一种酶解预处理联合生物强化优化城市污泥快速堆肥方法与流程

1.本发明涉及固废资源化技术领域，具体涉及一种酶解预处理联合生物强化优化城市污泥快速堆肥方法，利用复合酶水解预处理、秸秆等调理剂、微曝气系统和生物强化菌剂优化城市污泥好氧堆肥。


背景技术：

2.近年来，随着我国城镇化发展水平的提升，污水处理量逐年增长，预计2020年-2025年城市污泥产生量将突破6000万m3/年(以含水率80％计)。2025年我国城市污泥无害化处置率达90％，实现无害化推进资源化。好氧堆肥是一种经济、环保、有效的污泥稳定化和资源化处理工艺，但是利用污泥中原有微生物的自然生物衰减，普遍存在氮损失较高，臭气污染较大、堆肥周期长等问题。
3.城市污泥含有机质高，生物降解性较差，其水解过程是污泥好氧发酵的限速步骤。酶解预处理可以加速城市污泥中多聚合物快速水解转化为可生物利用有机质。淀粉酶和蛋白酶水解污泥细胞外大分子有机物为小分子有机物，絮体失稳，促进污泥总固形物中有机质的水解。溶菌酶裂解污泥中微生物细胞壁，微生物细胞溶胞破解，释放污泥内结合水和和胞内水，提高胞内物质溶出速率。复合酶如蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶等水解效果较单一酶水解效果好。
4.生物强化向原有的生物处理系统中引入预先培养好的具有特定功能的有效微生物，改善了原有生物处理体系中微生物组成，可以避免或减少二次污染。从原系统中分离和浓缩固有的土著微生物作为生物强化菌剂，具有较强的竞争力和抵抗外部压力波动的能力，提高了原系统中微生物量，缩短生物处理的迟滞期，加快系统启动。菌剂对原系统中有机物有较高的降解能力，提高其降解速率，缩短堆肥时间。一些从堆肥中分离出来的高温菌、中温菌、放线菌和真菌常作为堆肥接种剂，增强难降解有机物的去除效能，加速细胞壁和木质素、纤维素水解，加速堆肥的腐殖化过程。
5.目前好氧堆肥中，生物强化主要采用混匀方式。堆肥过程中，堆体表层物料位于通风末端，微生物受到氧供应缺少和代谢废气抑制双重影响，生物代谢网络受到阻塞，在一定程度上影响了堆体反应速度和堆肥质量。利用生物酶法水解预处理工艺，促进城市污泥有机颗粒的快速水解和细胞破解，提高污泥可生物利用性；联合生物强化，增大微生物代谢强度，加速有机物降解速度，缩短堆肥启动期和发酵周期。酶解预处理联合生物强化优化污泥堆肥，更易促进堆肥腐熟和氮固持、减少氨气和硫化氢释放，尚无研究。


技术实现要素：

6.本发明提出了一种酶解预处理联合生物强化优化城市污泥快速堆肥方法，利用复合酶水解预处理污泥，联合生物强化优化污泥混合好氧堆肥。
7.实现本发明的技术方案：
8.一种酶解预处理联合生物强化优化城市污泥快速堆肥方法，复合酶水解预处理污
泥，秸秆为调理剂，不同生物强化方式优化污泥混合微曝气堆肥。
9.所述城镇污水处理厂剩余污泥含水率为75％-85％，有机质(om)含量为500-700g/kg 干基。
10.所述复合酶包括蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶和溶菌酶，复合比例为1：1：1：1。
11.所述芦苇杆粉含水率为0.65％-0.80％，优选0.72％。芦苇杆粉粒度0.5-2mm，优选1mm。
12.所述生物强化菌剂(hs-do)为团队自行筛选除臭、保氮和快速启动堆肥复合菌剂，培养温度为40-50℃，培养时间为20-25小时。菌剂使用浓度为0.15-0.20mg/l。
13.a.城市污泥预处理与复合酶按照添加比例为96:4(w：v)混匀，45℃密封保温水解预处理6小时。
