城市污泥好氧堆肥過程中有機質(zhì)降解模型

張軍 李世好 劉孟子 楊博聞 王敦球

摘要：以城市污泥、鋸末為原料，在250 L溫度-氧氣反饋通風的自動控制發(fā)酵倉內(nèi)，分別設(shè)置2組堆肥，堆體1、堆體2均采用連續(xù)式通風控制工藝。通過分析總糖、脂肪、蛋白質(zhì)、半纖維素、纖維素、木質(zhì)素等有機質(zhì)組分在不同階段的含量變化，擬合得到各組分的一級反應(yīng)速率常數(shù)。結(jié)果表明，總糖、脂肪、蛋白質(zhì)等易生物降解部分在堆肥運行0～6 d降解效果明顯，平均降解率可達58.5%，后期降解效果較為緩慢。中等程度降解有機質(zhì)如半纖維素、纖維素在持續(xù)高溫期降解率高。難生物降解部分主要集中在堆肥后期進行降解，總降解小于10%。各有機質(zhì)組分的降解速率滿足一階降解動力學(xué)模型（r2>90%）。其中，易降解有機質(zhì)組分降解速率常數(shù)、中等程度降解部分降解速率常數(shù)、難降解部分降解速率常數(shù)分別為0.081 5～0.096 9 d-1、 0.038 4～0.053 6 d-1、 0.008 6～0.008 9 d-1，易降解組分的速率常數(shù)約為中等程度降解部分的 2 倍，難降解部分的10倍。各組分的平均降解速率大小關(guān)系為：總糖>蛋白質(zhì)>脂肪>半纖維素>纖維素>木質(zhì)素。

關(guān)鍵詞：城市污泥；堆肥；有機質(zhì)；降解速率常數(shù)

中圖分類號： S141.6文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0348-04

收稿日期：2015-01-15

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：41161075）；廣西“八桂學(xué)者”建設(shè)工程專項；廣西壯族自治區(qū)自然科學(xué)基金重大項目（編號：2013GXNSFEA053002）；廣西壯族自治區(qū)自然科學(xué)基金（編號：2014GXNSFBA118210）。

作者簡介：張軍（1983—），男，湖北荊州人，博士，講師，研究方向為有機固體廢棄物資源化利用。E-mail：zhangjuny@gmail.com。

通信作者：王敦球，博士，教授，主要從事污染控制與資源化利用研究。E-mail：wangdunqiu@sohu.com。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者對堆肥中的有機質(zhì)進行了研究，并提出不同的有機質(zhì)分類方法[1-2]。李國學(xué)等在充分考慮物料中的有機質(zhì)被好氧微生物氧化分解難易程度的基礎(chǔ)上將其分為 3 類：易降解、中等程度降解、難降解[3]。Tremier等根據(jù)有機質(zhì)在降解過程中具體經(jīng)歷的途徑將之分為3類：容易被降解有機質(zhì)、可緩慢被降解有機質(zhì)、難被降解或惰性有機質(zhì)，分別用 MB、MH、MI表示[4]。Kaiser在綜合考慮生物質(zhì)的分類及各類有機質(zhì)被微生物降解特異性的基礎(chǔ)上，將其分為4部分：糖類和淀粉類、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素[5]。

20 世紀 80 年代以來，許多學(xué)者利用數(shù)學(xué)模型作為工具描述堆肥進程并成功實現(xiàn)了對堆肥過程的模擬，主要涉及到堆肥的質(zhì)量與熱量平衡過程、氧氣-溫度-水分的動態(tài)變化過程、有機質(zhì)降解規(guī)律等3個方面，分別對應(yīng)的是質(zhì)量與熱量平衡模型、氧氣-溫度-水分動態(tài)變化模型、有機質(zhì)降解動力學(xué)模型[6-7]。目前被學(xué)者們認可的有機質(zhì)降解動力學(xué)模型主要有3類：一階降解動力學(xué)模型、莫諾方程模型（Monod）、經(jīng)驗公式總結(jié)模型。一階降解動力學(xué)模型、莫諾方程模型具有良好的理論基礎(chǔ)，能反映有機質(zhì)降解機理，在模擬效果、應(yīng)用范圍上均要優(yōu)于經(jīng)驗公式模型。與Monod 模型相比，一階模型中的參數(shù)變量少，模型求解過程也更簡單，已逐漸成為堆肥過程中有機質(zhì)生物降解的研究趨勢。本研究在智能化倉式好氧堆肥裝置中利用氧氣-溫度聯(lián)合反饋通風的自動控制方法，分析連續(xù)控制工藝下不同通風量堆體的有機質(zhì)組分降解規(guī)律，確定污泥堆肥中各有機組分的降解速率常數(shù)，旨在為實現(xiàn)城市污泥堆肥資源化利用提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

