CN113354454A - 一种污泥和厨房垃圾联合生物转化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及垃圾处理技术，旨在提供一种污泥和厨房垃圾联合生物转化的方法。包括：取新鲜半固体污水污泥，风干、分拣；取餐厨垃圾混合物，风干、搅拌、粉碎成块状；将污泥和厨余垃圾按质量比7∶3进行混合，然后放入预发酵反应器内进行预预发酵；移至蠕形反应器中，调节pH值后引入成年蚯蚓，在室温和黑暗条件下进行蚯蚓堆肥；堆肥后分离回收的污泥厨余垃圾和蚯蚓排泄物，进行资源化利用。本发明成本低廉、技术简单、操作容易并且修复过程中不会产生二次污染；本发明将富含重金属的污泥进行无害处处理，降解污泥中重金属的含量；收获的蚯蚓粪均可以保证其安全性，可长期作为可持续的污泥厨余垃圾资源化系统。

Description

一种污泥和厨房垃圾联合生物转化的方法

技术领域

本发明涉及一种新型污泥和厨房垃圾联合生物转化的方法，属于垃圾处理技术领域。

背景技术

随着人口的增长和城市化进程的加快，全球每年的新鲜污泥产量已达到6000万吨。污泥是包含重金属和病原体在内的复杂混合污染物，虽然其中含有能够使植物高效生长的营养物质，但也含有不同污染程度的有害物质，因此如果不经过任何预处理直接将污泥施用到土壤或水体中，污染物将通过食物链对人和动物的健康造成危害。目前污泥的处理方法主要是填埋和土壤施用，但这些方式会导致污泥中含有的重金属、酚类、病原体、有机污染物释放在土壤和空气中，造成极严重的环境二次污染，因此如果要将污泥排放，必须对其进行合理的预处置。

全球每年有约16亿吨的食物被浪费掉，其中中国每年餐厨垃圾的产生量约为3000万吨，大概80％的厨余垃圾会被直接用做养猪场饲料。但研究发现猪饲料中混入厨余垃圾会导致猪产生各种疾病，所以中国农业部现已禁止厨余垃圾混入猪饲料中。我国城市现阶段处理厨余垃圾的主要方法是填埋、倾倒、焚烧和公开丢弃，这不仅会对野生动物的健康造成危害，还会导致疟疾的传播以及霍乱和伤寒等各类疾病的发生，而且厨余垃圾散发的难闻气味不仅污染环境还会产生温室气体。

目前可以通过高效、经济、可行的方式让厨余垃圾在有机肥、沼气、能源生产等方面得到有效的利用，主要有以下三种方法：动物饲料消毒法、肥料堆肥法和生物能源厌氧消化法。尽管这些技术方法可以处理一定量的厨余垃圾，但效果仍不理想且不可持续利用。

利用蚯蚓进行垃圾处理的研究已经有大量的文献报道，近年来国内的研究者也撰写了大量的综述阐述蚯蚓处理垃圾的原理、应用和前景。但由于蚯蚓的存活环境需要严格控制，且堆肥能力有限的原因，利用蚯蚓进行厨房垃圾的处理仍存在成本投入高和垃圾转化率低等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种污泥和厨房垃圾联合生物转化的方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种污泥和厨房垃圾联合生物转化的方法，包括以下步骤：

(1)取来自污水处理厂的新鲜半固体污水污泥，风干至含水量为65～70％；在风干过程中通过分拣，去除非生物降解垃圾；

(2)取来自食堂的餐厨垃圾混合物，分离其中的骨质、肉类和脂肪类垃圾；风干至含水量为70％以内，搅拌均匀并粉碎成小于5cm的块状；

(3)将污泥和厨余垃圾按质量比7∶3进行混合，然后放入预发酵反应器内进行预预发酵，控制预发酵温度为50～55℃；

(4)将预发酵后的混合物移至蠕形反应器中，调节混合物的pH值为6.5～7.5；然后引入成年蚯蚓，在室温和黑暗条件下进行蚯蚓堆肥；控制该过程中湿度60～65％，保持堆肥混合物的水分含量70±10％；

(5)堆肥30天后，分离回收的污泥厨余垃圾和蚯蚓排泄物，进行资源化利用。

本发明中，所述蚯蚓的品种为赤子爱胜蚓。

本发明中，所述预发酵反应器呈圆筒状，侧壁的上中下设有三圈通气孔，每圈均有若干个间隔布置的通气孔；在预发酵反应器中轴位置贯穿设置一根中空的内部穿孔管，其管壁上布设若干通气孔；

本发明中，所述蠕形反应器呈圆盒状，侧壁的上中下设有三圈通气孔，每圈均有若干个间隔布置的通气孔；其顶盖布设若干通气孔。

发明原理描述：

发明人团队通过大量的试验研究发现，将污泥和厨余垃圾按特定比例混合后进行预发酵，可以在预发酵过程中使污泥中的重金属因生物转化而被部分降解。在后续的堆肥过程中，蚯蚓不会表现出明显的毒害症状。同时，由于蚯蚓较强的重金属降解能力，最终堆肥产物中重金属含量低于国家排放标准。

