“十四五”提出要破解污泥處置難點，實現污泥無害化，推進其資源化，鼓勵采用好氧發酵的方式進行無害化處理。污泥好氧堆肥時，其與輔料組成的混合物料含水率要達到50%～60%，故降低污泥含水率是關鍵。由胞外聚合物（EPS）包裹的污泥菌膠團結構具有親水性強、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）調理，再進行機械脫水，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，研究發現低強度超聲波可以改善污泥脫水性能，這是由于超聲波產生的空化效應能破解污泥絮體結構，釋放部分結合水。鄭西朋等發現，經超聲預處理的污泥在堆肥過程中有機物的分解效率更高，能夠更快進入高溫期。
為解決污泥高壓縮性問題，有研究發現向污泥中添加物理調理劑（石灰、粉煤灰、生物炭等）可以形成骨架結構，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構，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沸石調理污泥的效果，結果發現該改性沸石是通過吸附架橋和電性中和作用在污泥中構建骨架，使污泥在高壓下保持多孔排水通道。
綜上所述，超聲波與沸石調理均可提高污泥的脫水性能。然而關于超聲波與沸石聯合調理污泥的研究鮮有報道，故筆者探究了二者聯合進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合調理3種調理方式對于后續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，該廠處理規模為20×104m3/d，采用A2O工藝。所取污泥樣品需在4℃環境下保存，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。
實驗分為沸石調理、超聲波調理和聯合調理。沸石調理劑采用天然沸石，粒度為100~200目。堆肥時添加米糠作為輔料，其主要目的是調節污泥含水率、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%，有機質含量分別為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器，該反應器如圖1所示。
裝置主要由繼電器、鼓風機、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，防止滲濾液淤積。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，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
脫水性能調理實驗：根據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。聯合調理實驗中，在投加沸石后，需在200r/min轉速下快速攪拌30s，再在80r/min轉速下攪拌15min。
好氧堆肥實驗：將調理階段得到的脫水污泥進行好氧堆肥。設置4組污泥堆體，分別為原泥對照組、沸石調理組、超聲波調理組、聯合調理組，具體設置為80%無預處理脫水污泥+20%米糠、80%沸石調理脫水污泥+20%米糠、80%超聲波調理脫水污泥+20%米糠、80%沸石與超聲聯合調理脫水污泥+20%米糠。設置曝氣量為0.1m3/min，每小時曝氣20min。堆肥過程中每3d翻堆一次，保證堆體發酵和曝氣均勻。
1.4 檢測項目及方法
污泥脫水調理階段：以污泥比阻（SRF）與毛細吸水時間（CST）作為污泥脫水評價指標，CST采用毛細吸水時間測定儀進行測試，SRF采用污泥比阻實驗裝置進行測試。污泥胞外聚合物（EPS）在空間結構上分為溶解性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）。采用改進的熱提取法提取各層EPS。提取EPS之后，進行多糖和蛋白質的測定，分別采用蒽酮-硫酸比色法和Lowry法測定。
好氧堆肥階段：在該階段相關參數的檢測方法參照《城市污水處理廠污泥檢驗方法》（CJ/T221—2005）。堆體含水率與有機質采用重量法測定，TOC采用總有機碳分析儀測定，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，種子發芽指數（GI）采用培養法測定。
2、結果與討論
2.1 調理污泥效果分析
2.1.1 對污泥脫水性能的影響
沸石或超聲波單獨調理以及聯合調理污泥的效果如圖2所示。可知，聯合調理污泥的脫水效果最好。而且先投加沸石調理再采用超聲波處理效果更優，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械力學的作用破解污泥絮體，釋放了部分結合水，改變了污泥的絮體結構，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，進一步釋放表面吸附水。由于沸石的鋁氧四面體帶有負電荷，且其骨架空腔含有陽離子，可在陽離子周圍構成強電場，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，提高了污泥的疏水性。此外，沸石具有豐富的孔隙結構，可形成穩定的脫水通道；同時沸石還產生了骨架構建作用，避免污泥在機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，轉化過程主要發生在LB-EPS和S-EPS二者之間，無論是經過單一調理還是聯合調理的污泥，其LB-EPS含量均降低，而S-EPS含量均升高，表明部分LB-EPS轉化為了S-EPS，而且這種轉化過程有助于污泥脫水性能的提高。有研究發現，S-EPS中蛋白質和多糖含量的增加有助于提高S-EPS中的親水基團數量，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的變化
