【固体废物处理与资源化】投加方式和通风速率对脱水污泥堆肥效果的影响

       

为了在降低能耗的前提下获得更高的污泥堆肥效率和提高堆肥产品质量,利用梨形筒式好氧堆肥反应器,设置2种物料投加方式和3种通风速率,研究堆肥过程中温度、含水率、总氮以及发芽指数(GI)的变化特性。结果表明,与间歇式堆肥相比,连续式堆肥可以显著提高堆体温度和堆体腐熟度,降低堆体含水率及缩短腐熟期,但氮素损失也显著增大(P<0.01);连续式堆肥的处理效率是间歇式的2.11倍,能耗降低了52.60%。通风速率为1.95L·min-1的连续式堆肥,堆体维持高温时间最长,且最终温度稳定在较高温度47~48℃,堆末含水率最低,氮素损失处于三者的中间水平,腐熟期最短。综合分析,在通风速率为1.95L·min-1的连续运行方式下,梨形筒式反应器用于污泥稳定高效堆肥是可行的。

实验所用的污泥为某污水处理厂离心脱水后的污泥,含水率为84.27%,有机质含量为65.31%;锯末来自木材加工厂,过2mm筛后使用,含水率为 6.09%,有机质含量为98.07%。

实验设计

以污泥与锯末湿重比为2.2:1配制混合堆料,调节初始含水率为60%。反应器设置为正转5min,停止55min,反转5min,停止55min,如此循环;转速为10r·min-1;关于投加方式的研究分为间歇式和连续式。其中,间歇式为一次性投加,通风速率与连续式相同,均为1.60L·min-1;连续式堆肥投配率为5.50%,从第2天开始投加,投加时间为每天12:00,堆肥21 d后共投加了20次;关于通风速率对污泥连续堆肥效果的研究,在1.60 L·min-1的基础上又增加了1.95、2.67L·min-12组堆肥实验,具体见表1。

测定指标与方法

温度采用传感式数显温度计直接插入反应器内前、中、后部测定并取平均值,堆肥前5d于每天08:00,12:00,16:00和20:00实时记录4次,之后每天于08:00和20:00实时记录2次。含水率采用常压干燥减量称重法测定。

将堆肥鲜样:纯水以1:10的重量比混合,以135Hz振荡4h,再将其以5000r·min-1离心20min,经0.45μm滤膜抽滤制得浸提液。总氮(TN)采用过硫酸钾消解法于浸提液中测得。

种子发芽指数(GI)采用白菜种子,于堆肥鲜样:纯水为1:10的5mL浸提液中培养48h进行测量计算。各指标测定样本数均为3,并取算数平均值。数据使用Origin8.5软件处理分析,显著性采用t分布检验

投加方式对好氧堆肥效果的影响

对堆体温度的影响

微生物降解物料中的有机质时会产生热量,因此,堆肥过程中的温度变化能够反映微生物新陈代谢的强弱,还能影响堆体水分的去除和病原微生物的灭活。2种投加方式下堆体温度的变化如图2所示。

T1堆肥系列温度变化呈先上升后下降,最后与环境温度变化趋同的规律;T2系列温度呈先大幅升高后降低,再小幅升高再降低,最后呈变幅逐渐缩小的稳定状态。

T1、T2堆体均在第0.75天达到最高温度54.6、55.1℃,50℃以上分别维持了0.75和1.75d。T2堆体第1~4天和第6~8天温度不断降低,分析原因可能是初始投加的物料中易降解有机质不断减少,每天新投加物料中微生物处于适应阶段,对有机质的分解较慢,导致产热量小于散热量所致。第4~6天和第8~10天温度回升,原因可能是微生物活性逐渐增强,对前几天积累的物料分解速度加快,产热量增加所致;随着堆肥的进行,初始投加物料中易降解有机质消耗殆尽,物料呈稳定状态,并对每天新投加的物料起到接种的作用,使得堆体能够长时间在较高温度(45℃以上)保持稳定,2种投加方式对堆体温度有显著差异(P<0.01)。T1后期堆体温度有所上升主要是由于环境温度上升造成的,而T2后期温度稳定在46~47℃,说明连续式堆肥不仅会弱化堆体温度受环境温度的影响,而且由于不断补充有机质,既增大了投配率还可以满足长时间高温反应的需求。因为病原微生物热失活效应与时间和温度有关,短时间的高温和长时间的中温具有相同的热失活效果,显然,连续式堆肥利于维持高温环境,堆肥无害化程度更高。

对堆体含水率的影响

含水率不仅反映了堆肥过程的物理状态,同时与微生物活性密切相关。水分含量过低,将抑制微生物的生长;水分含量过高,会造成堆料孔隙度过低,影响氧气的传输。

T1、T2系列的含水率均呈先略微上升后下降的趋势(图3),表明堆肥初期,生化反应的产水量大于通风和蒸发等带走的水量,而后因生化反应速率下降导致了含水率的持续下降,经过21d堆肥,T1T2堆体含水率分别下降了10.99%和12.42%,连续式堆肥能显著降低堆体含水率(P<0.01)。污泥堆肥前期,T1、T2含水率有所升高,是因为易分解有机质快速矿化分解而产生大量的水,且分别在第2天和第1天显著下降,其原因可能是较高的温度加速了水分的蒸发。堆肥后期含水率下降,T1堆体主要是因为通风作用,而T2堆体是通风和较高的温度下水分蒸发的共同作用。整个堆肥过程中,T1、T2处理在一定程度上均实现了污泥堆肥处理的减量化目的,虽然T2连续投加进入反应器的总水量大,但其堆体含水率仍低于T1,更有利于堆体减容,原因是T2堆体的相对高温环境导致水分的蒸发量更大。

