蚯蚓生物处理污泥系统动力学研究及探讨

尹朝阳，雍 毅，叶 宏，谢 飞，黄 翔

(四川省环境保护科学研究院,成都 610041)



· 治理技术 ·

蚯蚓生物处理污泥系统动力学研究及探讨

尹朝阳，雍 毅，叶 宏，谢 飞，黄 翔

(四川省环境保护科学研究院,成都 610041)

通过对处理周期前后污泥、蚯蚓重量，以及有机碳等指标的测定，对污泥处理系统进行了物料衡算；生活污泥经蚯蚓处理后，干重降低了28%，有效的实现了减量化，有机物质总量削减了57.14%，稳定化、无害化效果显著。同时结合蚯蚓生物处理污泥系统原理，基于冬季有机碳等指标的检测数据，确定本系统的动力学反应级数为一级，并在此基础上，建立了动力学模型与反应器模型。

蚯蚓;污泥;动力学

1 引 言

蚯蚓生物处理污泥技术是一种利用蚯蚓—微生物人工生态系统处理污泥的方法，它利用蚯蚓的生态功能，最终达到污泥减量、稳定和资源化，蚯蚓处理污泥技术具有处理效果好、工艺设备简单、维护管理方便、环境效益显著、能耗低、费用少等特点，在众多的污泥处理技术中有其独特的优势。

目前，国内已有很多蚯蚓处理污泥工程实例，四川绿山生物科技有限公司在成都市温江区、郫县等地建立了污泥处理基地，采用“好氧堆肥+蚯蚓生物处理”工艺对污泥进行处理；富阳诚龙蚯蚓养殖公司利用大平二号蚯蚓处理造纸污泥项目已经实际运行；西安等地也建立了以蚯蚓生物法处理污泥的处理厂。

同时国内很多学者开展了蚯蚓处理污泥的理论研究。白春节等[1]经过研究表明，采用箱式养殖法，利用城市生活污泥直接饲养蚯蚓是可行的；贾辉等[2]通过研究比较蚯蚓在久置污泥与未完全发酵牛粪配比中和新鲜污泥与腐熟牛粪配比中的生长繁殖状况，找出最适合蚯蚓生长繁殖的污泥与牛粪的配比；徐轶群等[3]采用塑料温棚内垄式堆积污泥培养蚯蚓方式，研究了蚯蚓处理对污泥重金属的影响。

目前蚯蚓处理污泥理论研究主要集中在工艺参数、重金属富集以及重金属生物有效性的变化上，而对于蚯蚓处理污泥的机理研究则较少。本文结合实验数据，初步探讨处理机理，并结合该工艺的特点，建立相应的动力学模型，以更好的指导污泥处理工作。

2 实验组织

本实验选择一个污泥处理周期，测定蚯蚓增长率、污泥减重率、有机碳，以及C、H、N、S等元素总量的变化情况。污泥来自某城镇生活污水处理厂的生化污泥，接种蚯蚓采用赤子爱胜蚓。本次实验选择在冬季进行。根据运行经验，确定处理周期为25d，在实验开始时一次性添加污泥，设置六条养殖床，每条养殖床长约2.5m，宽约60cm，共添加湿污泥500kg，每条养殖床蚯蚓接种量为4kg。实验共取样品6次，平均间隔时间约为5d。

3 数据统计及分析

3.1 污泥减量及蚯蚓增重测算

本污泥处理系统，采用蚯蚓的生物作用对污泥进行处理，蚯蚓在不断增殖的同时，污泥中的物质不断被消耗和转化，即可实现污泥的减量化、无害化和资源化。本实验测定了污泥减量及蚯蚓增重情况，并记录了污泥的表观特征变化，详见表 1、表2。

表1 污泥重量及表观特征变化Tab.1 Changes of weight and apparent characteristics of sludge

由表1可以看出，污泥经过蚯蚓生物处理后，在含水率基本保持不变的情况下，湿污泥减少了190kg，减重比达到了38.0%，接近40%；干污泥减少了约24.11kg，减重比约28.7%，减量化作用明显。污泥含水率由最初的83.2%降至80.68%，这主要是由于冬季为了保持养殖床的温度，采用水稻帘进行了覆盖，加之温度较低，水分自然蒸发较少。