堆肥過程中溫度和含水率的變化如圖4所示。
根據《糞便無害化衛生標準》（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，認為堆肥的高溫階段達到標準。其中，沸石組與聯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構，為堆體內的氧傳質提供了有利條件，有利于微生物分解有機質，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，超聲組和聯合組均出現了堆體含水率不降反增的現象。其原因是兩組污泥均經過超聲波處理，超聲波有效破解了污泥絮體，釋放出更多的有機物，這些有機物在升溫階段和高溫階段被分解，產生了大量水分，導致堆體含水率上升。聯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，表明聯合調理對污泥堆肥含水率的下降具有促進作用，可加快堆肥腐熟進程。
2.3 污泥好氧堆肥營養成分的變化
2.3.1 有機質和TOC的變化
有機質和TOC的變化在一定情況下可以反映堆肥進程。圖5為堆肥過程中有機質的變化。可知，堆肥過程中有機質含量持續下降，且前18d的下降速率高于后12d。另外，沸石組、超聲組和聯合組污泥有機質的下降速率均高于原泥組，且聯合組最為明顯，其含量從75.90%下降至49.62%，平均每天下降0.88%。這說明聯合調理比單獨調理更能加快有機物的降解，促進腐熟進程。
TOC的變化趨勢與有機質一致，原泥組、沸石組、超聲組和聯合組的TOC分解率分別為58.68%、64.74%、59.91%、64.80%，聯合組最優，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，提升了氧傳質和持水能力，從而提高了堆體內的微生物活性，加快了堆體中含碳有機物的分解，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損失率相似，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保氮劑，對NH4+具有較強的親和性和選擇性，提高了氮素利用率。
后12d氮元素耗散更慢，這是因為含氮有機物的主要代謝途徑從氨化向硝化轉變，氨揮發量減少，而且微生物生命活動減緩，進一步導致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質等被消耗使得堆體質量減少，從而導致磷、鉀元素占比上升外，還因為污泥里礦物質中的磷、鉀元素得到了釋放。由圖6（b）可知，C/N總體呈下降趨勢。據報道，堆肥最適宜的起始C/N為（20~30）∶1，而堆肥產品的C/N應小于15。所以該堆體起始C/N適宜，同時堆肥最終產品也滿足植物生長時對氮元素的需求。
2.4 污泥堆肥產品中的重金屬含量與種子發芽率
2.4.1 污泥重金屬含量
4組堆體的重金屬含量見表1。
由于有機物降解和水分散失，堆體體積會大幅度下降，導致重金屬發生濃縮反應，單位質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生了下降，表明堆肥技術可以鈍化重金屬，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器底部流出，導致堆體重金屬含量下降。聯合調理可以更有效地去除重金屬，堆體中的沸石通過物理吸附、離子交換和沉淀絡合等交互作用機制，鈍化部分重金屬，這與生物炭在堆肥過程中的作用機制相似。結合之前的分析發現，聯合調理可以更有效地降解有機質，有機質的降解使得大量與其結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組堆肥產品中各種重金屬含量均遠低于我國制定的各種泥質標準，能夠滿足土地利用條件。
2.4.2 種子發芽指數
種子發芽指數（GI）是衡量堆肥腐熟程度的重要指標，其借助植物來反映堆肥產品的毒性，發芽率越高代表毒性越弱。堆肥物料中有機物、蛋白質等物質的分解程度和這些物質的分解產物，如有機酸、氨等，其含量均可影響GI值。普遍認為，當GI高于50%時，物料對植物基本不存在毒性，認為基本腐熟；而當GI高于80%時，認為物料已無生物毒性，完全腐熟。原泥組、沸石組、超聲組、聯合組堆肥產品的GI值分別為68.31%、80.35%、75.55%、94.19%。可以看出，GI值均高于50%，表明通過3種調理方法皆可降低堆體的生物毒性。沸石組和聯合組更是超過80%，符合完全腐熟的標準，可認為達到了無毒性的程度。
3、結論
超聲波和沸石聯合調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。沸石調理、超聲調理以及聯合調理都能使污泥中部分LBEPS轉化為S-EPS，且聯合調理對該轉換的促進作用最為明顯。沸石組、超聲組和聯合組污泥堆肥時的有機質下降量和下降速率均優于原泥組，且聯合調理組表現最優，說明聯合調理比單獨調理更能促進有機質的降解，加快堆肥反應進程。4組堆肥產品中的重金屬含量均遠低于我國制定的標準，且聯合調理降低重金屬的效果最佳。同時4組堆肥產品的GI值均高于50%，且聯合組最高，說明通過聯合調理的堆肥產品腐熟無害化程度最高。（來源：蘭州理工大學土木工程學院，蘭州理工大學溫州泵閥工程研究院，清華大學深圳國際研究生院，九江學院化學化工學院）
