剩余污泥发酵沼渣成分分析及脱水性能研究*

覃银红 易 艳 王兰亭 陈 娇 袁 媛 袁基刚 谢燕华 施国中

(1.成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059；2.四川理工学院化学与环境工程学院，四川 自贡 643000；3.农业部沼气科学研究所，四川 成都 610041)

近年来，由于我国城镇化建设的迅速发展，居民生活用水量逐年增加，从而产生了大量生活污水。我国生活污水处理厂主要以活性污泥法处理，因此又会产生大量剩余污泥[1]。据统计，2015年我国剩余污泥产生量高达2.25亿t[2]。剩余污泥具有含水率高、病原微生物多、含有重金属等特点[3]，将剩余污泥进行厌氧发酵可实现减容、杀灭病原微生物[4]的目的，还能产生清洁能源沼气[5]。但是剩余污泥发酵沼渣该如何处理，又是新的课题。张玮玮等[6]、李占文等[7]、宋彩红等[8]对厌氧发酵的剩余污泥发酵沼渣用途进行了大量研究,发现沼渣可以进行二次利用，但必须对其中的重金属进行严格控制[9]。本研究通过对剩余污泥发酵沼渣进行成分分析，判断其是否适合用作有机肥料的原料，并对其脱水性能进行研究，以实现剩余污泥发酵沼渣的进一步减量化和资源化。

1 材料与方法

1.1 实验材料及分析方法

在四川省自贡市某污泥发酵厂的二级发酵罐采集混合液样品和机械脱水后的剩余污泥发酵沼渣样品。机械脱水后的剩余污泥发酵沼渣样品基本性质如表1所示，用于进行剩余污泥发酵沼渣二次厌氧发酵实验，105 ℃烘干至恒重后进行干基成分分析。

pH使用Thermo 310P-01A pH计测定；含水率采用重量法测定；有机质(以质量分数计)采用重铬酸钾重量法测定；TN采用消煮—蒸馏—凯氏定氮法测定；TP(以P2O5计)采用消煮—钼锑抗分光光度法测定；TK(以K2O计)及Cu、Zn、Cr、Cd、As、Pb、Hg等重金属采用电感耦合等离子体质谱仪测定；总养分为TN、TP和TK之和，以质量分数计。

表1 机械脱水后的剩余污泥发酵沼渣样品基本性质

1.2 剩余污泥发酵沼渣二次厌氧发酵

将机械脱水后的剩余污泥发酵沼渣置于图1所示的密闭容器中，在室温条件下进行33 d的二次厌氧发酵，每天定时取上、中、下取样口的混合样测定含水率及有机质。

图1 剩余污泥发酵沼渣二次厌氧发酵装置Fig.1 Secondary anaerobic fermentation device for excess sludge fermentation residue

1.3 剩余污泥发酵沼渣的离心转速优化

机械脱水后的剩余污泥发酵沼渣进行离心脱水的转速优化，分别在转速为3 000～3 600 r/min的条件下离心2 min，得到离心后的上层液体质量与离心前总质量之比即脱水率。

1.4 剩余污泥发酵沼渣脱水性能研究

将混合液样品自然沉降2 d后，去除上清液，取出底部不能继续沉降的含水率较高的剩余污泥发酵沼渣，用4.0 mol/L的NaOH调节pH至7.0。混凝实验时，在每100 mL样品中分别加入不同浓度的硫酸铝、硫酸亚铁、聚丙烯酰胺(PAM)和聚合氯化铝(PAC)作为混凝剂，置于搅拌器上以300 r/min的转速搅拌1 min，再以120 r/min的转速搅拌10 min进行充分反应，各取2.0 g经不同混凝剂混凝的剩余污泥发酵沼渣离心，将离心后的固体至鼓风干燥箱中烘干得到的固体质量，与离心前总质量之比即含固率，离心转速由1.3优化得到。

2 结果与讨论

2.1 剩余污泥发酵沼渣干基成分分析

由表2可见，4个机械脱水后的剩余污泥发酵沼渣样品总养分和有机质质量分数分别为4.22%～4.48%、9.17%～9.26%，均低于《有机肥料》(NY 525—2012)的标准值。

除Cu、Zn未被NY 525—2012限定外，Cr、Cd、As、Pb、Hg 5种重金属的质量浓度分别为116.57～137.06、1.16～1.57、9.76～10.75、41.23～48.29、1.67～1.94 mg/kg,均低于NY 525—2012的标准值，因此从重金属的安全性考虑，机械脱水后的剩余污泥发酵沼渣可以作有机肥料的原料。

综上所述，虽然机械脱水后的剩余污泥发酵沼渣总养分和有机质没有达到NY 525—2012的标准值，不能直接用作有机肥料，但从重金属的安全性考虑，符合NY 525—2012的标准，因此可将其用作有机肥料的原料，达到充分利用剩余污泥发酵沼渣中的养分和有机质的目的。

