居素偉
(上海汀瀅環(huán)??萍加邢薰?,上海 201707)
來源于污水處理廠的有機污泥,雖然泥質(zhì)不盡相同,但皆含水率高并伴有惡臭,且不易搬運,其污泥處理處置方法有待探究[1-2]。通過好氧發(fā)酵制作堆肥是一種經(jīng)濟、高效的方法。在好氧發(fā)酵堆肥前,掌握污泥中有機物的降解特性,由此判斷原料污泥是否適合好氧發(fā)酵處理,再決定具體的處理工藝步驟[3]。
好氧發(fā)酵堆肥是指在好氧微生物的作用下,原料污泥中的易分解有機物(包括惡臭物質(zhì))進行降解,利用產(chǎn)生的生物熱能殺菌、降低含水量,從而形成生物化學(xué)性能更穩(wěn)定、更易搬運、衛(wèi)生學(xué)上無明顯不快感的無害化產(chǎn)品[4]。
利用微生物的好氧代謝作用,有機物中的碳最終會轉(zhuǎn)化成CO2。因此,分析好氧堆肥過程中產(chǎn)生CO2量的變化幾乎就能了解降解狀態(tài)。另外,產(chǎn)生的CO2量與耗氧量是等當(dāng)量的,分析耗氧量也是降解率測試的方法之一。此外,更直接的方法即測定干物質(zhì)的重量變化,通過測定灼熱減量部分,按比例計算可得到可降解的有機物的量。本文采用的是CO2重量法。
首先,將原料污泥與發(fā)酵后污泥混合,通氣、供氧,結(jié)合后期培養(yǎng)步驟,促進好氧發(fā)酵進程。組合裝置如圖1、圖2所示。圖1是物料發(fā)酵降解部分的器具組合圖,圖2是二氧化碳收集部分的器具組合圖。其中:①蒸餾水瓶;②充填了混合后的具備好氧發(fā)酵條件的物料的容器;③氨氣吸收管;④濃硫酸瓶;⑤氯化鈣容器;⑥混合填充了高鹽酸鎂、氫氧化鈉顆粒、脫脂棉的CO2主收集管;⑦混合填充了高鹽酸鎂、燒堿石棉、脫脂棉的CO2輔助收集管。
圖1 物料發(fā)酵降解部分的器具組合Fig.1 Combination of Utensils for Degredation of Materials Fermentation
圖2 二氧化碳收集部分的器具組合Fig.2 Combination of Utensils for Carbon Dioxide Collection
由圖1、圖2可知,器具組合能把發(fā)酵箱的氣體徹底干燥,并連接到吸收器導(dǎo)管。首先用500 mL洗瓶裝入濃硫酸,再用直徑50 mm、長400 mm的玻璃管裝填氯化鈣和高氯酸鎂吸收水分、有機物分解產(chǎn)生的氨以及反應(yīng)產(chǎn)生的水。然后采用2組裝填有CO2吸收劑的內(nèi)徑25 mm、長300 mm的U型導(dǎo)管充分吸收CO2,吸收劑為氫氧化鈉顆粒和燒堿石棉篩。
各器具的容量大小取決于測試物料的量與通氣量。考慮到原料的不確定性和計量誤差,建議測試物料量可多一些,但物料過多會使CO2量也增多,因此以填充200 g物料作為測試量。待測試物料的發(fā)酵培養(yǎng)步驟如下:
(1)測試物料由原料污泥和發(fā)酵后污泥混合,約200 g;
(2)保持通氣狀態(tài)良好的測試物料的含水率調(diào)整至50%左右;
(3)通氣量維持在60 mL/min左右;
(4)培養(yǎng)溫度設(shè)定在50 ℃。
2.2.1 原料污泥預(yù)處理
將含水率較高的原料污泥發(fā)酵,可使污泥含水率控制在30%左右,混合以后的測試物料含水率可調(diào)整至50%左右。但發(fā)酵后污泥比例提高,這部分污泥產(chǎn)生的CO2量會影響到由原料污泥產(chǎn)生的CO2的量,因此要盡量減少發(fā)酵污泥的混合比例。
2.2.2 原料污泥和發(fā)酵污泥的混合裝填
采用含水率30%的經(jīng)完全發(fā)酵后的污泥與原料污泥進行混合,使待測物料的含水率調(diào)整至50%左右,然后在過濾片上墊一多孔薄膜,將待測物料裝填在薄膜上,盡量保持物料蓬松,避免結(jié)塊而與空氣接觸不良。蓋好橡皮塞,放進50 ℃恒溫箱內(nèi)的托盤上預(yù)熱15 min。
2.2.3 通氣和測試
預(yù)熱完成后,連接導(dǎo)管開始通氣,可采用小型真空泵進行抽吸,空氣流量設(shè)定為60 mL/min,觀察試瓶里的氣泡狀態(tài)以了解空氣流量。測試須每天定時進行,用管夾夾住氯化鈣容器和高氯酸鎂U型管之間的導(dǎo)管,防止試瓶內(nèi)的液體倒流。關(guān)閉各U型管的活塞,氣泵停止后拆下U型管稱量,稱量完成后,再逆順序連接好重新試驗通氣。通常連續(xù)7 d進行操作測試,以進一步追蹤CO2的變化。
把稱量后的CO2量轉(zhuǎn)化成碳量,減去用于混合的發(fā)酵污泥中的碳量作為原料污泥中的碳量。計算出相對于降解后測試物料中的全碳量的百分比,作為測試的降解率。
