蚯蚓生物處理污泥系統(tǒng)動力學研究及探討

尹朝陽，雍 毅，葉 宏，謝 飛，黃 翔

(四川省環(huán)境保護科學研究院,成都 610041)

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· 治理技術(shù) ·

蚯蚓生物處理污泥系統(tǒng)動力學研究及探討

尹朝陽，雍 毅，葉 宏，謝 飛，黃 翔

(四川省環(huán)境保護科學研究院,成都 610041)

通過對處理周期前后污泥、蚯蚓重量，以及有機碳等指標的測定，對污泥處理系統(tǒng)進行了物料衡算；生活污泥經(jīng)蚯蚓處理后，干重降低了28%，有效的實現(xiàn)了減量化，有機物質(zhì)總量削減了57.14%，穩(wěn)定化、無害化效果顯著。同時結(jié)合蚯蚓生物處理污泥系統(tǒng)原理，基于冬季有機碳等指標的檢測數(shù)據(jù)，確定本系統(tǒng)的動力學反應級數(shù)為一級，并在此基礎上，建立了動力學模型與反應器模型。

蚯蚓;污泥;動力學

1 引 言

蚯蚓生物處理污泥技術(shù)是一種利用蚯蚓—微生物人工生態(tài)系統(tǒng)處理污泥的方法，它利用蚯蚓的生態(tài)功能，最終達到污泥減量、穩(wěn)定和資源化，蚯蚓處理污泥技術(shù)具有處理效果好、工藝設備簡單、維護管理方便、環(huán)境效益顯著、能耗低、費用少等特點，在眾多的污泥處理技術(shù)中有其獨特的優(yōu)勢。

目前，國內(nèi)已有很多蚯蚓處理污泥工程實例，四川綠山生物科技有限公司在成都市溫江區(qū)、郫縣等地建立了污泥處理基地，采用“好氧堆肥+蚯蚓生物處理”工藝對污泥進行處理；富陽誠龍蚯蚓養(yǎng)殖公司利用大平二號蚯蚓處理造紙污泥項目已經(jīng)實際運行；西安等地也建立了以蚯蚓生物法處理污泥的處理廠。

同時國內(nèi)很多學者開展了蚯蚓處理污泥的理論研究。白春節(jié)等[1]經(jīng)過研究表明，采用箱式養(yǎng)殖法，利用城市生活污泥直接飼養(yǎng)蚯蚓是可行的；賈輝等[2]通過研究比較蚯蚓在久置污泥與未完全發(fā)酵牛糞配比中和新鮮污泥與腐熟牛糞配比中的生長繁殖狀況，找出最適合蚯蚓生長繁殖的污泥與牛糞的配比；徐軼群等[3]采用塑料溫棚內(nèi)壟式堆積污泥培養(yǎng)蚯蚓方式，研究了蚯蚓處理對污泥重金屬的影響。

目前蚯蚓處理污泥理論研究主要集中在工藝參數(shù)、重金屬富集以及重金屬生物有效性的變化上，而對于蚯蚓處理污泥的機理研究則較少。本文結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，初步探討處理機理，并結(jié)合該工藝的特點，建立相應的動力學模型，以更好的指導污泥處理工作。

2 實驗組織

本實驗選擇一個污泥處理周期，測定蚯蚓增長率、污泥減重率、有機碳，以及C、H、N、S等元素總量的變化情況。污泥來自某城鎮(zhèn)生活污水處理廠的生化污泥，接種蚯蚓采用赤子愛勝蚓。本次實驗選擇在冬季進行。根據(jù)運行經(jīng)驗，確定處理周期為25d，在實驗開始時一次性添加污泥，設置六條養(yǎng)殖床，每條養(yǎng)殖床長約2.5m，寬約60cm，共添加濕污泥500kg，每條養(yǎng)殖床蚯蚓接種量為4kg。實驗共取樣品6次，平均間隔時間約為5d。

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

3.1 污泥減量及蚯蚓增重測算

本污泥處理系統(tǒng)，采用蚯蚓的生物作用對污泥進行處理，蚯蚓在不斷增殖的同時，污泥中的物質(zhì)不斷被消耗和轉(zhuǎn)化，即可實現(xiàn)污泥的減量化、無害化和資源化。本實驗測定了污泥減量及蚯蚓增重情況，并記錄了污泥的表觀特征變化，詳見表 1、表2。