14.b.混匀方式生物强化菌剂添加量为每千克芦苇杆粉中混匀hs-do 150-350ml。
15.c.将预处理后的污泥：(芦苇杆粉 hs-do)按湿基质量比1:(0.20-0.30)混合，混合物料含水率为65-70％，碳氮比为21-25。
16.d.将混合物料放置在堆肥装置中，通过微曝气系统及人工强制翻堆相结合方式进行好氧堆肥，通风速率为0.1～0.2l/min/kg。曝气速率优选为0.18l/min/kg湿基。
17.e.混合物料好氧堆肥：启动期1天，保温45℃；高温期6天，温度≧50℃；自然腐熟3-6天。每天翻堆一次。
18.优化堆肥机理：
19.本发明采用复合酶水解预处理联合生物强化优化污泥混合堆肥，以探讨堆肥系统中氮固持、氨气和硫化氢释放，以及堆肥腐熟程度，复合酶水解预处理以及不同生物强化方式优化堆肥机理如下：
20.1.复合酶水解预处理促进城市污泥有机颗粒的快速水解和细胞破解，提高污泥可生物利用性，刺激土著微生物以及生物强化细菌生长，堆体快速启动。
21.2.混匀方式生物强化提高了好氧细菌的竞争能力，菌剂浓度高，ph值低，释放热量大，堆温高，含水率低，总氮含量最高。高剂量生物强化利于保氮和生物干化作用。
22.3.高温期后期及腐熟期，堆肥物料颗粒趋于均匀，稳定通风供氧较均匀。另外，堆体中可生物降解有机物含量急剧降低，电子供体减少，硝酸盐还原酶活性降低，硝态氮在堆体中累积。同时，氨氮含量和ph降低，以及腐熟期温度降低，氨气释放量显著减少。混合方式生物强化氨气释放量显著降低。
23.4.堆肥过程中，堆体表层物料位于通风末端，微生物受到氧供应缺少和代谢废气抑制双重影响，生物代谢网络受到阻塞，在一定程度上影响了堆体反应速度和堆肥质量。表面喷洒生物强化方式增强了堆肥表层物料好氧细菌竞争能力，显著改善了堆体表面菌体代谢抑制作用，有效构建了表层生态系统，强化了表层生物代谢，对物料中溶解性多糖代谢、减少硫化氢释放有积极作用。
24.5.混匀联合喷洒方式生物强化方式更易促进堆肥腐熟和氮固持、减少氨气和硫化氢释放，实现污泥稳定化和资源化。
25.采用上述技术方案，本发明的有益效果是：
26.本发明通过采用复合酶水解预处理，促进污泥中难溶性有机颗粒快速水解为可溶性小分子有机物，提高污泥的可生物降解性，增强堆肥微生物代谢速率，缩短污泥堆肥周
期。通过添加芦苇秆粉改善了污泥碳氮比含量低的特点，为微生物生长提供了充足碳源；提高了污泥堆体的透气性，使气体流通效果更好。采用混匀、表面喷洒以及混匀联合喷洒等生物强化方式，提高好氧微生物竞争力，增大微生物代谢强度，增强有机物降解，缩短堆肥启动期和发酵周期。本发明通过复合酶水解预处理联合生物强化优化污泥混合堆肥，减少堆肥过程氮素损失，降低氨和硫化氢释放，缩短堆肥周期，改善了堆肥质量，提高了堆肥产品肥效，促进城市污泥有机质高效、快速资源化。实现城市污泥和废弃芦苇秆的资源化利用。
27.本发明的有益效果是：
28.(1)复合酶水解预处理后，污泥中溶解性cod(scod)、溶解性蛋白和多糖质量分数分别比初始增加了485.22％、149.15％和108.76％，为堆肥中微生物降解提供了更多的可生物利用碳源，堆体启动快。
29.(2)本发明采用混匀联合喷洒生物强化方式堆肥周期最短，氨和硫化氢累计释放量最低。堆肥10天即可到达腐熟标准。总氮含量为33.49mg
·
g-1
om，比初始提高了29.11％。氨和硫化氢累计释放量为207.00和21.71mg
·
m-3
，分别比对照降低了58.52％和80.85％。高温期末，优化堆肥物料种子发芽率≧80％。
