污泥堆肥技术及工艺优化：控制因素、调理剂、堆肥设备等
研究背景
污泥是污水处理过程中产生的固体废弃物， 其总量占处理水量的0.3%~0.5% ( 按污泥含水率97%计算)。研究表明：我国污泥年产量在2007—2013 年年均增长量为13%，且在2017 年干污泥年产量已达1053万t。以此估算，2020年我国干污泥年产量将达3978万t。污泥的处置问题将成为城市固废处置的重点与难点之一。污泥中含有大量重金属、病原菌、残留药物等有害物质，也包含了大量有机质及N、P、K 等营养元素，这意味着污泥作为固废的同时，也具备极大的资源化潜力。
目前污泥处置技术主要有卫生填埋、厌氧发酵、堆肥、焚烧、热解及气化等。近年来，许多国内学者对不同的污泥处置技术进行对比分析，以寻找适合我国经济、环境国情的污泥处置技术。Xiao 等发现污泥堆肥技术在CO2 排放、投资运行成本以及技术运行收益上相比焚烧技术占优势，在不考虑土地占用的情况下，堆肥在上述污泥处置技术中是最优选择。Liu 等发现堆肥工艺具备温室气体产量小、固碳性能好的优点；且相对于焚烧技术的投资运行成本较高，土地填埋技术的占地面积大、温室气体排放量大的缺点，污泥堆肥技术是最优处置技术。Hong等对污泥堆肥、焚烧、厌氧发酵、热解气化等技术进行温室气体、重金属生命周期和经济性分析得出，堆肥因农业利用在经济与环保方面占优势。
尽管污泥堆肥技术仍存在占地面积较大、处理周期较长、重金属易富集、温室气体及臭气的排放等限制技术推广的不足。多年来，学者们针对污泥堆肥技术缺点的优化研究投入了大量精力，并从污泥堆肥技术的发展、技术特点以及堆肥调理剂的应用等方面做了相应阐述。本文综述了目前污泥堆肥技术优化发展进程、控制因素、技术现状与劣势，总结了污泥堆肥技术发展过程堆肥调理剂以及堆肥设备工艺的优化，以期为污泥堆肥技术在我国的实践与推广应用提供有效指导，并为污泥堆肥技术的发展方向提出建设性建议。
摘 要
我国污泥产量逐年增长，污泥处置问题面临严峻挑战。污泥堆肥技术因其符合绿色发展理念，是极具发展潜力的污泥处置技术。高效化、高值化、智能化是目前污泥堆肥技术的发展方向。从堆肥调理剂的优化发展、污泥堆肥的曝气策略、除臭工艺及堆肥设备的工艺优化等方面，归纳总结了目前污泥堆肥技术工艺的发展现状及面临的主要问题。提出从废物利用、可回收设备研发利用、生物生命活动利用的角度开发堆肥调理剂；结合传感器反馈、软件数值模拟等技术，改良堆肥工艺设备；引进新型曝气及除臭工艺，研发高效堆肥设备。以期为可为我国污泥堆肥工艺的发展及相关研究工作提供参考。
01 污泥堆肥控制因素及国内工业化现状
1.污泥堆肥控制因素
堆肥技术是一项成熟且简单有效的技术，是在有氧条件下通过好氧微生物的生命活动，将堆料中的不稳定有机质转化为较稳定有机质，同时降低挥发性有机质含量、消除臭气的过程，其主要工艺流程见图1。目前对于污泥堆肥技术的控制因素受普遍认可的有通风量、含水率、温度、pH值和碳氮比(C/N)。通风量、含水率、C/N 为堆肥腐熟过程中微生物的生命活动提供必要的原料，温度及pH 值影响着微生物的活性。
通风量是污泥堆肥过程中最重要的控制因素，其决定了微生物可利用氧气的含量，并进一步影响堆体的含水率、温度及pH 值。通风量过小，易形成局部厌氧环境，导致好氧微生物活性低，堆肥效果不佳；通风量过大则会带走过量的水分及温度，致使堆体温度不达标，杀灭致病菌效果不理想。因此，通过优化曝气策略改善通风状态是污泥堆肥的主要技术难点之一。