表1 污泥重量及表觀特征變化Tab.1 Changes of weight and apparent characteristics of sludge

由表1可以看出，污泥經(jīng)過蚯蚓生物處理后，在含水率基本保持不變的情況下，濕污泥減少了190kg，減重比達到了38.0%，接近40%；干污泥減少了約24.11kg，減重比約28.7%，減量化作用明顯。污泥含水率由最初的83.2%降至80.68%，這主要是由于冬季為了保持養(yǎng)殖床的溫度，采用水稻簾進行了覆蓋，加之溫度較低，水分自然蒸發(fā)較少。

表2 蚯蚓增重變化Tab.2 Changes of earthworm weight

由表2可以看出，蚯蚓含水率約為80.75%，蚯蚓采食污泥后，在轉(zhuǎn)化吸收了24.11kg物質(zhì)的情況下，由原來的24.00kg增重至27.41kg，增重了3.41kg，增重比約為14.21%。

3.2 元素及有機物分析

為研究污泥在實驗周期內(nèi)各主要元素(C、H、O、N、S)總量以及有機物的變化規(guī)律，特對污泥樣品進行了元素以及有機碳測定，數(shù)據(jù)詳見表3。

根據(jù)分析測量結(jié)果可知，原污泥中O元素含量最高，約為56.10%，其次是C、N、H、S，百分含量依次為29.65%、5.26%、4.09%、0.89%。各元素的質(zhì)量及質(zhì)量百分比均呈下降趨勢，其中N元素削減比例最高，約為41.55%；其次為碳元素，削減比例約為40.89%；H、O、S削減比例依次為36.69%、20.61%、19.95%。

原污泥中TC含量為29.65%(以干污泥計)，TOC含量為28.50%(以干污泥計)，可見污泥中C主要以有機碳為主，約占96.12%。經(jīng)過處理后干污泥中TC的百分含量由29.65%降低至24.58%，總質(zhì)量由24.91kg降至14.72kg，消耗質(zhì)量為10.18kg，削減比達40.89%；有機碳的百分含量由28.50%降低至22.39%，總質(zhì)量由23.94kg降至13.41kg，消耗質(zhì)量為10.53kg，削減比達43.98%，污泥的無害化效果顯著。同時TOC與TC消耗量基本相同，可見本工藝主要是通過蚯蚓吞食有機物質(zhì)，并對其進行進一步轉(zhuǎn)化。

表3 元素總量及有機物變化Tab.3 Changes of the total element and organic matter(kg)

本次實驗測定了污泥樣品中TOC含量，參考《森林土壤有機質(zhì)的測定及碳氮比的計算》LY/T1237-1999，污泥中有機質(zhì)平均含碳量以58%計算，則可估算出相應污泥中有機質(zhì)含量。經(jīng)計算，原污泥中有機質(zhì)質(zhì)量百分比為49.14%(以干污泥計)，經(jīng)蚯蚓處理后降至38.60%，降低幅度為10.54%。孫穎[4]等研究表明：污泥處理前有機質(zhì)質(zhì)量百分比為53.45%，處理后為 44.1%，降低幅度為9.35%；馮春[5]等研究表明：污泥處理前有機質(zhì)質(zhì)量百分比為52.5%，處理后為 37.5%，降低幅度為15.0%。由于處理的原污泥不同，因此有機質(zhì)含量存在差異，但有機質(zhì)降低幅度保持在9%～15%，處理后有機質(zhì)的百分比也維持在37%～44%。

3.3 物料衡算

結(jié)合上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)，則可對該污泥處理系統(tǒng)進行物料衡算，詳見下圖。蚯蚓通過吞食污泥(84kg，以干污泥計)，將污泥中的有機質(zhì)(41.2kg)一部分轉(zhuǎn)化為身體所需要物質(zhì)，實現(xiàn)自身增殖(約3.4kg)，一部分經(jīng)過轉(zhuǎn)化后以CO2和H2O形式(約20.6kg)排入大氣中，另一部分(無機物質(zhì)及代謝產(chǎn)物)則排除體外(約60kg)，具體詳見下圖。