30.(3)本发明采用高剂量生物强化混匀方式堆肥周期13天，即可到达腐熟标准。总氮含量最高42.45mg
·
g-1
om，比初始提高了44.25％，保氮效果明显。氨和硫化氢累计释放量为 388.9和36.61mg
·
m-3
，分别比对照降低了59.82和69.60％。高温期末，优化堆肥物料种子发芽率≧80％。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明优化污泥堆肥机理示意图。
33.图2为不同复合酶添加比例水解预处理效果。
34.图3为优化堆肥过程中温度和ph值变化。
35.图4为优化堆肥过程中堆体有机质、scod和溶解性多糖和蛋白含量变化。
36.图5为优化堆肥过程中总氮、氨氮、硝态氮和硫酸盐含量变化。
37.图6为优化堆肥过程中硝酸盐还原酶和芳基硫酸酯酶酶活变化。
38.图7为优化堆肥过程中堆体氨气和硫化氢累计释放量变化。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.实施例1：
41.复合酶水解预处理污泥过程：
42.将城镇污水处理厂剩余污泥放置在发酵装置中进行复合酶水解，复合酶包括溶菌酶：蛋白酶：淀粉酶：纤维素酶比例为1：1：1：1，添加比例为3％、4％和5％。保温45℃，密封静置水解4-8小时。依据scod和ph确定复合酶添加量为4％，水解时间为6小时。相同条件下，城市污泥进行厌氧水解为对照。
43.生物强化和混合物料好氧堆肥：
44.每kg芦苇杆粉混合300ml hs-do。
45.将预处理后的城市污泥和(芦苇杆粉 hs-do)按湿基质量比2kg：500g混合，得混合物料。该物料含水率为65-70％，碳氮比为21-25。对照中同比例混合芦苇杆粉，不进行生物强化。
46.将混合物料在堆肥装置中，通过微曝气系统及人工强制翻堆相结合的方式对混合物料进行好氧堆肥，通风速率为0.3l/min，每天进行翻堆。好氧堆肥包括三个时期：启动期1天,保温45℃；高温期6天，温度≧50℃；自然腐熟6天。
47.在每次翻堆时取样，主要测定堆体ph、含水率、scod、溶解性蛋白、多糖、有机质、总氮、氨和硫化氢释放量等指标。酶解预处理显著增大了scod、溶解性蛋白和多糖的质量分数，分别比初始污泥增加了485.22％，149.15％和108.76％，比厌氧水解增加了209.88％，98.33％和97.32％，为后续堆肥微生物降解提供了充足的可生物利用碳源，刺激土著微生物以及生物强化细菌生长，堆肥快速启动。复合酶水解预处理增加了nh
4
和no
3-，为后续微生物处理提供了小分子前提物。其他参数变化小。
48.酶解预处理联合生物强化混合物料堆肥产品呈褐色、细粒状，疏松、分散，无臭气。总氮含量为42.45mg
·
g-1
om，比初始提高了44.25％，比对照34.32mg
·
g-1
om提高23.66％，保氮效果明显。堆体氨气和硫化氢累计释放量为270.37和50.80mg
·
m-3
，分别比对照672.86 mg
·
m-3
和167.09mg
·
m-3
降低了59.82％和69.60％。堆肥周期缩短到13天。高温期末，优化堆肥物料种子发芽率≧80％，达到《城镇污水处理厂污泥处理稳定标准(cj/t510-2017)》中农用地和园林绿化及林地的使用标准限值。酶解预处理和生物强化缩短了堆肥周期，促进污泥堆肥腐熟。
49.实施例2：
50.生物强化和混合物料好氧堆肥：
51.每kg芦苇杆粉混合150ml hs-do和150ml磷酸缓冲液(ph 6.61)。
