植物纤维性农业废弃物混合贮存污泥生物干化研究.pdf

山 东 科 学 第 卷 第 期 年 月出版.:./.【环境与生态】收稿日期:基金项目:北京市教育委员会科技计划一般项目()作者简介:刘甜甜()博士讲师研究方向为污泥资源化处理:.植物纤维性农业废弃物混合贮存污泥生物干化研究刘甜甜王梦菲吴小苏焦有权温江丽(.北京农业职业学院 水利与建筑工程系北京.哈尔滨工业大学 环境学院黑龙江 哈尔滨)摘要:以常见的植物纤维性农业废弃物(玉米秸秆、花生壳、稻草)作为调理剂研究其与贮存污泥混合进行生物干化的效果 实验过程中设置了玉米秸秆、花生壳、稻草、对照组 个实验组实验结果表明植物纤维性农业废弃物可作为贮存污泥生物干化过程的调理剂且稻草组的效果最好其堆体最高温度可达.含水率由.降至.挥发性固体()的质量分数由.降至.溶解性有机碳()与溶解性有机氮()质量分数均呈现下降的趋势且下降幅度最大 ()/()在生物干化过程中逐渐降低且稻草组比例由.降至.说明生物干化可以使物料趋于稳定关键词:植物纤维性农业废弃物贮存污泥生物干化稳定性中图分类号:文献标志码:文章编号:()开放科学(资源服务)标志码():(.)().().()().()/().第 期刘甜甜等:植物纤维性农业废弃物混合贮存污泥生物干化研究 农业废弃物主要分为植物纤维性农业废弃物和畜禽粪便两大类 我国农业废弃物产量巨大随着社会的发展与综合利用率不断提高目前可达到 虽然农业废弃物综合利用率显著提高但仍存在资源浪费、污染环境等问题 加快推进农业废弃物处理和资源化是一件利国利民长远的大好事因此急需开展植物纤维性农业废弃物资源化利用新途径的研究促进其处置的无害化、减量化和资源化 目前在农业废弃物的资源化研究及利用方面取得了较大的成果主要集中在制造复合材料、废弃物二次还田、加工禽畜饲料等方面 但是目前关于植物纤维性农业废弃物用于贮存污泥生物干化方面的研究鲜有报道贮存污泥是指污水厂产生的污泥脱水之后运往污泥填埋场进行贮存后的污泥 随着我国经济社会的发展污泥产量在逐年增加 然而由于我国长期“重水轻泥”现象的存在污泥处理处置技术发展缓慢污泥得到妥善处理处置的比例仍较低 由于没有合适的出路以及缺乏合适的处置方法导致贮存污泥的产量越来越多 贮存污泥只是将污泥进行了转移并没有彻底消除其产生的危害在长期的贮存过程中会产生许多问题:()对土壤、地下水及大气造成二次污染()占用大量土地造成土地资源浪费()影响周边居民身体健康 随着污泥治理等一系列政策法规的出台今后污泥处理处置及资源化利用将是污染防治的重点 因此贮存污泥的处理处置具有重要的意义生物干化技术是由 等在 年研究牛粪干燥时首次提出主要是利用好氧微生物自身产生的热量去除物料中的水分不需要外加热源是一种经济环保的干化技术 由于污泥等干化物料黏度大、碳氮比低需要在生物干化过程中添加调理剂 调理剂可以改善干化物料的结构提高碳氮比稻草、秸秆、锯末等常用作调理剂 等在研究以稻草和木屑作为调理剂与污泥混合进行生物干化时发现调理剂对生物干化过程中的产热量具有极大贡献 等研究了不同调理剂对生活垃圾生物干化的影响结果发现玉米秸秆作为调理剂时的效果较好 蒋建国等采用不同的调理剂研究其对贮存污泥生物干化效果的影响结果发现秸秆比较适合作为调理剂 虽然关于调理剂的研究较多但是目前并未见植物纤维性农业废弃物与贮存污泥混合进行生物干化的系统性研究本文主要研究玉米秸秆、花生壳、稻草等植物纤维性农业废弃物作为调理剂时对贮存污泥生物干化的影响以确定植物纤维性农业废弃物作为调理剂的可行性 由于贮存污泥黏度大、碳氮比低需添加碳氮比高、孔隙率大的物料作为调理剂植物纤维性农业废弃物恰好可以满足作为调理剂的条件 因此植物纤维性农业废弃物与贮存污泥混合进行生物干化不仅可以使植物纤维性农业废弃物得以资源化利用还可以解决贮存污泥引发的一系列问题对美丽乡村建设及生态文明建设具有重要的意义 材料与方法.