexi （绿弯菌门）为优势菌。

➢厚壁菌门和放线菌门呈现正相关，变形菌门和拟杆菌门呈现正相关。

7、细菌群落特性分析——群落演替模型



➢可以直观地观察到升温期细菌群落具有较高的丰度和多样性，进入高温期之后均降低，降温期之后虽然有一定的复苏，但是仍然低于升温期。

8、细菌群落特性分析——功能性预测



➢由1级预测可知，代谢（metabolism）是最重要的代谢途径（47.76~50.70%），其次为基因信息处理过程、环境信息处理过程和细胞过程。

➢由2级预测可知，氨基酸代谢、糖类代谢、能量代谢和膜运输是生物干化过程中的主要代谢途径。



➢由3级预测可知，转运蛋白（包括ABC转运蛋白）、一般功能预测、DNA修复和重组蛋白、双组分体系和嘌呤代谢是主要的生化代谢途径。

9、真菌群落特性分析——多样性和相似性



➢生物干化过程同样导致真菌群落的丰度和多样性降低。



➢由相似性分析可知，生物干化初期啤酒糟中的真菌占优势；

➢高温期过后啤酒糟中的真菌逐渐失去优势，贮存污泥中的真菌逐渐成为优势菌。

10、真菌群落特性分析——群落结构



➢门水平，Ascomycota（子囊菌门）是整个过程的优势菌；



➢属水平，Pichia（毕赤酵母属）是最主要的优势菌。

11、真菌群落特性分析—群落间相互关系



网络分析图（目水平）

➢ Sacomycetales（酵母目）是生物干化过程中的优势菌（40.73%），其次为Tremellales （银耳目，7.30%）和Microascales（囊菌目，6.68%）。

➢酵母目和囊菌目呈现负相关性（绿线），说明具有抑制关系；酵母目和银耳目为正相关（红线），说明它们为共生关系。

12、真菌群落特性分析—群落演替模型



演替图

➢真菌群落丰度和多样性经过短暂的适应期之后达到最大值（B），高温期导致大部分嗜温菌失活，因此丰度和多样性降低，此时嗜热菌成为优势菌（C），达到降温期后部分微生物活性恢复，因此群落多样性有所回升（D），达到新的平衡，但是仍然低于初期的多样性和丰度（A）。

12、真菌群落特性分析—功能性分析



➢生物干化过程中的真菌根据营养方式和生态模式主要分为病原型和腐生型两大类，以及4个小类：未定义腐生菌、动物病原菌、粪便腐生菌和真菌寄生菌；

➢大部分的动物病原菌在生物干化结束时未被检出（如Candia、Mucor和Geotrichum），但是Scopulariopsis（帚霉属）在生物干化结束时仍可以检测出，说明生物干化可以使大部分的病原菌失活。虽然不及堆肥灭活彻底，但是生物干化仍是一种有效的灭活病原菌的生物处理方式。

➢大部分的病原真菌只在高温期之前检出，说明高温是病原菌灭活的最主要的因素。

13、水分变化与微生物关系



微生物与水分蒸发相关性分析



生物干化过程中水分蒸发起作用的微生物主要为Bacillus、Ureibacillus和Pichia。

贮存污泥生物干化过程中微生物特性研究-小结

（1）细菌和放线菌数量变化类似，总体先增加后减少。真菌数量在生物干化初期出现短暂的上升，由于真菌不耐高温，此后快速下降。

（2）淀粉酶、蛋白酶及脂肪酶活性均呈现先增加后降低的趋势。木质纤维素酶（木聚糖酶、羧甲基纤维素酶、木质过氧化物酶）在整个生物干化过程中始终维持在较低的水平，且它们的活性主要在干化的高温期及以后相对较高。

（3）细菌群落中厚壁菌门、变形菌门、拟杆菌门、放线菌门为整个生物干化过程中的优势菌（门水平），高温期的优势菌属为Ureibacillus和Bacillus。主要的生化代谢途径为：代谢、基因信息处理过程、环境信息处理过程和细胞过程。

（4）真菌群落的多样性经过高温期以后会降低。子囊菌门是高温期的优势菌门。属水平，优势真菌为毕赤酵母属。真菌主要分为病原型和腐生型两大类，以及4个小类：未定义腐生菌、动物病原菌、粪便腐生菌和真菌寄生菌。

（5）对水分变化与微生物群落的相关性分析表明Bacillus、Ureibacillus和Pichia对水分蒸发起至关重要的作用。

结论

（1）贮存污泥在长期的贮存过程中含水率始终维持在较高的水平（75~80%），有机质含量逐渐降低，厌氧微生物增加，Cu、Zn、Cr、Ni、Cd、As、Hg等重金属含量及形态并未发生明显规律性的变化。

（2）对贮存污泥生物干化关键工艺参数的研究表明：贮存污泥与啤酒糟的配比为5:1（w/w，湿重），通风方式为10min开/20 min关的间歇通风方式，曝气量为1.4 L min-1 kg-1干物质是较为合适的选择。预测含水率变化的支持向量回归机模型预测效果较好。

（3）对生物干化过程中的DOM、EEM图谱、腐殖质和有机元素分析表明，生物干化可以促进物料向稳定的大分子物质转化。对有机质不同组分的降解情况分析表明，结构不同的有机组分在生物干化过程中的降解情况不同。

（4）由水分平衡分析可知，蒸发是生物干化过程中水分去除的主要途径，占总去除量的90%以上。微生物新陈代谢产生的水分远小于脱水量，因此生物干化可以实现物料的干化。生物干化过程中蒸发是热量损失的主要途径，占总消耗热量的60%左右。调理剂对生物干化系统生物热的贡献值大于80%，其贡献值远远高于贮存污泥，因此贮存污泥生物干化时添加调理剂是非常必要的。

（5）生物干化过程中的细菌与放线菌数量均先升高后降低，真菌数量在初期出现短暂的上升，由于真菌不耐高温，此后快速下降。淀粉酶、蛋白酶及脂肪酶活性均呈现先增加后降低的趋势。木质纤维素酶（木聚糖酶、羧甲基纤维素酶、木质过氧化物酶）在整个过程中始终维持在较低的水平，且它们的活性主要在高温期及以后相对较高。

（6）对细菌群落分析表明，生物干化过程会导致群落多样性降低，群落结构会发生动态变化，Firmicutes、Proteobacteria、Bacteroidetes、Actinobacteria 和Chloroflexi为整个生物干化过程中的优势菌（门水平），高温期的优势菌属为Ureibacillus和Bacillus。利用PICURSt对群落的功能性分析可知，主要的生化代谢途径为：代谢、基因信息处理过程、环境信息处理过程和细胞过程；

（7）对真菌群落的分析同样表明，生物干化过程中真菌群落的多样性经过高温期以后会降低。Ascomycota是高温期的优势菌门，而Basidiomycota是升温期的主要真菌。在属水平，高温期的优势真菌为Pichia。利用FUNGuild数据库对真菌的功能性分析表明，真菌主要分为病原型和腐生型两大类，以及4个小类：未分类腐生菌、动物病原菌、粪便腐生菌和真菌寄生菌；对水分变化与微生物群落相关性分析可知Bacillus、Ureibacillus和Pichia对生物干化过程的水分蒸发起至关重要的作用。

原标题:赫俊国 | 寒区贮存污泥特性及其生物干化技术研究