一种城市污泥微塑料的降解处理方法

本发明属于有机固体废物处理技术领域，具体涉及一种城市污泥微塑料的降解处理方法。

背景技术：

塑料广泛应用于生产生活的各个领域，是现代社会中的必需品。然而，塑料的大量生产和使用导致了废弃塑料的急剧增加，并且由于其具有不易降解，抗环境腐蚀等特性，最终造成了大面积的环境污染。

废弃的塑料暴露在自然环境中被风吹日晒，逐渐变成了更小颗粒的的微塑料。微塑料的体积小，有着较大的表面积，吸附污染物的能力较强。游荡的微塑料很容易被低端食物链生物吃掉，且不能被消化掉，从而导致动物生病、加剧病情甚至死亡。处于食物链顶端的人类，在富集作用下，也有可能在体内累积大量的微塑料。

微塑料作为一种新型污染物，其尺寸小于5mm。大部分的微塑料都在污水处理阶段滞留在污泥中，因此，城市污泥中含有大量微塑料，是微塑料的主要载体。尽管大多数城市污泥在施用前已经做过处理，但并没有研究表明现有技术对污泥的处置能有效去除其中的微塑料，因此残留在污泥中的微塑料会对人类健康和生态环境安全造成威胁。研究者曾报道，黄粉虫幼虫等昆虫肠道微生物可以有效降解pe及ps等塑料，在废弃塑料的无害化处理中有广泛的应用前景。然而，微塑料粒径小、分布广、成分复杂，在现实生活中去除微塑料仍然非常困难。另外，城市污泥逐渐被肥料化推广利用，然而目前的污泥处理方法不能有效减少污泥中的微塑料含量，污泥在利用过程中可能会导致微塑料在环境中积累，造成生态危害。

因此，需要一种能够降解城市污泥中微塑料的处理方法。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术中存在的城市污泥中的微塑料难以降解，在利用过程中仍存在安全隐患的问题，本发明提供一种城市污泥微塑料的降解处理方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种城市污泥微塑料的降解处理方法，包括如下步骤：

s1：向污泥中添加dy高温菌剂，形成待处理混料；

s2：向步骤s1得到的待处理混料中加入辅料，进行发酵，得到混料堆；

s3：将步骤s2得到的混料堆转移到发酵槽中，形成发酵混料，向所述发酵混料进行曝气；

s4：实时监测发酵混料的发酵温度，根据发酵温度的变化，对发酵混料进行翻槽，使其继续发酵；

s5：待发酵混料的发酵温度趋于室温且不再变化，得到终产物。

如上所述的城市污泥微塑料的降解处理方法，优选地，步骤s1中，所述污泥与所述dy高温菌剂的质量比为2.5：1-3:1；

所述dy高温菌剂中包括以下质量组分的菌种：高温双岐菌：15-20％，芽孢杆菌：18-22％，火山芽孢杆菌：19-23％，高温放线菌：30-35％，长孢菌：8-12％。

优选地，所述dy高温菌剂中包括以下质量组分的菌种：高温双岐菌：18.31％，芽孢杆菌：21.54％，火山芽孢杆菌：19.46％，高温放线菌：34.39％，长孢菌：9.3％。

如上所述的城市污泥微塑料的降解处理方法，优选地，步骤s2中，所述辅料为玉米秸秆粉、小麦秸秆粉、稻壳或稻糠中的一种或几种；

向混料堆中添加辅料，将待发酵混料的含水率控制在50-60％。

如上所述的城市污泥微塑料的降解处理方法，优选地，步骤s3中，曝气强度为0.3-0.5m³/h。

如上所述的城市污泥微塑料的降解处理方法，优选地，步骤s4中，进行3-4次翻槽，具体地，取出发酵混料，并将发酵混料均匀翻堆，使所述发酵混料中的水分、有机物、氧气均匀分布，并增大发酵混料的孔隙率；