实验材料实验所用贮存污泥取自某污泥填埋场玉米秸秆、花生壳、稻草等植物纤维性农业废弃物取自郊区农田具体性质见表 表 植物纤维性农业废弃物性质 单位:原料(总糖)(蛋白质)(脂肪)(纤维素)(半纤维素)(木质素)玉米秸秆.花生壳.稻草.实验装置及运行条件实验过程中所用生物干化实验装置见图 主要由定时曝气装置、曝气泵、流量计、反应器、温度传感器、数据记录仪等几部分组成山 东 科 学 年图 生物干化实验装置示意图.实验方法实验过程共设置 个实验组()其中 分别采用玉米秸秆、花生壳、稻草作为调理剂 作为对照组无调理剂 实验过程中具体的工艺参数为:贮存污泥与调理剂的质量配比为(湿重)通风频率为 开、关通风量(干物质)为./()生物干化实验周期为 每 取一次样.检测方法温度:采用 型数字温控记录仪(玉环智拓仪器科技有限公司)实时监测堆体温度含水率及挥发性固体:采用重量法测定 测定:采用 计溶解性有机碳()和溶解性有机氮()的质量比:利用 型总有机碳分析仪(日本岛津公司)测定 结果与分析.生物干化过程中温度的变化温度是生物干化过程中的重要指标之一图 为不同植物纤维性农业废弃物与贮存污泥混合进行生物干化过程中的温度变化状况由图 可以发现生物干化过程中堆体温度先升高到达峰值后再降低 这主要是因为在生物干化初期堆体中营养物质成分充足好氧微生物大量繁殖产生热量导致堆体温度升高 高温期微生物活性受到抑制营养物质消耗殆尽微生物活性逐渐降低产生的热量减少因此堆体温度逐渐降低图 生物干化过程中不同实验堆体温度的变化.第 期刘甜甜等:植物纤维性农业废弃物混合贮存污泥生物干化研究此外可以发现不同的植物纤维性农业废弃物在生物干化过程中温度的变化曲线不一致 的堆体温度最高可达.其次为 最高为.最高为.的表现最差仅为.充分说明贮存污泥生物干化过程需要添加调理剂且稻草作为调理剂的效果最好其次为玉米秸秆和花生壳.生物干化过程中水分的变化水分的去除情况是衡量生物干化效果的最直接目标图 为不同调理剂作用下的含水率变化情况图 生物干化过程中不同实验堆体含水率的变化.由图 可以看出生物干化过程中含水率逐渐下降且在前期下降较快后期逐渐减缓 这主要是因为前期微生物活性强堆体温度较高故水分散失较快 后期温度降低蒸发的水分也随之减少不同堆体含水率变化不同稻草堆体含水率下降幅度最大由.降至.其次为玉米秸秆和花生壳 对照组的下降幅度很低由.降至最终的.更加充分说明贮存污泥生物干化过程中需要调理剂的加入.生物干化过程中的变化通过 的降解情况可以了解生物干化的进程 生物干化过程中 质量分数的变化情况见图 图 生物干化过程中不同实验堆体 质量分数的变化.在生物干化过程中 质量分数的变化趋势与含水率的变化趋势类似都是逐渐降低且前期下降速度较快后期下降速度变缓这与堆体中微生物活性密切相关 堆体的质量分数下降幅度最大由最初的.降至最终的.其次为、和 这主要是由于对照组未添加调理剂堆体不适合生物干化山 东 科 学 年的进行 玉米秸秆和稻草纤维素含量较高不易降解.生物干化过程中 的变化微生物必须在适合的 范围内才能生长繁殖生物干化过程中 的变化情况如图 所示生物干化过程中 的变化趋势与温度类似均是先升高后降低最终趋于稳定 生物干化初始阶段堆体中的营养物质充裕此时好氧微生物活性较高快速繁殖会发生氨化反应产生大量的 使 升高随着生物干化的进行营养物质逐渐消耗殆尽氨化反应变弱产生的 变少 与此同时堆体硝化作用增强产生大量的 使堆体 降低 由 的变化情况可发现所有堆体的 变化均在适合微生物生长的范围内波动说明堆体外界通风条件较好未发生厌氧反应图 生物干化过程中不同实验堆体 的变化.