污泥秸稈動態容器好氧發酵堆肥熱量平衡實驗

曾海燕,楊 釗

(1.湖南先導洋湖再生水有限公司，長沙 410006；2.湖南榮華環保設備有限公司，長沙 410013)

1 前 言

由于污泥中的水分和有機質含量高、性質不穩定，同時含有大量病原菌、寄生蟲(卵)，還可能含有鉻、汞等重金屬和多氯聯苯、二惡英、放射性核素等難降解的有毒有害物，若不經妥善處理，其中的污染物和有毒有害物質將再次排放到環境中，造成嚴重的土壤或水體的二次污染[1]。我國是農業大國，秸稈廢棄、焚燒一直是我國亟待解決的難題。秸稈焚燒造成大氣污染，形成霧霾。污泥與秸稈中多含有機質和氮磷鉀及多種微量元素，兩者碳氮比及含水率可以很好互補，充分利用以實現其無害化、資源化，有利于生態環境和諧發展[1]。

動態容器堆肥機發酵系統含有大直徑圓筒組件，發酵過程在攪動、轉動和強制通風的條件下進行。高溫好氧動態發酵堆肥過程能快速開始和高效降解，在短時間內比戶外動態或靜態堆肥能分解消耗更多的好氧物質[2]。

本文先建立一般污泥秸稈好氧容器堆肥熱量平衡模型，通過利用不同容積動態容器堆肥機，調節污泥秸稈不同配比，進行污泥秸稈好氧發酵容器堆肥探討，以達到污泥秸稈經處理后達到穩定化、資源化利用的目標。

2 一般污泥秸稈好氧容器堆肥熱量平衡模型

由能量守恒知，好氧堆肥過程中生化反應熱和外界輸入的熱量必與體系向環境散失的熱量和堆體中各組分吸收的熱量相等。即

qr+qw=qm+qh

(1)

式中：qr-堆肥過程中生化反應產生的反應熱，kJ；qw-堆肥過程中外界輸入體系的能量，kJ；qm-堆肥過程中物料、輸入氣體、水分蒸發吸收的熱量，kJ；qh-堆肥過程中體系向環境散失的熱量，kJ。

生物反應熱可根據蔡建成[3]經驗數據可得，

qr=α·Sm·Xm·Ym

(2)

其中：α-經驗數值，約為20 007kJ/kg總固體；Sm-進入堆料系統物料的濕重；Xm-進入堆肥系統物料的固體含量；Ym-固體實際生化反應率。

在動態容器實驗中無外界輸入的體系的能量，qw為0。

好氧堆肥開始后，隨著時間的推移，物料各組分在不斷吸收熱量[1]。很難精確計算出各組分吸收的熱量，因此采用近似算法，即可認為各輸入成分所吸收的熱量相當于將其加熱至輸出溫度所消耗的熱量。由于物體間或同一物體不同部分之間只要存在溫度差，且之間沒有隔熱層，便會發生熱量傳遞，直至溫度相同為止，所以所有成分，包括固體、水和氣體都以同樣的溫度輸出。吸收熱量含有原料(水，固體)吸收熱量、水蒸發吸收熱量及通入空氣吸收熱量。

qm=qs+qa+qe+qz

(3)

qs=Sm·Xm·Cp,s(TN-TC)

(4)

qa=MairCp,a·(TN-Tair)=J·31·F

·D·Cp,a·(TN-TC)

(5)

其中Mair=F·24·29·J·D/22.4

qe=Sm·(1-Xm)·Cp,w·(TN-Tc)

(6)

qz=Qw·Wz f=Qw·Sm·(1-Xm)·10%

(7)

式中：qs-固體原料升溫吸熱，kJ；qa-通入氣體升溫吸熱，kJ；qe-水吸收的熱量，kJ；qz-水蒸發吸熱，kJ；Cp,s-進入堆肥系統物料的固體比熱，kJ /kg·k；Cp,w-水的比熱，kJ/kg·k；TN-輸出體系水、固體、氣體和水蒸氣的溫度，℃；Tc-進入堆肥系統物料溫度，℃；Mair-輸入堆肥系統空氣的重量，kg；Tair-輸入空氣溫度，℃，近似等于TC；Cp,a-空氣的比熱，kJ /kg·k；F-風機風量m3/h；J-非標狀態下體積校準系數；Qw-水的蒸發熱，kJ/kg；Wz f-蒸發掉的水分重量，kg(一般為原水份的10%[4])。

容器堆肥過程中，體系向環境散失的熱主要是堆肥反應器表面的熱損量，用總傳熱系數、總傳熱面積和溫差以乘積UA(T-T0)的形式表達。取UA值為0.407 7 W/℃[4]。

qh=UA(T-T0)=31·D(TN-TC)

(8)

其中U-總傳熱系數；D-天數；A-總傳熱面積。

將各分項代入(1)式，得：

20 007·Sm·Xm·Ym=Sm·Xm·Cp·s·(TN-TC)+J·31·F·D·Cp,a·(TN-TC)+Sm·(1-Xm)·Cp,w·(TN-Tc)+Qw·Sm·(1-Xm)·10%+31·D(TN-TC)

(9)

等式兩邊同除以Sm，并提取(TN-TC)同類項

20 007·Xm·Ym-Qw·(1-Xm)·10%=(TN-TC)[Xm·Cp,s+J·31·F·D·Cp,a/Sm+(1-Xm)·Cp,w+31·D/Sm]

(10)

