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污泥堆肥動(dòng)力學(xué)分析及工程啟示
【關(guān)鍵詞】： 污泥堆肥 微觀動(dòng)力學(xué) 傳質(zhì)過程 數(shù)學(xué)模型 厭氧反應(yīng) 好氧反應(yīng)
【分類號(hào)】：S141.6;X703
【正文快照】：
污泥堆肥動(dòng)力學(xué)分析及工程啟示
摘要：主要分析了堆肥體中物料的固、液、氣三相及界面的反應(yīng)和傳質(zhì)過程，從微觀動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行模擬計(jì)算，并分析了堆體內(nèi)的反應(yīng)、傳質(zhì)和傳熱過程，由此揭示污泥堆肥過程的影響因素及相互關(guān)系。通過計(jì)算分析堆肥過程動(dòng)力學(xué)的控制因素，提出污泥堆肥工程優(yōu)化的原則。
關(guān)鍵詞：污泥堆肥；微觀動(dòng)力學(xué)；傳質(zhì)過程；數(shù)學(xué)模型；厭氧反應(yīng)；好氧反應(yīng)
與常規(guī)固體廢棄物堆肥相比,脫水污泥的粘稠性、致密性以及觸變性和高含水率導(dǎo)致污泥堆肥有一定的特殊性。通過分析污泥堆肥動(dòng)力學(xué)模型,揭示堆肥過程的控制因素,對(duì)工程優(yōu)化具有重要意義
1 污泥堆肥系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析
脫水污泥是一個(gè)固、液、氣分散度較高的物料體系,在堆肥系統(tǒng)中會(huì)發(fā)生如下主要反應(yīng)過程：
（1）氣相中的氧氣透過氣-液/固界面進(jìn)入污泥物料。
（2）污泥中的蛋白質(zhì)、糖類、淀粉、碳水化合物和脂肪等有機(jī)物在發(fā)酵過程中被生物利用。不溶膠體和大分子在胞外酶的作用下水解并降解成糖類、脂肪酸、氨基酸等，進(jìn)而擴(kuò)散通過細(xì)胞壁進(jìn)入到微生物細(xì)胞體內(nèi)，在氧和水環(huán)境中一部分被進(jìn)一步氧化形成無機(jī)物質(zhì)并釋放能量。其中一部分能量和有機(jī)物進(jìn)行合成代謝產(chǎn)生新的微生物細(xì)胞。
（3）在擴(kuò)散作用下空氣向微生物提供生化好氧過程所需要的氧。
（4）發(fā)酵過程中剩余的能量被多個(gè)過程消耗掉：水分的蒸發(fā)及水蒸氣的升溫，堆肥體的散熱和吸熱，穿過堆肥體空氣的升溫。
（5）反應(yīng)產(chǎn)物（CO2）及半產(chǎn)物（氣味物質(zhì)）被穿過堆肥體空氣吹脫進(jìn)入氣相。
（6）被吹脫的反應(yīng)產(chǎn)物及半產(chǎn)物在隨氣體進(jìn)一步穿過堆肥體時(shí)被再吸附。
（7）有機(jī)物的降解和水分的蒸發(fā)導(dǎo)致物料的減量、比表面積的增加以及氣-液/固相界面的變化。
1.1動(dòng)力學(xué)模型
與污水處理反應(yīng)器相比，堆肥物料的非均勻性以及測(cè)試手段的局限給動(dòng)力學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型研究造成了很大的困難，這也是截至目前試圖將堆肥體從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度給出堆肥動(dòng)力學(xué)模型不成功的原因。雖然經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌蜉^好地與實(shí)際情況相吻合，但是由于他擺脫了機(jī)理與現(xiàn)象的關(guān)系，所以在預(yù)測(cè)、優(yōu)化和開發(fā)新工藝上又有很大局限。
為分析和揭示堆肥過程，取堆肥體中一個(gè)足夠小的單元，假定在這個(gè)單元中底物濃度、微生物濃度、水分、溫度、氣相氧氣濃度均勻一致。對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。
（1）酸化菌水解和產(chǎn)生低級(jí)脂肪酸過程的動(dòng)力學(xué)
污泥堆肥堆體中的蛋白質(zhì)、脂肪和糖類都能被酸化菌（多為兼性厭氧菌）利用，水解速率受聚合物的分子質(zhì)量、水解時(shí)的穩(wěn)定性、膠體含量和酶的濃度等因素的影響，通常酶的濃度被認(rèn)為足夠高，反應(yīng)速度與底物的濃度相關(guān)，底物水解速率表達(dá)為式為[1,2]：
（2）生物好氧氧化過程動(dòng)力學(xué)
應(yīng)用普遍的Monod模型將細(xì)胞生長過程中的細(xì)胞比增長速率μ與底物濃度S之間的關(guān)系，具體如下：
1.2污泥堆肥動(dòng)力學(xué)模擬分析
（1）底物濃度的影響及降解速度