污泥來源于廣西壯族自治區(qū)桂林市七里店污水處理廠經(jīng)過脫水處理后的污泥，鋸末來自桂林市雁山區(qū)良豐農(nóng)場。本試驗采用的原料主要是城市污泥，受桂林多雨季節(jié)的影響，含水率較高，且污泥質(zhì)地細軟、透氣性較差，為了保證微生物降解有機質(zhì)所需要的氧氣，采用鋸末作為調(diào)理劑，以增大堆體的孔隙度，便于空氣流通。鋸末的C/N 較高，可以用來調(diào)節(jié)堆體的C/N。

1.2反應(yīng)裝置

本試驗裝置示意圖如圖1所示，發(fā)酵倉主要由篩板、內(nèi)倉、外倉、反應(yīng)器蓋、通風裝置、排水裝置構(gòu)成。發(fā)酵倉本體為 PVC 雙層圓柱體，在內(nèi)外兩層側(cè)壁之間靠熱氣流形成保溫層，利用堆體自身散發(fā)的熱量對空氣進行傳熱，反作用于堆體進行保溫，相較外部水溫浴加熱方式能耗更低。發(fā)酵倉外形尺寸為：Ф×H=800 mm×1 300 mm，有效容積為：Ф×H=600 mm×1 100 mm。發(fā)酵倉底部從上至下依次設(shè)置風流緩沖區(qū)、92°“V” 形折板、有孔蓋板，可使堆體通風趨向均勻化。在風流緩沖區(qū)內(nèi)設(shè)有通風管 1 套，外倉底部設(shè)置排水管 1 套和 20 L 耐酸堿處理槽，用 5 m 有機玻璃制處理槽，內(nèi)倉頂部設(shè)置通風管 1 套。反應(yīng)器頂部設(shè)有 5 個插孔，供監(jiān)測系統(tǒng)探測溫度、氧氣。發(fā)酵倉配制 0～50 L/min氣泵 1 套，氣泵通過通風連接管與倉體底部的通風口連接，通風連接管上從靠近氣泵處依次設(shè)置電磁閥、電磁流量計。

實時在線監(jiān)測設(shè)備包括溫度探頭（Pt100）、氧氣監(jiān)測儀。溫度放置在堆體底部450 mm即堆體中心處。氧氣監(jiān)測儀量程為 0～25%，精度為±3 % FS，與溫度探頭放置地點一致，氣體質(zhì)量流量計（美國矽翔FS4008）量程為 0～25 NL/min。通過溫度-時間分階段反饋控制策略控制鼓風氣泵的啟停。

1.3試驗設(shè)置

將混合物料按城市污泥 ∶鋸末為4 ∶1（質(zhì)量比）充分混合，分別裝入 2 組平行設(shè)置的 250 L 發(fā)酵罐。在發(fā)酵罐底部從上至下依次鋪設(shè)直徑為50 mm的球形懸浮濾料、沙網(wǎng)，確保通風布氣均勻，減小因堆體水分下滲對通風造成的不利影響。1號罐、2 號罐均采用連續(xù)式自動控制工藝，將堆肥進程分為4個時期：準備期、快速升溫期、高溫持續(xù)期、物料脫水期。在不同控制模式下，對通風量及通風時間采取不同的控制策略，相應(yīng)設(shè)置不同的堆肥控制參數(shù)。設(shè)置 4 個溫度控制點T1、T2、T3、T4，分別為 30、50、55、60 ℃。設(shè)置 3 個時間主控點ta、tb、tc，分別為 1、8、3 d。設(shè)置 6 個時間分控點t4a、t5a、t6a、t7a、t7b、t8b，均為 30 min，即堆肥處于快速升溫期、高溫持續(xù)期、物料脫水期時，鼓風機連續(xù)工作1個周期的時間相同，但通風量有所差異。整個堆肥過程設(shè)定 6 個不同的通風流量：q1、q2、q3、q4、q5、q6。設(shè)定 O21（氧氣含量）控制值為 10%，O2為氧氣在氧氣泵工作時的實測值。堆體中氧氣的采集周期和采集時間是處于自動運行時氧氣泵的工作時間，具體為每5 min 采集1次（表1、表2）。

