投加方式和通風(fēng)速率對脫水污泥堆肥效果的影響
時間：2019-02-11
來源：發(fā)酵環(huán)保化工知識圈
為了在降低能耗的前提下獲得更高的污泥堆肥效率和提高堆肥產(chǎn)品質(zhì)量，利用梨形筒式好氧堆肥反應(yīng)器，設(shè)置2種物料投加方式和3種通風(fēng)速率，研究堆肥過程中溫度、含水率、總氮以及發(fā)芽指數(shù)(GI)的變化特性。結(jié)果表明，與間歇式堆肥相比，連續(xù)式堆肥可以顯著提高堆體溫度和堆體腐熟度，降低堆體含水率及縮短腐熟期，但氮素?fù)p失也顯著增大(P<0.01);連續(xù)式堆肥的處理效率是間歇式的2.11倍，能耗降低了52.60%。通風(fēng)速率為1.95L·min-1的連續(xù)式堆肥，堆體維持高溫時間最長，且最終溫度穩(wěn)定在較高溫度47~48℃，堆末含水率最低，氮素?fù)p失處于三者的中間水平，腐熟期最短。綜合分析，在通風(fēng)速率為1.95L·min-1的連續(xù)運(yùn)行方式下，梨形筒式反應(yīng)器用于污泥穩(wěn)定高效堆肥是可行的。
實(shí)驗(yàn)所用的污泥為某污水處理廠離心脫水后的污泥，含水率為84.27%，有機(jī)質(zhì)含量為65.31%;鋸末來自木材加工廠，過2mm篩后使用，含水率為 6.09%，有機(jī)質(zhì)含量為98.07%。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計
以污泥與鋸末濕重比為2.2：1配制混合堆料，調(diào)節(jié)初始含水率為60%。反應(yīng)器設(shè)置為正轉(zhuǎn)5min，停止55min，反轉(zhuǎn)5min，停止55min，如此循環(huán);轉(zhuǎn)速為10r·min-1;關(guān)于投加方式的研究分為間歇式和連續(xù)式。其中，間歇式為一次性投加，通風(fēng)速率與連續(xù)式相同，均為1.60L·min-1;連續(xù)式堆肥投配率為5.50%，從第2天開始投加，投加時間為每天12:00，堆肥21 d后共投加了20次;關(guān)于通風(fēng)速率對污泥連續(xù)堆肥效果的研究，在1.60 L·min-1的基礎(chǔ)上又增加了1.95、2.67L·min-12組堆肥實(shí)驗(yàn)，具體見表1。
測定指標(biāo)與方法
溫度采用傳感式數(shù)顯溫度計直接插入反應(yīng)器內(nèi)前、中、后部測定并取平均值，堆肥前5d于每天08:00,12:00,16:00和20:00實(shí)時記錄4次，之后每天于08:00和20:00實(shí)時記錄2次。含水率采用常壓干燥減量稱重法測定。
將堆肥鮮樣：純水以1：10的重量比混合，以135Hz振蕩4h，再將其以5000r·min-1離心20min，經(jīng)0.45μm濾膜抽濾制得浸提液。總氮(TN)采用過硫酸鉀消解法于浸提液中測得。
種子發(fā)芽指數(shù)(GI)采用白菜種子，于堆肥鮮樣：純水為1：10的5mL浸提液中培養(yǎng)48h進(jìn)行測量計算。各指標(biāo)測定樣本數(shù)均為3，并取算數(shù)平均值。數(shù)據(jù)使用Origin8.5軟件處理分析，顯著性采用t分布檢驗(yàn)
投加方式對好氧堆肥效果的影響
對堆體溫度的影響
微生物降解物料中的有機(jī)質(zhì)時會產(chǎn)生熱量，因此，堆肥過程中的溫度變化能夠反映微生物新陳代謝的強(qiáng)弱，還能影響堆體水分的去除和病原微生物的滅活。2種投加方式下堆體溫度的變化如圖2所示。
T1堆肥系列溫度變化呈先上升后下降，最后與環(huán)境溫度變化趨同的規(guī)律;T2系列溫度呈先大幅升高后降低，再小幅升高再降低，最后呈變幅逐漸縮小的穩(wěn)定狀態(tài)。