一次翻槽完成后，将发酵混料装回发酵槽，进行下一周期的发酵，重复3-4次翻槽，直到发酵混料的温度不再升高。

如上所述的城市污泥微塑料的降解处理方法，优选地，步骤s4中，发酵混料的发酵周期为2-3天，在所述发酵周期内，发酵混料的温度大于85℃；

当发酵混料的温度低于65-70℃时，对发酵混料进行翻槽。

如上所述的城市污泥微塑料的降解处理方法，优选地，步骤s4中，采用热电偶以及摄像头对所述发酵混料进行实时监测。

如上所述的城市污泥微塑料的降解处理方法，优选地，

步骤s5中，得到终产物后，对终产物中的微塑料含量进行检测；

若终产物中的微塑料颗粒直径≤0.05mm，则将其排放；若终产物中的微塑料颗粒直径＞0.05mm，则将所述终产物作为回料，再次投入步骤s2中进行发酵。

如上所述的城市污泥微塑料的降解处理方法，优选地，采用四分法对终产物进行取样，并采用显微红外技术对终产物中的微塑料粒径进行计数。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明采用超高温好氧发酵的方法处理城市污泥，向城市污泥中添加dy高温菌剂、辅料，并进行曝气控制以保证供氧充足。在上述条件下，极端嗜热菌以污泥和辅料中的有机物和氨氮作为养分进行生长代谢，并产生腐殖质，以微塑料为有机碳源，通过嗜热微生物的呼吸作用以及生长代谢，将污泥中含有的微塑料进行降解，从而达到降低微塑料含量的目的。本发明的超高温好氧发酵的方法能够实现城市污泥的无害化以及资源化处理，降解直径在0.05mm-5mm范围内的微塑料。降解后的城市污泥中，微塑料含量大大减少，腐殖质含量增加，能够用于肥料化推广利用。

本发明的降解处理方法为城市污泥的无污染利用提供了一种无害化高效彻底的资源化处理途径，运行成本低，为解决城市污泥中的微塑料污染提供了一种新的思路，对缓解城市污泥微塑料污染，改善土壤环境具有重要意义。

附图说明

图1为本发明中污泥微塑料的降解处理工艺流程图；

图2为本发明实施例1中所用的沈阳市振兴污水处理厂中的待处理的沈阳市政污泥的实物图；

图3为本发明实施例1中所使用的的dy高温菌剂的实物图；

图4为本发明中发酵槽的结构示意图；

图5为本发明中发酵槽与曝气设备的连接关系图。

【附图标记说明】

1：发酵槽；2：组合板；3：曝气鼓风机；4：曝气管；5：气体流量计。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本实施例提供一种城市污泥微塑料的降解处理方法，包括如下步骤：

s1：向含有高浓度微塑料的污泥原样中加入dy高温菌剂，形成待处理混料。污泥原样与dy高温菌剂质量比2.5:1-3:1。本步骤中，所用的污泥原样为来自沈阳市振兴污水处理厂的待处理的沈阳市政污泥，所用污泥如图2所示。所用菌剂为自制的dy高温菌剂，dy高温菌剂如图3所示。本实施例选用的dy高温菌剂中包括以下质量组分的菌种：高温双岐菌：15-20％，芽孢杆菌：18-22％，火山芽孢杆菌：19-23％，高温放线菌：30-35％，长孢菌：8-12％。

s2：向步骤s1中的待处理混料按照含水率要求添加辅料，将污泥和辅料用搅拌机机混合均匀，得到待发酵的混料。本步骤中，采用玉米秸秆粉、小麦秸秆粉、稻壳或者稻糠中的一种或多种作为辅料，将混料的含水率控制在50-60％。具体地，当混料的含水率低于50％，则继续添加城市污泥和菌剂。若混料的含水率高于60％，则添加辅料，使含水率控制在50-60％。

