“十四五”提出要破解污泥處置難點，實現(xiàn)污泥無害化，推進(jìn)其資源化，鼓勵采用好氧發(fā)酵的方式進(jìn)行無害化處理。污泥好氧堆肥時，其與輔料組成的混合物料含水率要達(dá)到50%～60%，故降低污泥含水率是關(guān)鍵。由胞外聚合物（EPS）包裹的污泥菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)具有親水性強(qiáng)、可壓縮性高等特點，阻礙了污泥脫水。目前污泥脫水主要是通過投加聚丙烯酰胺（PAM）調(diào)理，再進(jìn)行機(jī)械脫水，但污泥含水率只能降至80%左右，且有研究表明PAM具有微毒性，對于后續(xù)堆肥過程中的微生物活動具有抑制作用。超聲波是一種綠色、清潔的高級氧化技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)低強(qiáng)度超聲波可以改善污泥脫水性能，這是由于超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)能破解污泥絮體結(jié)構(gòu)，釋放部分結(jié)合水。鄭西朋等發(fā)現(xiàn)，經(jīng)超聲預(yù)處理的污泥在堆肥過程中有機(jī)物的分解效率更高，能夠更快進(jìn)入高溫期。

為解決污泥高壓縮性問題，有研究發(fā)現(xiàn)向污泥中添加物理調(diào)理劑（石灰、粉煤灰、生物炭等）可以形成骨架結(jié)構(gòu)，能夠有效降低污泥的可壓縮性，形成透水通道，提高污泥的濾水效率。沸石具有架狀晶體結(jié)構(gòu)，可作為骨架提高污泥的脫水性能。黃顯浪等探索了改性斜發(fā)沸石調(diào)理污泥的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該改性沸石是通過吸附架橋和電性中和作用在污泥中構(gòu)建骨架，使污泥在高壓下保持多孔排水通道。

綜上所述，超聲波與沸石調(diào)理均可提高污泥的脫水性能。然而關(guān)于超聲波與沸石聯(lián)合調(diào)理污泥的研究鮮有報道，故筆者探究了二者聯(lián)合進(jìn)一步提高污泥脫水性能的可行性，著重研究單獨超聲波或沸石以及聯(lián)合調(diào)理3種調(diào)理方式對于后續(xù)污泥好氧堆肥效能的影響，旨在為污泥的綠色、高效處理提供參考。

1、材料和方法

1.1 實驗材料

實驗污泥采自蘭州市某污水處理廠回流污泥，該廠處理規(guī)模為20×104m3/d，采用A2O工藝。所取污泥樣品需在4℃環(huán)境下保存，且只能保存3d。供試污泥含水率為97.19%，黏度為85mPa·s，pH為6.69，總固體（TS）為21.85g/L。

實驗分為沸石調(diào)理、超聲波調(diào)理和聯(lián)合調(diào)理。沸石調(diào)理劑采用天然沸石，粒度為100~200目。堆肥時添加米糠作為輔料，其主要目的是調(diào)節(jié)污泥含水率、碳氮比（C/N）和孔隙度等。堆肥原泥與輔料的含水率分別為75.58%、7.51%，有機(jī)質(zhì)含量分別為72.38%、71.27%，TN含量分別為38.70、33.62g/kg，TP含量分別為3.58、3.51g/kg，TK含量分別為6.53、4.94g/kg，C/N分別為21.09、75.04。

1.2 實驗裝置

堆肥采用自主搭建的堆肥反應(yīng)器，該反應(yīng)器如圖1所示。

裝置主要由繼電器、鼓風(fēng)機(jī)、曝氣管、水熱管、堆肥桶組成。堆肥桶容量為120L，實驗堆體的體積為80L，堆體表面距離桶頂10cm，桶底部與地面相距10cm。堆體中心的水熱管可控加溫。桶體底部鋪有礫石層支撐，底板開孔，防止?jié)B濾液淤積。桶四周包裹保溫隔熱層，防止堆體散熱過快。曝氣管通過時間繼電器控制開關(guān)，曝氣管上開有若干等距離的小孔，保證供氧均勻。