因一般污泥秸稈堆肥含固率Xm約為40%左右，根據經驗在不進新料的情況下，動態容器堆肥從開始升溫到降溫至平衡狀態D約為12天，總固體可生化有機物降解率Ym約為13%[4]，QW約為2 400kJ/kg，Cp,s約為1.10kJ/kg，Cp,a約為1.01kJ/kg，Cp,w約為4.18kJ/kg，代入(10)式：

TN-TC=896/[2.95+372(J·F+1)/Sm]

(11)

一般有效堆肥平均溫差(12天)TN-TC≥20℃[4]，當平均溫差小于20℃，可以認為動態容器升溫達不到有效發酵堆肥的要求。

3 實驗部分

3.1 設備與材料

3.1.1 榮華日處理0.3t小型設備RHB-C-600設備：榮華日處理5噸中型設備RHB-C-740設備；

3.1.2 鮮污泥采用湖南先導洋湖再生水有限公司在工藝處理未端的污泥，含水率為80%，碳氮比約為8∶1；干秸稈為湖南先導洋湖再生水有限公司人工濕地的蘆葦、美人蕉等高大草本植物(約占90%)和旱傘草、千屈菜等觀葉草本植物(約占40%)，收割堆放晾干至含水率15%左右，經粉碎機粉碎至2mm以下，碳氮比為約為40∶1；

3.1.3 榮華堆肥發酵劑：白色鏈霉菌、芽孢桿菌和霍氏腸桿菌復合菌劑。

3.2 方法步驟

設計兩組實驗，以這些結果為依據進行分析探討：日處理0.3t小型設備RHB-C-600設備，污泥(80%)與秸稈(15%)比例為1∶1，2∶1，3∶1對比實驗；榮華日處理10噸中型設備RHB-C-740設備，污泥(80%)與秸稈(15%)比例為1∶1，2∶1，3∶1對比實驗。測定原料溫度平均為14℃。

3.3 實驗結果與討論

3.3.1 RHB-C-600設備三種配比混料反應

在日處理0.3t小型設備RHB-C-600設備，各投加污泥(80%)與秸稈(15%)比例為1∶1，2∶1，3∶1混合料1噸(容積率70%～80%)投料后，連續開啟風機及筒體，測量進口物料溫度變化。

表1 RHB-C-600設備不同配比溫度時間變化Tab.1 Variation of temperature and time of rhb-c-600 equipment at different proportions (℃)

從表1可以看出在風機及筒體連續開啟的情況下，各混料溫度上升不明顯，未達至有效發酵的溫度階段，且三者之間溫度沒有明顯差別，平均溫度與原料溫差10℃。RHB-C-600設備F平均為200m3/h，Sm為1 000kg，代入(11)得TN-TC=11℃與實驗基本相符。

將三者筒體的料全部清出進行堆肥(2天～3天進行翻堆)，溫度均顯著上升至50℃以上，此溫度持續約20d左右，后溫度逐漸降低，約25d至室溫，一次堆肥及陳化時間共計45d與常規條垛式污泥伴生好氧堆肥時間相同[1]。

因為物料少，混料初期產熱量難以維持筒體及風機連續開啟帶走的熱量故溫度難以上升至40℃以上，此期間主要是嗜溫菌作用，嗜熱菌作用很少，未進行有效發酵。出料堆肥階段因未有大量熱量的損失，由于嗜溫菌作用，堆體溫度迅速上升，進而由嗜熱菌取代其參與反應，由于嗜熱菌作用堆體的溫度進一步上升，直至將污泥中的有機物由不穩定狀態轉化為穩定的腐殖質。

3.3.2 RHB-C-740設備三種配比混料反應

在日處理5t設備RHB-C-740設備，各投加污泥(80%)與秸稈(15%)比例為1∶1，2∶1，3∶1混合料20t(容積率70%～80%)，投料后，連續開啟風機及筒體，測量進口溫度變化。

表2 RHB-C-740設備不同配比溫度時間變化Tab.2 Variation of temperature and time of rhb-c-740 equipment at different proportions (℃)

圖 RHB-C-740設備不同比例混料溫度變化圖Fig. Variation of temperature of rhb-c-740 equipment in different proportions

從表2及上圖可以看出在連續開啟風機及筒體條件下，3種混料升溫迅速，且一直連續五天處于50℃以上的高溫狀態，3者溫度差異并不明顯，平均溫度與原料溫差約32℃。RHB-C-740設備F平均為1 200m3/h，Sm為20 000kg，代入式(11)得TN-TC=35℃，與實驗情況基本相符。

將三者筒體的出料進行陳化，溫度均保持50℃以上約10d，后溫度逐漸降低，再經約20d至室溫。堆肥時間總計約26d(在堆肥發酵機中以40℃以上有效發酵天數6d計，在實際動態容器堆肥中第四天開始進出料以保證系統熱量平衡維持高溫)明顯短于條垛式污泥伴生好氧堆肥時間，這是因為在動態容器連續通風及滾動的情況下，有機質氧化反應充分，產生的熱量大，更適于嗜熱菌生長，促進有機質尤其是難降解的大分子有機質的快速分解。

4 結 論

4.1 實驗表明，TN-TC=896/[2.95+372(J·F+1)/Sm]可用于實際動態容器堆肥升溫的粗略計算，TN-TC≥20℃方可達到有效發酵堆肥的要求；

4.2 在合理的碳氮比(20～35)范圍，相同質量不同配比的污泥秸稈動態容器好氧發酵堆肥升溫差異不明顯；

4.3 動態容器好氧發酵可以快速分解有機質，縮短堆肥時間，但分解不完全，陳化仍可升溫。