污泥秸稈動(dòng)態(tài)容器好氧發(fā)酵堆肥熱量平衡實(shí)驗(yàn)

曾海燕,楊 釗

(1.湖南先導(dǎo)洋湖再生水有限公司，長(zhǎng)沙 410006；2.湖南榮華環(huán)保設(shè)備有限公司，長(zhǎng)沙 410013)

1 前 言

由于污泥中的水分和有機(jī)質(zhì)含量高、性質(zhì)不穩(wěn)定，同時(shí)含有大量病原菌、寄生蟲(chóng)(卵)，還可能含有鉻、汞等重金屬和多氯聯(lián)苯、二惡英、放射性核素等難降解的有毒有害物，若不經(jīng)妥善處理，其中的污染物和有毒有害物質(zhì)將再次排放到環(huán)境中，造成嚴(yán)重的土壤或水體的二次污染[1]。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，秸稈廢棄、焚燒一直是我國(guó)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(jī)質(zhì)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(bǔ)，充分利用以實(shí)現(xiàn)其無(wú)害化、資源化，有利于生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展[1]。

動(dòng)態(tài)容器堆肥機(jī)發(fā)酵系統(tǒng)含有大直徑圓筒組件，發(fā)酵過(guò)程在攪動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和強(qiáng)制通風(fēng)的條件下進(jìn)行。高溫好氧動(dòng)態(tài)發(fā)酵堆肥過(guò)程能快速開(kāi)始和高效降解，在短時(shí)間內(nèi)比戶(hù)外動(dòng)態(tài)或靜態(tài)堆肥能分解消耗更多的好氧物質(zhì)[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(guò)利用不同容積動(dòng)態(tài)容器堆肥機(jī)，調(diào)節(jié)污泥秸稈不同配比，進(jìn)行污泥秸稈好氧發(fā)酵容器堆肥探討，以達(dá)到污泥秸稈經(jīng)處理后達(dá)到穩(wěn)定化、資源化利用的目標(biāo)。

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(guò)程中生化反應(yīng)熱和外界輸入的熱量必與體系向環(huán)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(guò)程中生化反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱，kJ；qw-堆肥過(guò)程中外界輸入體系的能量，kJ；qm-堆肥過(guò)程中物料、輸入氣體、水分蒸發(fā)吸收的熱量，kJ；qh-堆肥過(guò)程中體系向環(huán)境散失的熱量，kJ。

生物反應(yīng)熱可根據(jù)蔡建成[3]經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，

qr=α·Sm·Xm·Ym

(2)

其中：α-經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，約為20 007kJ/kg總固體；Sm-進(jìn)入堆料系統(tǒng)物料的濕重；Xm-進(jìn)入堆肥系統(tǒng)物料的固體含量；Ym-固體實(shí)際生化反應(yīng)率。

在動(dòng)態(tài)容器實(shí)驗(yàn)中無(wú)外界輸入的體系的能量，qw為0。

好氧堆肥開(kāi)始后，隨著時(shí)間的推移，物料各組分在不斷吸收熱量[1]。很難精確計(jì)算出各組分吸收的熱量，因此采用近似算法，即可認(rèn)為各輸入成分所吸收的熱量相當(dāng)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(méi)有隔熱層，便會(huì)發(fā)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(fā)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(fā)吸熱，kJ；Cp,s-進(jìn)入堆肥系統(tǒng)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(jìn)入堆肥系統(tǒng)物料溫度，℃；Mair-輸入堆肥系統(tǒng)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(fēng)機(jī)風(fēng)量m3/h；J-非標(biāo)狀態(tài)下體積校準(zhǔn)系數(shù)；Qw-水的蒸發(fā)熱，kJ/kg；Wz f-蒸發(fā)掉的水分重量，kg(一般為原水份的10%[4])。

容器堆肥過(guò)程中，體系向環(huán)境散失的熱主要是堆肥反應(yīng)器表面的熱損量，用總傳熱系數(shù)、總傳熱面積和溫差以乘積UA(T-T0)的形式表達(dá)。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(shù)；D-天數(shù)；A-總傳熱面積。

將各分項(xiàng)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(lèi)項(xiàng)

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(jù)經(jīng)驗(yàn)在不進(jìn)新料的情況下，動(dòng)態(tài)容器堆肥從開(kāi)始升溫到降溫至平衡狀態(tài)D約為12天，總固體可生化有機(jī)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(dāng)平均溫差小于20℃，可以認(rèn)為動(dòng)態(tài)容器升溫達(dá)不到有效發(fā)酵堆肥的要求。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 設(shè)備與材料

