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污泥堆肥動力學分析及工程啟示
【關鍵詞】： 污泥堆肥 微觀動力學 傳質過程 數學模型 厭氧反應 好氧反應
【分類號】：S141.6;X703
【正文快照】：
污泥堆肥動力學分析及工程啟示
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和傳質過程，從微觀動力學角度進行模擬計算，并分析了堆體內的反應、傳質和傳熱過程，由此揭示污泥堆肥過程的影響因素及相互關系。通過計算分析堆肥過程動力學的控制因素，提出污泥堆肥工程優(yōu)化的原則。
關鍵詞：污泥堆肥；微觀動力學；傳質過程；數學模型；厭氧反應；好氧反應
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致污泥堆肥有一定的特殊性。通過分析污泥堆肥動力學模型,揭示堆肥過程的控制因素,對工程優(yōu)化具有重要意義
1 污泥堆肥系統(tǒng)動力學分析
脫水污泥是一個固、液、氣分散度較高的物料體系,在堆肥系統(tǒng)中會發(fā)生如下主要反應過程：
（1）氣相中的氧氣透過氣-液/固界面進入污泥物料。
（2）污泥中的蛋白質、糖類、淀粉、碳水化合物和脂肪等有機物在發(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，進而擴散通過細胞壁進入到微生物細胞體內，在氧和水環(huán)境中一部分被進一步氧化形成無機物質并釋放能量。其中一部分能量和有機物進行合成代謝產生新的微生物細胞。
（3）在擴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）反應產物（CO2）及半產物（氣味物質）被穿過堆肥體空氣吹脫進入氣相。
（6）被吹脫的反應產物及半產物在隨氣體進一步穿過堆肥體時被再吸附。
（7）有機物的降解和水分的蒸發(fā)導致物料的減量、比表面積的增加以及氣-液/固相界面的變化。
1.1動力學模型
與污水處理反應器相比，堆肥物料的非均勻性以及測試手段的局限給動力學、動力學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)計學角度給出堆肥動力學模型不成功的原因。雖然經驗模型能夠較好地與實際情況相吻合，但是由于他擺脫了機理與現象的關系，所以在預測、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，取堆肥體中一個足夠小的單元，假定在這個單元中底物濃度、微生物濃度、水分、溫度、氣相氧氣濃度均勻一致。對其進行動力學分析。
（1）酸化菌水解和產生低級脂肪酸過程的動力學
污泥堆肥堆體中的蛋白質、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量、水解時的穩(wěn)定性、膠體含量和酶的濃度等因素的影響，通常酶的濃度被認為足夠高，反應速度與底物的濃度相關，底物水解速率表達為式為[1,2]：
（2）生物好氧氧化過程動力學
應用普遍的Monod模型將細胞生長過程中的細胞比增長速率μ與底物濃度S之間的關系，具體如下：
1.2污泥堆肥動力學模擬分析
（1）底物濃度的影響及降解速度
在污泥堆肥的實際工程中，經返混料調理后的堆肥污泥含水率在50-65%，堆肥物料固體物質中含有機質約40-60%，根據污泥穩(wěn)定化和調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質。表1為堆肥物料參數的平均值。
根據已有廢水中的動力學研究，上述計算的有機質濃度遠遠大于Ks值的范圍，所以反應過程應不受底物濃度的限制。
上述計算顯示，理論上微生物增長速度和底物水解速度都可以極快，在分鐘數量級的時間內可以全部完成水解過程。而真實系統(tǒng)的反應速度則要慢很多。由此可以推斷，固體物質（無機鹽、灰分）、細胞壁的物理阻礙應該是真實系統(tǒng)中影響反應速度的根本制約因素。
假定表1中所列的底物濃度已經完全水解，即水中易降解的有機質濃度為151g/L，并假設水解速度與好氧氧化相比足夠快，由此進行好氧氧化動力學分析。
μmax參考Block的經驗數據取1.45h-1；同時底物濃度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，即假定氧氣傳質不是控制因素，Monod經過實驗室驗證，將原有方程修正后如下：
由以上計算結果可知，如果底物、氧氣不存在傳質上的制約，微生物平均濃度達到6g/L時降解過程可在10h內完成。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，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性和均勻性傳質不受制約的前提下，這樣的高反應速度才可行。所以針對堆肥系統(tǒng)，傳質是過程速度的制約因素。
（3）氧濃度的影響、好氧速率，氧傳質模型剖析
在堆肥物料中，氧的傳遞靠擴散來實現。高濃度廢水中的氧擴散系數小于純水中的擴散系數，以下計算暫忽略這一影響。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，氧的傳質速度遠不能滿足微生物進行好氧降解的需求，在物料深度遠小于1mm時，系統(tǒng)就已經不再是好氧發(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物最終轉化為CO2 和H2O，同時放出熱量。與此同時，另一部分有機物被微生物利用進行合成代謝以形成新的細胞物質。隨著底物不斷氧化分解及微生物數量的不斷增長，微生物生長對有機底物的需求量逐漸得不到滿足，微生物將進入內源呼吸階段，此時微生物對自身細胞物質進行氧化分解，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系，與耗氧量有良好的線性關系：有機質在完全氧化過程中，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，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堆體中的熱損失計算：