圖 污泥處理系統(tǒng)物料平衡示意Fig. Diagram of the material balance of sludge treatment system

由上圖可以直觀看出，生活污泥經(jīng)蚯蚓處理后，干重降低了28%(③+④)，有效的實現(xiàn)了減量化；有機物質(zhì)總量削減了57.14%，處理后的產(chǎn)物中(①+②)，經(jīng)蚯蚓轉(zhuǎn)化的有機成分占總量的29.16%，穩(wěn)定化、無害化效果顯著。

4 模型建立

4.1 反應級數(shù)確定及動力學模型建立

蚯蚓生物處理污泥的原理為：蚯蚓為了自身生存的需要，吞噬大量污泥中的有機物等營養(yǎng)成分，除了一部分被蚯蚓本身吸收同化外，代謝剩余產(chǎn)物大部分最后以蚓糞的形式排泄出來，即蚯蚓生物處理系統(tǒng)的過程是一個有機物質(zhì)不斷減少，蚯蚓逐漸增重的過程。因此可根據(jù)實測數(shù)據(jù)，以有機碳的變化為基準建立動力學模型，即蚯蚓是反應過程中的生物催化劑，將污泥轉(zhuǎn)化為價值高的產(chǎn)品。

根據(jù)上述分析，以有機碳減少速率確定的動力學模型為：

υ =kcn

υ：有機碳減少速率；

k：反應速率常數(shù)；

c：有機物濃度；

n：反應級數(shù)。

其中k為一常數(shù)，只隨反應溫度而變化，在本次實驗周期內(nèi)溫度較為穩(wěn)定，可視為不變。n為反應級數(shù)，其定義為，若某一反應的速率公式可以表達為：

υ = kCAaCBb

則各濃度項指數(shù)之和n=(a + b + ……)，為反應的總反應級數(shù)。

反應級數(shù)的大小表示了濃度對反應速率的影響程度，級數(shù)越大，則反應速率受濃度影響越大。n不一定都是正整數(shù)，也可能是分數(shù)、0、負數(shù)。任何一個反應級數(shù)都是由實驗確定的。反應動力學模型的速率微分式、速率積分式詳見表4。

表4 反應動力學模型相關(guān)參數(shù)Tab.4 The related parameters of reaction kinetics model

反應級數(shù)的確定可以采用積分法和微分法，其中積分法又包括嘗試法、作圖法以及半衰期法。結(jié)合本實驗數(shù)據(jù)的特點(每隔幾天采集樣品，具有濃度數(shù)值及對應的時間數(shù)值)，選用作圖法求得反應級數(shù)。根據(jù)表4可知：

零級反應：c～t呈線性關(guān)系；

一級反應：lnc～t 呈線性關(guān)系；

二級反應：1/c～t 呈線性關(guān)系；

三級反應：1/c2～t呈線性關(guān)系；

n 級反應：1/cn-1～t呈線性關(guān)系。

因此可分別做c、lnc、1/c、1/c2((1/cn-1與t的關(guān)系曲線，并進行線性擬合，選擇線性擬合系數(shù)高的一組，即可確定反應級數(shù)n。為了客觀表示有機碳的降解過程，以原始污泥干重為基數(shù)，求得不同時刻TOC的百分含量，以此作為c，并分別計算c、lnc、1/c、1/c2、1/c3，求得與t的線性擬合系數(shù)，詳見表5。

表5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab.5 Data statistics

由表5可知，c、lnc、1/c、1/c2、1/c3與t的關(guān)系曲線的線性相關(guān)系數(shù)R2值分別為0.926、0.946、0.940、0.917、0.877，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，因此可認為該系統(tǒng)動力學反應級數(shù)為一級，反應模型為：

υ=kc

微分式為：

-dc/dt=kc

根據(jù)上述分析，在冬季，蚯蚓污泥處理系統(tǒng)為一級反應，因此，污泥的處理速度(有機物質(zhì)的降低速度)與污泥有機物質(zhì)初始濃度有關(guān)?？梢钥闯觯粌H蚯蚓生物處理污泥系統(tǒng)的原理與污水生物處理原理相似，而且在反應動力學上也具有相同點，即在外界具有充足營養(yǎng)的情況下，會提升系統(tǒng)反應速度。