1.4方法

在連續(xù)式自動控制工藝下的 1 號、 2 號反應(yīng)器中應(yīng)用五點取樣法，隔天從發(fā)酵罐上部預(yù)留的取樣孔進行取樣，測定堆肥樣品中總糖、脂肪、蛋白質(zhì)、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量，測定方法見表3。

表3堆肥樣品各指標測定方法

序號檢測指標 方法1總糖3，5-二硝基水楊酸法[8]2脂肪索氏抽提法3蛋白質(zhì)凱氏定氮法4纖維素van Soest（范氏法）[9]5半纖維素van Soest（范氏法）[9]6木質(zhì)素van Soest（范氏法）[9]

2結(jié)果與分析

2.1溫度動態(tài)變化

由圖2可知，堆體1第3天溫度達50 ℃，堆體2溫度較低，這可能是由于堆體2通風量較大、熱量散失較多，同時也表明堆肥初期，通風量較小堆體溫度上升越快[10]。研究表明，堆體溫度持續(xù)5～7 d 50 ℃可以殺滅雜草種子、病原菌，達到無害化目標[11]。堆體1可以達到高溫好氧堆肥效果。

2.2有機質(zhì)組分的降解特征

由圖3、圖4可知，堆肥結(jié)束時2 個反應(yīng)器中的總糖、脂肪、蛋白質(zhì)成分降解效果顯著，均超過50%，且主要集中快速升溫期及高溫持續(xù)期的前期，高溫期后期和物料脫水期時停止降解。研究表明，堆肥過程中有機質(zhì)降解主要發(fā)生在堆肥前 6 d以內(nèi)[12]。糖類的分解產(chǎn)生熱量使堆體溫度升高，嗜溫類微生物活性受到抑制，堆肥后期纖維素、半纖維素分解會產(chǎn)生糖類，導(dǎo)致堆體中總糖含量相對上升，對降解率產(chǎn)生一定干擾。陳活虎等研究發(fā)現(xiàn)，堆肥中后期參與脂肪、蛋白質(zhì)降解的酶類活性下降[8]。比較 1 號、2 號罐中易生物降解有機質(zhì)的最終降解率發(fā)現(xiàn)，在滿足細菌、真菌等嗜中溫類微生物正常需量條件下，加大通風量對總糖的降解效果不大；當溫度大于 50 ℃時，增大通風量時脂肪、蛋白質(zhì)降解率明顯上升，至堆肥結(jié)束時，高通風量下的脂肪、蛋白質(zhì)總降解率相較低通風量下分別高13%、16%，這可能是由于通風降溫的作用對嗜中溫菌類微生物的抑制作用減弱，導(dǎo)致脂肪、蛋白質(zhì)降解率仍然保持相對較高的水平。堆肥第 4 天，纖維素、半纖維素平均降解率分別為 10.5%、14.5%。第 4 天至第8天，纖維素、半纖維素降解速率持續(xù)上升，第8天結(jié)束時，纖維素、半纖維素平均降解率分別為 29.0%、36.5%。第8天至堆肥結(jié)束，降解速率上升幅度不明顯，堆肥結(jié)束時平均降解率分別為 39.5%、43.5%。研究表明，半纖維素的降解率大于纖維素降

解率[13]。纖維素、半纖維素降解主要依靠放線菌作用，前期降解較快，進入物料脫水期，因有機質(zhì)大部分被降解，放線菌增殖速率減緩，導(dǎo)致降解率沒有明顯變化。1 號罐通風量較小，纖維素、半纖維素最終降解率均比2號罐高5%，可能由于較小的風量所帶走的堆肥熱量較少，使得1號罐維持了較長時間的高溫。2 個反應(yīng)器中的半纖維素的最終降解率均比纖維素高。有學(xué)者認為，木質(zhì)素對纖維素有束縛包裹作用，從而阻礙了纖維素酶吸附纖維素分子，因此纖維素降解較半纖維素困難[14-15]。

