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污泥堆肥动力学分析及工程启示
【关键词】： 污泥堆肥 微观动力学 传质过程 数学模型 厌氧反应 好氧反应
【分类号】：S141.6;X703
【正文快照】：
污泥堆肥动力学分析及工程启示
摘要：主要分析了堆肥体中物料的固、液、气三相及界面的反应和传质过程，从微观动力学角度进行模拟计算，并分析了堆体内的反应、传质和传热过程，由此揭示污泥堆肥过程的影响因素及相互关系。通过计算分析堆肥过程动力学的控制因素，提出污泥堆肥工程优化的原则。
关键词：污泥堆肥；微观动力学；传质过程；数学模型；厌氧反应；好氧反应
与常规固体废弃物堆肥相比,脱水污泥的粘稠性、致密性以及触变性和高含水率导致污泥堆肥有一定的特殊性。通过分析污泥堆肥动力学模型,揭示堆肥过程的控制因素,对工程优化具有重要意义
1 污泥堆肥系统动力学分析
脱水污泥是一个固、液、气分散度较高的物料体系,在堆肥系统中会发生如下主要反应过程：
（1）气相中的氧气透过气-液/固界面进入污泥物料。
（2）污泥中的蛋白质、糖类、淀粉、碳水化合物和脂肪等有机物在发酵过程中被生物利用。不溶胶体和大分子在胞外酶的作用下水解并降解成糖类、脂肪酸、氨基酸等，进而扩散通过细胞壁进入到微生物细胞体内，在氧和水环境中一部分被进一步氧化形成无机物质并释放能量。其中一部分能量和有机物进行合成代谢产生新的微生物细胞。
（3）在扩散作用下空气向微生物提供生化好氧过程所需要的氧。
（4）发酵过程中剩余的能量被多个过程消耗掉：水分的蒸发及水蒸气的升温，堆肥体的散热和吸热，穿过堆肥体空气的升温。
（5）反应产物（CO2）及半产物（气味物质）被穿过堆肥体空气吹脱进入气相。
（6）被吹脱的反应产物及半产物在随气体进一步穿过堆肥体时被再吸附。
（7）有机物的降解和水分的蒸发导致物料的减量、比表面积的增加以及气-液/固相界面的变化。
1.1动力学模型
与污水处理反应器相比，堆肥物料的非均匀性以及测试手段的局限给动力学、动力学模型研究造成了很大的困难，这也是截至目前试图将堆肥体从统计学角度给出堆肥动力学模型不成功的原因。虽然经验模型能够较好地与实际情况相吻合，但是由于他摆脱了机理与现象的关系，所以在预测、优化和开发新工艺上又有很大局限。
为分析和揭示堆肥过程，取堆肥体中一个足够小的单元，假定在这个单元中底物浓度、微生物浓度、水分、温度、气相氧气浓度均匀一致。对其进行动力学分析。
（1）酸化菌水解和产生低级脂肪酸过程的动力学
污泥堆肥堆体中的蛋白质、脂肪和糖类都能被酸化菌（多为兼性厌氧菌）利用，水解速率受聚合物的分子质量、水解时的稳定性、胶体含量和酶的浓度等因素的影响，通常酶的浓度被认为足够高，反应速度与底物的浓度相关，底物水解速率表达为式为[1,2]：
（2）生物好氧氧化过程动力学
应用普遍的Monod模型将细胞生长过程中的细胞比增长速率μ与底物浓度S之间的关系，具体如下：
1.2污泥堆肥动力学模拟分析
（1）底物浓度的影响及降解速度
在污泥堆肥的实际工程中，经返混料调理后的堆肥污泥含水率在50-65%，堆肥物料固体物质中含有机质约40-60%，根据污泥稳定化和调理剂的可降解程度不同，其中约有20-60%是易被生化降解的有机质。表1为堆肥物料参数的平均值。
根据已有废水中的动力学研究，上述计算的有机质浓度远远大于Ks值的范围，所以反应过程应不受底物浓度的限制。
