投加方式和通風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品質量，利用梨形筒式好氧堆肥反應器，設置2種物料投加方式和3種通風速率，研究堆肥過程中溫度、含水率、總氮以及發(fā)芽指數(GI)的變化特性。結果表明，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，但氮素損失也顯著增大(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，氮素損失處于三者的中間水平，腐熟期最短。綜合分析，在通風速率為1.95L·min-1的連續(xù)運行方式下，梨形筒式反應器用于污泥穩(wěn)定高效堆肥是可行的。
實驗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%，有機質含量為65.31%;鋸末來自木材加工廠，過2mm篩后使用，含水率為 6.09%，有機質含量為98.07%。
實驗設計
以污泥與鋸末濕重比為2.2：1配制混合堆料，調節(jié)初始含水率為60%。反應器設置為正轉5min，停止55min，反轉5min，停止55min，如此循環(huán);轉速為10r·min-1;關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;關于通風速率對污泥連續(xù)堆肥效果的研究，在1.60 L·min-1的基礎上又增加了1.95、2.67L·min-12組堆肥實驗，具體見表1。
測定指標與方法
溫度采用傳感式數顯溫度計直接插入反應器內前、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實時記錄4次，之后每天于08:00和20:00實時記錄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(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進行測量計算。各指標測定樣本數均為3，并取算數平均值。數據使用Origin8.5軟件處理分析，顯著性采用t分布檢驗
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質時會產生熱量，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質不斷減少，每天新投加物料中微生物處于適應階段，對有機質的分解較慢，導致產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，對前幾天積累的物料分解速度加快，產熱量增加所致;隨著堆肥的進行，初始投加物料中易降解有機質消耗殆盡，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，而且由于不斷補充有機質，既增大了投配率還可以滿足長時間高溫反應的需求。因為病原微生物熱失活效應與時間和溫度有關，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。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，生化反應的產水量大于通風和蒸發(fā)等帶走的水量，而后因生化反應速率下降導致了含水率的持續(xù)下降，經過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，是因為易分解有機質快速礦化分解而產生大量的水，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堆體主要是因為通風作用，而T2堆體是通風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現了污泥堆肥處理的減量化目的，雖然T2連續(xù)投加進入反應器的總水量大，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，氮素損失是影響堆肥產品肥效的重要原因之一。堆肥過程產生的高溫和高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氮的快速分解產生大量的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。隨著堆肥的進行，有機質不斷分解成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
量與高溫損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)。堆肥結束后，T1和T2處理的氮素損失分別為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，因二者通風速率、轉速等相同，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個系列幾乎同時達到高溫階段(大于50 ℃)，且分別在第 0.75、1.25和1.00天達到最高溫度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)。通風速率影響空氣的擴散和對流傳質，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超過10%。在通風速率較低的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，導致熱損失增加。而T3通風速率既能滿足微生物自代謝活動的需要，又不會因為通風速率過大而帶走過多的熱量，是最適的通風速率。
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)。
這是因為堆肥前期易分解有機物氧化分解劇烈，產生的水分多;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，易分解有機物逐漸減少，產生的水分減少且通風帶走的水分大于產生的水分。這與梨形筒式反應器用于人糞便堆肥的研究結果不一致，原因可能是人糞便中易降解有機質多，且接種微生物促進了人糞便堆體中的較難降解物質的降解，產生更多的水分所致。3個系列堆肥結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%。在實驗條件范圍內，增大通風速率可以顯著降低堆體含水率(P<0.01)，然而，通風速率過大，效果不顯著(P>0.01)。從堆體減容角度考慮，T3堆體的通風速率(1.95L·min-1)是最適通風速率。
對堆體TN的影響
3種通風速率下，TN變化趨勢基本相同，均表現為先略有下降，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，產生大量的銨根離子，導致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種通風速率的氮素損失分別為36.27%、44.47%、45.54%，通風速率增大，氮素損失顯著增大(P<0.01)。不同通風速率對廚余垃圾堆肥總氮的變化趨勢一致。
結 論
1)利用梨形筒式反應器進行脫水污泥堆肥，間歇式和連續(xù)式2種投加方式均可實現初期堆溫高于50℃ 以上和堆體腐熟，達到使污泥減量化、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，氮素損失較間歇式堆肥大。
3)1.95L·min-1的通風速率污泥堆體的升溫速率最快，高溫反應維持時間更長，更利于梨形筒式反應器對脫水污泥的腐熟、減量和無害化。
