摘要: 为实现农村污泥的减量化和资源化，采用了自主设计的农村污泥生物干化试验装置，以啤酒糟为调理剂，研究了不同通风量对农村污泥生物干化的影响效果，设3个试验堆体，采用10 min开/20 min关的间歇通风方式，其通风量分别为1.0、1.5和1.9 L/(min.kg干物质)，试验周期为18 d，测定了堆体温度(平均温度、积累温度)、水分(含水率、水分去除量)、挥发性固体(VS)、pH、O
2和CO
2等指标，研究结果表明，当采用10 min开/20 min关的间歇通风方式，通风量为1.5 L/(min.kg干物质)时生物干化效果较理想，此时有利于堆体温度的升高、水分的去除以及VS的降解，同时发现在生物干化过程中不必对堆体的pH进行调整。
Abstract:
In order to achieve the reduction and resource utilization of rural sludge, a self-designed rural sludge biodrying experimental device was adopted, with beer lees as a bulking agent. The effect of different ventilation rates on rural sludge biological drying was studied. Three experimental piles were set up, and an intermittent ventilation mode of 10 min on/20 min off was adopted, with ven-tilation rates of 1.0, 1.5, and 1.9 L/(min. kg dry matter), respectively. The experimental period was 18 days. The temperature (average temperature and accumulation temperature), moisture content (moisture content and moisture removal amount), volatile solids (VS), pH, O2, and CO2 were measured. The research results showed that the best drying effect was achieved when the ventila-tion rate was 1.5 L/(min. kg dry matter), which was conducive to the increase of reactor tempera-ture, removal of moisture, and degradation of VS. At the same time, it was found that the pH of the reactor did not need to be adjusted during the biodrying process.
1. 引言
随着我国农村生活水平的提高以及农村污水处理设施的完善，农村污泥产量逐年增加 [1] 。农村污泥具有分散、含水率高、有机质含量高、富含氮、磷、钾等营养元素、性质复杂等特点，如果不采用合理的处理方式，不仅造成环境污染，也会导致资源浪费 [2] [3] 。但是目前国内外对污泥的处理研究主要集中在城镇污泥，缺乏对农村污泥处理的系统研究，由于农村污泥与城镇污泥性质有较大的区别，因此专门研究农村污泥的处理处置具有重要的指导意义。
由于农村污泥含水率较高，影响后续的处理处置，因此对农村污泥进行干化处理，降低其含水率，是目前解决农村污泥问题的关键。生物干化技术即为一种比较理想的干化技术，最早是由美国康奈尔大学的Jewell等人于1984年研究牛粪生物干燥时提出 [4] ，主要利用好氧微生物自身发酵产生的热量去除物料中的水分，不需要额外添加热源，既经济又环保 [5] [6] 。目前，国内外的生物干化主要集中于城市生活垃圾、禽畜粪便、市政污泥、厌氧消化污泥等高湿度物料 [7] [8] [9] ，未见应用于农村污泥的相关报道。