測試物料中全碳量的計算如下:干物料重×灼熱減量/100×0.5。以發(fā)酵天數(shù)為橫軸,降解率為縱軸,可以描繪出降解曲線圖。把有機物的微生物降解速率與CO2產(chǎn)生速率轉(zhuǎn)化分析,其計算采用基質(zhì)反應(yīng)一級公式,如式(1)。
at=a·(1-e-kt)
(1)
其中:at—第t天的降解率;
a—最終降解率;
k—降解系數(shù);
t—發(fā)酵天數(shù),d。
原料污泥中的可降解有機物是復(fù)合成分,因此需要分別測試不同物料的降解率,綜合不同的曲線來確定a值和k值。測試方法穩(wěn)定后,得到的a值和k值更接近實際值。
a值和k值的計算方法如式(2)、式(3)。設(shè)t1和t2的測試降解率分別為a1和a2,同一試料的最終降解率a相同。
k1=1/t1×ln[a/(a-a1)]
(2)
k2=1/t2×ln[a/(a-a2)]
(3)
因a1和a2在相同曲線上,所以式(2)=式(3),則得到式(4)。
1/t1×ln[a/(a-a1)]=1/t2×ln[a/(a-a2)]
(4)
式(4)可通過at值用計算機多次試算,從而可得到k1和k2。為了讓實測曲線與理論曲線相近,可取7 d測試中的第2 d和第7 d作為t1和t2,代入公式求解。
計算發(fā)酵污泥分解產(chǎn)生的碳量時,可以用發(fā)酵污泥的總含碳量乘以相應(yīng)降解率,即可計算出發(fā)酵污泥在各個時間點產(chǎn)生的碳量。
本用上述方法分別對3個污水廠的脫水污泥和3個畜牧業(yè)污泥進行測試,測試數(shù)據(jù)以及對上述理論公式的校驗結(jié)果如表1所示。
表2為3個污水廠和3個畜牧企業(yè)污泥的有機物降解率的7 d實測結(jié)果。
表1 測試結(jié)果的公式驗算
表2 污泥的有機物降解率的7 d的實測值
由表1可知,參數(shù)a2和a7的值代入理論公式中可以得到參數(shù)k和最終降解率a,得出有機物降解率曲線,即圖3和圖4中的連線部分。如圖3、圖4所示,獨立的小圖標(biāo)是表2得出的樣品降解率的7 d實測值。
圖3 畜牧企業(yè)污泥的有機物降解率Fig.3 Organic Matter Degradation Rate Curve of the Sludge in Animal Husbandry Enterprises
圖4 污水廠脫水污泥的有機物降解率Fig.4 Organic Matter Degradation Rate Curve of Dewatered Sludge in Wastewater Treatment Plant
CO2重量法的測試過程較接近實際的污泥好氧發(fā)酵降解過程,該測試方法可以按發(fā)酵天數(shù)詳細地收集數(shù)據(jù)。由圖3、圖4可知,公式計算值的連線和7 d實測值的小圖標(biāo)幾乎重疊,誤差極小。k值會影響連線的曲率,這表示污泥中有機物進入降解狀態(tài)的快慢,主要是受污泥中有機物特性的影響,如糖類、胺等含量偏高則容易分解,纖維素、木質(zhì)素等含量偏高則降解率低。由表1可知,畜牧企業(yè)3的污泥降解速率k和最終降解率a都最高,而污水處理廠3的降解速率k雖為最高,但最終降解率a最高的是污水處理廠2的污泥。
除了污泥的有機物特性影響因素以外,測試方法本身對降解率的測定結(jié)果也有影響。
一是試料的預(yù)處理,即原料污泥和發(fā)酵污泥的混合比例。經(jīng)測試得知,混合后物料的含水率約50%時,測試過程比較順利;但發(fā)酵后污泥混入比高時,則不能反映真實的原料污泥的降解率。
二是測試裝置及器具的連接比較復(fù)雜,整套測試器具的密封性十分重要,稍有漏氣會對測試結(jié)果造成較大誤差。加上原料污泥的預(yù)處理等,一般測試一個樣品需要9~10 d,不容易同步測試數(shù)個樣品。
三是測試時的通氣量比較難以恒定,測試物料需要有較好的蓬松度,盡量避免結(jié)塊而形成局部厭氧狀態(tài),厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷會直接影響碳量測試結(jié)果。這就需要多次測試,調(diào)整通氣量才能得到比較穩(wěn)定的測試結(jié)果。此外,通氣量大小對降解率的影響程度也需要另行驗證。
CO2重量法作為有機污泥降解特性的測試法,可以由發(fā)酵降解過程逐天測試,能得到比較切實的降解率數(shù)值,還可以得到理論計算公式的相互驗證。通過驗證得到的公式計算結(jié)果,可以減少大量的實測操作,是一種比較有效的測試有機物降解率的方法,對今后好氧發(fā)酵處理處置污泥技術(shù)的大規(guī)模運用或者提高已有設(shè)施的運行效率會有很大的幫助。