城市污泥好氧堆肥過程中有機(jī)質(zhì)降解模型

張軍+++李世好++劉孟子++楊博聞++王敦球

摘要：以城市污泥、鋸末為原料，在250 L溫度-氧氣反饋通風(fēng)的自動控制發(fā)酵倉內(nèi)，分別設(shè)置2組堆肥，堆體1、堆體2均采用連續(xù)式通風(fēng)控制工藝。通過分析總糖、脂肪、蛋白質(zhì)、半纖維素、纖維素、木質(zhì)素等有機(jī)質(zhì)組分在不同階段的含量變化，擬合得到各組分的一級反應(yīng)速率常數(shù)。結(jié)果表明，總糖、脂肪、蛋白質(zhì)等易生物降解部分在堆肥運(yùn)行0～6 d降解效果明顯，平均降解率可達(dá)58.5%，后期降解效果較為緩慢。中等程度降解有機(jī)質(zhì)如半纖維素、纖維素在持續(xù)高溫期降解率高。難生物降解部分主要集中在堆肥后期進(jìn)行降解，總降解小于10%。各有機(jī)質(zhì)組分的降解速率滿足一階降解動力學(xué)模型（r2>90%）。其中，易降解有機(jī)質(zhì)組分降解速率常數(shù)、中等程度降解部分降解速率常數(shù)、難降解部分降解速率常數(shù)分別為0.081 5～0.096 9 d-1、 0.038 4～0.053 6 d-1、 0.008 6～0.008 9 d-1，易降解組分的速率常數(shù)約為中等程度降解部分的 2 倍，難降解部分的10倍。各組分的平均降解速率大小關(guān)系為：總糖>蛋白質(zhì)>脂肪>半纖維素>纖維素>木質(zhì)素。

關(guān)鍵詞：城市污泥；堆肥；有機(jī)質(zhì)；降解速率常數(shù)

中圖分類號： S141.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0348-04

收稿日期：2015-01-15

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號：41161075）；廣西“八桂學(xué)者”建設(shè)工程專項(xiàng)；廣西壯族自治區(qū)自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（編號：2013GXNSFEA053002）；廣西壯族自治區(qū)自然科學(xué)基金（編號：2014GXNSFBA118210）。

作者簡介：張軍（1983—），男，湖北荊州人，博士，講師，研究方向?yàn)橛袡C(jī)固體廢棄物資源化利用。E-mail：zhangjuny@gmail.com。

通信作者：王敦球，博士，教授，主要從事污染控制與資源化利用研究。E-mail：wangdunqiu@sohu.com。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者對堆肥中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行了研究，并提出不同的有機(jī)質(zhì)分類方法[1-2]。李國學(xué)等在充分考慮物料中的有機(jī)質(zhì)被好氧微生物氧化分解難易程度的基礎(chǔ)上將其分為 3 類：易降解、中等程度降解、難降解[3]。Tremier等根據(jù)有機(jī)質(zhì)在降解過程中具體經(jīng)歷的途徑將之分為3類：容易被降解有機(jī)質(zhì)、可緩慢被降解有機(jī)質(zhì)、難被降解或惰性有機(jī)質(zhì)，分別用 MB、MH、MI表示[4]。Kaiser在綜合考慮生物質(zhì)的分類及各類有機(jī)質(zhì)被微生物降解特異性的基礎(chǔ)上，將其分為4部分：糖類和淀粉類、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素[5]。

20 世紀(jì) 80 年代以來，許多學(xué)者利用數(shù)學(xué)模型作為工具描述堆肥進(jìn)程并成功實(shí)現(xiàn)了對堆肥過程的模擬，主要涉及到堆肥的質(zhì)量與熱量平衡過程、氧氣-溫度-水分的動態(tài)變化過程、有機(jī)質(zhì)降解規(guī)律等3個(gè)方面，分別對應(yīng)的是質(zhì)量與熱量平衡模型、氧氣-溫度-水分動態(tài)變化模型、有機(jī)質(zhì)降解動力學(xué)模型[6-7]。目前被學(xué)者們認(rèn)可的有機(jī)質(zhì)降解動力學(xué)模型主要有3類：一階降解動力學(xué)模型、莫諾方程模型（Monod）、經(jīng)驗(yàn)公式總結(jié)模型。一階降解動力學(xué)模型、莫諾方程模型具有良好的理論基礎(chǔ)，能反映有機(jī)質(zhì)降解機(jī)理，在模擬效果、應(yīng)用范圍上均要優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)公式模型。與Monod 模型相比，一階模型中的參數(shù)變量少，模型求解過程也更簡單，已逐漸成為堆肥過程中有機(jī)質(zhì)生物降解的研究趨勢。本研究在智能化倉式好氧堆肥裝置中利用氧氣-溫度聯(lián)合反饋通風(fēng)的自動控制方法，分析連續(xù)控制工藝下不同通風(fēng)量堆體的有機(jī)質(zhì)組分降解規(guī)律，確定污泥堆肥中各有機(jī)組分的降解速率常數(shù)，旨在為實(shí)現(xiàn)城市污泥堆肥資源化利用提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