表2 蚯蚓增重变化Tab.2 Changes of earthworm weight

由表2可以看出，蚯蚓含水率约为80.75%，蚯蚓采食污泥后，在转化吸收了24.11kg物质的情况下，由原来的24.00kg增重至27.41kg，增重了3.41kg，增重比约为14.21%。

3.2 元素及有机物分析

为研究污泥在实验周期内各主要元素(C、H、O、N、S)总量以及有机物的变化规律，特对污泥样品进行了元素以及有机碳测定，数据详见表3。

根据分析测量结果可知，原污泥中O元素含量最高，约为56.10%，其次是C、N、H、S，百分含量依次为29.65%、5.26%、4.09%、0.89%。各元素的质量及质量百分比均呈下降趋势，其中N元素削减比例最高，约为41.55%；其次为碳元素，削减比例约为40.89%；H、O、S削减比例依次为36.69%、20.61%、19.95%。

原污泥中TC含量为29.65%(以干污泥计)，TOC含量为28.50%(以干污泥计)，可见污泥中C主要以有机碳为主，约占96.12%。经过处理后干污泥中TC的百分含量由29.65%降低至24.58%，总质量由24.91kg降至14.72kg，消耗质量为10.18kg，削减比达40.89%；有机碳的百分含量由28.50%降低至22.39%，总质量由23.94kg降至13.41kg，消耗质量为10.53kg，削减比达43.98%，污泥的无害化效果显著。同时TOC与TC消耗量基本相同，可见本工艺主要是通过蚯蚓吞食有机物质，并对其进行进一步转化。

表3 元素总量及有机物变化Tab.3 Changes of the total element and organic matter(kg)

本次实验测定了污泥样品中TOC含量，参考《森林土壤有机质的测定及碳氮比的计算》LY/T1237-1999，污泥中有机质平均含碳量以58%计算，则可估算出相应污泥中有机质含量。经计算，原污泥中有机质质量百分比为49.14%(以干污泥计)，经蚯蚓处理后降至38.60%，降低幅度为10.54%。孙颖[4]等研究表明：污泥处理前有机质质量百分比为53.45%，处理后为 44.1%，降低幅度为9.35%；冯春[5]等研究表明：污泥处理前有机质质量百分比为52.5%，处理后为 37.5%，降低幅度为15.0%。由于处理的原污泥不同，因此有机质含量存在差异，但有机质降低幅度保持在9%～15%，处理后有机质的百分比也维持在37%～44%。

3.3 物料衡算

结合上述统计数据，则可对该污泥处理系统进行物料衡算，详见下图。蚯蚓通过吞食污泥(84kg，以干污泥计)，将污泥中的有机质(41.2kg)一部分转化为身体所需要物质，实现自身增殖(约3.4kg)，一部分经过转化后以CO2和H2O形式(约20.6kg)排入大气中，另一部分(无机物质及代谢产物)则排除体外(约60kg)，具体详见下图。

图 污泥处理系统物料平衡示意Fig. Diagram of the material balance of sludge treatment system

由上图可以直观看出，生活污泥经蚯蚓处理后，干重降低了28%(③+④)，有效的实现了减量化；有机物质总量削减了57.14%，处理后的产物中(①+②)，经蚯蚓转化的有机成分占总量的29.16%，稳定化、无害化效果显著。

4 模型建立

4.1 反应级数确定及动力学模型建立

蚯蚓生物处理污泥的原理为：蚯蚓为了自身生存的需要，吞噬大量污泥中的有机物等营养成分，除了一部分被蚯蚓本身吸收同化外，代谢剩余产物大部分最后以蚓粪的形式排泄出来，即蚯蚓生物处理系统的过程是一个有机物质不断减少，蚯蚓逐渐增重的过程。因此可根据实测数据，以有机碳的变化为基准建立动力学模型，即蚯蚓是反应过程中的生物催化剂，将污泥转化为价值高的产品。