T1、T2堆體均在第0.75天達(dá)到最高溫度54.6、55.1℃，50℃以上分別維持了0.75和1.75d。T2堆體第1~4天和第6~8天溫度不斷降低，分析原因可能是初始投加的物料中易降解有機(jī)質(zhì)不斷減少，每天新投加物料中微生物處于適應(yīng)階段，對有機(jī)質(zhì)的分解較慢，導(dǎo)致產(chǎn)熱量小于散熱量所致。第4~6天和第8~10天溫度回升，原因可能是微生物活性逐漸增強(qiáng)，對前幾天積累的物料分解速度加快，產(chǎn)熱量增加所致;隨著堆肥的進(jìn)行，初始投加物料中易降解有機(jī)質(zhì)消耗殆盡，物料呈穩(wěn)定狀態(tài)，并對每天新投加的物料起到接種的作用，使得堆體能夠長時間在較高溫度(45℃以上)保持穩(wěn)定，2種投加方式對堆體溫度有顯著差異(P<0.01)。T1后期堆體溫度有所上升主要是由于環(huán)境溫度上升造成的，而T2后期溫度穩(wěn)定在46~47℃，說明連續(xù)式堆肥不僅會弱化堆體溫度受環(huán)境溫度的影響，而且由于不斷補(bǔ)充有機(jī)質(zhì)，既增大了投配率還可以滿足長時間高溫反應(yīng)的需求。因?yàn)椴≡⑸餆崾Щ钚?yīng)與時間和溫度有關(guān)，短時間的高溫和長時間的中溫具有相同的熱失活效果，顯然，連續(xù)式堆肥利于維持高溫環(huán)境，堆肥無害化程度更高。
對堆體含水率的影響
含水率不僅反映了堆肥過程的物理狀態(tài)，同時與微生物活性密切相關(guān)。水分含量過低，將抑制微生物的生長;水分含量過高，會造成堆料孔隙度過低，影響氧氣的傳輸。
T1、T2系列的含水率均呈先略微上升后下降的趨勢(圖3)，表明堆肥初期，生化反應(yīng)的產(chǎn)水量大于通風(fēng)和蒸發(fā)等帶走的水量，而后因生化反應(yīng)速率下降導(dǎo)致了含水率的持續(xù)下降，經(jīng)過21d堆肥，T1T2堆體含水率分別下降了10.99%和12.42%，連續(xù)式堆肥能顯著降低堆體含水率(P<0.01)。污泥堆肥前期，T1、T2含水率有所升高，是因?yàn)橐追纸庥袡C(jī)質(zhì)快速礦化分解而產(chǎn)生大量的水，且分別在第2天和第1天顯著下降，其原因可能是較高的溫度加速了水分的蒸發(fā)。堆肥后期含水率下降，T1堆體主要是因?yàn)橥L(fēng)作用，而T2堆體是通風(fēng)和較高的溫度下水分蒸發(fā)的共同作用。整個堆肥過程中，T1、T2處理在一定程度上均實(shí)現(xiàn)了污泥堆肥處理的減量化目的，雖然T2連續(xù)投加進(jìn)入反應(yīng)器的總水量大，但其堆體含水率仍低于T1，更有利于堆體減容，原因是T2堆體的相對高溫環(huán)境導(dǎo)致水分的蒸發(fā)量更大。
對堆體TN的影響
污泥堆肥過程中，氮素?fù)p失是影響堆肥產(chǎn)品肥效的重要原因之一。堆肥過程產(chǎn)生的高溫和高pH環(huán)境使氨氮以NH3的形式逸出或發(fā)生反硝化脫氮而造成氮素的損失。
T1、T2堆體TN的變化規(guī)律基本一致，呈先下降后升高、最后小幅下降的趨勢(圖4)。在堆肥前2d，由于大量微生物快速生長、增殖消耗氮素及有機(jī)氮的快速分解產(chǎn)生大量的NH3，在高溫下快速揮發(fā)而損失，使得堆肥中 TN含量迅速減少。隨著堆肥的進(jìn)行，有機(jī)質(zhì)不斷分解成CO2和H2O而散失，堆體的體積隨之減小，TN因此被濃縮而含量增加并在后期趨于穩(wěn)定。前3d，T1和T2總氮含量無顯著差異(P>0.01)，表明T2每天的氮素投加
量與高溫?fù)p失的氮素量基本持平。第3天后，由于高溫下NH3揮發(fā)損失的氮素大于新投加量，故T2處理TN含量顯著低于T1(P<0.01)。堆肥結(jié)束后，T1和T2處理的氮素?fù)p失分別為15.16%和31.83%。因此，與T1相比，T2處理不利于氮素留存。
處理效率與能耗分析
T1、T2處理初始污泥投加量均為3.30kg(堆料4.80kg)。T1處理(間歇式堆肥)運(yùn)行21d后，污泥處理量M1=3.30kg;T2處理累積污泥投加量共為20×0.267×(3.30/4.80)=3.67kg，則T2處理21d共處理污泥量為 3.30kg+3.67kg=6.97kg。故T2處理效率是T1的2.11倍。另外，因二者通風(fēng)速率、轉(zhuǎn)速等相同，即能耗相同，則單位堆體能耗T2比T1減少了 52.60%。因此，就污泥堆肥而言，連續(xù)式的投加方式在處理效率和節(jié)能方面顯著優(yōu)于間歇式。