生物干化过程中溶解性有机物的变化 主要包括 及 是最易被微生物利用的有机物其变化情况同样可以反映生物干化的进程 质量分数、质量分数及 ()/()的变化情况分别见图、图 及图 由图 可以发现生物干化过程中堆体的 质量分数逐渐下降最终趋于平缓 堆体 质量分数由./降至最终的./堆体 质量分数由./降至最终的./堆体 质量分数由./降至./堆体 质量分数由./降至./可以看出稻草堆体 质量分数的下降幅度最大 这主要是因为前期微生物大量繁殖消耗大量的 随着生物干化的进行 的质量分数逐渐降低图 生物干化过程中不同实验堆体 质量分数的变化.第 期刘甜甜等:植物纤维性农业废弃物混合贮存污泥生物干化研究由图 可知在生物干化过程中 的质量分数也逐渐降低 例如 堆体 的质量分数由./降至最终的./堆体 的质量分数由./降至./堆体 的质量分数由./降至./堆体 的质量分数由./降至./生物干化过程中堆体中的含氮有机物被微生物利用故其质量分数逐渐降低 且 堆体 的质量分数的下降幅度最大堆体 的质量分数的下降幅度最小图 生物干化过程中不同实验堆体 质量分数的变化.由图 可知生物干化过程中 ()/()总体呈现下降的趋势 堆体的 ()/()由.降至.堆体的 ()/()由.降至.堆体的 ()/()由.降至.堆体的 ()/()由.降至.研究表明()/()在一定程度上可以反映堆体的稳定化程度其值降低说明生物干化使物料趋于稳定 最终 堆体的 ()/()最低说明稻草更加适合作为生物干化过程中的调理剂图 生物干化过程中不同实验堆体 ()/()的变化.()/()结论本文选取了玉米秸秆、花生壳、稻草等常见的植物纤维性农业废弃物作为调理剂研究对贮存污泥生物干化的影响主要结论如下:()植物纤维性农业废弃物可以作为贮存污泥生物干化过程中的调理剂且生物干化过程中干化效果山 东 科 学 年由高到低分别为:(稻草)、(玉米秸秆)、(花生壳)、(对照组)说明植物纤维性农业废弃物可以作为贮存污泥生物干化时的调理剂并且稻草的干化效果最好()稻草堆体最高温度可达.含水率由.降至.质量分数由.降至最终的.质量分数及 质量分数下降幅度均最大 质量分数由./降至./质量分数由./降至./进一步说明稻草更加适合作为调理剂()()/()在生物干化过程中逐渐降低 堆体的()/()由.降至.堆体的()/()由.降至.堆体的()/()由.降至.堆体的()/()由.降至.说明生物干化可以使物料趋于稳定参考文献:刁卓 宋京阳 吴婷.吉林省农业废弃物资源化利用研究.广东蚕业 ():.:./.董献彬.农业有机废弃物资源化利用现状及展望研究.农村农业农民(版)():.任利枢.我国农业废弃物处理现状.畜牧兽医科技信息():.:./.严铠 刘仲妮 成鹏远 等.中国农业废弃物资源化利用现状及展望.农业展望 ():.徐响 刘萍.山东省城镇污水厂污泥资源化利用存在的问题及对策研究.工程技术研究():.:./.:.郭松林 陈同斌 高定 等.城市污泥生物干化的研究进展与展望.中国给水排水 ():.:./.:.():.:./.:.():.:./.:.:./.():.:./.():.:./.():.:./.():.:./.:.蒋建国 杨勇 贾莹 等.调理剂和通风方式对污泥生物干化效果的影响.环境工程学报 ():.:./.莫云 尹红梅 杜东霞 等.添加菌剂 对猪粪堆肥氮素转化的影响.湖南农业科学():.:./.