污泥有機(jī)物降解規(guī)律研究

胡龍生，孟　琨，楊　廣，易進(jìn)翔，黃　泳

(1.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心， 江蘇 蘇州 215163；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150090； 3.深圳市勘察測(cè)繪院有限公司， 廣東 深圳 518000；4.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所， 江蘇 南京 210098； 5.南京長(zhǎng)盈建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司， 江蘇 南京 210000)

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污泥有機(jī)物降解規(guī)律研究

胡龍生1，孟琨2，楊廣3，易進(jìn)翔4，黃泳5

(1.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心， 江蘇 蘇州 215163；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150090； 3.深圳市勘察測(cè)繪院有限公司， 廣東 深圳 518000；4.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所， 江蘇 南京 210098； 5.南京長(zhǎng)盈建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司， 江蘇 南京 210000)

污泥中的微生物能夠?qū)⑵渲械挠袡C(jī)物降解，影響污泥的填埋工程應(yīng)用。針對(duì)這種問(wèn)題對(duì)污泥開(kāi)展降解試驗(yàn)，分析污泥中的有機(jī)物的降解過(guò)程，并總結(jié)出污泥有機(jī)物降解的降解規(guī)律和動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)果表明:污泥中有機(jī)物含量整體趨勢(shì)是隨著時(shí)間逐漸減??；有機(jī)物降解速率在初期波動(dòng)較大，但整體趨勢(shì)依然是隨著時(shí)間逐漸減??；隨著降解時(shí)間的增加，污泥的pH先是降低，然后慢慢回升，繼而逐漸趨于穩(wěn)定；而污泥的含水率逐漸增加。有機(jī)物降解的動(dòng)力學(xué)模型適合指數(shù)關(guān)系(M=M0e-βt)。

污泥；填埋；有機(jī)物；降解；動(dòng)力學(xué)模型

市政污泥是一種城市污水處理中產(chǎn)生的富含有機(jī)物的一種沉淀物。根據(jù)《國(guó)家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》，全國(guó)年產(chǎn)生污泥將達(dá)到6 000萬(wàn)t左右。然而，污泥填埋仍然是目前處理污泥的常用方法[1]，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，目前污泥的處理方式顯然滯后于當(dāng)今的發(fā)展需求。

事實(shí)上，污泥填埋后，由于微生物在厭氧環(huán)境下降解，會(huì)產(chǎn)生一些污染環(huán)境的二氧化碳、甲烷等氣體[2-3]。邊博等[4]通過(guò)固化污泥的填埋柱子試驗(yàn)中得到有機(jī)物降解與污泥中含水率的變化規(guī)律，主要表現(xiàn)為：隨著污泥中有機(jī)物的降解，其體積和強(qiáng)度減小，相反，污泥的含水率、壓縮性增大，這些變化會(huì)影響填埋場(chǎng)的沉降和穩(wěn)定性。有機(jī)質(zhì)降解是一個(gè)非常漫長(zhǎng)的過(guò)程，隨著降解過(guò)程的進(jìn)行，有機(jī)質(zhì)含量不斷減少及內(nèi)部生化環(huán)境的不斷改變，其降解速率、降解產(chǎn)物、降解程度等都隨著時(shí)間不斷變化，逐步達(dá)到穩(wěn)定。李磊等[5]通過(guò)采用室內(nèi)加速固化污泥的降解方式，在規(guī)定的時(shí)間取固化污泥試樣進(jìn)行測(cè)量有機(jī)質(zhì)和無(wú)側(cè)限強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上獲得了有機(jī)物的降解會(huì)降低固化污泥的強(qiáng)度以及強(qiáng)度損失與降解的關(guān)系。

Brendan C等[6]對(duì)污泥的降解過(guò)程以及不同降解程度下污泥的固結(jié)壓縮特性進(jìn)行分析，提出強(qiáng)降解下污泥具有更高的壓縮性，合理地對(duì)填埋場(chǎng)的長(zhǎng)期壓縮沉降進(jìn)行評(píng)估。Kinman等[7]研究指出甲烷菌為厭氧細(xì)菌，適宜于在pH=7左右生長(zhǎng)，而填埋時(shí)產(chǎn)生的脂肪酸導(dǎo)致其生長(zhǎng)環(huán)境呈酸性，不利于甲烷菌的生長(zhǎng)，影響甲烷的產(chǎn)生。Samaras P等[8]研究預(yù)處理污泥中的生物的聚集密度，指出可以采用TVS來(lái)反映聚集密度，也可用TVS對(duì)污泥穩(wěn)定化過(guò)程進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)。Kheradmanda S等[9]、張華等[10]通過(guò)對(duì)垃圾和污泥的混合填埋進(jìn)行研究，指出混合后有機(jī)質(zhì)的降解加快，氣、液產(chǎn)生規(guī)律也發(fā)生了明顯的變化，加速了填埋場(chǎng)穩(wěn)定化的過(guò)程。