1.3實驗方法

脫水性能調(diào)理實驗：根據(jù)前期實驗篩選出沸石的最佳投加量為0.3g/L。超聲波最佳工況的頻率為20kHz、功率為20W、處理時間為5s。聯(lián)合調(diào)理實驗中，在投加沸石后，需在200r/min轉(zhuǎn)速下快速攪拌30s，再在80r/min轉(zhuǎn)速下攪拌15min。

好氧堆肥實驗：將調(diào)理階段得到的脫水污泥進(jìn)行好氧堆肥。設(shè)置4組污泥堆體，分別為原泥對照組、沸石調(diào)理組、超聲波調(diào)理組、聯(lián)合調(diào)理組，具體設(shè)置為80%無預(yù)處理脫水污泥+20%米糠、80%沸石調(diào)理脫水污泥+20%米糠、80%超聲波調(diào)理脫水污泥+20%米糠、80%沸石與超聲聯(lián)合調(diào)理脫水污泥+20%米糠。設(shè)置曝氣量為0.1m3/min，每小時曝氣20min。堆肥過程中每3d翻堆一次，保證堆體發(fā)酵和曝氣均勻。

1.4 檢測項目及方法

污泥脫水調(diào)理階段：以污泥比阻（SRF）與毛細(xì)吸水時間（CST）作為污泥脫水評價指標(biāo)，CST采用毛細(xì)吸水時間測定儀進(jìn)行測試，SRF采用污泥比阻實驗裝置進(jìn)行測試。污泥胞外聚合物（EPS）在空間結(jié)構(gòu)上分為溶解性EPS（S-EPS）和固著性EPS（BEPS），而B-EPS又分為松散型EPS（LB-EPS）和緊密型EPS（TB-EPS）。采用改進(jìn)的熱提取法提取各層EPS。提取EPS之后，進(jìn)行多糖和蛋白質(zhì)的測定，分別采用蒽酮-硫酸比色法和Lowry法測定。

好氧堆肥階段：在該階段相關(guān)參數(shù)的檢測方法參照《城市污水處理廠污泥檢驗方法》（CJ/T221—2005）。堆體含水率與有機(jī)質(zhì)采用重量法測定，TOC采用總有機(jī)碳分析儀測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，TP采用鉬酸銨分光光度法測定，TK采用常壓消解火焰原子吸收分光光度法測定，重金屬含量采用電感耦合等離子色譜法測定，種子發(fā)芽指數(shù)（GI）采用培養(yǎng)法測定。

2、結(jié)果與討論

2.1 調(diào)理污泥效果分析

2.1.1 對污泥脫水性能的影響

沸石或超聲波單獨調(diào)理以及聯(lián)合調(diào)理污泥的效果如圖2所示�？芍�，聯(lián)合調(diào)理污泥的脫水效果最好。而且先投加沸石調(diào)理再采用超聲波處理效果更優(yōu)，此時污泥CST與SRF分別降低至31.30s、2.52×1013m/kg。超聲波通過水力空化與機(jī)械力學(xué)的作用破解污泥絮體，釋放了部分結(jié)合水，改變了污泥的絮體結(jié)構(gòu)，將大絮體擊碎成小顆粒污泥，通過沸石的吸附架橋作用吸附小顆粒污泥，進(jìn)一步釋放表面吸附水。由于沸石的鋁氧四面體帶有負(fù)電荷，且其骨架空腔含有陽離子，可在陽離子周圍構(gòu)成強(qiáng)電場，所以沸石具有較大的靜電力吸附效能，使得沸石易于吸附極性分子。故推測沸石吸附了帶有極性分子的親水性基團(tuán)，提高了污泥的疏水性。此外，沸石具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，可形成穩(wěn)定的脫水通道；同時沸石還產(chǎn)生了骨架構(gòu)建作用，避免污泥在機(jī)械脫水過程中被過度壓縮，影響脫水效率。

2.1.2 對污泥EPS的影響

調(diào)理后污泥的EPS成分均有一定程度的變化（見圖3）。其中TB-EPS變化幅度較小，轉(zhuǎn)化過程主要發(fā)生在LB-EPS和S-EPS二者之間，無論是經(jīng)過單一調(diào)理還是聯(lián)合調(diào)理的污泥，其LB-EPS含量均降低，而S-EPS含量均升高，表明部分LB-EPS轉(zhuǎn)化為了S-EPS，而且這種轉(zhuǎn)化過程有助于污泥脫水性能的提高。有研究發(fā)現(xiàn)，S-EPS中蛋白質(zhì)和多糖含量的增加有助于提高S-EPS中的親水基團(tuán)數(shù)量，從而使水分在S-EPS中更加集中，便于去除。