厨余垃圾中含有丰富的营养成分且有机质含量很高，其处理过程中可以引入蚯蚓用于堆肥，蚯蚓通过自身的消化系统将厨余垃圾中的有机物转化为营养物质，还能产生高价值的有机肥料蚯蚓粪。同时，近年来利用蚯蚓的吞食和消化能力转化污泥也逐渐成为一种可持续的污泥处理技术。但是蚯蚓堆肥的效率取决于多种非生物因素，其中包括原料成分、垫底材料、pH值、温度、湿度、通气情况及所用的蚯蚓种类，比如一些含油率较高的底物就不适用于蚯蚓堆肥，因此优化蚯蚓饲料的比例是决定蚯蚓堆肥生产效率高低的关键。污泥与厨余垃圾混合既可以降低厨余垃圾的油脂率，又可以破坏污泥的紧实结构，提高蚯蚓的成活率，因此本研究比较了不同比例污泥和厨余垃圾混合物进行预发酵后进行生物转化的试验，以期正确筛选最优比例的污泥和厨余垃圾混合物，并将其进行生物转化。此外，蚯蚓堆肥前的预发酵可以减少对蚯蚓有害的病原体，提高生物转化过程。通过比较不同比例污泥与厨余垃圾的生物转化效率，在提高生物转化效率的同时，保证混合物中重金属含量不超标，从而可以在保障蚯蚓堆肥安全生产的同时完成土壤的修复。

本发明利用污泥厨余垃圾进行预发酵后，联合生物转化的方法。在保障污泥厨余垃圾进行有效生物转化的同时，完成对污泥中重金属含量降解过程，真正实现“边处理边修复”。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明与传统的垃圾处理方法相比，成本低廉、技术简单、操作容易并且修复过程中不会产生二次污染，是一种环境友好的绿色处理技术，适合于推广应用。

2、本发明一方面可以将富含重金属的污泥进行无害处处理，降解污泥中重金属的含量，同时可以友好解决现阶段最难处理的厨余垃圾，很好地解决了污泥的重金属污染和厨余的环境污染；另一方面收获的蚯蚓粪均可以保证其安全性，使得污泥和厨余垃圾在生物转化中产生一定的经济效益，可长期作为一种可持续的污泥厨余垃圾资源化系统。

附图说明

图1为预发酵反应器及其内部穿孔管的示意图。

图2为蠕形反应器示意图。

图3为初始基质混合物的FTIR光谱。

图4为最终蚯蚓粪的FTIR光谱。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

(1)原料收集和预处理：

从浙江省临安市污水处理厂收集器中取80％新鲜的半固体污水污泥(呈黑色，恶臭味，含水量高)。在敞开的塑料容器中，人工定期翻动使其完全风干一周时间，其中玻璃碎片、口香糖、橡皮筋、金属部件、塑料等非生物降解成分被人工去除。

同时，在浙江大学紫金港校区主食堂连续一周收集厨余垃圾，由于所有种类的厨余垃圾都会在该食堂内集中处理，故以均匀混合后的餐厨垃圾作为代表性样本。手工将蚯蚓不需要的骨质、肉类和脂肪类垃圾分离出来(如蛋壳、骨头、肉、洋葱皮和油脂)。厨余垃圾的含水量为84.5％左右，过高的含水量会产生厌氧或涝渍环境，因此为解决这一问题，需将厨余垃圾需在阳光下晒48小时降到70％的所需水分含量从而实现高效堆肥。为增加表面积和生物降解率，将收集的厨余垃圾人工搅拌均匀、粉碎成小块(<5cm)。

对污泥和厨余垃圾的理化性质进行分析。

(2)蚯蚓原料：

蚯蚓为赤子爱胜蚓，从商业供应商处购买；蚯蚓幼苗时在温室中以部分降解的牛粪作为饲料饲养。

(3)试验设置：

以前的研究表明，如污水污泥没有经过预发酵，会因重金属含量过高导致堆肥过程中蚯蚓的生物量和存活率降低。因此需要将污水污泥与其他有机底物进行循环利用，以降低污水污泥的毒性，实现高效堆肥。

本次试验过程中设置几组不同的污水污泥与厨余垃圾混合比例：污水污泥+厨余垃圾(100：0)，污水污泥+厨余垃圾(70:30)，污水污泥+厨余垃圾(50:50)和污水污泥+厨余垃圾(30:70)，通过对比数据可以获得最优选方案。