目前，污泥的研究主要集中在污泥脫水性能、固結(jié)壓縮特性[6]、滲透性以及改性之后相關(guān)性質(zhì)[4]等，而污泥的有機(jī)物降解研究甚少。如孫政[11]研究指出相比其它的土，污泥的結(jié)合水勢(shì)能是比較高的，這也是污泥脫水困難的原因。朱偉等[12]提出固化水平與污泥的滲透性呈反比，酸性環(huán)境將提高固化體的透水性；污泥固化體的滲透性受酸性滲透液的滲透量和酸的強(qiáng)度大小影響。李磊等[13]從水泥添加量、固化齡期等角度進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，并結(jié)合水分測(cè)量試驗(yàn)，對(duì)污泥、固化污泥的壓縮特性以及機(jī)理分析研究，在文中指出污泥壓縮指數(shù)相對(duì)其他的土來(lái)說(shuō)比較大，屬于壓縮相對(duì)比較高的土。

本文在總結(jié)上述研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)污泥的降解規(guī)律開(kāi)展試驗(yàn)，分析污泥中的有機(jī)物的降解過(guò)程，并總結(jié)出污泥有機(jī)物降解的規(guī)律和動(dòng)力學(xué)模型。

1　有機(jī)物降解試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)污泥

污泥采用某市污水處理廠的脫水污泥。通過(guò)對(duì)該污泥開(kāi)展測(cè)量污泥相關(guān)物理參數(shù)的基礎(chǔ)試驗(yàn)，獲得該污泥的相關(guān)物理參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1　污泥相關(guān)物理參數(shù)

1.2試驗(yàn)安排

本有機(jī)物降解規(guī)律所采用的污泥共設(shè)試樣15個(gè)。為了減少試樣在試驗(yàn)過(guò)程中水分散失并確保整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程與空氣隔絕，將所有試樣均放置在帶有瓶塞的密閉玻璃容器中，另外，為了避免溫度影響，將試驗(yàn)放置在溫度波動(dòng)較小的大棚內(nèi)，試驗(yàn)共進(jìn)行118 d，按照規(guī)定的時(shí)間取一個(gè)錐形瓶的試樣，分別測(cè)定其含水率、有機(jī)物的含量、pH值。

1.3參數(shù)測(cè)量方案

污泥含水率的測(cè)量是嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14](GB/T 50123-1999)規(guī)定測(cè)量，根據(jù)規(guī)定，對(duì)黏土應(yīng)將烘箱溫度控制在105℃～110℃的恒溫下烘至恒量；對(duì)有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)干土質(zhì)量5%的土，應(yīng)將溫度控制在65℃～70℃的恒溫下烘至恒量。由于污泥的有機(jī)質(zhì)含量高，其溫度應(yīng)控制在65℃～70℃。污泥的含水率的計(jì)算公式：

w=(m0-md)/m0

(1)

式中：m0為濕污泥質(zhì)量，g；md為干污泥質(zhì)量，g。

有機(jī)物含量的測(cè)量同樣按照標(biāo)準(zhǔn)[14]要求進(jìn)行：采用灼燒法測(cè)量有機(jī)物，具體為：M=(m1-m2)/(m1-m0)，其中m0為坩堝質(zhì)量，m1試樣烘干前質(zhì)量，m2為試驗(yàn)烘干后的質(zhì)量。

pH值的測(cè)量依據(jù)《土壤pH的測(cè)定》[15](NYT1377-2007)測(cè)定，具體為：將污泥試樣風(fēng)干，稱取10 g污泥，向其中加入25 ml蒸餾水，攪拌5 min，然后靜置2 h，采用實(shí)驗(yàn)室的PHS-3C型pH計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

