污泥生物干化研究进展与展望

由于不进行土地农用，生物干化产物只需达到部分稳定化和无害化，满足短期保存和运输即可，因此对高温保持时间和腐熟期没有要求。相比好氧堆肥处理，生物干化的发酵周期更短，约为好氧堆肥周期的1/2~1/3，因此其占地面积和单位产量投资成本大幅度减少，具有很强的工艺技术优势[5]。
笔者简要分析了热干化、好氧堆肥以及生物干化三种处理工艺之间的优、缺点，具体如表1所示。
表1热干化、好氧堆肥及生物干化的比较

2生物干化影响因素
生物干化过程受到微生物好氧发酵和强制通风脱水这两个因素的共同影响。前者决定了微生物能量的释放速率，主要和物料特性(如含水率、有机质含量、C/N比等)以及堆体环境(如温度、氧气、孔隙率等)有关；而后者决定了微生物能量的利用效率，主要和通风量以及出气温度有关。
下面就温度、湿度和通风策略对生物干化的影响分别加以阐述。
2.1温度
生物干化是一个水分受热蒸发的过程，温度越高，其水分蒸发越快。同时，由于饱和空气的含水量随温度升高呈指数规律增长，从堆体逸出的空气可以说是近乎饱和的，所以当堆体温度升高时，排出的空气温度也随之升高，单位体积空气的持水能力将大幅上升。这意味着即使在湿度很高的自然气候条件下，只要出入堆体的空气温差足够大，仍将有大量的水分随空气逸出而散失，干燥作用也很明显。
但是温度也不是越高越好。微生物作为整个生物干化过程的唯一产热来源，其生命活动具有适宜的温度范围，超过这个范围时微生物将被杀死。生物干化利用的微生物主要为嗜温菌(20～40℃)和嗜热菌(40～65℃)。因此，在微生物适宜范围内维持尽可能的高温能够促进水分的蒸发去除，从而获得更高的脱水效率。
国外一些研究者在进行城市生活垃圾的生物脱水处理时发现，维持更低的堆体温度能获得更好的干化效果[7]。出现这样的结果是因为生活垃圾水分附着力小，脱水比较容易，即使在较低温度下，通过大量鼓风仍能顺利去除。整个处理过程中微生物产热量很少，已经不是真正意义上的生物干化，而更类似于人工强化的风干技术。对于含水量大、脱水困难的城市污泥，较高的温度更有利于堆体水分的活化和蒸发。
2.2湿度
水分不仅为微生物所需的可溶性营养物提供载体，而且还为微生物反应提供介质。湿度和有机物降解速率存在密切的关系。大量研究表明，当湿度小于45%时,有机物降解速率会明显降低[8]。
因此，即使在以污泥干化为目的的生物干化过程中，过早的强化干燥作用将会导致物料湿度过早降低，影响微生物活动，从而无法获得生物干化所需的足够的生物能，达不到预期的干化效果。
过高的湿度同样会影响生物干化过程。水分含量过大将会堵塞物料中的孔隙，导致厌氧环境的出现，不利于好氧微生物的生长繁殖，甚至由于有机物的厌氧分解产生大量的臭气，造成二次污染。因此，在生物干化过程中，需要维持物料湿度在一定的合适范围。罗维等[9]总结了国内外有关堆肥湿度的文献，得出无论何种堆肥原料和工艺,最佳堆肥湿度范围应维持在50%~60%之间。而有关生物干化的适宜湿度范围尚未有全面深入的报导。
2.3通风策略
通风速率和通风方式是影响堆体温度和水分的重要因素，污泥生物干化过程中通风有提供氧气、带走热量和水分的作用。通风速率是生物干化过程中的主要控制参数。较高的通风速率能加速水分的对流蒸发，促进生物干化的进程。Shahram等[10]利用半工业化旋转筒对城市生活垃圾进行生物干化时发现，通风速率最大时(120m3/h)干化速率也最大，并且在更短的时间内(小于7d)获得了更佳的干化效果(由40%降至20%)。然而在生物干化的前期阶段，过高的通风速率将会带走大量的堆体热量，使堆体迅速冷却，影响水分的连续蒸发。
通风干燥和通风散热是相互矛盾的两个方面。风量大、持续时间长有利于带走堆体水分，但同时也带走热量、增加运行成本。生物干化的不同阶段应该采取不同的通风策略，以实现更短时间内去除更多水分的最终目的。因此，对生物干化过程进行实时在线监测和反馈控制有利于提高生物干化的效果。
3生物干化的应用及展望
污泥干化是一个能量净支出的过程，耗能费用在一个标准干化系统运行成本中的比例大于80%，因此对能耗的研究是干化系统研究及改进的重点[11]。现阶段国内外污泥干化多采用热干化的形式，虽然采取了优化热源、减少工艺步骤、优化运行参数等方法来降低能耗，但由于其工艺本身利用外加热源的技术缺陷，决定了热干化的能耗不可能降低到一个理想的数值。而利用微生物好氧发酵产热来蒸发水分的生物干化工艺，由于充分利用了污泥自身的生物能，除强制通风所需的电耗以外，不用外加热源，因此是一种经济节能的干化技术。在提倡可持续发展理念及矿物能源不断恶化的今天，生物干化作为一种新兴的生物处理手段，已经较多地应用于畜禽粪便生物干燥和生活垃圾脱水处理。常志洲等[12]利用猪粪进行生物干燥试验时发现，适当降低发酵基质的水分含量、改善基质的物理状况、增加易挥发固体物的含量以及强制通风，可以提高粪便发酵温度与增加脱水速度，20d内可以使猪粪含水量由700g/kg下降到550g/kg。韩竞耀等[13]以高含水率混合收集生活垃圾为对象，研究了通风量和翻堆对其生物干化效果的影响。结果表明：水分去除量受物料温度及通风量影响；翻堆能进一步改善干化效果，在适宜通风量条件下，每2d翻堆1次，产物含水率为53.7%，水分去除率达0.472kg/kg。