根据上述分析，以有机碳减少速率确定的动力学模型为：

υ =kcn

υ：有机碳减少速率；

k：反应速率常数；

c：有机物浓度；

n：反应级数。

其中k为一常数，只随反应温度而变化，在本次实验周期内温度较为稳定，可视为不变。n为反应级数，其定义为，若某一反应的速率公式可以表达为：

υ = kCAaCBb

则各浓度项指数之和n=(a + b + ……)，为反应的总反应级数。

反应级数的大小表示了浓度对反应速率的影响程度，级数越大，则反应速率受浓度影响越大。n不一定都是正整数，也可能是分数、0、负数。任何一个反应级数都是由实验确定的。反应动力学模型的速率微分式、速率积分式详见表4。

表4 反应动力学模型相关参数Tab.4 The related parameters of reaction kinetics model

反应级数的确定可以采用积分法和微分法，其中积分法又包括尝试法、作图法以及半衰期法。结合本实验数据的特点(每隔几天采集样品，具有浓度数值及对应的时间数值)，选用作图法求得反应级数。根据表4可知：

零级反应：c～t呈线性关系；

一级反应：lnc～t 呈线性关系；

二级反应：1/c～t 呈线性关系；

三级反应：1/c2～t呈线性关系；

n 级反应：1/cn-1～t呈线性关系。

因此可分别做c、lnc、1/c、1/c2((1/cn-1与t的关系曲线，并进行线性拟合，选择线性拟合系数高的一组，即可确定反应级数n。为了客观表示有机碳的降解过程，以原始污泥干重为基数，求得不同时刻TOC的百分含量，以此作为c，并分别计算c、lnc、1/c、1/c2、1/c3，求得与t的线性拟合系数，详见表5。

表5 数据统计表Tab.5 Data statistics

由表5可知，c、lnc、1/c、1/c2、1/c3与t的关系曲线的线性相关系数R2值分别为0.926、0.946、0.940、0.917、0.877，呈现先增大后减小的趋势，因此可认为该系统动力学反应级数为一级，反应模型为：

υ=kc

微分式为：

-dc/dt=kc

根据上述分析，在冬季，蚯蚓污泥处理系统为一级反应，因此，污泥的处理速度(有机物质的降低速度)与污泥有机物质初始浓度有关。可以看出，不仅蚯蚓生物处理污泥系统的原理与污水生物处理原理相似，而且在反应动力学上也具有相同点，即在外界具有充足营养的情况下，会提升系统反应速度。

4.2 反应器模型建立

反应器是化工生产过程中的核心部分，在反应器中所进行的过程，既有化学反应过程，又有物理过程，并有多方面的影响因素。化学反应工程把这种复杂的研究对象用数学模型的方法予以等效简化，使得反应装置的选择、反应器尺寸的计算、反应过程的操作及最优控制等较为科学。反应器的概念在水处理中含义较广泛，各种单元处理所用的设备或构筑物均可称之为反应器，包括化学反应、生物化学反应以至纯物理过程等。

由于反应器内实际进行的物质迁移或流动过程相当复杂，建立数学模型十分困难。为此，将反应器内物质迁移或流动作一些假定予以简化。通过简化的反应器称理想反应器。可近似反映真实反应器的特征，并可由此进一步推出偏离理想状态的非理想反应器模型。即：完全混合间歇式反应器(Completely mixed batch reactor，简称CMB型)；推流式反应器(Plug flow reactor，简称PF型)；完全混合连续式反应器(Continuous stirred tank reactor，简称CSTR型)。

本项目采用的蚯蚓生物污泥处理系统，采用一次性加料方式，待污泥处理完成后，再一次性出料，可近似于完全混合间歇式反应器(CMB型)。完全混合间歇式反应器在整个反应过程中，既无新的物料投入，也无反应产物排除容器。就该系统而言，在反应过程中，不存在物料的输入和输出，即无输入量和输出量，只有变化量和反映量。假定在处理过程中温度恒定，可得出下列反应式：