高温双岐菌以及高温放线菌用于有机质的降解，芽孢杆菌、火山芽孢杆菌以及长孢菌用于微塑料的降解。

步骤s2中，添加的辅料能够提供高温的有机质基础，辅料中的有机质在嗜热菌的作用下转化为腐殖质。与此同时，发酵过程中产生的高温还能够杀死污泥中的有害微生物以及其他有害物质，实现污泥的无害化和资源化。

在辅料和污泥中的有机质转化为腐殖质的过程中产生的高温为芽孢杆菌、火山芽孢杆菌以及长孢菌提供适宜的环境，芽孢杆菌、火山芽孢杆菌以及长孢菌对微塑料进行降解。

高温双岐菌以及高温放线菌以污泥和辅料中的有机物和氨氮作为养分进行生长代谢，并产生腐殖质。芽孢杆菌、火山芽孢杆菌以及长孢菌以微塑料为有机碳源，通过呼吸作用以及生长代谢，将污泥中含有的微塑料进行降解，从而达到降低微塑料含量的目的。降解后的城市污泥中，微塑料含量大大减少，腐殖质含量增加，能够用于肥料化推广利用。

s3：将步骤s2得到的待发酵混料堆入发酵槽，形成发酵混料。打开曝气鼓风机，向发酵混料进行曝气，在此过程中，空气经由气体流量计控制，最终将曝气强度控制在0.3-0.5m³/h。空气通过曝气管上的曝气孔进入发酵混料堆体，待发酵过程结束后再关闭曝气鼓风机。本步骤中，通过曝气向发酵混料提供充足的氧气，供有机质以及微塑料尽可能充分地腐殖化以及降解。

本发明中所使用的的发酵槽如图4以及图5所示，具体地，发酵槽1为长方体，由6块组合板2组成。组合板2之间通过螺栓可拆卸连接。

如图5所示，曝气设备包括曝气鼓风机3以及曝气管4，曝气管4上安装气体流量计5，以实时监测和控制空气流量。曝气管4的一端与曝气鼓风机3连接，另一端分别与均匀分布的3-5个支曝气管连接。该3-5个支曝气管探入发酵槽1的内部，且位于发酵槽1的底部。支曝气管上开设若干曝气孔，曝气孔开口朝向发酵槽的底部，以避免发酵混料堵塞曝气孔。为了便于理解，图5中的发酵槽为未安装后组合板以及上组合板的状态。

s4：利用保温棉对发酵槽进行保温，并采用热电偶及摄像头实时监测发酵混料的发酵温度。根据发酵混料的发酵温度变化，对发酵混料进行翻槽操作，使得堆料中的水分、有机物以及氧气均匀混合，并增大堆体的空隙率，以便于下一周期更好地发酵。

具体地，在一个完整的处理过程中，需要根据堆体温度变化倒堆翻槽3-4次，即在一个完整的处理过程中，需要3-4个发酵周期，共耗时12-15天。

当发酵混料的温度升高，表示发酵开始。当发酵温度开始下降，意味着该周期的发酵即将结束。混料开始发酵大约1天后，可达到85℃甚至90℃以上的高温。随后，发酵混料能够维持2-3天高温发酵状态。当发酵混料的温度下降到65-70℃时，需要进行翻槽。翻槽的具体操作如下：将发酵混料从发酵槽中取出，使用铁锹及搅拌机机将发酵混料均匀翻堆，使所述发酵混料中的水分、有机物、氧气均匀分布，并增大发酵混料的孔隙率。翻槽后，将发酵混料装回发酵槽进行下一周期的发酵。在下一周期的发酵过程中，发酵混料到的温度同样能够升到85℃以上，并且持续约2-3天的高温发酵状态。当温度再次下降至65-70℃时，重复翻槽操作，直到无论怎样翻槽，发酵混料的温度都不再上升，发酵结束，堆体温度逐渐降至室温。