(4)预发酵处理：

在60L容量的预发酵反应器中进行预发酵试验，预发酵反应器为(高75cm×直径49.6cm×宽10mm)，在温室内放置16天。在预发酵反应器的顶部、中部、底部设计有三圈通气孔，每圈均有若干个间隔布置的通气孔，孔的直径均为10mm，孔间距为5cm，便于空气自然循环。此外，在每个预发酵反应器的顶盖中心孔(直径5cm)处固定一根竖直的PVC内部穿孔管(长100cm，直径5cm)，管壁上设有10mm直径的孔用于通气。该管竖直贯穿预发酵反应器内部，利于通气。

各预发酵反应器填充污水污泥与厨余垃圾的混合物，处理量(以kg为单位)分别为：单污水污泥(42kg)、污水污泥+厨余垃圾(29.4+12.6kg)、污水污泥+厨余垃圾(21+21kg)、污水污泥+厨余垃圾(12.6+29.4kg)，均为一式三份。在各预发酵反应器中分别装填后，关紧顶盖，在培养至0、2、4、6、8、10、12、14和16天时，从每个预发酵反应器中收集样本。

(5)蚯蚓堆肥：

调节预发酵后的混合物pH值为6.5～7.5，保持环境湿度60～65％，同时控制堆肥混合物的水分含量70±10％，将预发酵的材料放入2.0L塑料盒包装的蠕形反应器，在受控的实验室条件下堆肥30天。

蠕形反应器呈圆盒状(底部面积0.0328m²)，侧壁的上中下设有三圈通气孔，每圈均有若干个间隔布置的通气孔；其顶盖布设若干通气孔。取每个预发酵反应器中经预发酵的混合物各500g，放入各自对应的蠕变反应器中进行蠕变堆肥。在每个蠕形反应器中引入20只总生物量为9.5g的成年蚯蚓。在蚯蚓堆肥过程中，饲养密度保持在0.28kg.m^-2，所有的蠕形反应器均置于室温黑暗条件下，每个处理一式三份同时进行。在整个蚯蚓堆肥过程中，每个蠕形反应器中混合物的含水量量保持在70±10％。在30天的实验室蚯蚓堆肥期间，为清楚每个蠕形反应器的挥发性气体和死水，偶尔进行人工转动。在0，5，10，15，20，25和30天监测蚯蚓的活动，并从不同处理中提取蚯蚓样品用于分析。

(6)分析结果及结论：

在蠕形反应器中的生物转化中，污泥与厨余垃圾比例为7:3时的混合物与单独污泥(对照)相比，显著增加了茧的数量(10.6％)、生物量(8.2％)、生长速度(8.3％)、繁殖率(12.2％)，并降低了平均死亡率(80.1％)。而另外两种比例掺杂的混合物(污泥：厨余垃圾，1:1和3:7)由于厨余垃圾的油脂率较高，蚯蚓的生长状况均不理想，生长速度较慢(低于6.5％)，死亡率偏高(高于85.2％)，综合以上实验结果，确定污泥与厨余垃圾的最佳混合比例为7:3。

化学分析和SEM-EDS成像结果表明，与初始混合物相比，最终蚯蚓粪的碱度、有机碳、C/N比值、有机质和微量元素(Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn)浓度降低，主要营养素(N、P、K、Ca、Mg)增加；在污泥与厨余污泥比例为7:3的方案中，蚯蚓组织中所有微量元素的生物积累因子(BAT)均升高，其中Cd>Zn>Cu>Mn>Pb>Cr呈上升趋势。

本发明中，经过生物转化的物质是蚯蚓通过吸收污泥和厨余垃圾而排出的代谢物，将排泄物进行无害化处理，可以作为园艺基质和土壤调节剂，有效地治理退化土壤。

Claims (7)

1.一种污泥和厨房垃圾联合生物转化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)取来自污水处理厂的新鲜半固体污水污泥，风干至含水量为65～70％；在风干过程中通过分拣，去除非生物降解垃圾；

(2)取来自食堂的餐厨垃圾混合物，分离其中的骨质、肉类和脂肪类垃圾；风干至含水量为70％以内，搅拌均匀并粉碎成小于5cm的块状；

(3)将污泥和厨余垃圾按质量比7∶3进行混合，然后放入预发酵反应器内进行预发酵；

(4)将预发酵后的混合物移至蠕形反应器中，调节混合物的pH值为6.5～7.5；然后引入成年蚯蚓，在室温和黑暗条件下进行蚯蚓堆肥；

(5)堆肥30天后，分离回收的污泥厨余垃圾和蚯蚓排泄物，进行资源化利用。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蚯蚓的品种为赤子爱胜蚓。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制预发酵温度为50～55℃。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，堆肥过程中湿度60～65％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，堆肥过程中保持堆肥混合物的水分含量70±10％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预发酵反应器呈圆筒状，侧壁的上中下设有三圈通气孔，每圈均有若干个间隔布置的通气孔；在预发酵反应器中轴位置贯穿设置一根中空的内部穿孔管，其管壁上布设若干通气孔。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蠕形反应器呈圆盒状，侧壁的上中下设有三圈通气孔，每圈均有若干个间隔布置的通气孔；其顶盖布设若干通气孔。

Images