2.2 剩余污泥发酵沼渣稳定性

不稳定的剩余污泥发酵沼渣在厌氧环境中，会进一步进行厌氧发酵，其含水率和有机质会发生相应的变化[10]，因此将机械脱水后的剩余污泥发酵沼渣进行二次厌氧发酵，对其稳定性进行研究。

由图2可见，经过33 d二次厌氧发酵，剩余污泥发酵沼渣含水率变化不大，基本稳定在81%左右。剩余污泥发酵沼渣中有机质随发酵时间的延长有所下降，但基本稳定在8%左右。因此，机械脱水后的剩余污泥发酵沼渣性质已经稳定，二次厌氧发酵对其含水率及有机质影响不大，进一步保证了其可以作为有机肥料的原料进行资源化利用。

2.3 剩余污泥发酵沼渣的离心转速确定

由图3可见，随着离心转速的提高，脱水率增加。当离心转速从3 000 r/min提高到3 500 r/min时，脱水率从1.31%增加到了5.94%；进一步提高转速到3 600 r/min，脱水率基本趋于稳定。因此，确定离心转速为3 500 r/min。

表2 剩余污泥发酵沼渣干基成分

图2 剩余污泥发酵沼渣二次厌氧发酵含水率和有机质随时间的变化Fig.2 Moisture content and organic matter of excess sludge fermentation residue varied with time during secondary anaerobic fermentation

图3 不同离心转速对剩余污泥发酵沼渣脱水率的影响Fig.3 Effect of centrifugal speeds on dewaterability rate of excess sludge fermentation residue

2.4 混凝剂对剩余污泥发酵沼渣脱水性能的影响

不同混凝剂的投加量对剩余污泥发酵沼渣离心后含固率的影响如图4所示。由图4可知，混凝剂种类和投加量对剩余污泥发酵沼渣脱水性能有较大的影响。未投加混凝剂时，剩余污泥发酵沼渣离心后含固率为12.85%～15.76%，含固率较低且基本稳定。硫酸亚铁和硫酸铝的投加对剩余污泥发酵沼渣离心后含固率基本没有影响。但一定投加量的PAM和PAC对离心后含固率有较显著的提升，但两者的最适投加量不同。当PAM投加量为2 g/L时，离心后含固率达到最大，为30.24%；当PAC投加量为5 g/L时，离心后含固率达到最大，为30.34%。因此，在剩余污泥发酵沼渣中添加适量的PAM或PAC混凝剂可有效改善脱水性能，降低含水率，减少其体积，方便后续运输和使用。

图4 不同混凝剂对剩余污泥发酵沼渣脱水性能的影响Fig.4 Effect of different coagulants on dewaterability performance of excess sludge fermentation residue

3 结 论

(1) 剩余污泥发酵沼渣中Cr、Cd、As、Pb、Hg 5种NY 525—2012规定的重金属均达标，但是总养分和有机质不达标，因此不能直接作为有机肥料，可以作为有机肥料的原料。

(2) 二次厌氧发酵实验证明，机械脱水后的剩余污泥发酵沼渣含水率和有机质含量稳定，进一步保证了其可以作为有机肥料的原料进行资源化利用。

(3) 硫酸亚铁和硫酸铝的投加对剩余污泥发酵沼渣离心后含固率基本没有影响。PAM和PAC

的投加量分别为2、5 g/L时，剩余污泥发酵沼渣离心后含固率可分别提高到30.24%、30.34%。

[1] 赵庆良，赵赫，林佶侃，等．剩余污泥减量化技术研究进展与发展趋势[J]．给水排水，2005,31(11):106-111．

[2] 戢伟.水解发酵在剩余污泥减量化中的应用研究[D].武汉:武汉科技大学,2013.

[3] 王大伟,韩爱荣,苏朋,等.污泥减量化研究进展[J].广州化工,2010,38(5):65-67．

[4] CHEN W,STEEN F M,GREEN P G.Key influential factors for sludge pre-fermentation process design - a case study[J].Environmental Technology,2004,25(4):381-390.

[5] 张超君.剩余污泥厌氧发酵产沼气的工艺优化及沼液的资源化利用[D].包头:内蒙古科技大学,2015.

[6] 张玮玮,弓爱君,邱丽娜,等.以沼渣为原料固态发酵生产Bt生物农药[J].农业工程学报，2013,29(8):212-217.

[7] 李占文,刘银安,李攀,等.沼渣有机肥在灵武长枣生产中的应用研究[J].宁夏农业科技，2012,53(11):74-75,84.

[8] 宋彩红,夏训峰,席北斗,等.响应曲面法优化沼渣混合物料堆肥配比研究[J].中国环境科学,2012,32(8):1474-1479.

[9] 陈玉成,杨志敏,陈庆华,等.大中型沼气工程厌氧发酵液的后处置技术[J].中国沼气，2010,28(1):14-20.

[10] 廖燕.市政污泥与餐厨垃圾混合共厌氧消化性能研究[D].南宁:广西大学,2012.