需要说明的是，上述全部发酵周期内，均保持曝气强度不变。

s5：待发酵混料的发酵温度趋于室温不再变化，得到最终产物，并对最终产物取样并检测微塑料的粒径以及含量。

在经历12-15天的高温发酵后，发酵混料的性质已经发生改变，有机质全部消耗殆尽，并转化为腐殖质，腐熟程度达到最高。对终产物中的微塑料含量进行检测，具体地，采用四分法对终产物进行取样，并采用显微红外技术对终产物中的微塑料粒径进行计数。

若终产物中的微塑料颗粒直径≤0.05mm，则达到合格要求，将其排放。若终产物中的微塑料颗粒直径＞0.05mm，则不满足降解要求，需要将所述终产物作为回料，再次投入步骤s2中进行发酵。因此，超高温好氧发酵的方法能够实现城市污泥的无害化以及资源化处理，能够降解直径在0.05mm-5mm范围内的微塑料。

本发明采用超高温好氧发酵的方法处理城市污泥，向城市污泥中添加dy高温菌剂、辅料，并进行曝气控制以保证供氧充足，通过对发酵温度，曝气，翻堆，对发酵混料的腐熟进行控制，利用超高温好氧细菌生长代谢对有机物的氧化及降解，达到对城市污泥微塑料的降解同时产生腐殖质物质，实现对城市污泥的无害化和资源化。

实施例1

本发明实施例提供一种城市污泥微塑料的降解处理方法，包括混料处理、曝气控制、温度控制、翻槽操作和腐熟控制。参照图1，本实施例的城市污泥微塑料的降解处理方法具体包括如下步骤：

s1：向未经处理的城市污泥中加入dy高温菌剂，形成待处理混料。该污泥原样中含有高浓度微塑料，将污泥原样与dy高温菌剂质量比控制为3:1。本实施例中，所用城市污泥为来自沈阳市振兴污水处理厂的待处理的沈阳市政污泥，所用菌剂为自制的dy高温菌剂。

本实施例选用的dy高温菌剂中包括以下质量组分的菌种：高温双岐菌：18.31％，芽孢杆菌：21.54％，火山芽孢杆菌：19.46％，高温放线菌：34.39％，长孢菌：9.3％。

s2：向步骤s1中的待处理混料中添加辅料，将污泥和辅料用搅拌机机混合均匀，得到待发酵的混料。本实施例采用玉米秸秆粉、小麦秸秆粉、稻壳以及稻糠的混合物作为辅料，添加上述辅料后，将混料的含水率控制约为55％。添加辅料后，对混料的含水率进行检测，当混料的含水率低于55％左右，则继续添加城市污泥和dy高温菌剂。若混料的含水率高于55％左右，则继续添加辅料。

s3：将步骤s2得到的待发酵混料堆入发酵槽，形成发酵混料。打开曝气鼓风机，向发酵混料进行曝气，在此过程中，空气由气体流量计控制，将曝气强度控制在约0.4m³/h。空气通过曝气管上的曝气孔进入发酵混料堆体，待发酵过程结束后再关闭曝气鼓风机。

s4：利用保温棉对发酵槽进行保温，并采用热电偶及摄像头实时监测发酵混料的发酵温度。持续向发酵混料进行曝气，根据发酵混料的发酵温度变化，对发酵混料进行翻槽操作，使得堆料中的水分、有机物以及氧气均匀混合，并增大堆体的空隙率，以便于下一周期的发酵。

混料开始发酵大约1天后，堆体的温度达到89℃。随后，发酵混料维持3天高温发酵状态。在第一个发酵周期的末期，发酵混料的温度下降到70℃时，进行第一次翻槽。具体地，将发酵混料从发酵槽中取出，使用铁锹及搅拌机机将发酵混料均匀翻堆，使水分、有机物、氧气均匀分布，并增大发酵混料的孔隙率。翻槽后，将发酵混料装回发酵槽进行第二周期的发酵。在第二周期的发酵过程中，发酵混料到的温度升到87℃，并且持续约3天的高温发酵状态。在第二发酵周期的末期，温度下降至70℃时，重复翻槽操作，以此类推，经过4次翻槽后，发酵混料的温度不再上升，发酵结束，堆体温度逐渐降至室温。

