污泥秸秆动态容器好氧发酵堆肥热量平衡实验

曾海燕,杨 钊

(1.湖南先导洋湖再生水有限公司，长沙 410006；2.湖南荣华环保设备有限公司，长沙 410013)

1 前 言

由于污泥中的水分和有机质含量高、性质不稳定，同时含有大量病原菌、寄生虫(卵)，还可能含有铬、汞等重金属和多氯联苯、二恶英、放射性核素等难降解的有毒有害物，若不经妥善处理，其中的污染物和有毒有害物质将再次排放到环境中，造成严重的土壤或水体的二次污染[1]。我国是农业大国，秸秆废弃、焚烧一直是我国亟待解决的难题。秸秆焚烧造成大气污染，形成雾霾。污泥与秸秆中多含有机质和氮磷钾及多种微量元素，两者碳氮比及含水率可以很好互补，充分利用以实现其无害化、资源化，有利于生态环境和谐发展[1]。

动态容器堆肥机发酵系统含有大直径圆筒组件，发酵过程在搅动、转动和强制通风的条件下进行。高温好氧动态发酵堆肥过程能快速开始和高效降解，在短时间内比户外动态或静态堆肥能分解消耗更多的好氧物质[2]。

本文先建立一般污泥秸秆好氧容器堆肥热量平衡模型，通过利用不同容积动态容器堆肥机，调节污泥秸秆不同配比，进行污泥秸秆好氧发酵容器堆肥探讨，以达到污泥秸秆经处理后达到稳定化、资源化利用的目标。

2 一般污泥秸秆好氧容器堆肥热量平衡模型

由能量守恒知，好氧堆肥过程中生化反应热和外界输入的热量必与体系向环境散失的热量和堆体中各组分吸收的热量相等。即

qr+qw=qm+qh

(1)

式中：qr-堆肥过程中生化反应产生的反应热，kJ；qw-堆肥过程中外界输入体系的能量，kJ；qm-堆肥过程中物料、输入气体、水分蒸发吸收的热量，kJ；qh-堆肥过程中体系向环境散失的热量，kJ。

生物反应热可根据蔡建成[3]经验数据可得，

qr=α·Sm·Xm·Ym

(2)

其中：α-经验数值，约为20 007kJ/kg总固体；Sm-进入堆料系统物料的湿重；Xm-进入堆肥系统物料的固体含量；Ym-固体实际生化反应率。

在动态容器实验中无外界输入的体系的能量，qw为0。

好氧堆肥开始后，随着时间的推移，物料各组分在不断吸收热量[1]。很难精确计算出各组分吸收的热量，因此采用近似算法，即可认为各输入成分所吸收的热量相当于将其加热至输出温度所消耗的热量。由于物体间或同一物体不同部分之间只要存在温度差，且之间没有隔热层，便会发生热量传递，直至温度相同为止，所以所有成分，包括固体、水和气体都以同样的温度输出。吸收热量含有原料(水，固体)吸收热量、水蒸发吸收热量及通入空气吸收热量。

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-固体原料升温吸热，kJ；qa-通入气体升温吸热，kJ；qe-水吸收的热量，kJ；qz-水蒸发吸热，kJ；Cp,s-进入堆肥系统物料的固体比热，kJ /kg·k；Cp,w-水的比热，kJ/kg·k；TN-输出体系水、固体、气体和水蒸气的温度，℃；Tc-进入堆肥系统物料温度，℃；Mair-输入堆肥系统空气的重量，kg；Tair-输入空气温度，℃，近似等于TC；Cp,a-空气的比热，kJ /kg·k；F-风机风量m3/h；J-非标状态下体积校准系数；Qw-水的蒸发热，kJ/kg；Wz f-蒸发掉的水分重量，kg(一般为原水份的10%[4])。

容器堆肥过程中，体系向环境散失的热主要是堆肥反应器表面的热损量，用总传热系数、总传热面积和温差以乘积UA(T-T0)的形式表达。取UA值为0.407 7 W/℃[4]。

qh=UA(T-T0)=31·D(TN-TC)

(8)

其中U-总传热系数；D-天数；A-总传热面积。

将各分项代入(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)

等式两边同除以Sm，并提取(TN-TC)同类项

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)

因一般污泥秸秆堆肥含固率Xm约为40%左右，根据经验在不进新料的情况下，动态容器堆肥从开始升温到降温至平衡状态D约为12天，总固体可生化有机物降解率Ym约为13%[4]，QW约为2 400kJ/kg，Cp,s约为1.10kJ/kg，Cp,a约为1.01kJ/kg，Cp,w约为4.18kJ/kg，代入(10)式：

TN-TC=896/[2.95+372(J·F+1)/Sm]

(11)