2.污泥堆肥的污染源
1）重金属。
污泥中的重金属问题是限制其产物利用的主要障碍之一。污泥中的重金属源自污水处理系统的重金属富集。目前污泥重金属污染风险指标主要包含重金属总量以及根据化学形态定性的生物有效性。
我国污泥重金属主要有锌、铜、铬、镍、铅、砷、镉、汞等。污泥的农业利用将导致重金属在土壤、植物中的富集，进而对人体造成危害，这是阻碍污泥堆肥工艺推广的重要因素。目前尚缺乏经济有效性的手段大量去除污泥中的重金属，只能利用添加剂辅助微生物的生命活动，通过堆肥改变重金属形态，减少污泥堆肥产品重金属含量并降低重金属生物有效性。
2）臭气。
污泥堆肥过程会产生大量的挥发性有机质(VOCs)、氨气、硫化氢等刺激性气体，影响堆肥厂家周边居民生活，是妨碍堆肥工艺推广的另一大因素。针对污泥堆肥产生的刺激性有毒气体，国内外众多学者进行了相关研究，主要通过各种终端控制技术抑制气体排放并进行处理和针对VOCs 的产生机理进行研究，从臭气产生源头进行控制。
3）我国污泥堆肥技术工艺现状。
污泥堆肥技术起源于国外且普及较广，在我国起步较晚。20 世纪90年代，在国家“九五”重点科技攻关计划的支持下，我国建成了第1 座市政污泥机械化堆肥项目——唐山西郊污水处理厂污泥堆肥项目。之后，北京市密云区、太原市杨家堡、北京市庞各庄、太原市河西北中部、唐山市西郊二厂等地区的污泥堆肥系统相继建成并投入运行。但我国现行技术仍处于模仿、探索阶段，处理规模不大，且产品的市场化程度低。国内部分典型的污泥堆肥项目详情见表1。
目前，国内的污泥处置项目规模较小，大部分项目污泥日处理量在500 t 以下。《国家城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南》指出投资成本与系统的构成、污泥性质、自动化程度、设备质量等因素相关，“一般情况下，设计完整的污泥好氧发酵系统的投资为30万~ 50 万元/ t(含水率80%) ”。表1 中所有污泥处置项目的投资额均能满足技术指南的推荐值，并在设备工艺优化的投资上存在富余空间。
目前，国内的污泥堆肥工艺多个项目在引进如德国BACKHUS系统、高温好氧发酵处理技术(SACT工艺)、垃圾生化好氧处理技术(ENS 工艺) 等基础上，均根据当地实际情况对技术进行了改良。例如，北京庞各庄污泥堆肥项目采用了智能化控制系统ENSComposter，利用氧温探枪对堆肥过程氧含量、温度变化进行实时监测并通过负反馈系统控制通风系统，实现均匀柔和通风，缩短堆肥周期。洛阳市污泥处理厂二期工程采用SACT隧道仓工艺，相比一期工程的晾晒加动态通风条垛堆肥将处理规模从228 t/ d 提升到328 t/ d，同时也将堆肥周期从30 d 缩短至16 d，并将堆肥占地面积缩小至一期的1/3。桂林市上窑污泥处置场原厂采用垛式堆肥，因臭气外溢影响环境停产改造。在改造安装全封闭高温好氧发酵设备之后，实现了智能监测控制在线筛分与除臭处理，堆肥周期缩短2~ 5d，辅料添加量减少20%。同时，国内污泥处置项目正向大规模化发展。例如，日处理量达到1000 t 的沈阳市污水处理厂污泥处置项目已成功运行2年，且该项目正致力于调整运行模式提高处理效率，提升处理效果与空间利用率。
