在零下温度下，使用全尺寸预发酵反应器对脱水后的污泥进行嗜热堆肥处理：一种适用于全年运行的10天资源化策略

《Journal of Environmental Management》：Thermophilic composting of dewatered sewage sludge under subzero temperatures using a full-scale pre-fermentation reactor: A 10-day valorisation strategy for year-round operation

本研究开发了一种工业级多阶段污泥堆肥系统，可日处理180吨脱水污泥，在冬季-1.8°C环境下实现10天快速成熟。系统通过预发酵反应器集成加热与气化技术，维持高温（≥63°C）和稳定好氧条件，显著提升低温适应性。微生物群落分析显示Thermophilic genus如Ureibacillus富集，SCFA动态表明短期厌氧环境被有效控制。最终堆肥达到有机质稳定、pH中性、重金属达标及病原体消除的农业应用标准，年甲烷减排潜力达2.4万吨CO?当量，为寒区可持续污泥资源化提供新范式。

　　该研究探讨了一种在低温条件下实现高效、稳定的污泥堆肥处理系统，旨在为可持续废物管理提供新的解决方案。研究团队开发了一个全规模的工业堆肥平台，能够每天处理约180吨脱水污泥，其在夏季和冬季均能实现10天内完成堆肥成熟。这一成果对于寒冷地区的污泥处理具有重要意义，因为传统堆肥方法在冬季常常面临微生物活性受限、热积累延迟等问题，导致处理周期延长、成本增加。

研究的核心在于系统的创新设计，特别是预发酵反应器的应用。该反应器配备内部加热和供气系统，能够快速激活热嗜菌群，并在低温环境下维持良好的好氧状态。通过这一技术，即使在零下1.8摄氏度的环境中，系统依然能够保持热嗜阶段的稳定运行。此外，系统还采用了先进的环境控制系统，包括对温度、pH值和电导率（EC）的实时监测和调控，从而确保堆肥过程的优化和高效。

在实际操作中，夏季和冬季的处理流程均涉及多个阶段的监测和调控。夏季处理中，脱水污泥直接进入户外堆肥单元，与锯末混合，并通过机械搅拌和空气注入维持适宜的温度和氧气水平。而在冬季，系统首先在预发酵反应器中对污泥进行处理，再将其转移至户外堆肥阶段，确保处理过程的连续性和稳定性。这一设计不仅提高了处理效率，还有效减少了臭气排放，降低了对周围环境的影响。

研究团队通过详细的物化分析和微生物群落特征分析，验证了该系统的性能。结果表明，无论是在夏季还是冬季，系统均能有效减少有机质含量，稳定碳氮比，并降低短链脂肪酸（SCFAs）的浓度。此外，堆肥过程显著降低了大肠杆菌和沙门氏菌等指示性病原体的含量，同时保持了氮、磷和钾等营养物质的稳定。这些指标均符合农业应用的标准，表明最终堆肥产品具有良好的肥效和安全性。

在重金属含量方面，研究团队发现，经过堆肥处理后的污泥重金属浓度均低于韩国肥料控制法、美国环保署503规则以及越南、日本和欧盟的相关标准，除了镉（Cd）略高于欧盟阈值外，其他重金属均处于安全范围内。这一结果表明，该系统能够有效减少重金属对环境和土壤的潜在危害，为污泥的资源化利用提供了可靠的保障。

在微生物群落结构方面，夏季和冬季的堆肥过程均表现出明确的热嗜菌群的演变。夏季堆肥中，初始阶段以大肠杆菌和梭菌为主，随着温度升高，菌群逐渐向热嗜菌如尿热菌（Ureibacillus）、类丝孢菌（Mycolicibacterium）和计划菌（Planifilum）转移。而在冬季，由于预发酵反应器的作用，菌群在早期阶段以Trichococcus和Romboutsia为主，随后逐渐被热嗜菌所取代。这种微生物群落的演变反映了堆肥过程中不同的环境条件对微生物活性的影响，同时也表明该系统能够在不同季节维持稳定的微生物功能。

研究还通过莴苣生长试验验证了堆肥产品的农业适用性。结果显示，10%的堆肥添加率对莴苣的生长促进效果最佳，相较于对照组，其茎长和鲜重分别增加了27.8%和33.4%。尽管15%的添加率导致生长略有下降，但并未出现植物毒性症状，说明该堆肥产品具有良好的生物相容性。这一结果进一步支持了该系统在农业应用中的可行性。

此外，研究团队还评估了该系统在温室气体减排方面的潜力。在冬季操作中，系统通过减少厌氧条件的形成，有效降低了甲烷（CH?）的排放量。模型计算显示，该系统相比传统垃圾填埋，每年可减少约10,588吨的甲烷排放，相当于减少约13,625吨的二氧化碳当量。这一成果不仅有助于缓解气候变化，还符合循环经济和气候对齐的废物管理框架，为实现可持续的污泥资源化利用提供了科学依据。

在能源消耗方面，研究团队指出，该系统在低温环境下的运行主要依赖于预发酵反应器，其配备了12个10千瓦的电加热器、两个75千瓦的搅拌电机、两个3.7千瓦的风扇和一个3.7千瓦的压缩机，总安装功率约为260千瓦。然而，实际运行中仅需部分加热和供气，因此系统在冷气候条件下仍能保持较高的能源效率。未来，研究团队计划进行专门的技术经济分析，以进一步优化系统的能耗和成本效益。

综上所述，该研究展示了在低温条件下实现高效、稳定和可持续的污泥堆肥处理系统的可能性。通过预发酵反应器的引入，系统能够在冬季保持热嗜阶段的活性，减少温室气体排放，同时确保堆肥产品的质量和安全性。这一成果为寒冷地区的污泥管理提供了新的思路，有助于推动绿色和循环经济的发展。