通风量是影响生物干化效率的重要因素。通风量过大，虽然利于带走水分，但是不利于热量的积累，影响水分的去除 [10] ；通风量较低利于热量的积累，但是不利于水分的蒸发 [11] [12] [13] 。因此，采用合适的通风量，使水分去除和热量积累达到平衡是影响生物干化效果的关键。Navaee-Ardeh等人 [14] 研究了不同通风速率条件下城市固体废弃物的生物干化效果，结果发现通风速率与干化效率呈正比。Cai等人 [10] 研究了污泥生物干化过程中通风对物料的温度和水分蒸发的影响，表明强制通风是影响水分散失的主要因素。Colomer-Mendoza等人 [13] 研究了通风速率对园林废弃物生物干化的影响，结果发现较高的通风速率会不利于生物干化的进行。Zawadzka等人 [15] 研究了通风速率对城市生活垃圾生物干化的影响，结果发现较高的通风速率有利于水分的去除，但是不利于热量的积累及升温。
本文主要研究通风量对农村污泥生物干化的影响，考察了不同通风量条件下堆体温度、水分、VS、pH、O2和CO2等指标的变化，以明确在合适的通风量情况下农村污泥的生物干化效果。由于农村污泥分散、含水率高、性质复杂，对其进行生物干化不仅可以降低其含水率，便于后续的处理处置，而且还可解决农村污泥引起的环境问题，对美丽乡村建设和生态文明建设具有重要的意义。
2. 材料与方法
2.1. 试验材料
试验所用农村污泥取自北京某分散污水处理设施，啤酒糟取自某啤酒厂，试验原料的性质见表1。
Table 1. Characteristics of the raw materials of biodrying
表1. 生物干化原料性质
2.2. 试验装置与运行条件
试验过程中主要利用生物干化技术处理农村污泥，生物干化试验装置如图1所示。
Figure 1. Schematic diagram of experimental equipment for biodrying
图1. 生物干化试验装置示意图
生物干化试验装置主要由定时曝气装置、曝气泵、流量计、反应器、温度传感器、数据记录仪等组成。反应器主体是由有机玻璃制成，外壁用15 cm厚的保温棉包裹。此装置由定时曝气装置实现间歇通风，曝气泵进行曝气，流量计控制流量的大小。通过温度传感器和数据记录仪实时记录堆体的温度。距反应器底部约30 cm处设置一活动的有孔挡板，其均布直径2 mm的通风孔，便于支撑物料和均匀布气。反应器的一侧设有上中下三个取样口，取样时从三个取样口取样并混合均匀备用。
2.3. 试验方法
试验过程中共设置了V1~V3三个实验堆体，采用10 min开/20 min关的间歇通风方式，其通风量分别为1.0、1.5和1.9 L/(min.kg干物质)。生物干化试验周期为18 d，每3 d取一次样。
2.4. 检测方法
采用数字温控记录仪(仪器型号为：GS200-ET)实时监测堆体温度；采用重量法测定含水率及VS；采用pH计测定pH值；采用氧含量测定仪(仪器型号为DR-700)测定O2含量；采用HCl滴定法测定CO2含量。
3. 结果与讨论
3.1. 生物干化过程中温度的变化
农村污泥生物干化过程中不同通风量下堆体温度及积累温度的变化分别如图2和图3所示。
Figure 2. Effect of ventilation rate on pile temperature
图2. 通风量对堆体温度的影响
Figure 3. Effect of ventilation rate on accumulation temperature
图3. 通风量对堆体积累温度的影响
由图2可见，不同通风量下堆体的温度经历升温期、高温期和降温期三个阶段。这主要是由于堆体通风后，好氧微生物逐渐适应环境，开始大量生长繁殖，故产生大量的热量使堆体温度升高，后期由于营养物质的消耗殆尽，微生物活性下降，产生的热量减少，故堆体温度降低。不同通风量条件下堆体的温度变化不甚一致，V2堆体升温最快，且堆体的最高温度可达62℃，且高温期维持时间也较长，V1通风量过低，不利于好氧微生物的生长繁殖，V3通风量过高，不利于热量的积累，说明V2的通风量大小比较合适，微生物既不会因氧气过少而使活性受到抑制，堆体也不会因为通风量过大而带走过多的热量。此外，通过图3的积累温度发现，V2在所有堆体中值最高(300.41 ℃·d)，从侧面说明了V2堆体的通风量较合适。
3.2. 生物干化过程中水分的变化
水分是评判生物干化效果的最直接的指标。农村污泥生物干化过程中不同通风量下含水率的变化见图4，不同阶段水分去除量如图5所示。
Figure 4. Effect of ventilation rate on moisture content
图4. 通风量对堆体含水率的影响
由图4可以看出，不同通风量下堆体的含水率随着生物干化的进行均逐渐下降，且前期(前9 d)的下降幅度明显高于后期，例如V2堆体前期由70.22%下降至58.23%；后期由58.23%减至56.45%，前期的下降幅度远大于后期。此外，不同堆体含水率变化也有较大差异。V1堆体含水率下降最慢，其次为V3堆体，V2堆体的含水率下降幅度最大，由70.22%降至56.45%，说明V2堆体的通风量更有利于水分的去除。这主要是由于V1及V3堆体水分散失和热量积累没有达到很好的平衡。