（2）Qt（空氣帶走水蒸氣熱量）、Q（水蒸氣的汽化熱）的計算
假定1kg空氣離開堆體時水蒸氣飽和度為90%�？捎嬎氵@部分水蒸氣從0℃升溫至60℃時帶走的熱量，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：將以上計算結果代入式（12），可得在環(huán)境溫度20℃時的熱損失總量為549kJ/kg空氣。
根據式（11）可得，每消耗1g純氧氣可最多可釋放14.6kJ熱量，當空氣中氧利用率為100%時，進入堆體放熱1kg空氣釋放的最大潛熱為3383 kJ/kg空氣。
實際中通過檢測廢氣中氧氣含量在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�？諝獾�飽和蒸汽壓在10-70℃區(qū)間內為1.2-30kPa，水的汽化熱在2283-2385 kJ/kg。對比圖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Qt（空氣帶走水蒸氣熱量）和Q（水蒸氣的汽化熱）計算結果顯示，空氣與堆體熱交換產生的能耗隨通風總量的遞增，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熱等措施。所以，通風預熱的效果并不好。
根據以上計算，氧氣利用率越高，單位空氣份放熱量也會相應增加，所以，真實系統(tǒng)中可以根據氧氣、溫度、通風量之間的內在聯系，實行優(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)
根據以上好氧堆肥機理的系統(tǒng)研究和動力學模擬可知，在液相中距離相表面深度為0.00009時，有機質降解已經受到氧氣濃度的制約，在堆體內部主要發(fā)生厭氧反應。因此在工程中，應盡可能保證物料的疏松度，并選用柔和的通風方式及合理控制通風量才能保證在液相表面發(fā)生的好氧降解反應徹底，避免半產物的吹脫及氣味物質的釋放。
通常經機械脫水后的污泥含水率較高（約80%），污泥粘稠、觸變性強，因此在工程中需要通過預調理調節(jié)物料的含水率，同時使污泥這種特殊物質成為疏松、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物和水解中間物質。根據上述微觀動力學模擬和數學模型的計算結果顯示，好氧發(fā)酵過程中以厭氧反應為主，厭氧水解后的氨基酸、甘油和脂肪酸等中間產物被進一步好氧分解生成CO2和水，當厭氧水解速率遠遠小于好氧降解速率時，中間產物的厭氧反應生成H2S、CH4等氣味物質。
堆體的形式對供氧效果有明顯影響。堆體過高會導致自壓實嚴重，難以保持堆體縱向疏松度的均勻性，且靠近低端通風口處物料越密實，通風口堵塞越嚴重，難以保證供氧均勻。因此，工程中多將翻拋作業(yè)作為堆肥物料的補氧措施。根據以上動力學分析結果可知，微生物和底物濃度充足時，耗氧速率極快，因此翻拋作業(yè)所提供的氧僅能維持很短時間的好氧反應，堆體內部以厭氧反應為主，并導致惡臭和二次污染等問題。同時翻拋還導致堆體的穩(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，堆肥過程中應盡可能避免機械干擾，選用柔和通風技術并合理控制通風量，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 結語
結合對堆肥系統(tǒng)研究、動力學模擬和工程實踐證明，對污泥進行改性，調理為疏松的、具有透氣性的物料體系是進行好氧堆肥的重要前提，堆肥過程中應盡可能避免機械干擾，選用柔和通風技術并合理控制通風量，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、實現污泥無害化的重要控制因素。
參考文獻：
［1］ Udo Wiesman，In Su Choi，Eva-maria Dombrowski. 廢水生物處理原理［M］．盛國平等譯．北京：科學出版社，2009.
［2］ Ernst Sohn. Klaerschlammbehandlung, ATV-handbuch［M］．Berlin:Passavia Drukerei GmBH,1996.
［3］ Joerg Block.Untersuchungen zur Kinetik der Abwasserreinigung durch aerob thermophile Bakterien[M]; Berlin: VDI-Verlag GmbH, 1992.
［4］ 高廷耀，顧國維，周琪．水污染控制工程［M］．北京：高等教育出版社，2007．
［5］ 王志魁，劉麗英，劉偉．化工原理［M］．北京：化學工業(yè)出版社，2010．
［6］ 萬若（北京）環(huán)境工程技術有限公司．垃圾生化好氧處理裝置及其控制方法［P］． 中國專利：
ZL200510200327.4.2005,2005-11-30.
［7］ 張健，趙媛，吳溶，等．ENS污泥堆肥工藝及應用實踐［J］．中國給水排水，011,27(6):21-24.
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