堆肥前 4 d，2 個反應(yīng)器內(nèi)木質(zhì)素沒有發(fā)生生物降解，第4天至第9天，降解速率上升較快，但降解率并不高，在物料脫水期基本不發(fā)生降解。與總糖、脂肪、蛋白質(zhì)等相比，木質(zhì)素降解率明顯偏低，且降解速度緩慢。研究表明，木質(zhì)素是生物降解中最難進行的一部分，主要源于木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)和參與木質(zhì)素生物降解微生物的特性及堆體溫度共同作用的結(jié)果[14-16]。木質(zhì)素結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易發(fā)生水解反應(yīng)，因此其生物降解比其他有機質(zhì)組分的降解更為困難，導(dǎo)致其在堆肥初期降解速度緩慢。在堆肥持續(xù)高溫期，溫度適合分解木質(zhì)素真菌（如白腐菌等）、細菌，降解速率上升。堆肥后期，放線菌在一定程度上可提高木質(zhì)素在水中的溶解效果，木質(zhì)素降解速率加快。堆肥至物料脫水期，脫水、降溫以使堆體快速腐熟，無法維持持續(xù)高溫狀態(tài)，因此降解趨于靜止。

2.3堆肥有機質(zhì)組分降解動力學(xué)

研究表明，固體廢棄物在好氧發(fā)酵過程中有機質(zhì)的降解滿足一階反應(yīng)動力學(xué)[17-18]。本試驗假設(shè)有機質(zhì)的各組分降解也符合一階反應(yīng)動力學(xué)方程：

dCxdt=-kd×Cx 。（1）

式中：Cx 表示有機質(zhì)組分中總糖、脂肪、蛋白質(zhì)、半纖維素、纖維素、木質(zhì)素濃度，以 g/g VS 計；kd 表示不同有機質(zhì)組分所對應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)。當t=0 時，Cx=C，即有機質(zhì)各組分的濃度等于它們的初始濃度。從而得到：

lnCCt=kd×t。（2）

式中：Ct 表示t時刻各有機質(zhì)組分各自對應(yīng)的濃度。

將1號、2號反應(yīng)器中的試驗數(shù)據(jù)依照一階降解動力學(xué)模型，利用Excel軟件對各有機質(zhì)組分的生物降解過程進行動力學(xué)參數(shù)擬合，如圖5至圖8所示，它們的線性關(guān)系顯著，可以建立線性模型。

由表4可知，易降解有機質(zhì)組分降解速率常數(shù)、中等程度

降解部分降解速率常數(shù)、難降解部分降解速率常數(shù)分別為0.081 5～0.096 9 d-1、 0.038 4～0.053 6 d-1、 0.008 6～0.008 9 d-1，這與有些研究得出的最大降解速率常數(shù)0.105 1 d-1結(jié)論有所差異，這可能是因為物料配比存在差異[19-22]。易降解組分的速率常數(shù)約為中等程度降解部分的 2 倍，約為難降解部分的10 倍，各組分平均降解速率大小關(guān)系為：總糖>蛋白質(zhì)>脂肪>半纖維素>纖維素>木質(zhì)素。各有機質(zhì)組分的

平均降解速率不同，這可能是由于溫度導(dǎo)致堆肥體系中微生物的主導(dǎo)群落發(fā)生明顯更替，不同的微生物群落對相應(yīng)有機質(zhì)組分發(fā)揮降解作用[13]。

3結(jié)論

本研究結(jié)果表明，城市污泥、鋸末好氧堆肥過程中，總糖、脂肪、蛋白質(zhì)為代表的易生物降解組分降解效果顯著，其降解過程主要集中在快速升溫期、高溫持續(xù)期前期，堆肥6 d平均降解率可達 58.5%，物料脫水期降解趨于停止。纖維素、半纖維素類中等程度降解有機質(zhì)在前 4 d降解效果不顯著，平均降解率為10.5%、14.5%，4～8 d降解速率快速上升，堆肥后期降解速率上升幅度小。難降解有機質(zhì)部分主要發(fā)生在堆肥中后期，其降解率較低，小于10%。堆肥過程中各有機質(zhì)組分的降解滿足一階降解動力學(xué)模型，經(jīng)擬合r2>90%。易降解有機質(zhì)組分降解速率常數(shù)、中等程度降解部分降解速率常數(shù)、難降解部分降解速率常數(shù)分別為0.081 5～0.096 9 d-1、 0.038 4～0.053 6 d-1、 0.008 6～0.008 9 d-1，易降解組分的速率常數(shù)約為中等程度降解部分的2倍、難降解部分的10倍。各組分的平均降解速率大小關(guān)系為：總糖>蛋白質(zhì)>脂肪>半纖維素>纖維素>木質(zhì)素。

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