2　試驗(yàn)結(jié)論與分析

2.1污泥有機(jī)物降解規(guī)律的研究

污泥有機(jī)物降解試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。從圖中可以看出：

(1) 污泥中有機(jī)物含量整體趨勢(shì)是隨著時(shí)間逐漸減小。

(2) 有機(jī)物降解速率在初期波動(dòng)較大，但整體趨勢(shì)依然是隨著時(shí)間逐漸減小。

原因如下：

(1) 在厭氧降解過(guò)程中，污泥中的有機(jī)物經(jīng)過(guò)大量微生物的代謝活動(dòng)，具體經(jīng)歷4個(gè)階段，分別為：水解階段、酸化階段、乙酸產(chǎn)生階段、甲烷產(chǎn)生階段，有機(jī)物最終逐漸轉(zhuǎn)換為：CH4、CO2、H2O等無(wú)機(jī)物[16]。因此，隨著時(shí)間的進(jìn)行，厭氧降解過(guò)程的持續(xù)，有機(jī)物含量逐漸減小。

圖1　污泥有機(jī)物降解量和時(shí)間關(guān)系

圖2污泥有機(jī)物降解速率和時(shí)間關(guān)系

(2) 由于有機(jī)物的降解是多種微生物共同作用的結(jié)果。在降解初期階段，微生物對(duì)環(huán)境不適應(yīng)，需要進(jìn)行調(diào)整以及降解初期污泥中含有少量的氧氣，可以維持部分微生物的好氧降解等，從而導(dǎo)致有機(jī)物降解初期，其降解速率波動(dòng)大。

隨著降解過(guò)程的發(fā)展，污泥中缺少氧氣的供應(yīng)，好氧降解受到極大的抑制，有機(jī)物的降解主要是依靠厭氧降解微生物。參與的微生物主要是指水解發(fā)酵菌、產(chǎn)氫氣乙酸菌、同型產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌等，而微生物的活動(dòng)與多因素有關(guān)。在有機(jī)物降解過(guò)程中，有機(jī)物含量減少，物質(zhì)的濃度降低，代謝產(chǎn)物的累積等，通常會(huì)阻礙生化反應(yīng)的順利進(jìn)行，抑制微生物的活動(dòng)；另外微生物厭氧降解會(huì)產(chǎn)酸，主要是指乳酸、乙酸、甲酸、碳酸等，造成微生物生長(zhǎng)環(huán)境的pH變化以及有機(jī)物降解會(huì)引起含水率的增加等，均會(huì)抑制微生物的活動(dòng)。因此，有機(jī)物降解速率隨著時(shí)間逐漸減小。

2.2污泥有機(jī)物降解過(guò)程中pH值和含水率的變化趨勢(shì)

污泥有機(jī)物降解過(guò)程中pH 值和含水率的變化趨勢(shì)如圖3、圖4所示。從圖中可以看出：

(1) 隨著降解時(shí)間的增加，污泥的pH先是降低，然后慢慢回升，繼而逐漸趨于穩(wěn)定，并且初期階段污泥的pH降低的速度較快，這與上述污泥的有機(jī)物初期降解速率較大相適應(yīng)。從側(cè)面反映了污泥有機(jī)物降解的pH值變化是依照徹底消化、漸近固化和靜態(tài)穩(wěn)定三大主要過(guò)程中的pH值變化趨勢(shì)進(jìn)行的。究其原因是由于污泥的有機(jī)物降解會(huì)產(chǎn)生酸，導(dǎo)致pH降低，而降解產(chǎn)酸是個(gè)中間產(chǎn)物，微生物的活動(dòng)最終會(huì)將其分解轉(zhuǎn)化成甲烷、二氧化碳、水、硫化氫、氨等，引起pH回升，直至穩(wěn)定，而pH值的變化，影響降解環(huán)境的變化，不利于微生物對(duì)降解環(huán)境的適應(yīng)性，起到抑制降解的作用。微生物作用和pH值的變化是個(gè)相互耦合的關(guān)系。

圖3　污泥的pH變化

圖4污泥的含水率變化

(2) 隨著降解時(shí)間的增加，污泥的含水率逐漸增加，在初期階段，污泥的含水率增加較快，而繼續(xù)發(fā)生降解時(shí)，含水率增加較慢。這是因?yàn)槲勰嗟挠袡C(jī)物降解是在封閉的厭氧環(huán)境系統(tǒng)中，所以含水率的增加是由于污泥中微生物厭氧降解有機(jī)物產(chǎn)生水導(dǎo)致的。污泥含水率的變化趨勢(shì)與上述有機(jī)物的降解規(guī)律相一致。微生物的活動(dòng)能夠降解有機(jī)物，導(dǎo)致污泥含水率的增加，而含水率的增加又會(huì)抑制微生物的活動(dòng)，兩者是相互耦合的關(guān)系。