污泥來源于廣西壯族自治區(qū)桂林市七里店污水處理廠經(jīng)過脫水處理后的污泥，鋸末來自桂林市雁山區(qū)良豐農(nóng)場。本試驗(yàn)采用的原料主要是城市污泥，受桂林多雨季節(jié)的影響，含水率較高，且污泥質(zhì)地細(xì)軟、透氣性較差，為了保證微生物降解有機(jī)質(zhì)所需要的氧氣，采用鋸末作為調(diào)理劑，以增大堆體的孔隙度，便于空氣流通。鋸末的C/N 較高，可以用來調(diào)節(jié)堆體的C/N。

1.2反應(yīng)裝置

本試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，發(fā)酵倉主要由篩板、內(nèi)倉、外倉、反應(yīng)器蓋、通風(fēng)裝置、排水裝置構(gòu)成。發(fā)酵倉本體為 PVC 雙層圓柱體，在內(nèi)外兩層側(cè)壁之間靠熱氣流形成保溫層，利用堆體自身散發(fā)的熱量對空氣進(jìn)行傳熱，反作用于堆體進(jìn)行保溫，相較外部水溫浴加熱方式能耗更低。發(fā)酵倉外形尺寸為：Ф×H=800 mm×1 300 mm，有效容積為：Ф×H=600 mm×1 100 mm。發(fā)酵倉底部從上至下依次設(shè)置風(fēng)流緩沖區(qū)、92°“V” 形折板、有孔蓋板，可使堆體通風(fēng)趨向均勻化。在風(fēng)流緩沖區(qū)內(nèi)設(shè)有通風(fēng)管 1 套，外倉底部設(shè)置排水管 1 套和 20 L 耐酸堿處理槽，用 5 m 有機(jī)玻璃制處理槽，內(nèi)倉頂部設(shè)置通風(fēng)管 1 套。反應(yīng)器頂部設(shè)有 5 個(gè)插孔，供監(jiān)測系統(tǒng)探測溫度、氧氣。發(fā)酵倉配制 0～50 L/min氣泵 1 套，氣泵通過通風(fēng)連接管與倉體底部的通風(fēng)口連接，通風(fēng)連接管上從靠近氣泵處依次設(shè)置電磁閥、電磁流量計(jì)。

實(shí)時(shí)在線監(jiān)測設(shè)備包括溫度探頭（Pt100）、氧氣監(jiān)測儀。溫度放置在堆體底部450 mm即堆體中心處。氧氣監(jiān)測儀量程為 0～25%，精度為±3 % FS，與溫度探頭放置地點(diǎn)一致，氣體質(zhì)量流量計(jì)（美國矽翔FS4008）量程為 0～25 NL/min。通過溫度-時(shí)間分階段反饋控制策略控制鼓風(fēng)氣泵的啟停。

1.3試驗(yàn)設(shè)置

將混合物料按城市污泥 ∶鋸末為4 ∶1（質(zhì)量比）充分混合，分別裝入 2 組平行設(shè)置的 250 L 發(fā)酵罐。在發(fā)酵罐底部從上至下依次鋪設(shè)直徑為50 mm的球形懸浮濾料、沙網(wǎng)，確保通風(fēng)布?xì)饩鶆?，減小因堆體水分下滲對通風(fēng)造成的不利影響。1號罐、2 號罐均采用連續(xù)式自動控制工藝，將堆肥進(jìn)程分為4個(gè)時(shí)期：準(zhǔn)備期、快速升溫期、高溫持續(xù)期、物料脫水期。在不同控制模式下，對通風(fēng)量及通風(fēng)時(shí)間采取不同的控制策略，相應(yīng)設(shè)置不同的堆肥控制參數(shù)。設(shè)置 4 個(gè)溫度控制點(diǎn)T1、T2、T3、T4，分別為 30、50、55、60 ℃。設(shè)置 3 個(gè)時(shí)間主控點(diǎn)ta、tb、tc，分別為 1、8、3 d。設(shè)置 6 個(gè)時(shí)間分控點(diǎn)t4a、t5a、t6a、t7a、t7b、t8b，均為 30 min，即堆肥處于快速升溫期、高溫持續(xù)期、物料脫水期時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)連續(xù)工作1個(gè)周期的時(shí)間相同，但通風(fēng)量有所差異。整個(gè)堆肥過程設(shè)定 6 個(gè)不同的通風(fēng)流量：q1、q2、q3、q4、q5、q6。設(shè)定 O21（氧氣含量）控制值為 10%，O2為氧氣在氧氣泵工作時(shí)的實(shí)測值。堆體中氧氣的采集周期和采集時(shí)間是處于自動運(yùn)行時(shí)氧氣泵的工作時(shí)間，具體為每5 min 采集1次（表1、表2）。