52.将预处理后的城市污泥和(芦苇杆粉 hs-do)按湿基质量比2kg：500g混合，得混合物料。该物料含水率为65-70％，碳氮比为21-25。对照中同比例混合芦苇杆粉，不进行生物强化。
53.好氧堆肥包括三个时期：启动期1天,保温45℃；高温期6天，温度≧50℃；自然腐熟6天。
54.优化堆肥产品总氮含量为39.27mg
·
g-1
om，比初始提高了33.46％，比对照(34.32mg
·
g-1 om)提高14.41％，有一定的氮固持作用。堆体氨气和硫化氢累计释放量为382.57和94.76 mg
·
m-3
，分别比对照672.86mg
·
m-3
和167.09mg
·
m-3
降低了43.14％和43.28％。堆肥周期缩短到13天。高温期末，优化堆肥物料种子发芽率为79％。
55.实施例3
56.生物强化和混合物料好氧堆肥：
57.将预处理后的城市污泥和芦苇杆粉按湿基质量比2kg：500g混合，得混合物料。该物料含水率为65-70％，碳氮比为21-25。对照中同比例混合芦苇杆粉，不进行生物强化。
58.好氧堆肥包括三个时期：启动期1天,保温45℃；高温期6天，温度≧50℃；自然腐熟6天。
59.每天翻堆后进行表层液体喷洒。主要集中在前四天。
60.优化堆肥产品总氮含量为39.11mg
·
g-1
om，比初始提高了32.91％，比对照提高13.93％ (p《0.05)，保氮效果明显。堆体氨气和硫化氢累计释放量为519.24和23.74mg
·
m-3
，分别比对照672.86mg
·
m-3
和167.09mg
·
m-3
降低了22.83％和85.79％。堆肥周期缩短到13天。高温期末，优化堆肥物料种子发芽率为100％。
61.实施例4
62.生物强化和混合物料好氧堆肥：
63.每kg芦苇杆粉混合300ml hs-do。
64.将预处理后的城市污泥和芦苇杆粉按湿基质量比2kg：500g混合，得混合物料。该物料含水率为65-70％，碳氮比为21-25。对照中同比例混合芦苇杆粉，不进行生物强化。
65.好氧堆肥包括三个时期：启动期1天,保温45℃；高温期6天，温度≧50℃；自然腐熟6天。
66.每天翻堆后进行表层液体喷洒，主要集中在前四天。
67.优化堆肥产品总氮含量为33.49mg
·
g-1
om，比初始(25.94mg
·
g-1
om)提高了29.11％，比对照(23.51mg
·
g-1
om)提高42.42％，保氮效果明显。堆体氨气和硫化氢累计释放量为207.00 和21.71mg
·
m-3
，分别比对照499.08mg
·
m-3
和113.38mg
·
m-3
降低了58.52％和80.85％。堆肥周期缩短到10天。高温期末，优化堆肥物料种子发芽率分别为95％。
68.性能验证
69.复合酶酶解预处理(堆体e)采用蛋白酶：淀粉酶：纤维素酶：溶菌酶比例为1：1：1： 1，添加比例为4％，45℃酶解6小时。预处理污泥与芦苇杆粉比例为20:5(w:w)混合，用于堆肥。相同环境条件下进行城市污泥厌氧水解预处理为对照(堆体a)。堆体a不进行生物强化。堆体e生物强化设置四类，分别为高剂量一次性混匀方式(堆体e1)和低剂量一次性混匀方式(堆体e2)、分批喷洒生物强化菌剂(堆体e3)以及混匀和喷洒结合方式(堆体 e4)。
70.好氧堆肥分为三个时期：启动期1天,保温45℃；高温期6天，温度≧50℃；腐熟期，堆体e1、堆体e2和堆体e3为6天，堆体e4为3天。
71.一、酶解预处理对城市污泥理化性质的影响