2.2 污泥好氧堆肥基本性質(zhì)的變化

堆肥過程中溫度和含水率的變化如圖4所示。

根據(jù)《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB7959—1987）可知，堆體溫度若能保持55℃以上3d，堆體中病原體、微生物、蟲卵均認(rèn)為被殺滅。4組堆體的溫度在第4~8天一直保持在55℃以上，認(rèn)為堆肥的高溫階段達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。其中，沸石組與聯(lián)合組高溫階段的溫度更高，這可能是因為沸石在脫水污泥中形成了豐富的多孔結(jié)構(gòu)，為堆體內(nèi)的氧傳質(zhì)提供了有利條件，有利于微生物分解有機(jī)質(zhì)，從而釋放更多的熱量，提高堆體溫度。

從圖4（b）可知，第6~12天，超聲組和聯(lián)合組均出現(xiàn)了堆體含水率不降反增的現(xiàn)象。其原因是兩組污泥均經(jīng)過超聲波處理，超聲波有效破解了污泥絮體，釋放出更多的有機(jī)物，這些有機(jī)物在升溫階段和高溫階段被分解，產(chǎn)生了大量水分，導(dǎo)致堆體含水率上升。聯(lián)合組的含水率由最初的57.64%下降至36.97%，平均每天下降0.69%，在4組堆體中下降最為明顯，表明聯(lián)合調(diào)理對污泥堆肥含水率的下降具有促進(jìn)作用，可加快堆肥腐熟進(jìn)程。

2.3 污泥好氧堆肥營養(yǎng)成分的變化

2.3.1 有機(jī)質(zhì)和TOC的變化

有機(jī)質(zhì)和TOC的變化在一定情況下可以反映堆肥進(jìn)程。圖5為堆肥過程中有機(jī)質(zhì)的變化�？芍�，堆肥過程中有機(jī)質(zhì)含量持續(xù)下降，且前18d的下降速率高于后12d。另外，沸石組、超聲組和聯(lián)合組污泥有機(jī)質(zhì)的下降速率均高于原泥組，且聯(lián)合組最為明顯，其含量從75.90%下降至49.62%，平均每天下降0.88%。這說明聯(lián)合調(diào)理比單獨調(diào)理更能加快有機(jī)物的降解，促進(jìn)腐熟進(jìn)程。

TOC的變化趨勢與有機(jī)質(zhì)一致，原泥組、沸石組、超聲組和聯(lián)合組的TOC分解率分別為58.68%、64.74%、59.91%、64.80%，聯(lián)合組最優(yōu)，沸石組次之。這是因為添加了沸石使堆體擁有更多的自由空間，提升了氧傳質(zhì)和持水能力，從而提高了堆體內(nèi)的微生物活性，加快了堆體中含碳有機(jī)物的分解，使得肥效果更佳。

2.3.2 氮、磷、鉀及C/N的變化

氮、磷、鉀是植物細(xì)胞生命活動中的重要元素。堆肥過程中TN和C/N的變化如圖6所示。3組調(diào)理堆肥組的TN、TP、TK變化趨勢與原泥組基本一致。原泥組、沸石組、超聲組和聯(lián)合組的氮損失率分別為44.96%、41.67%、44.71%、40.41%。可見，超聲組與原泥組的氮素?fù)p失率相似，但添加沸石的堆體都減少了氮素流失，這是因為沸石可以充當(dāng)保氮劑，對NH4+具有較強(qiáng)的親和性和選擇性，提高了氮素利用率。

后12d氮元素耗散更慢，這是因為含氮有機(jī)物的主要代謝途徑從氨化向硝化轉(zhuǎn)變，氨揮發(fā)量減少，而且微生物生命活動減緩，進(jìn)一步導(dǎo)致TN損耗速率減緩。TP和TK含量逐漸升高，表明堆肥過程中磷、鉀元素的占比增加，其原因除了堆體水分耗散及有機(jī)質(zhì)等被消耗使得堆體質(zhì)量減少，從而導(dǎo)致磷、鉀元素占比上升外，還因為污泥里礦物質(zhì)中的磷、鉀元素得到了釋放。由圖6（b）可知，C/N總體呈下降趨勢。據(jù)報道，堆肥最適宜的起始C/N為（20~30）∶1，而堆肥產(chǎn)品的C/N應(yīng)小于15。所以該堆體起始C/N適宜，同時堆肥最終產(chǎn)品也滿足植物生長時對氮元素的需求。