s5：待发酵混料的发酵温度趋于室温不再变化，得到最终产物。使用四分法对最终产物取样并检测微塑料的粒径以及含量。

经历15天的高温发酵后，发酵混料的性质已经发生改变，有机质全部消耗殆尽，并转化为腐殖质，腐熟程度达到最高，因此无论怎样翻槽，堆体温度都不再上升。对终产物中的微塑料含量进行检测，具体地，采用四分法对终产物进行取样，每份样品1kg，将所述样品放在显微红外仪器下，采用显微红外技术对其中的微塑料粒径进行计数观察。

经过上述一轮完整的发酵后，将第一轮的终产物作为回料，继续对回料混料处理、曝气控制、温度控制、翻槽操作和腐熟控制，进行第二轮发酵处理，并获得第二轮发酵的终产物。同样地，将第二轮发酵的终产物作为回料，进行第三轮发酵处理，并获得第三轮发酵的终产物。

实施例2

本实施例对实施例1的污泥原样以及每轮发酵降解结束后终产物中的微塑料进行观察、计数以及比较。

采用四分法对实施例1中的污泥原样进行取样，然后采用显微红外技术对其进行检测，测的堆肥原料中的微塑料含量约为：6.87×10⁴n/kg。

同样采用四分法对经过第一轮、第二轮以及第三轮完整的发酵后获得的终产物进行取样，采用显微红外技术对其进行检测。

最终测得，第一轮发酵后获得的终产物中仍未降解的微塑料，即粒径处于0.05mm-5mm之间的微塑料含量约为3.16×10⁴n/kg，经过计算，第一轮降解率约为54％。

第二轮完整发酵过后，获得的终产物中仍未降解的微塑料，即粒径处于0.05mm-5mm之间的微塑料含量约为1.64×10⁴n/kg，经过计算，降解率约为76％。

第三轮完整发酵过后，获得的终产物中仍未降解的微塑料，即粒径处于0.05mm-5mm之间的微塑料含量约为0.68×10⁴n/kg，经过计算，降解率约为91％。

从上述发酵降解结果可以看出，经过3轮发酵、2次回料处理后，得到的终产物中微塑料含量可降至10％以下，因此，实施例1对污泥微塑料具有明显有效的降解效果。

另外，本实施例还对降解前的污泥原样中的微塑料形态进行观察统计，具体地，采用四分法，获取污泥原样，并对微塑料进行形态观察。其中，微塑料形状有所不同：纤维状的微塑料占比最高，约为46.93％，薄膜状次之，约为41.74％，颗粒状再次之，约为11.31％，余量为其他不规则形状。

经过3轮降解，粒径为0.05mm-5mm之间的微塑料的含量已降至10％以下，肉眼几乎观察不到该粒径范围内的微塑料。

本发明采用超高温好氧发酵的方法处理城市污泥，向城市污泥中添加dy高温菌剂、辅料，并进行曝气控制以保证供氧充足。在上述条件下，极端嗜热菌以污泥和辅料中的有机物和氨氮作为养分进行生长代谢，并产生腐殖质，以微塑料为有机碳源，通过嗜热微生物的呼吸作用以及生长代谢，将污泥中含有的微塑料进行降解，从而达到降低微塑料含量的目的。本发明的超高温好氧发酵的方法能够实现城市污泥的无害化以及资源化处理，降解直径在0.05mm-5mm范围内的微塑料。降解后的城市污泥中，微塑料含量大大减少，腐殖质含量增加，能够用于肥料化推广利用。

本发明的降解处理方法为城市污泥的无污染利用提供了一种无害化高效彻底的资源化处理途径，运行成本低，为解决城市污泥中的微塑料污染提供了一种新的思路，对缓解城市污泥微塑料污染，改善土壤环境具有重要意义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。