上述计算显示，理论上微生物增长速度和底物水解速度都可以极快，在分钟数量级的时间内可以全部完成水解过程。而真实系统的反应速度则要慢很多。由此可以推断，固体物质（无机盐、灰分）、细胞壁的物理阻碍应该是真实系统中影响反应速度的根本制约因素。
假定表1中所列的底物浓度已经完全水解，即水中易降解的有机质浓度为151g/L，并假设水解速度与好氧氧化相比足够快，由此进行好氧氧化动力学分析。
μmax参考Block的经验数据取1.45h-1；同时底物浓度S与kS相比足够高；在含水率较低的情况下微小固体颗粒表面仅有很薄的水膜，即假定氧气传质不是控制因素，Monod经过实验室验证，将原有方程修正后如下：
由以上计算结果可知，如果底物、氧气不存在传质上的制约，微生物平均浓度达到6g/L时降解过程可在10h内完成。通常采用活性污泥法微生物浓度为2-10g/l，采用生物膜处理时，微生物浓度更高（10-14 g/l）[4]，也就是说，在能保证物料的流动性和均匀性传质不受制约的前提下，这样的高反应速度才可行。所以针对堆肥系统，传质是过程速度的制约因素。
（3）氧浓度的影响、好氧速率，氧传质模型剖析
在堆肥物料中，氧的传递靠扩散来实现。高浓度废水中的氧扩散系数小于纯水中的扩散系数，以下计算暂忽略这一影响。假定在堆肥堆体中透气的空穴部分，氧的扩散速度足够快，相界面的浓度与空隙气相浓度相等。
上述推算及探讨显示，在微生物活跃期，氧的传质速度远不能满足微生物进行好氧降解的需求，在物料深度远小于1mm时，系统就已经不再是好氧发酵了。
2生化氧化过程中的放热速率及热平衡
2.1放热速率
高分子有机物的解过程可以是厌氧也可以是好氧过程，该过程中的放热并不明显，并不影响系统的热平衡。显著影响系统热平衡的是后续的降解过程，即被氧化分解的有机物最终转化为CO2 和H2O，同时放出热量。与此同时，另一部分有机物被微生物利用进行合成代谢以形成新的细胞物质。随着底物不断氧化分解及微生物数量的不断增长，微生物生长对有机底物的需求量逐渐得不到满足，微生物将进入内源呼吸阶段，此时微生物对自身细胞物质进行氧化分解，之前利用的能量再次以热量的形式释放。
底物被完全氧化的放热与底物存在相互关系，与耗氧量有良好的线性关系：有机质在完全氧化过程中，每消耗1g氧气放出约14.6kJ的热量。放热速率可以表述为氧消耗速率的函数，具体如下：
每消耗1kg 空气放热量Q与空气中氧利用率如图1所示：
2.2堆体中的热损失计算：
（2）Qt（空气带走水蒸气热量）、Q（水蒸气的汽化热）的计算
假定1kg空气离开堆体时水蒸气饱和度为90%。可计算这部分水蒸气从0℃升温至60℃时带走的热量，在60℃下水蒸气的饱和蒸汽压为20kPa[5]，升温需消耗热量为45kJ/kg空气：将以上计算结果代入式（12），可得在环境温度20℃时的热损失总量为549kJ/kg空气。
根据式（11）可得，每消耗1g纯氧气可最多可释放14.6kJ热量，当空气中氧利用率为100%时，进入堆体放热1kg空气释放的最大潜热为3383 kJ/kg空气。
实际中通过检测废气中氧气含量在10-16%（干基）可知空气中氧利用率在20%-50%，查图1可知，总放热量在677和1692 kJ/kg空气。空气的饱和蒸汽压在10-70℃区间内为1.2-30kPa，水的汽化热在2283-2385 kJ/kg。对比图1可见，系统生化氧化放热量足够维持系统干化所需要的热能，也是污泥堆肥中生物干化的基本原理。根据Qt（空气带走水蒸气热量）和Q（水蒸气的汽化热）计算结果显示，空气与堆体热交换产生的能耗随通风总量的递增，但总体能耗较小，约为水蒸发耗能的20%，并不需要采取空气预热等措施。所以，通风预热的效果并不好。