2.4 污泥堆肥產(chǎn)品中的重金屬含量與種子發(fā)芽率

2.4.1 污泥重金屬含量

4組堆體的重金屬含量見表1。

由于有機(jī)物降解和水分散失，堆體體積會大幅度下降，導(dǎo)致重金屬發(fā)生濃縮反應(yīng)，單位質(zhì)量堆體中的重金屬含量提升。而本研究中4組堆體的重金屬含量均有所下降，其中原泥組的重金屬含量也發(fā)生了下降，表明堆肥技術(shù)可以鈍化重金屬，降低其生物有效性。同時由于堆肥過程中產(chǎn)生了滲濾液，因此推測部分重金屬會隨著滲濾液從堆肥反應(yīng)器底部流出，導(dǎo)致堆體重金屬含量下降。聯(lián)合調(diào)理可以更有效地去除重金屬，堆體中的沸石通過物理吸附、離子交換和沉淀絡(luò)合等交互作用機(jī)制，鈍化部分重金屬，這與生物炭在堆肥過程中的作用機(jī)制相似。結(jié)合之前的分析發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合調(diào)理可以更有效地降解有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)的降解使得大量與其結(jié)合的重金屬被釋放出來，更易隨著滲濾液排出。此外，由表1可知，4組堆肥產(chǎn)品中各種重金屬含量均遠(yuǎn)低于我國制定的各種泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足土地利用條件。

2.4.2 種子發(fā)芽指數(shù)

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）是衡量堆肥腐熟程度的重要指標(biāo)，其借助植物來反映堆肥產(chǎn)品的毒性，發(fā)芽率越高代表毒性越弱。堆肥物料中有機(jī)物、蛋白質(zhì)等物質(zhì)的分解程度和這些物質(zhì)的分解產(chǎn)物，如有機(jī)酸、氨等，其含量均可影響GI值。普遍認(rèn)為，當(dāng)GI高于50%時，物料對植物基本不存在毒性，認(rèn)為基本腐熟；而當(dāng)GI高于80%時，認(rèn)為物料已無生物毒性，完全腐熟。原泥組、沸石組、超聲組、聯(lián)合組堆肥產(chǎn)品的GI值分別為68.31%、80.35%、75.55%、94.19%�？梢钥闯觯�GI值均高于50%，表明通過3種調(diào)理方法皆可降低堆體的生物毒性。沸石組和聯(lián)合組更是超過80%，符合完全腐熟的標(biāo)準(zhǔn)，可認(rèn)為達(dá)到了無毒性的程度。

3、結(jié)論

超聲波和沸石聯(lián)合調(diào)理污泥能極大改善污泥的脫水性能，且先沸石后超聲效果更優(yōu)。沸石調(diào)理、超聲調(diào)理以及聯(lián)合調(diào)理都能使污泥中部分LBEPS轉(zhuǎn)化為S-EPS，且聯(lián)合調(diào)理對該轉(zhuǎn)換的促進(jìn)作用最為明顯。沸石組、超聲組和聯(lián)合組污泥堆肥時的有機(jī)質(zhì)下降量和下降速率均優(yōu)于原泥組，且聯(lián)合調(diào)理組表現(xiàn)最優(yōu)，說明聯(lián)合調(diào)理比單獨調(diào)理更能促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的降解，加快堆肥反應(yīng)進(jìn)程。4組堆肥產(chǎn)品中的重金屬含量均遠(yuǎn)低于我國制定的標(biāo)準(zhǔn)，且聯(lián)合調(diào)理降低重金屬的效果最佳。同時4組堆肥產(chǎn)品的GI值均高于50%，且聯(lián)合組最高，說明通過聯(lián)合調(diào)理的堆肥產(chǎn)品腐熟無害化程度最高。（來源：蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州理工大學(xué)溫州泵閥工程研究院，清華大學(xué)深圳國際研究生院，九江學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院）