72.溶解性有机物是堆肥过程中可生物降解om的主要来源之一。酶解预处理显著增大了 scod、溶解性蛋白和多糖的质量分数，分别比初始污泥增加了485.22％，149.15％和108.76％，比厌氧水解增加了209.88％，98.33％和97.32％(p《0.01)(表1)。酶解预处理污泥可为后续堆肥微生物降解提供了充足的可生物利用碳源，刺激土著微生物以及生物强化细菌生长，堆肥快速启动。酶解预处理增加了nh
4
和no
3-，为后续微生物处理提供了小分子前提物。其他参数差异不显著。
73.表1堆肥原材料和酶解预处理后污泥性质
[0074][0075]
二、优化堆肥过程中堆体理化性质变化
[0076]
堆肥后物料呈褐色、细粒状，疏松、分散，无臭气。堆体e反应器温度均高于堆体a(p《0.05) (图3)。温度差异主要来自于生物强化对有机质降解过程中产生的生物热所致，释放的热量取决于堆体重量(kg)，比热容(kj
·
kg-1
·
k-1
)和温度变化(k)。堆体e1生物强化菌体剂量大，生化代谢快，释放较多的生物能量，堆体温度高；堆体e3中喷洒方式生物强化菌剂与有机物接触面积小，释放热量最少。堆体e1、堆体e2、堆体e3和堆体e4释放热量分别比堆体a高 9904.04、9861.06、9858.28和9870.49mj
·
d-1
。生物强化菌体在堆肥系统中有较强的竞争力，生存下来，并干预堆肥生物处理过程。堆体e含水率(65.81-68.75％)均低于对照(71.16％)，生物强化浓度高，含水率越低，生物强化菌剂有生物干化作用。
[0077]
三、堆肥过程中有机物变化的影响
[0078]
om、scod和溶解性多糖和蛋白质量分数变化趋势如图4。om质量分数和溶解性多糖变化趋势相近，均呈下降趋势。堆体e1和堆体e4与堆体a有机质质量分数差异显著(p《0.05)，与高剂量生物强化有关。堆体e3有机质损失率波动与喷洒菌体有关。生物强化可以显著降低有机质质量分数4.20％(p《0.01)，增强有机质矿化速率约49.83％(p《0.05)，尤其在堆肥高温期初期。堆体e中溶解性多糖质量分数在启动期急速下降，之后趋于动态平稳，堆体a中下降相对平缓，差别不显著。
[0079]
反应器中，堆体中scod和溶解性蛋白质量分数变化趋势相似，均在高温期3-5天达到最大。之后堆体e与堆体a反应器中溶解性蛋白质量分数差异小；但是，堆体a中scod变化平缓，堆体e反应器中scod显著下降。酶解预处理有助于有机物溶解，并生物强化辅助下，堆体e中微生物能够较快进行生物代谢。腐熟期，自然生物演替作用下，堆体a系统利用木质素、纤维素等难降解有机物的能力增强，scod质量分数高。
[0080]
四、不同形态氮硫质量分数变化
[0081]
堆肥过程中，tn质量分数增大主要归因于堆肥过程中有机质和含水率降低。堆体e1系统中总氮质量分数为42.45mg
·
g-1om，比初始(29.42mg
·
g-1
om)增加44.25％，高于堆体a (34.32mg
·
g-1
om)23.66％(p《0.05)。堆体e4总氮含量为33.49mg
·
g-1
om，比初始(25.94 mg
·
g-1
om)提高了29.11％，比对照(23.51mg
·
g-1
om)提高42.42％。强化保氮效果明显。腐熟期，堆体a反应器自然生物演替利用难降解有机物的能力增强，含硫有机物得到较充分降解，硫酸盐质量分数为2.21mg
·
g-1
om，比堆体e系统高约200％(图5)。
[0082]
在堆肥启动初期，c/n比较高，氨氮形成主要来自于含氮有机化合物的水解及氨化作用，氨氮累积。之后呈下降趋势，最终堆体质量分数差别不显著。腐熟期低浓度nh