随着污泥堆肥技术在我国的发展，其作为主要污泥处置技术的运用在城市中面临的问题也逐渐凸显。国内污泥堆肥处置项目一般采用农业废弃物作为堆肥调理剂，然而这类调理剂季节性特征明显，在运输、储存方面会造成额外的运行成本；堆肥产物作为肥料使用，存在“经济半径”，即产物运输距离超过50 km经济性将受影响，如无补贴，堆肥产物的利用范围会受到较大限制；除臭效果良好的堆肥项目均采取全封闭的发酵设备，通过离心通风机除臭，耗电量会有所增加。以上几方面劣势限制了堆肥技术国产化的推广脚步，使其难以成为最主流的污泥处置技术。污泥焚烧目前被认为是污泥处置技术中最具发展前景的技术之一。然而，相比于污泥焚烧技术的耗能高、尾气排放量大且有害成分含量高，污泥堆肥具备能源消耗低、气体产物毒性低的特点。同时，污泥焚烧适用于较大规模的污泥处置项目以保证项目的经济性，而污泥堆肥则可适用于中小型项目。发展污泥堆肥技术，优化堆肥工艺仍具备一定的市场前景。
在“十一五”与“十二五” 期间，我国污泥处置技术实现了从无到有、从点到面的突破，取得了阶段性成果。对于污泥堆肥技术及其土地利用，国家制定了一系列相应标准，初步建立了污泥处置领域的标准规范与政策体系。其中，污泥堆肥技术方面的标准包括T/CECS 536—2018《城镇污水处理厂污泥好氧发酵技术规程》、CJ/T 510—2017《城镇污水处理厂污泥处理稳定标准》， 污泥土地利用方面的标准包括CJ/T 309—2009《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质》、CJ/T 362—2011《城镇污水处理厂污泥处置 林地用泥质》与GB/T 24600—2009《城镇污水处理厂污泥处置土地改良用泥质》。以上政策对污泥堆肥处置与土地利用分别做出了操作层面的规定，形成了“污泥堆肥+土地利用”的技术路线，但其仍存在一些问题：污泥堆肥处置标准与农林业施用泥质标准之间缺乏衔接与融合，对于污泥堆肥产物利用于农林业的方法与用量缺乏明确指导；对于污泥的土地利用未建立完善的环保监督体系与处罚体制，不能有力保障污泥堆肥土地利用的规范性；由于民众对污泥堆肥过程中污染物去除机理缺乏了解，导致民众对污泥堆肥土地利用的接纳度有限，影响产物销路。
总体上，污泥堆肥技术在我国得到了快速发展，“污泥堆肥+土地利用”的技术路线已具雏形。随着相关技术难点的攻克，污泥堆肥与土地利用相关技术标准的结合完善，支持性政策与管理办法的出台，以及对民众关于污泥堆肥安全性的科普与推广，污泥堆肥及其土地利用有望成为我国污泥处理与处置的有效途径。
02 堆肥调理剂研究进展
调理剂是污泥堆肥过程改善堆肥环境，提升堆肥效果的添加物。原污泥的含水率、孔隙度及C/N特征导致其不适宜单独作为堆肥原料，必须添加调理剂调节理化性质以符合堆肥需求。同时，通过添加调理剂可使污泥堆肥达到加速有机质降解及腐熟、减少氮素损失、降低温室气体排放量等效果。调理剂可分为活性调理剂、惰性调理剂及生物调理剂。
1.活性调理剂
活性调理剂是指含有参与微生物生命活动的可降解有机质，在堆肥过程中为堆体提供碳源并调节C/N的调理剂。常用活性调理剂有秸秆、稻壳、木屑等包含一定有机质且具备调节堆体孔隙度能力的生物质材料。近年来，污泥熟肥作为活性调理剂已被部分堆肥厂家采用，按比例与其他调理剂配比堆肥效果理想。总的来说，活性调理剂大部分由农林业生物质废弃物组成，其在污泥堆肥中的添加不仅能增长堆肥高温期时间，增强堆肥微生物的活性，提升堆肥效果，更能解决农林业生物质废弃物处置问题。