1.4方法

在連續(xù)式自動控制工藝下的 1 號、 2 號反應(yīng)器中應(yīng)用五點(diǎn)取樣法，隔天從發(fā)酵罐上部預(yù)留的取樣孔進(jìn)行取樣，測定堆肥樣品中總糖、脂肪、蛋白質(zhì)、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量，測定方法見表3。

表3堆肥樣品各指標(biāo)測定方法

序號檢測指標(biāo) 方法1總糖3，5-二硝基水楊酸法[8]2脂肪索氏抽提法3蛋白質(zhì)凱氏定氮法4纖維素van Soest（范氏法）[9]5半纖維素van Soest（范氏法）[9]6木質(zhì)素van Soest（范氏法）[9]

2結(jié)果與分析

2.1溫度動態(tài)變化

由圖2可知，堆體1第3天溫度達(dá)50 ℃，堆體2溫度較低，這可能是由于堆體2通風(fēng)量較大、熱量散失較多，同時(shí)也表明堆肥初期，通風(fēng)量較小堆體溫度上升越快[10]。研究表明，堆體溫度持續(xù)5～7 d 50 ℃可以殺滅雜草種子、病原菌，達(dá)到無害化目標(biāo)[11]。堆體1可以達(dá)到高溫好氧堆肥效果。

2.2有機(jī)質(zhì)組分的降解特征

由圖3、圖4可知，堆肥結(jié)束時(shí)2 個(gè)反應(yīng)器中的總糖、脂肪、蛋白質(zhì)成分降解效果顯著，均超過50%，且主要集中快速升溫期及高溫持續(xù)期的前期，高溫期后期和物料脫水期時(shí)停止降解。研究表明，堆肥過程中有機(jī)質(zhì)降解主要發(fā)生在堆肥前 6 d以內(nèi)[12]。糖類的分解產(chǎn)生熱量使堆體溫度升高，嗜溫類微生物活性受到抑制，堆肥后期纖維素、半纖維素分解會產(chǎn)生糖類，導(dǎo)致堆體中總糖含量相對上升，對降解率產(chǎn)生一定干擾。陳活虎等研究發(fā)現(xiàn)，堆肥中后期參與脂肪、蛋白質(zhì)降解的酶類活性下降[8]。比較 1 號、2 號罐中易生物降解有機(jī)質(zhì)的最終降解率發(fā)現(xiàn)，在滿足細(xì)菌、真菌等嗜中溫類微生物正常需量條件下，加大通風(fēng)量對總糖的降解效果不大；當(dāng)溫度大于 50 ℃時(shí)，增大通風(fēng)量時(shí)脂肪、蛋白質(zhì)降解率明顯上升，至堆肥結(jié)束時(shí)，高通風(fēng)量下的脂肪、蛋白質(zhì)總降解率相較低通風(fēng)量下分別高13%、16%，這可能是由于通風(fēng)降溫的作用對嗜中溫菌類微生物的抑制作用減弱，導(dǎo)致脂肪、蛋白質(zhì)降解率仍然保持相對較高的水平。堆肥第 4 天，纖維素、半纖維素平均降解率分別為 10.5%、14.5%。第 4 天至第8天，纖維素、半纖維素降解速率持續(xù)上升，第8天結(jié)束時(shí)，纖維素、半纖維素平均降解率分別為 29.0%、36.5%。第8天至堆肥結(jié)束，降解速率上升幅度不明顯，堆肥結(jié)束時(shí)平均降解率分別為 39.5%、43.5%。研究表明，半纖維素的降解率大于纖維素降

解率[13]。纖維素、半纖維素降解主要依靠放線菌作用，前期降解較快，進(jìn)入物料脫水期，因有機(jī)質(zhì)大部分被降解，放線菌增殖速率減緩，導(dǎo)致降解率沒有明顯變化。1 號罐通風(fēng)量較小，纖維素、半纖維素最終降解率均比2號罐高5%，可能由于較小的風(fēng)量所帶走的堆肥熱量較少，使得1號罐維持了較長時(shí)間的高溫。2 個(gè)反應(yīng)器中的半纖維素的最終降解率均比纖維素高。有學(xué)者認(rèn)為，木質(zhì)素對纖維素有束縛包裹作用，從而阻礙了纖維素酶吸附纖維素分子，因此纖維素降解較半纖維素困難[14-15]。

