居素偉

(上海汀瀅環(huán)保科技有限公司，上海 201707)

1 技術(shù)研究背景

來源于污水處理廠的有機(jī)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(yùn)，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(jì)、高效的方法。在好氧發(fā)酵堆肥前，掌握污泥中有機(jī)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?zèng)Q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(jī)物(包括惡臭物質(zhì))進(jìn)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(yùn)、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(jī)物中的碳最終會(huì)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(cè)試的方法之一。此外，更直接的方法即測(cè)定干物質(zhì)的重量變化，通過測(cè)定灼熱減量部分，按比例計(jì)算可得到可降解的有機(jī)物的量。本文采用的是CO2重量法。

2 測(cè)試方法和裝置

2.1 測(cè)試裝置的組合

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(jìn)好氧發(fā)酵進(jìn)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(zhǎng)400 mm的玻璃管裝填氯化鈣和高氯酸鎂吸收水分、有機(jī)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(zhǎng)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(cè)試物料的量與通氣量?？紤]到原料的不確定性和計(jì)量誤差，建議測(cè)試物料量可多一些，但物料過多會(huì)使CO2量也增多，因此以填充200 g物料作為測(cè)試量。待測(cè)試物料的發(fā)酵培養(yǎng)步驟如下：

(1)測(cè)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(cè)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 操作方法

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(cè)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(huì)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(jìn)行混合，使待測(cè)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(cè)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(jìn)50 ℃恒溫箱內(nèi)的托盤上預(yù)熱15 min。

2.2.3 通氣和測(cè)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(jìn)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(cè)試須每天定時(shí)進(jìn)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?jī)?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(yàn)通氣。通常連續(xù)7 d進(jìn)行操作測(cè)試，以進(jìn)一步追蹤C(jī)O2的變化。

2.3 測(cè)試結(jié)果計(jì)算

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(jì)算出相對(duì)于降解后測(cè)試物料中的全碳量的百分比，作為測(cè)試的降解率。

測(cè)試物料中全碳量的計(jì)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(jī)物的微生物降解速率與CO2產(chǎn)生速率轉(zhuǎn)化分析，其計(jì)算采用基質(zhì)反應(yīng)一級(jí)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(jī)物是復(fù)合成分，因此需要分別測(cè)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(cè)試方法穩(wěn)定后，得到的a值和k值更接近實(shí)際值。

a值和k值的計(jì)算方法如式(2)、式(3)。設(shè)t1和t2的測(cè)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(jì)算機(jī)多次試算，從而可得到k1和k2。為了讓實(shí)測(cè)曲線與理論曲線相近，可取7 d測(cè)試中的第2 d和第7 d作為t1和t2，代入公式求解。

計(jì)算發(fā)酵污泥分解產(chǎn)生的碳量時(shí)，可以用發(fā)酵污泥的總含碳量乘以相應(yīng)降解率，即可計(jì)算出發(fā)酵污泥在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生的碳量。

3 測(cè)試結(jié)果

本用上述方法分別對(duì)3個(gè)污水廠的脫水污泥和3個(gè)畜牧業(yè)污泥進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)以及對(duì)上述理論公式的校驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表2為3個(gè)污水廠和3個(gè)畜牧企業(yè)污泥的有機(jī)物降解率的7 d實(shí)測(cè)結(jié)果。

表1 測(cè)試結(jié)果的公式驗(yàn)算

表2 污泥的有機(jī)物降解率的7 d的實(shí)測(cè)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(jī)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(dú)立的小圖標(biāo)是表2得出的樣品降解率的7 d實(shí)測(cè)值。

圖3 畜牧企業(yè)污泥的有機(jī)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(jī)物降解率Fig.4 Organic Matter Degradation Rate Curve of Dewatered Sludge in Wastewater Treatment Plant

4 測(cè)試方法和結(jié)果的討論

4.1 測(cè)試結(jié)果的討論

CO2重量法的測(cè)試過程較接近實(shí)際的污泥好氧發(fā)酵降解過程，該測(cè)試方法可以按發(fā)酵天數(shù)詳細(xì)地收集數(shù)據(jù)。由圖3、圖4可知，公式計(jì)算值的連線和7 d實(shí)測(cè)值的小圖標(biāo)幾乎重疊，誤差極小。k值會(huì)影響連線的曲率，這表示污泥中有機(jī)物進(jìn)入降解狀態(tài)的快慢，主要是受污泥中有機(jī)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。

4.2 測(cè)試方法的影響因素

除了污泥的有機(jī)物特性影響因素以外，測(cè)試方法本身對(duì)降解率的測(cè)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(cè)試得知，混合后物料的含水率約50%時(shí)，測(cè)試過程比較順利；但發(fā)酵后污泥混入比高時(shí)，則不能反映真實(shí)的原料污泥的降解率。

二是測(cè)試裝置及器具的連接比較復(fù)雜，整套測(cè)試器具的密封性十分重要，稍有漏氣會(huì)對(duì)測(cè)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(cè)試一個(gè)樣品需要9～10 d，不容易同步測(cè)試數(shù)個(gè)樣品。

三是測(cè)試時(shí)的通氣量比較難以恒定，測(cè)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(huì)直接影響碳量測(cè)試結(jié)果。這就需要多次測(cè)試，調(diào)整通氣量才能得到比較穩(wěn)定的測(cè)試結(jié)果。此外，通氣量大小對(duì)降解率的影響程度也需要另行驗(yàn)證。

4.3 測(cè)試方法的結(jié)論

CO2重量法作為有機(jī)污泥降解特性的測(cè)試法，可以由發(fā)酵降解過程逐天測(cè)試，能得到比較切實(shí)的降解率數(shù)值，還可以得到理論計(jì)算公式的相互驗(yàn)證。通過驗(yàn)證得到的公式計(jì)算結(jié)果，可以減少大量的實(shí)測(cè)操作，是一種比較有效的測(cè)試有機(jī)物降解率的方法，對(duì)今后好氧發(fā)酵處理處置污泥技術(shù)的大規(guī)模運(yùn)用或者提高已有設(shè)施的運(yùn)行效率會(huì)有很大的幫助。