目前，我国污泥堆肥厂主要以秸秆、稻壳为主的农业废弃物作为活性调理剂，但其生产受季节性影响较大，且农业废弃物产地相对分散，无法满足堆肥厂的持续供应需求，需要额外的运输、储存支出，增加了污泥堆肥厂的运营成本。农业生物质废弃物与污泥熟肥结合使用将成为被广大污泥堆肥厂家接纳的主流活性调理剂，不仅减少农业废弃物的需求量，更提高了堆肥效果。同时，多样化活性调理剂的研发有利于缓解目前以农业废弃物为主要调理剂供应不便的现状，可通过使用锯末、蘑菇渣等有相对较稳定产出的物质作为活性调理剂，降低堆肥厂家在调理剂运输、储存上的运行投入。在此背景下，对于多样化活性调理剂的添加剂量及其对于污泥堆肥的影响效果的研究，是目前国内污泥堆肥厂需重点关注的方向。
2.惰性调理剂
惰性调理剂指本身不含参与堆肥微生物生命活动的可降解有机质，其主要作用是增加堆体孔隙率，提升氧气传质效率，同时减少臭气释放。常用的惰性调理剂有沸石、浮石、碎轮胎等。表2列出了目前在污泥堆肥中采用的惰性调理剂及其对堆肥过程的优化效果。惰性调理剂对于污泥堆肥的有机质降解、腐殖质生成、微生物繁殖以及营养元素的保存等方面均有显著优化，其调配与添加是污泥堆肥技术发展与应用过程中必须重视的环节。
目前，学者们正积极研发具备结构性优势的新型惰性调理剂。未来，对于物理化学性质稳定、结构性能良好、可回收利用程度高的惰性调理剂的研究是污泥堆肥调理剂优化的趋势。
3.生物调理剂
污泥堆肥是在微生物和相应酶的作用下，将有机质转化为稳定无毒复杂大分子的生物转化过程。有研究表明，相比于其他生物质废弃物(如动物粪便)，污泥堆肥的微生物活动更加强烈。因此，对污泥堆肥过程的生物种群发展分析有利于更清晰了解污泥堆肥机理。生物调理剂的优化研发也在堆肥工艺优化中占据重要位置。
污泥堆肥过程的微生物包含细菌、真菌、放线菌等，不同菌群在堆肥的升温、高温、腐熟阶段分别成为优势菌群，分工协作促进堆肥进程，具体分类见表3。基于对微生物作用机理的深入研究，学者们致力研发复合微生物菌剂，缩短堆肥时间，提升堆肥效果。
蚯蚓污泥堆肥是一种以蚯蚓为生物添加剂的污泥处置技术，无臭高效、氮素损失小的特点使其近年来得到广泛关注与应用。蚯蚓堆肥无高温阶段，主要靠蚯蚓的生命活动使污泥中的有机质腐殖化。相比于普通堆肥，蚯蚓堆肥的整体耗时较短，产物的营养物质存在形态更加稳定，同时还具备富集重金属、降低温室气体排放的优点。但因蚯蚓需要活动空间，蚯蚓堆肥具有场地需求面积较大的缺点。
复合菌剂堆肥与蚯蚓堆肥各自存在不足之处，复合菌剂堆肥需要长时间使腐殖质稳固化，且需要频繁曝气维持好氧条件；蚯蚓堆肥因蚯蚓的存在不能使堆体升温至杀灭病原菌的温度，无法满足无害化要求。故将2种工艺结合使用，利用复合菌剂堆肥高温杀菌后，加入蚯蚓堆肥加速腐殖化，弥补各自劣势。目前来看，尽管国内污泥堆肥厂家的堆肥产物重金属大部分能满足农林业用的控制标准，但大量连续施用势必引起土壤中的重金属积累，进而影响人类身体健康，这是导致我国污泥堆肥产物销路受阻的主要因素之一。复合菌剂堆肥和蚯蚓堆肥的联用技术在保证堆肥腐熟料的无害化同时，控制产物重金属含量并降低重金属的生物有效性，扩大了堆肥产物在农林业的应用范围，这为我国污泥堆肥厂提升产物质量，保证堆肥产物的经济性提供了新的思路。如何在经济成本上对联用技术进行控制，同时控制温室气体的排放以及富集重金属后的蚯蚓的后续处理问题，是未来需要深入探讨的方向。