堆肥前 4 d，2 個(gè)反應(yīng)器內(nèi)木質(zhì)素沒有發(fā)生生物降解，第4天至第9天，降解速率上升較快，但降解率并不高，在物料脫水期基本不發(fā)生降解。與總糖、脂肪、蛋白質(zhì)等相比，木質(zhì)素降解率明顯偏低，且降解速度緩慢。研究表明，木質(zhì)素是生物降解中最難進(jìn)行的一部分，主要源于木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)和參與木質(zhì)素生物降解微生物的特性及堆體溫度共同作用的結(jié)果[14-16]。木質(zhì)素結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易發(fā)生水解反應(yīng)，因此其生物降解比其他有機(jī)質(zhì)組分的降解更為困難，導(dǎo)致其在堆肥初期降解速度緩慢。在堆肥持續(xù)高溫期，溫度適合分解木質(zhì)素真菌（如白腐菌等）、細(xì)菌，降解速率上升。堆肥后期，放線菌在一定程度上可提高木質(zhì)素在水中的溶解效果，木質(zhì)素降解速率加快。堆肥至物料脫水期，脫水、降溫以使堆體快速腐熟，無法維持持續(xù)高溫狀態(tài)，因此降解趨于靜止。

2.3堆肥有機(jī)質(zhì)組分降解動力學(xué)

研究表明，固體廢棄物在好氧發(fā)酵過程中有機(jī)質(zhì)的降解滿足一階反應(yīng)動力學(xué)[17-18]。本試驗(yàn)假設(shè)有機(jī)質(zhì)的各組分降解也符合一階反應(yīng)動力學(xué)方程：

dCxdt=-kd×Cx 。（1）

式中：Cx 表示有機(jī)質(zhì)組分中總糖、脂肪、蛋白質(zhì)、半纖維素、纖維素、木質(zhì)素濃度，以 g/g VS 計(jì)；kd 表示不同有機(jī)質(zhì)組分所對應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)。當(dāng)t=0 時(shí)，Cx=C，即有機(jī)質(zhì)各組分的濃度等于它們的初始濃度。從而得到：

lnCCt=kd×t。（2）

式中：Ct 表示t時(shí)刻各有機(jī)質(zhì)組分各自對應(yīng)的濃度。

將1號、2號反應(yīng)器中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)依照一階降解動力學(xué)模型，利用Excel軟件對各有機(jī)質(zhì)組分的生物降解過程進(jìn)行動力學(xué)參數(shù)擬合，如圖5至圖8所示，它們的線性關(guān)系顯著，可以建立線性模型。

由表4可知，易降解有機(jī)質(zhì)組分降解速率常數(shù)、中等程度

降解部分降解速率常數(shù)、難降解部分降解速率常數(shù)分別為0.081 5～0.096 9 d-1、 0.038 4～0.053 6 d-1、 0.008 6～0.008 9 d-1，這與有些研究得出的最大降解速率常數(shù)0.105 1 d-1結(jié)論有所差異，這可能是因?yàn)槲锪吓浔却嬖诓町怺19-22]。易降解組分的速率常數(shù)約為中等程度降解部分的 2 倍，約為難降解部分的10 倍，各組分平均降解速率大小關(guān)系為：總糖>蛋白質(zhì)>脂肪>半纖維素>纖維素>木質(zhì)素。各有機(jī)質(zhì)組分的

平均降解速率不同，這可能是由于溫度導(dǎo)致堆肥體系中微生物的主導(dǎo)群落發(fā)生明顯更替，不同的微生物群落對相應(yīng)有機(jī)質(zhì)組分發(fā)揮降解作用[13]。

3結(jié)論

本研究結(jié)果表明，城市污泥、鋸末好氧堆肥過程中，總糖、脂肪、蛋白質(zhì)為代表的易生物降解組分降解效果顯著，其降解過程主要集中在快速升溫期、高溫持續(xù)期前期，堆肥6 d平均降解率可達(dá) 58.5%，物料脫水期降解趨于停止。纖維素、半纖維素類中等程度降解有機(jī)質(zhì)在前 4 d降解效果不顯著，平均降解率為10.5%、14.5%，4～8 d降解速率快速上升，堆肥后期降解速率上升幅度小。難降解有機(jī)質(zhì)部分主要發(fā)生在堆肥中后期，其降解率較低，小于10%。堆肥過程中各有機(jī)質(zhì)組分的降解滿足一階降解動力學(xué)模型，經(jīng)擬合r2>90%。易降解有機(jī)質(zhì)組分降解速率常數(shù)、中等程度降解部分降解速率常數(shù)、難降解部分降解速率常數(shù)分別為0.081 5～0.096 9 d-1、 0.038 4～0.053 6 d-1、 0.008 6～0.008 9 d-1，易降解組分的速率常數(shù)約為中等程度降解部分的2倍、難降解部分的10倍。各組分的平均降解速率大小關(guān)系為：總糖>蛋白質(zhì)>脂肪>半纖維素>纖維素>木質(zhì)素。

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