通風(fēng)速率對連續(xù)好氧堆肥效果的影響
對堆體溫度的影響
T2、T3、T4堆體溫度均先呈大幅上升后下降，再小幅升溫-降溫，最終趨于穩(wěn)定的趨勢(圖6)。
T2、T3、T4等3個系列幾乎同時達(dá)到高溫階段(大于50 ℃)，且分別在第 0.75、1.25和1.00天達(dá)到最高溫度54.7、57.6和55.6℃;各堆體維持高溫階段的時間分別為1.75、2.00和1.25d，且最終溫度分別穩(wěn)定在45~46、47~48和44~45℃。通風(fēng)量過大或過小，都會縮短高溫期，顯著降低堆體的溫度(P<0.01)。通風(fēng)速率影響空氣的擴(kuò)散和對流傳質(zhì)，從而影響堆體溫度和氧氣濃度，最適宜微生物活動的氧含量應(yīng)超過10%。在通風(fēng)速率較低的T2中，氧含量可能低于10%，沒有足夠的氧氣來滿足微生物的需求，使得反應(yīng)生成熱大于散失熱量，高溫持續(xù)時間縮短且最終溫度較低;T4通風(fēng)速率過大，氧含量過剩，使得堆肥物料與氣體之間的表面對流增強(qiáng)，導(dǎo)致熱損失增加。而T3通風(fēng)速率既能滿足微生物自代謝活動的需要，又不會因?yàn)橥L(fēng)速率過大而帶走過多的熱量，是最適的通風(fēng)速率。
對堆體含水率的影響
T2、T3、T4等3個系列含水率均呈先略微上升后持續(xù)下降的趨勢(圖7)。
這是因?yàn)槎逊是捌谝追纸庥袡C(jī)物氧化分解劇烈，產(chǎn)生的水分多;之后由于處于高溫階段，堆體溫度較高，水分蒸發(fā)快，含水率逐漸下降;另外，易分解有機(jī)物逐漸減少，產(chǎn)生的水分減少且通風(fēng)帶走的水分大于產(chǎn)生的水分。這與梨形筒式反應(yīng)器用于人糞便堆肥的研究結(jié)果不一致，原因可能是人糞便中易降解有機(jī)質(zhì)多，且接種微生物促進(jìn)了人糞便堆體中的較難降解物質(zhì)的降解，產(chǎn)生更多的水分所致。3個系列堆肥結(jié)束時的含水量分別由初始的59.46%、59.85%和60.08%下降43.74%、42.56%和43.25%。在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，增大通風(fēng)速率可以顯著降低堆體含水率(P<0.01)，然而，通風(fēng)速率過大，效果不顯著(P>0.01)。從堆體減容角度考慮，T3堆體的通風(fēng)速率(1.95L·min-1)是最適通風(fēng)速率。
對堆體TN的影響
3種通風(fēng)速率下，TN變化趨勢基本相同，均表現(xiàn)為先略有下降，再上升，最后逐漸下降趨于穩(wěn)定(圖8)。
堆肥快速升溫期 (第1天)，堆料中微生物的代謝旺盛，微生物對TN的利用速度大于含氮化合物的水解速度，導(dǎo)致TN有所下降。之后，含氮化合物的水解速度大于TN的利用速度，產(chǎn)生大量的銨根離子，導(dǎo)致TN上升。而后隨著溫度的升高，大量的銨以NH3形式揮發(fā)，造成TN下降。整個堆肥過程中，3種通風(fēng)速率的氮素?fù)p失分別為36.27%、44.47%、45.54%，通風(fēng)速率增大，氮素?fù)p失顯著增大(P<0.01)。不同通風(fēng)速率對廚余垃圾堆肥總氮的變化趨勢一致。
結(jié) 論
1)利用梨形筒式反應(yīng)器進(jìn)行脫水污泥堆肥，間歇式和連續(xù)式2種投加方式均可實(shí)現(xiàn)初期堆溫高于50℃ 以上和堆體腐熟，達(dá)到使污泥減量化、穩(wěn)定化和資源化的目的。
2)與間歇式堆肥相比，連續(xù)式堆肥堆體高溫維持時間更長，堆肥結(jié)束后，堆體含水率更低，更利于堆體減容;堆體腐熟速度更快;處理效率是是間歇式堆肥的2.11倍，能耗降低了52.60%。但由于高溫持續(xù)時間較長，氮素?fù)p失較間歇式堆肥大。
3)1.95L·min-1的通風(fēng)速率污泥堆體的升溫速率最快，高溫反應(yīng)維持時間更長，更利于梨形筒式反應(yīng)器對脫水污泥的腐熟、減量和無害化。