03 污泥堆肥设备工艺优化研究进展
1.曝气策略优化
污泥堆肥活性的主要影响因素是堆肥微生物的活性，为其提供更加适宜的生长环境，有效提升污泥堆肥活性。曝气方式直接影响堆体温度与含水率，进而影响堆肥好氧发酵菌群的生长。目前，较典型的污泥堆肥曝气方式有自然通风静桩、强制曝气静桩及旋桩。自然通风静桩方便简洁，设备成本低；强制曝气静桩相比于自然通风静桩，具备堆肥快速腐熟的优势，且能有效减少N损失；旋桩在堆料均匀化及热分层形成的减少上具备优势， 且减量化效果明显。随着研究的深入，学者们发现单一的曝气方式并不契合堆肥微生物的生长规律。根据堆肥微生物的生长与生活特性对曝气策略进行调整优化，是优化污泥堆肥工艺的可行思路。
此外，传感器技术在堆肥曝气上运用的越来越广泛。Ekinci等研究了热电偶在静桩系统中对温度反馈控制曝气风扇的影响。传感器技术的应用使污泥堆肥向自动化、智能化方向发展，在节省大量人力物力的同时，也提升了污泥堆肥的效果，是现行污泥堆肥设备改良的着手点。
数值模拟技术在污泥堆肥的曝气优化上有巨大的推进作用，在提高污泥堆肥效率、降低运行成本、提升控制能力等方面成效显著。根据堆肥过程的能量与质量守恒原则，学者们提出了许多数值模拟方程以预测堆肥的温度、含水率、有机质降解等指标的演变。随着对污泥堆肥曝气研究的深入，也有学者对不同环境条件下的曝气策略提出数值模拟模型，并实验验证了模型的准确性。计算机技术与人工智能技术是当今社会热门发展的新兴科技，对更加全面的污泥堆肥数值模拟模型进行深入研究并与之结合，是污泥堆肥工艺向高效化、环保化、智能化方向发展的必由之路。
2.除臭技术优化
生物除臭技术是20世纪50年代后期发展起来的处理臭气的方法，其利用微生物的降解作用，把恶臭物质转化为CO2 、H2O、N2 、硫酸盐等无害物质，具备处理效率高、无二次污染、设备简单、操作简便、运行管理费用低等特点。常用的生物除臭工艺有生物过滤法、生物洗涤法、生物滴滤法、曝气式除臭法及各工艺联用等。其中，生物过滤法具有投资低、效率高的优点，在国内外应用广泛。学者们在生物过滤法的滤料优化上进行了大量的研究。生物过滤法倾向于利用生物质废弃物作为滤料，不仅达到废物利用效果，更能提升臭气去除效率。
膜覆盖技术是一种对静态条垛堆肥进行臭气控制优化的技术， 在20世纪80年代由德国Baden-Baden 提出，利用功能膜将堆体与周围环境隔离开的除臭工艺。该工艺利用聚四氟乙烯(PTFE) 微孔膜与植物复合的功能膜覆盖堆肥，通过鼓风作用在发酵堆体内部形成的低压内腔，在减少通风量的同时减少臭气的逸散，极大程度地缓解了臭气对环境的影响。由已有实践经验分析，膜覆盖技术仍存在堆肥周期长，保温性能不佳，覆盖过程无法翻堆等问题，需要进一步进行工艺改良以提高其实用性。
生物除臭技术与膜覆盖技术，均无法做到完全防止臭气逸散至堆肥厂空间，全封闭式的厂房设计配合离心通风机抽风仍是目前有效防治臭气逸散至周边环境的主要有效手段。故目前国内污泥堆肥厂家为防止臭气逸散在厂房设计、抽风电耗上的投入仍居高不下。在效果完美的除臭技术被开发之前，添加优化调理剂降低臭气产生量，结合现有除臭技术减少臭气扩散量，降低抽风机工作频率，是目前国内污泥堆肥厂家控制成本的有效途径。
3.堆肥设备优化
堆肥设备是各类堆肥技术的综合体，设备优化是污泥堆肥厂家长期致力研究的方向。目前，对堆肥设备的开发研究主要集中在以下方面：反应器堆肥设备结构优化，包括可再生能源利用、机械结构优化；曝气策略与除臭技术整合应用。