4 -n对微生物降解scod有促进作用,利于污泥稳定化。硝化作用主要发生在腐熟期，堆体e反应器中 no
3-质量分数增大，堆体e1、堆体e2和堆体e3反应器中no
3-质量分数高于堆体e4。喷洒生物强化堆体中no
3-质量分数为12.10mg
·
g-1
om，显著高于堆体a 9.23mg
·
g-1
om(p《0.05)。高温
期和腐熟期，堆体e系统中有机质降解速度较快，c/n降低，硝化作用增强，硝态氮在系统中累积(图5)。
[0083]
五、堆肥过程中酶活变化
[0084]
硝酸还原酶存在范围广，是一种氧化还原酶，催化反硝化作用，是氮损失的主要原因。堆体e和堆体a反应器中，nar变化趋势相似，在堆肥第三天达到最大值，之后急剧下降并达到平稳波动状态(图6)。堆体e反应器中nar酶活显著低于堆体a(p《0.05)，反硝化作用相应较小，堆体中积累较多的no
3-，从而起到保氮作用。
[0085]
芳基硫酸酯酶催化有机硫水解形成so
42-。腐熟期，堆体a系统中as酶活性显著高于堆体e，含硫有机化物得到较充分降解。堆肥高温期中期之后，堆体e中可生物降解有机物质量分数急剧降低，硝酸盐还原和硫酸盐还原作用的电子供体减少，在一定程度上受到抑制，积聚较多的no
3-和so
42-(图5)。
[0086]
六、堆肥过程中氨和硫化氢释放
[0087]
氨和硫化氢释放规律如图7所示。堆肥前期，可生物利用有机碳质量分数高，微生物群落代谢活跃，易形成厌氧环境，氨和硫化氢释放量大。高温后期及腐熟期，堆肥物料含水率下降快，通风供氧较均匀。另外，硝态氮和硫酸盐在堆体中累积，以及ph和温度降低，氨气释放量显著减少。堆肥结束时，堆体e1、堆体e2和堆体e3氨气累计释放量分别为270.37、 382.57和519.24mg
·
m-3
，比堆体a 672.86mg
·
m-3
分别减少59.82％，43.14％，22.83％(p《0.05)。堆体e4氨累计释放量为207.00mg
·
m-3
，比对照499.08mg
·
m-3
降低了58.52％。混合方式生物强化氨气释放量显著低于喷洒方式，高浓度和低浓度菌剂混合强化方式释放量差异不显著。混匀联合喷洒生物强化方式氨气释放量最低。
[0088]
堆体a硫化氢释放持续稳定，堆体e系统中硫化氢产生主要集中在前四天。堆肥结束时，堆体e1、堆体e2和堆体e3硫化氢累计释放量分别为50.80、94.77和23.74mg
·
m-3
，，分别比堆体a 167.09mg
·
m-3
降低了69.60％、43.28％和85.79％(p《0.01)。堆体e4硫化氢累计释放量最低，为21.71mg
·
m-3
，比对照113.38mg
·
m-3
降低了80.85％。表面喷洒生物强化方式增强了堆肥表层物料好氧细菌竞争能力，抑制厌氧微生物的生长，显著改善了堆体表面菌体代谢抑制作用，有效强化了表层生物代谢，对物料中溶解性多糖代谢、减少硫化氢释放有积极作用。混匀联合喷洒生物强化方式硫化氢释放量最低。
[0089]
七、种子发芽率
[0090]
高温期末，堆体e1、堆体e2、堆体e3和堆体e4物料种子发芽率分别为80％、79％、100％和97％，均达到了《城镇污水处理厂污泥处理稳定标准(cj/t510-2017)》中农用地和园林绿化及林地的使用标准限值。酶解预处理联合生物强化缩短了堆肥周期，促进污泥堆肥腐熟。
[0091]
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。