在污泥堆肥的實(shí)際工程中，經(jīng)返混料調(diào)理后的堆肥污泥含水率在50-65%，堆肥物料固體物質(zhì)中含有機(jī)質(zhì)約40-60%，根據(jù)污泥穩(wěn)定化和調(diào)理劑的可降解程度不同，其中約有20-60%是易被生化降解的有機(jī)質(zhì)。表1為堆肥物料參數(shù)的平均值。
根據(jù)已有廢水中的動(dòng)力學(xué)研究，上述計(jì)算的有機(jī)質(zhì)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ks值的范圍，所以反應(yīng)過程應(yīng)不受底物濃度的限制。
上述計(jì)算顯示，理論上微生物增長速度和底物水解速度都可以極快，在分鐘數(shù)量級(jí)的時(shí)間內(nèi)可以全部完成水解過程。而真實(shí)系統(tǒng)的反應(yīng)速度則要慢很多。由此可以推斷，固體物質(zhì)（無機(jī)鹽、灰分）、細(xì)胞壁的物理阻礙應(yīng)該是真實(shí)系統(tǒng)中影響反應(yīng)速度的根本制約因素。
假定表1中所列的底物濃度已經(jīng)完全水解，即水中易降解的有機(jī)質(zhì)濃度為151g/L，并假設(shè)水解速度與好氧氧化相比足夠快，由此進(jìn)行好氧氧化動(dòng)力學(xué)分析。
μmax參考Block的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取1.45h-1；同時(shí)底物濃度S與kS相比足夠高；在含水率較低的情況下微小固體顆粒表面僅有很薄的水膜，即假定氧氣傳質(zhì)不是控制因素，Monod經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，將原有方程修正后如下：
由以上計(jì)算結(jié)果可知，如果底物、氧氣不存在傳質(zhì)上的制約，微生物平均濃度達(dá)到6g/L時(shí)降解過程可在10h內(nèi)完成。通常采用活性污泥法微生物濃度為2-10g/l，采用生物膜處理時(shí)，微生物濃度更高（10-14 g/l）[4]，也就是說，在能保證物料的流動(dòng)性和均勻性傳質(zhì)不受制約的前提下，這樣的高反應(yīng)速度才可行。所以針對(duì)堆肥系統(tǒng)，傳質(zhì)是過程速度的制約因素。
（3）氧濃度的影響、好氧速率，氧傳質(zhì)模型剖析
在堆肥物料中，氧的傳遞靠擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)。高濃度廢水中的氧擴(kuò)散系數(shù)小于純水中的擴(kuò)散系數(shù)，以下計(jì)算暫忽略這一影響。假定在堆肥堆體中透氣的空穴部分，氧的擴(kuò)散速度足夠快，相界面的濃度與空隙氣相濃度相等。
上述推算及探討顯示，在微生物活躍期，氧的傳質(zhì)速度遠(yuǎn)不能滿足微生物進(jìn)行好氧降解的需求，在物料深度遠(yuǎn)小于1mm時(shí)，系統(tǒng)就已經(jīng)不再是好氧發(fā)酵了。
2生化氧化過程中的放熱速率及熱平衡
2.1放熱速率
高分子有機(jī)物的解過程可以是厭氧也可以是好氧過程，該過程中的放熱并不明顯，并不影響系統(tǒng)的熱平衡。顯著影響系統(tǒng)熱平衡的是后續(xù)的降解過程，即被氧化分解的有機(jī)物最終轉(zhuǎn)化為CO2 和H2O，同時(shí)放出熱量。與此同時(shí)，另一部分有機(jī)物被微生物利用進(jìn)行合成代謝以形成新的細(xì)胞物質(zhì)。隨著底物不斷氧化分解及微生物數(shù)量的不斷增長，微生物生長對(duì)有機(jī)底物的需求量逐漸得不到滿足，微生物將進(jìn)入內(nèi)源呼吸階段，此時(shí)微生物對(duì)自身細(xì)胞物質(zhì)進(jìn)行氧化分解，之前利用的能量再次以熱量的形式釋放。
底物被完全氧化的放熱與底物存在相互關(guān)系，與耗氧量有良好的線性關(guān)系：有機(jī)質(zhì)在完全氧化過程中，每消耗1g氧氣放出約14.6kJ的熱量。放熱速率可以表述為氧消耗速率的函數(shù)，具體如下：
每消耗1kg 空氣放熱量Q與空氣中氧利用率如圖1所示：
2.2堆體中的熱損失計(jì)算：
（2）Qt（空氣帶走水蒸氣熱量）、Q（水蒸氣的汽化熱）的計(jì)算
假定1kg空氣離開堆體時(shí)水蒸氣飽和度為90%。可計(jì)算這部分水蒸氣從0℃升溫至60℃時(shí)帶走的熱量，在60℃下水蒸氣的飽和蒸汽壓為20kPa[5]，升溫需消耗熱量為45kJ/kg空氣：將以上計(jì)算結(jié)果代入式（12），可得在環(huán)境溫度20℃時(shí)的熱損失總量為549kJ/kg空氣。
根據(jù)式（11）可得，每消耗1g純氧氣可最多可釋放14.6kJ熱量，當(dāng)空氣中氧利用率為100%時(shí)，進(jìn)入堆體放熱1kg空氣釋放的最大潛熱為3383 kJ/kg空氣。