反应器堆肥具备发酵周期短、占地面积小及自动化程度高的优点，对反应器堆肥设备的能源及机械结构的优化备受关注。调整反应器设备能源与机械结构，进一步提升污泥堆肥效率是目前设备研发的主要方向。
在污泥堆肥厂的实践应用中，对先进曝气策略与除臭技术的整合应用取得了优异成效。在大规模的堆肥设备应用中正在对曝气策略优化及臭气逸散防治进行攻坚，努力向厂房一体化、设备自动化及空间利用高效化发展。
不论是反应器堆肥还是大规模堆肥厂家设备，空间合理利用和自动化信息化提升都是目前设备优化的着力点。反应器堆肥可控程度高，但处置规模较小，成本较高；堆肥厂家污泥综合处置量大、效率高，但一体化效果与自动化程度难以兼顾。如何整合两者优势，取长补短，是未来堆肥设备设计与应用的研究方向。
04 结论与展望
我国的污泥产量正迅速上升，合理控制污泥增产并进行可持续化绿色处置是其应对之策。污泥堆肥工艺因其耗能少，资源利用程度高，有一定经济效益等优点，是符合可持续发展战略的优良污泥处置工艺。如能攻克降低除臭技术成本难题，优化堆肥调理剂供给及完善产物土地利用相关法规，污泥堆肥将具备极大的发展及市场空间。本文针对目前污泥堆肥重金属、臭气污染、占地面积大，自动化程度不够导致处理效率低等问题，从调理剂开发与应用，曝气策略与除臭技术发展和优化，软件数值模拟及新型堆肥设备研发等方面对污泥堆肥技术进行综述。污泥堆肥技术与工艺优化的探讨与深入研究，将为我国全面实现污泥堆肥的减量化、无害化与资源化处置提供有力的技术支持。现对未来研究方向作如下展望：
1)调理剂研发。污泥堆肥调理剂需要从废物利用、可回收利用设备、生物生命活动利用的角度入手进行深入研发。现有研究表明:生物质废物制备的生物炭、可回收塑料膨胀剂、蚯蚓等调理剂均在重金属吸附、臭气产生源控制、提升污泥堆肥效果方面展现了优良性能，且契合可持续发展污泥堆肥理念，是污泥堆肥调理剂研发的主要研究方向。
2)控制智能化。在当今高度信息化的时代，需开发更加丰富、精确、切合污泥堆肥实际的数值模拟模型，精确定位污泥堆肥过程中的污染产生源，并统筹结合多种优良堆肥工艺，实现污泥堆肥的信息化、智能化，对高效解决城市污泥处置问题，维护城市环境意义重大。
3)工艺和设备优化。污泥堆肥厂家应引进先进曝气、除臭等设备，结合传感器反馈技术，组建系统控制网络，并根据实际运行情况对污泥堆肥工程进行因地制宜地改良与优化，为我国污泥堆肥技术的高效化、高值化发展提供技术支持。
4)工艺国产化。我国现行污泥堆肥技术仍处于模仿、探索阶段，处理规模不大，产物市场应用不广泛，臭气防治难及占地面积大等问题限制了污泥堆肥厂家的发展。应做到堆肥调理剂的多样化选择以应对目前调理剂受季节性影响的不足;采用新型调理剂改善堆肥产物质量，扩大适用范围确保产物经济性;引进先进通风除臭技术与设备，改良堆肥厂空间设计以提高空间利用率，优化能源结构降低运行成本。结合以上节点加大研发力度，推进工艺设备国产化，可有效解决我国城市污泥处置问题。
5)完善相关标准，健全法律法规。应深入关于污泥堆肥技术与其产物土地利用的衔接性研究，出台相应的质量控制标准;完善相关部门对与污泥堆肥土地利用的监督体系，出台相应法律法规以保障污泥堆肥土地利用的安全性;对于民众进行污泥堆肥安全性相关知识的科普，提升民众对污泥堆肥土地利用的接纳度，拓宽堆肥产物的销路。