根据以上计算，氧气利用率越高，单位空气份放热量也会相应增加，所以，真实系统中可以根据氧气、温度、通风量之间的内在联系，实行优化控制[6]。
3工程启示
（1）污泥好氧发酵中大部分或绝大部分物料处于厌氧状态
根据以上好氧堆肥机理的系统研究和动力学模拟可知，在液相中距离相表面深度为0.00009时，有机质降解已经受到氧气浓度的制约，在堆体内部主要发生厌氧反应。因此在工程中，应尽可能保证物料的疏松度，并选用柔和的通风方式及合理控制通风量才能保证在液相表面发生的好氧降解反应彻底，避免半产物的吹脱及气味物质的释放。
通常经机械脱水后的污泥含水率较高（约80%），污泥粘稠、触变性强，因此在工程中需要通过预调理调节物料的含水率，同时使污泥这种特殊物质成为疏松、透气性良好、宜于生化氧化的物料体系[7]。
（2）臭气的发生和有效控制
臭气的产生是污泥、垃圾堆肥遇到的普遍问题，从堆肥原理分析可知，臭气主要源自厌氧产物和水解中间物质。根据上述微观动力学模拟和数学模型的计算结果显示，好氧发酵过程中以厌氧反应为主，厌氧水解后的氨基酸、甘油和脂肪酸等中间产物被进一步好氧分解生成CO2和水，当厌氧水解速率远远小于好氧降解速率时，中间产物的厌氧反应生成H2S、CH4等气味物质。
堆体的形式对供氧效果有明显影响。堆体过高会导致自压实严重，难以保持堆体纵向疏松度的均匀性，且靠近低端通风口处物料越密实，通风口堵塞越严重，难以保证供氧均匀。因此，工程中多将翻抛作业作为堆肥物料的补氧措施。根据以上动力学分析结果可知，微生物和底物浓度充足时，耗氧速率极快，因此翻抛作业所提供的氧仅能维持很短时间的好氧反应，堆体内部以厌氧反应为主，并导致恶臭和二次污染等问题。同时翻抛还导致堆体的稳定性降低，破坏堆体的好氧环境，延长堆肥周期并降低堆肥效果。因此，堆肥堆体不宜过高，堆肥过程中应尽可能避免机械干扰，选用柔和通风技术并合理控制通风量，维持理想的堆体温度和好氧降解速率，将明显减少臭气发生量和缩短堆肥周期。
4 结语
结合对堆肥系统研究、动力学模拟和工程实践证明，对污泥进行改性，调理为疏松的、具有透气性的物料体系是进行好氧堆肥的重要前提，堆肥过程中应尽可能避免机械干扰，选用柔和通风技术并合理控制通风量，维持理想的堆体温度和好氧降解速率，是减少臭气发生量和缩短堆肥周期、持续高温杀菌、实现污泥无害化的重要控制因素。
参考文献：
［1］ Udo Wiesman，In Su Choi，Eva-maria Dombrowski. 废水生物处理原理［M］．盛国平等译．北京：科学出版社，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，顾国维，周琪．水污染控制工程［M］．北京：高等教育出版社，2007．
［5］ 王志魁，刘丽英，刘伟．化工原理［M］．北京：化学工业出版社，2010．
［6］ 万若（北京）环境工程技术有限公司．垃圾生化好氧处理装置及其控制方法［P］． 中国专利：
ZL200510200327.4.2005,2005-11-30.
［7］ 张健，赵媛，吴溶，等．ENS污泥堆肥工艺及应用实践［J］．中国给水排水，011,27(6):21-24.
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