当t=0时Ci=C0，对上式积分得：

根据前文分析，养殖床内为一级反应，则r(Ci)=-kCi，代入上式得：

污泥的处理过程是一个污染物浓度降低的过程，在此以污泥处理前后有机碳的变化作为模型参数。其中t为污泥的处理时间，C0为初始污泥中有机碳的质量百分比，Cn为处理后污泥中有机碳的质量百分比。此外，在测定周期内，温度变化幅度较小，可忽略温度变化对处理系统的影响。取污泥处理前后的有机碳测定值，则根据实验数据，可求得k值，继而得出该条件下反应器模型，详见表6。

表6 反应器模型参数表Tab.6 Reactor model parameters

为验证建立模型的准确性，可代入实验中的各个时间点与C0值，计算出相应的Ci值，并与测定的有机碳百分含量进行对比，采用Correl函数计算两组数据的相关性，详见表7。

表7 数据对比表Tab.7 Data comparison table

由表7可以看出，采用本文模型计算出的各Ci值与实验测定值基本相同，采用Correl函数计算出的两组数据的相关系数为0.974，标明两组数据相关程度高，差异较小，本文建立的反应器模型可信。

5 结 语

通过对处理周期前后污泥和蚯蚓重量、有机碳等指标的测定，对污泥处理系统进行了物料衡算；生活污泥经蚯蚓处理后，干重降低了28%，有效的实现了减量化，有机物质总量削减了57.14%，稳定化、无害化效果显著。同时根据相关实验数据，在冬季本系统的动力学反应级数为一级，即污泥的处理速度(有机物质的降低速度)与污泥有机物质初始浓度有关，并在此基础上，建立了动力学模型与反应器模型。

本文旨在对蚯蚓生物处理污泥系统的动力学研究及模型建立寻求一种方法，因此只建立了冬季某一段时间的动力模型与反应器模型。后续可继续检测其它季节代表性温度下的相关数据，建立各代表性温度下模型，以指导污泥处理工作。但可以预测，在冬季温度较低，蚯蚓活力差的情况下，污泥的处理速率尚与污泥有机物浓度有关，在春、夏季等温度较高时，本系统反应速度仍将与底物浓度有关，反应级数仍为一级或更高。

[1] 白春节．城市剩余活性污泥直接饲养蚯蚓可行性研究[J]．微生物学通报，2007，34(1)：116-118．

[2] 贾 辉．利用蚯蚓处理污水厂活性污泥过程中蚯蚓生长繁殖的研究[D]．长春：东北师范大学，2008．

[3] 徐轶群，周 璟，董秀华，封 克．蚯蚓活动对城市生活污泥重金属的影响[J]．农业环境科学学报，2010，29(12)：2431-2435．

[4] 孙 颖，桂长华，孟 杰，钱光人．利用蚯蚓活动改善污泥性状的实验研究[J]．环境化学，2007，26(3)：343-346．

[5] 冯 春．城市污水处理厂污泥蚯蚓堆肥技术研究[D]．贵州:贵州大学，2008．

Study on the Kinetics of Sludge Treatment with Earthworm

YIN Zhao-yang, YONG Yi, YE Hong, XIE Fei, HUANG Xiang

(SichuanResearchAcademyofEnvironmentalScience,Chengdu610041,China)

By means of the determination of sludge, earthworm weight and organic carbon during the treatment period, the material balance of the sludge treatment system had been calculated. The dry weight of domestic sludge has decreased by 28% after the treatment by earthworm with effective implementation of the reduction and the total amount of organic matter has reduced by 57.14% with significant stabilization and harmless effect. Combined with the principle of earthworm biological sludge treatment system and based on the testing data of organic carbon and other indicators in winter, this study determined kinetic the reaction grade of this system was Grade one and established the dynamics model and reactor model on the basis of previous studies.

Earthworm; sludge; kinetics

2016-02-18

尹朝阳(1985-)，男，河北省晋州人，于2011年毕业于西南交通大学环境工程专业，硕士，工程师，主要从事固体废弃物处理处置与资源化利用工作。

X703

A

1001-3644(2016)03-0101-06