一般有效堆肥平均温差(12天)TN-TC≥20℃[4]，当平均温差小于20℃，可以认为动态容器升温达不到有效发酵堆肥的要求。

3 实验部分

3.1 设备与材料

3.1.1 荣华日处理0.3t小型设备RHB-C-600设备：荣华日处理5吨中型设备RHB-C-740设备；

3.1.2 鲜污泥采用湖南先导洋湖再生水有限公司在工艺处理未端的污泥，含水率为80%，碳氮比约为8∶1；干秸秆为湖南先导洋湖再生水有限公司人工湿地的芦苇、美人蕉等高大草本植物(约占90%)和旱伞草、千屈菜等观叶草本植物(约占40%)，收割堆放晾干至含水率15%左右，经粉碎机粉碎至2mm以下，碳氮比为约为40∶1；

3.1.3 荣华堆肥发酵剂：白色链霉菌、芽孢杆菌和霍氏肠杆菌复合菌剂。

3.2 方法步骤

设计两组实验，以这些结果为依据进行分析探讨：日处理0.3t小型设备RHB-C-600设备，污泥(80%)与秸秆(15%)比例为1∶1，2∶1，3∶1对比实验；荣华日处理10吨中型设备RHB-C-740设备，污泥(80%)与秸秆(15%)比例为1∶1，2∶1，3∶1对比实验。测定原料温度平均为14℃。

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 RHB-C-600设备三种配比混料反应

在日处理0.3t小型设备RHB-C-600设备，各投加污泥(80%)与秸秆(15%)比例为1∶1，2∶1，3∶1混合料1吨(容积率70%～80%)投料后，连续开启风机及筒体，测量进口物料温度变化。

表1 RHB-C-600设备不同配比温度时间变化Tab.1 Variation of temperature and time of rhb-c-600 equipment at different proportions (℃)

从表1可以看出在风机及筒体连续开启的情况下，各混料温度上升不明显，未达至有效发酵的温度阶段，且三者之间温度没有明显差别，平均温度与原料温差10℃。RHB-C-600设备F平均为200m3/h，Sm为1 000kg，代入(11)得TN-TC=11℃与实验基本相符。

将三者筒体的料全部清出进行堆肥(2天～3天进行翻堆)，温度均显著上升至50℃以上，此温度持续约20d左右，后温度逐渐降低，约25d至室温，一次堆肥及陈化时间共计45d与常规条垛式污泥伴生好氧堆肥时间相同[1]。

因为物料少，混料初期产热量难以维持筒体及风机连续开启带走的热量故温度难以上升至40℃以上，此期间主要是嗜温菌作用，嗜热菌作用很少，未进行有效发酵。出料堆肥阶段因未有大量热量的损失，由于嗜温菌作用，堆体温度迅速上升，进而由嗜热菌取代其参与反应，由于嗜热菌作用堆体的温度进一步上升，直至将污泥中的有机物由不稳定状态转化为稳定的腐殖质。

3.3.2 RHB-C-740设备三种配比混料反应

在日处理5t设备RHB-C-740设备，各投加污泥(80%)与秸秆(15%)比例为1∶1，2∶1，3∶1混合料20t(容积率70%～80%)，投料后，连续开启风机及筒体，测量进口温度变化。

表2 RHB-C-740设备不同配比温度时间变化Tab.2 Variation of temperature and time of rhb-c-740 equipment at different proportions (℃)

图 RHB-C-740设备不同比例混料温度变化图Fig. Variation of temperature of rhb-c-740 equipment in different proportions

从表2及上图可以看出在连续开启风机及筒体条件下，3种混料升温迅速，且一直连续五天处于50℃以上的高温状态，3者温度差异并不明显，平均温度与原料温差约32℃。RHB-C-740设备F平均为1 200m3/h，Sm为20 000kg，代入式(11)得TN-TC=35℃，与实验情况基本相符。

将三者筒体的出料进行陈化，温度均保持50℃以上约10d，后温度逐渐降低，再经约20d至室温。堆肥时间总计约26d(在堆肥发酵机中以40℃以上有效发酵天数6d计，在实际动态容器堆肥中第四天开始进出料以保证系统热量平衡维持高温)明显短于条垛式污泥伴生好氧堆肥时间，这是因为在动态容器连续通风及滚动的情况下，有机质氧化反应充分，产生的热量大，更适于嗜热菌生长，促进有机质尤其是难降解的大分子有机质的快速分解。

4 结 论

4.1 实验表明，TN-TC=896/[2.95+372(J·F+1)/Sm]可用于实际动态容器堆肥升温的粗略计算，TN-TC≥20℃方可达到有效发酵堆肥的要求；

4.2 在合理的碳氮比(20～35)范围，相同质量不同配比的污泥秸秆动态容器好氧发酵堆肥升温差异不明显；

4.3 动态容器好氧发酵可以快速分解有机质，缩短堆肥时间，但分解不完全，陈化仍可升温。