注：阶段1 : 0~3 d；阶段 2: 4~12 d；阶段 3: 13~18 d。
Figure 5. Effect of ventilation rates on moisture removal
图5. 通风量对堆体水分去除量的影响
图5展示了不同阶段下堆体的水分去除量，可以发现V2堆体水分去除量最多，达到了3.48 kg；V1和V3分别为2.61 kg和3.13 kg，与图4的结果相同。此外，不同阶段的水分去除量存在较大差异，阶段2的去除量明显高于阶段1和阶段3，表明阶段2 (高温期)是生物干化过程中水分去除的主要功能阶段，其次为阶段1和阶段3，因此生物干化过程中应尽量维持高温期的时间。
3.3. 生物干化过程中VS的变化
不同通风量作用下VS质量分数的变化情况如图6所示。
Figure 6. Effect of ventilation rate on VS mass fraction
图6. 通风量对堆体VS质量分数的影响
从图中可以看出，不同通风量作用下各堆体的VS质量分数均逐渐下降，前期下降较快，后期下降较慢，最终趋于平缓，这主要是由于前期易降解有机质充足，微生物大量生长繁殖，故消耗的有机质较多，后期营养物质逐渐消耗，易降解有机质逐渐减少，故微生物对有机质的降解程度减弱。通风量大小对VS质量分数的变化有显著的影响，V2堆体VS的变化趋势最明显，由最初的63.15%降至最终的54.03%，V1的降解程度最低，由最初的63.15%降至最终的60.11%。V1通风量过低，导致堆体供氧量不足，V3通风量过大，不利于微生物的生长繁殖，因此可以发现V2堆体的通风量较合适。
3.4. 生物干化过程中pH的变化
生物干化过程中由于微生物的新陈代谢，系统内的pH会发生变化，具体变化情况如图7所示。
Figure 7. Effect of ventilation rate on pH
图7. 通风量对堆体pH的影响
从图7可见，不同通风量作用下的堆体pH均先升高后降低。生物干化过程中由于含氮化合物的存在，会发生氨化作用，堆体会产生大量的NH3，使堆体pH升高。后期随着含氮有机物的消耗，微生物活性受到抑制，堆体NH3产生量减少，同时由于硝化作用加强及有机酸的产生，pH逐渐下降。可以发现V1堆体的pH下降幅度最小，V2堆体pH下降幅度最大，这主要是由于其通风量合适，微生物新陈代谢旺盛，因此会产生较多的NH3。此外，可以发现整个生物干化过程中所有堆体的pH均在6.7~8.3之间，均在微生物生长繁殖的最适pH范围内，因此不需要进行专门的调节。
3.5. 生物干化过程中O2和CO2的变化
生物干化过程中各堆体O2和CO2体积分数变化分别如图8和图9所示。
Figure 8. Effect of ventilation rate on O2 volume fraction
图8. 通风量对堆体O2体积分数的影响
Figure 9. Effect of ventilation rate on CO2 volume fraction
图9. 通风量对堆体CO2体积分数的影响
由图8和图9可知，生物干化堆体中O2体积分数先下降后上升，CO2则与之相反，这主要是由于微生物在降解有机物时会消耗O2，释放CO2，生物干化初期堆体营养物质等比较充足，微生物新陈代谢旺盛，对有机物的降解速率较快，故O2体积分数先下降，CO2体积分数上升；随着生物干化的进行，营养物质逐渐消耗殆尽，微生物活性受到抑制，对有机物的降解速率减慢，故O2体积分数逐渐上升，CO2体积分数抓紧下降。
可以发现V1堆体O2和CO2体积分数变化幅度最缓，O2体积分数最低为11.45%，CO2体积分数最高时仅为10.46%，说明V1的通风量不足，抑制了微生物的生长繁殖。V2堆体O2和CO2体积分数变化幅度最大，O2体积分数最低时为8.72%，说明V2的通风量比较适合，适合微生物的生长繁殖。V3堆体的变化幅度同样比V2低，说明V3通风量过大，不适合微生物的生长繁殖。
4. 结论
本文在不同通风量作用下对农村污泥进行生物干化，以啤酒糟作为调理剂，得出以下结论：
(1) 通风量会对生物干化效果产生重要影响，通风量过大或过小均不利于生物干化的进行，当采用10 min开/20 min关的间歇通风方式，通风量为1.5 L/(min.kg干物质)时生物干化效果较好。
(2) 最佳通风条件下生物干化堆体最高温度可达62℃，含水率可降至56.45%，而且生物干化过程中适当的通风有利于提高升温的速度以及堆料有机质的降解。
(3) 农村污泥生物干化过程中，pH均在微生物生长繁殖的最适pH范围内，不需要进行专门的调节。
基金项目
北京市教育委员会科技计划一般项目(KM202312448002)。
NOTES
*通讯作者。