實(shí)際中通過檢測(cè)廢氣中氧氣含量在10-16%（干基）可知空氣中氧利用率在20%-50%，查圖1可知，總放熱量在677和1692 kJ/kg空氣。空氣的飽和蒸汽壓在10-70℃區(qū)間內(nèi)為1.2-30kPa，水的汽化熱在2283-2385 kJ/kg。對(duì)比圖1可見，系統(tǒng)生化氧化放熱量足夠維持系統(tǒng)干化所需要的熱能，也是污泥堆肥中生物干化的基本原理。根據(jù)Qt（空氣帶走水蒸氣熱量）和Q（水蒸氣的汽化熱）計(jì)算結(jié)果顯示，空氣與堆體熱交換產(chǎn)生的能耗隨通風(fēng)總量的遞增，但總體能耗較小，約為水蒸發(fā)耗能的20%，并不需要采取空氣預(yù)熱等措施。所以，通風(fēng)預(yù)熱的效果并不好。
根據(jù)以上計(jì)算，氧氣利用率越高，單位空氣份放熱量也會(huì)相應(yīng)增加，所以，真實(shí)系統(tǒng)中可以根據(jù)氧氣、溫度、通風(fēng)量之間的內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)行優(yōu)化控制[6]。
3工程啟示
（1）污泥好氧發(fā)酵中大部分或絕大部分物料處于厭氧狀態(tài)
根據(jù)以上好氧堆肥機(jī)理的系統(tǒng)研究和動(dòng)力學(xué)模擬可知，在液相中距離相表面深度為0.00009時(shí)，有機(jī)質(zhì)降解已經(jīng)受到氧氣濃度的制約，在堆體內(nèi)部主要發(fā)生厭氧反應(yīng)。因此在工程中，應(yīng)盡可能保證物料的疏松度，并選用柔和的通風(fēng)方式及合理控制通風(fēng)量才能保證在液相表面發(fā)生的好氧降解反應(yīng)徹底，避免半產(chǎn)物的吹脫及氣味物質(zhì)的釋放。
通常經(jīng)機(jī)械脫水后的污泥含水率較高（約80%），污泥粘稠、觸變性強(qiáng)，因此在工程中需要通過預(yù)調(diào)理調(diào)節(jié)物料的含水率，同時(shí)使污泥這種特殊物質(zhì)成為疏松、透氣性良好、宜于生化氧化的物料體系[7]。
（2）臭氣的發(fā)生和有效控制
臭氣的產(chǎn)生是污泥、垃圾堆肥遇到的普遍問題，從堆肥原理分析可知，臭氣主要源自厭氧產(chǎn)物和水解中間物質(zhì)。根據(jù)上述微觀動(dòng)力學(xué)模擬和數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果顯示，好氧發(fā)酵過程中以厭氧反應(yīng)為主，厭氧水解后的氨基酸、甘油和脂肪酸等中間產(chǎn)物被進(jìn)一步好氧分解生成CO2和水，當(dāng)厭氧水解速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于好氧降解速率時(shí)，中間產(chǎn)物的厭氧反應(yīng)生成H2S、CH4等氣味物質(zhì)。
堆體的形式對(duì)供氧效果有明顯影響。堆體過高會(huì)導(dǎo)致自壓實(shí)嚴(yán)重，難以保持堆體縱向疏松度的均勻性，且靠近低端通風(fēng)口處物料越密實(shí)，通風(fēng)口堵塞越嚴(yán)重，難以保證供氧均勻。因此，工程中多將翻拋?zhàn)鳂I(yè)作為堆肥物料的補(bǔ)氧措施。根據(jù)以上動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果可知，微生物和底物濃度充足時(shí)，耗氧速率極快，因此翻拋?zhàn)鳂I(yè)所提供的氧僅能維持很短時(shí)間的好氧反應(yīng)，堆體內(nèi)部以厭氧反應(yīng)為主，并導(dǎo)致惡臭和二次污染等問題。同時(shí)翻拋還導(dǎo)致堆體的穩(wěn)定性降低，破壞堆體的好氧環(huán)境，延長堆肥周期并降低堆肥效果。因此，堆肥堆體不宜過高，堆肥過程中應(yīng)盡可能避免機(jī)械干擾，選用柔和通風(fēng)技術(shù)并合理控制通風(fēng)量，維持理想的堆體溫度和好氧降解速率，將明顯減少臭氣發(fā)生量和縮短堆肥周期。
4 結(jié)語
結(jié)合對(duì)堆肥系統(tǒng)研究、動(dòng)力學(xué)模擬和工程實(shí)踐證明，對(duì)污泥進(jìn)行改性，調(diào)理為疏松的、具有透氣性的物料體系是進(jìn)行好氧堆肥的重要前提，堆肥過程中應(yīng)盡可能避免機(jī)械干擾，選用柔和通風(fēng)技術(shù)并合理控制通風(fēng)量，維持理想的堆體溫度和好氧降解速率，是減少臭氣發(fā)生量和縮短堆肥周期、持續(xù)高溫殺菌、實(shí)現(xiàn)污泥無害化的重要控制因素。
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