3.1.1 榮華日處理0.3t小型設(shè)備RHB-C-600設(shè)備：榮華日處理5噸中型設(shè)備RHB-C-740設(shè)備；

3.1.2 鮮污泥采用湖南先導(dǎo)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(dǎo)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(jīng)粉碎機(jī)粉碎至2mm以下，碳氮比為約為40∶1；

3.1.3 榮華堆肥發(fā)酵劑：白色鏈霉菌、芽孢桿菌和霍氏腸桿菌復(fù)合菌劑。

3.2 方法步驟

設(shè)計(jì)兩組實(shí)驗(yàn)，以這些結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行分析探討：日處理0.3t小型設(shè)備RHB-C-600設(shè)備，污泥(80%)與秸稈(15%)比例為1∶1，2∶1，3∶1對(duì)比實(shí)驗(yàn)；榮華日處理10噸中型設(shè)備RHB-C-740設(shè)備，污泥(80%)與秸稈(15%)比例為1∶1，2∶1，3∶1對(duì)比實(shí)驗(yàn)。測(cè)定原料溫度平均為14℃。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.3.1 RHB-C-600設(shè)備三種配比混料反應(yīng)

在日處理0.3t小型設(shè)備RHB-C-600設(shè)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(xù)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)及筒體，測(cè)量進(jìn)口物料溫度變化。

表1 RHB-C-600設(shè)備不同配比溫度時(shí)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(fēng)機(jī)及筒體連續(xù)開(kāi)啟的情況下，各混料溫度上升不明顯，未達(dá)至有效發(fā)酵的溫度階段，且三者之間溫度沒(méi)有明顯差別，平均溫度與原料溫差10℃。RHB-C-600設(shè)備F平均為200m3/h，Sm為1 000kg，代入(11)得TN-TC=11℃與實(shí)驗(yàn)基本相符。

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

因?yàn)槲锪仙?，混料初期產(chǎn)熱量難以維持筒體及風(fēng)機(jī)連續(xù)開(kāi)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(jìn)行有效發(fā)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(jìn)而由嗜熱菌取代其參與反應(yīng)，由于嗜熱菌作用堆體的溫度進(jìn)一步上升，直至將污泥中的有機(jī)物由不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)。

3.3.2 RHB-C-740設(shè)備三種配比混料反應(yīng)

在日處理5t設(shè)備RHB-C-740設(shè)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(xù)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)及筒體，測(cè)量進(jìn)口溫度變化。

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

圖 RHB-C-740設(shè)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(xù)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)及筒體條件下，3種混料升溫迅速，且一直連續(xù)五天處于50℃以上的高溫狀態(tài)，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(shè)備F平均為1 200m3/h，Sm為20 000kg，代入式(11)得TN-TC=35℃，與實(shí)驗(yàn)情況基本相符。

將三者筒體的出料進(jìn)行陳化，溫度均保持50℃以上約10d，后溫度逐漸降低，再經(jīng)約20d至室溫。堆肥時(shí)間總計(jì)約26d(在堆肥發(fā)酵機(jī)中以40℃以上有效發(fā)酵天數(shù)6d計(jì)，在實(shí)際動(dòng)態(tài)容器堆肥中第四天開(kāi)始進(jìn)出料以保證系統(tǒng)熱量平衡維持高溫)明顯短于條垛式污泥伴生好氧堆肥時(shí)間，這是因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)容器連續(xù)通風(fēng)及滾動(dòng)的情況下，有機(jī)質(zhì)氧化反應(yīng)充分，產(chǎn)生的熱量大，更適于嗜熱菌生長(zhǎng)，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)尤其是難降解的大分子有機(jī)質(zhì)的快速分解。

4 結(jié) 論

4.1 實(shí)驗(yàn)表明，TN-TC=896/[2.95+372(J·F+1)/Sm]可用于實(shí)際動(dòng)態(tài)容器堆肥升溫的粗略計(jì)算，TN-TC≥20℃方可達(dá)到有效發(fā)酵堆肥的要求；

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

4.3 動(dòng)態(tài)容器好氧發(fā)酵可以快速分解有機(jī)質(zhì)，縮短堆肥時(shí)間，但分解不完全，陳化仍可升溫。