2.3污泥有機(jī)物的降解模型研究

從上述污泥有機(jī)物降解量和時(shí)間關(guān)系曲線分析，先采用了直線擬合，其結(jié)果如下：

N=47.22-0.10077t

(2)

其中，有機(jī)物降解速率ν=0.10077%/d，這與有機(jī)物降解速率隨著時(shí)間逐漸減小的趨勢(shì)相違背，不符合有機(jī)物降解機(jī)理。

結(jié)合有機(jī)物的降解機(jī)理以及現(xiàn)有的降解模型，探索適合污泥的降解模型。目前，污泥降解的研究缺乏大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不適合應(yīng)用統(tǒng)計(jì)模型，而動(dòng)力學(xué)模型是從室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M角度出發(fā)，現(xiàn)有動(dòng)力學(xué)模型主要有COD模型[17]、Sheldon Arleta模型等[18]。動(dòng)力學(xué)模型從原理上符合降解規(guī)律，并可以通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲得其相關(guān)參數(shù)。

從上述的試驗(yàn)結(jié)果以及相關(guān)的研究，可以假定污泥的降解速率滿足如下方程[17，19]，即：

(3)

式中，N為時(shí)間t后剩下的污泥的有機(jī)物含量；α為降解速率常數(shù)。

對(duì)上式進(jìn)行變換并積分，得

(4)

N=N0e-αt

(5)

式中，N0為初始污泥的有機(jī)物含量

對(duì)式(5)兩邊取對(duì)數(shù)，有：

lnN=lnN0-αt

(6)

用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合求出參數(shù)N0=46.77和α=1.05×10-3

故，厭氧環(huán)境中，污泥有機(jī)物降解動(dòng)力學(xué)模型：

N=46.77e-1.05×10-3t

(7)

這與有機(jī)質(zhì)降解規(guī)律相吻合，且擬合所得的動(dòng)力學(xué)模型相關(guān)系數(shù)為0.87，說(shuō)明用式(5)中的動(dòng)力學(xué)模型來(lái)描述污泥有機(jī)質(zhì)的降解規(guī)律是比較合適的，模型的適用性較強(qiáng)。

3　結(jié)　論

(1) 污泥中有機(jī)物含量整體趨勢(shì)是隨著時(shí)間逐漸減小；有機(jī)物降解速率在初期波動(dòng)較大，但整體趨勢(shì)依然是隨著時(shí)間逐漸減小。

(2) 隨著降解時(shí)間的增加，污泥的pH先是降低，然后慢慢回升，繼而逐漸趨于穩(wěn)定，并且初期階段污泥的pH降低的速度較快。

(3) 在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，由擬合方式獲得了有機(jī)物降解的動(dòng)力學(xué)模型為N=46.77e-1.05×10-3t。

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Analysis on Degradation Law of Sewage Sludge

HU Longsheng1, MENG Kun2, YANG Guang3, YI Jinxiang4, HUANG Yong5

(1.PatentExaminationCooperationJiangsuCenterofthePatentOffice,SIPO,Suzhou,Jiangsu215163,China; 2.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin,Heilongjiang150090,China; 3.ShenzhenGeotechnicalInvestigation&SurveyingInstituteCo.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong518000,China; 4.ResearchInstituteofGeotechnicalEngineering,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu210098,China; 5.NanjingChangyingArchitecturalPlanningDesignLimitedCompany,Nanjing,Jiangsu210000,China)

Engineering application of sludge landfill might be influenced because of organic degradation from micro-organic activities. A study on the law of organic matter degradation was conducted to obtain the dynamic model. Results showed that the whole trend of organic matter content was gradually decreased with time in sludge. The degradation rate of organic matter in the early stage was fluctuant, but the overall trend was still gradually decreased. With the increase of degradation time, the PH of the sludge was reduced, then slowly rebound, and gradually stabilized. The water content of sludge was gradually decreased. Dynamic model for the degradation of organic matter fit the exponential relationshipM=M0e-βt.

sewage sludge; landfill disposal; organics; degradation; dynamic model

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.001

2016-03-10

2016-04-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278172)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2012883)

胡龍生(1987—)，男，安徽安慶人，碩士，主要從事土木工程領(lǐng)域研究工作。 E-mail: hulongsheng5633@126.com

X703

A

1672—1144(2016)04—0001—04