对堆体TN的影响

污泥堆肥过程中,氮素损失是影响堆肥产品肥效的重要原因之一。堆肥过程产生的高温和高pH环境使氨氮以NH3的形式逸出或发生反硝化脱氮而造成氮素的损失。

T1、T2堆体TN的变化规律基本一致,呈先下降后升高、最后小幅下降的趋势(图4)。在堆肥前2d,由于大量微生物快速生长、增殖消耗氮素及有机氮的快速分解产生大量的NH3,在高温下快速挥发而损失,使得堆肥中 TN含量迅速减少。随着堆肥的进行,有机质不断分解成CO2和H2O而散失,堆体的体积随之减小,TN因此被浓缩而含量增加并在后期趋于稳定。前3d,T1和T2总氮含量无显著差异(P>0.01),表明T2每天的氮素投加

量与高温损失的氮素量基本持平。第3天后,由于高温下NH3挥发损失的氮素大于新投加量,故T2处理TN含量显著低于T1(P<0.01)。堆肥结束后,T1和T2处理的氮素损失分别为15.16%和31.83%。因此,与T1相比,T2处理不利于氮素留存。

处理效率与能耗分析

T1、T2处理初始污泥投加量均为3.30kg(堆料4.80kg)。T1处理(间歇式堆肥)运行21d后,污泥处理量M1=3.30kg;T2处理累积污泥投加量共为20×0.267×(3.30/4.80)=3.67kg,则T2处理21d共处理污泥量为 3.30kg+3.67kg=6.97kg。故T2处理效率是T1的2.11倍。另外,因二者通风速率、转速等相同,即能耗相同,则单位堆体能耗T2比T1减少了 52.60%。因此,就污泥堆肥而言,连续式的投加方式在处理效率和节能方面显著优于间歇式。

通风速率对连续好氧堆肥效果的影响

对堆体温度的影响

T2、T3、T4堆体温度均先呈大幅上升后下降,再小幅升温-降温,最终趋于稳定的趋势(图6)。

T2、T3、T4等3个系列几乎同时达到高温阶段(大于50 ℃),且分别在第 0.75、1.25和1.00天达到最高温度54.7、57.6和55.6℃;各堆体维持高温阶段的时间分别为1.75、2.00和1.25d,且最终温度分别稳定在45~46、47~48和44~45℃。通风量过大或过小,都会缩短高温期,显著降低堆体的温度(P<0.01)。通风速率影响空气的扩散和对流传质,从而影响堆体温度和氧气浓度,最适宜微生物活动的氧含量应超过10%。在通风速率较低的T2中,氧含量可能低于10%,没有足够的氧气来满足微生物的需求,使得反应生成热大于散失热量,高温持续时间缩短且最终温度较低;T4通风速率过大,氧含量过剩,使得堆肥物料与气体之间的表面对流增强,导致热损失增加。而T3通风速率既能满足微生物自代谢活动的需要,又不会因为通风速率过大而带走过多的热量,是最适的通风速率。

对堆体含水率的影响

T2、T3、T4等3个系列含水率均呈先略微上升后持续下降的趋势(图7)。

这是因为堆肥前期易分解有机物氧化分解剧烈,产生的水分多;之后由于处于高温阶段,堆体温度较高,水分蒸发快,含水率逐渐下降;另外,易分解有机物逐渐减少,产生的水分减少且通风带走的水分大于产生的水分。这与梨形筒式反应器用于人粪便堆肥的研究结果不一致,原因可能是人粪便中易降解有机质多,且接种微生物促进了人粪便堆体中的较难降解物质的降解,产生更多的水分所致。3个系列堆肥结束时的含水量分别由初始的59.46%、59.85%和60.08%下降43.74%、42.56%和43.25%。在实验条件范围内,增大通风速率可以显著降低堆体含水率(P<0.01),然而,通风速率过大,效果不显著(P>0.01)。从堆体减容角度考虑,T3堆体的通风速率(1.95L·min-1)是最适通风速率。

对堆体TN的影响

3种通风速率下,TN变化趋势基本相同,均表现为先略有下降,再上升,最后逐渐下降趋于稳定(图8)。

堆肥快速升温期 (第1天),堆料中微生物的代谢旺盛,微生物对TN的利用速度大于含氮化合物的水解速度,导致TN有所下降。之后,含氮化合物的水解速度大于TN的利用速度,产生大量的铵根离子,导致TN上升。而后随着温度的升高,大量的铵以NH3形式挥发,造成TN下降。整个堆肥过程中,3种通风速率的氮素损失分别为36.27%、44.47%、45.54%,通风速率增大,氮素损失显著增大(P<0.01)。不同通风速率对厨余垃圾堆肥总氮的变化趋势一致。

结   论

1)利用梨形筒式反应器进行脱水污泥堆肥,间歇式和连续式2种投加方式均可实现初期堆温高于50℃ 以上和堆体腐熟,达到使污泥减量化、稳定化和资源化的目的。

2)与间歇式堆肥相比,连续式堆肥堆体高温维持时间更长,堆肥结束后,堆体含水率更低,更利于堆体减容;堆体腐熟速度更快;处理效率是是间歇式堆肥的2.11倍,能耗降低了52.60%。但由于高温持续时间较长,氮素损失较间歇式堆肥大。

3)1.95L·min-1的通风速率污泥堆体的升温速率最快,高温反应维持时间更长,更利于梨形筒式反应器对脱水污泥的腐熟、减量和无害化。

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