4.2 反應器模型建立

反應器是化工生產(chǎn)過程中的核心部分，在反應器中所進行的過程，既有化學反應過程，又有物理過程，并有多方面的影響因素。化學反應工程把這種復雜的研究對象用數(shù)學模型的方法予以等效簡化，使得反應裝置的選擇、反應器尺寸的計算、反應過程的操作及最優(yōu)控制等較為科學。反應器的概念在水處理中含義較廣泛，各種單元處理所用的設備或構(gòu)筑物均可稱之為反應器，包括化學反應、生物化學反應以至純物理過程等。

由于反應器內(nèi)實際進行的物質(zhì)遷移或流動過程相當復雜，建立數(shù)學模型十分困難。為此，將反應器內(nèi)物質(zhì)遷移或流動作一些假定予以簡化。通過簡化的反應器稱理想反應器?？山品从痴鎸嵎磻鞯奶卣鳎⒖捎纱诉M一步推出偏離理想狀態(tài)的非理想反應器模型。即：完全混合間歇式反應器(Completely mixed batch reactor，簡稱CMB型)；推流式反應器(Plug flow reactor，簡稱PF型)；完全混合連續(xù)式反應器(Continuous stirred tank reactor，簡稱CSTR型)。

本項目采用的蚯蚓生物污泥處理系統(tǒng)，采用一次性加料方式，待污泥處理完成后，再一次性出料，可近似于完全混合間歇式反應器(CMB型)。完全混合間歇式反應器在整個反應過程中，既無新的物料投入，也無反應產(chǎn)物排除容器。就該系統(tǒng)而言，在反應過程中，不存在物料的輸入和輸出，即無輸入量和輸出量，只有變化量和反映量。假定在處理過程中溫度恒定，可得出下列反應式：

當t=0時Ci=C0，對上式積分得：

根據(jù)前文分析，養(yǎng)殖床內(nèi)為一級反應，則r(Ci)=-kCi，代入上式得：

污泥的處理過程是一個污染物濃度降低的過程，在此以污泥處理前后有機碳的變化作為模型參數(shù)。其中t為污泥的處理時間，C0為初始污泥中有機碳的質(zhì)量百分比，Cn為處理后污泥中有機碳的質(zhì)量百分比。此外，在測定周期內(nèi)，溫度變化幅度較小，可忽略溫度變化對處理系統(tǒng)的影響。取污泥處理前后的有機碳測定值，則根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，可求得k值，繼而得出該條件下反應器模型，詳見表6。

表6 反應器模型參數(shù)表Tab.6 Reactor model parameters

為驗證建立模型的準確性，可代入實驗中的各個時間點與C0值，計算出相應的Ci值，并與測定的有機碳百分含量進行對比，采用Correl函數(shù)計算兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)性，詳見表7。

表7 數(shù)據(jù)對比表Tab.7 Data comparison table

由表7可以看出，采用本文模型計算出的各Ci值與實驗測定值基本相同，采用Correl函數(shù)計算出的兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.974，標明兩組數(shù)據(jù)相關(guān)程度高，差異較小，本文建立的反應器模型可信。

5 結(jié) 語

通過對處理周期前后污泥和蚯蚓重量、有機碳等指標的測定，對污泥處理系統(tǒng)進行了物料衡算；生活污泥經(jīng)蚯蚓處理后，干重降低了28%，有效的實現(xiàn)了減量化，有機物質(zhì)總量削減了57.14%，穩(wěn)定化、無害化效果顯著。同時根據(jù)相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，在冬季本系統(tǒng)的動力學反應級數(shù)為一級，即污泥的處理速度(有機物質(zhì)的降低速度)與污泥有機物質(zhì)初始濃度有關(guān)，并在此基礎上，建立了動力學模型與反應器模型。

本文旨在對蚯蚓生物處理污泥系統(tǒng)的動力學研究及模型建立尋求一種方法，因此只建立了冬季某一段時間的動力模型與反應器模型。后續(xù)可繼續(xù)檢測其它季節(jié)代表性溫度下的相關(guān)數(shù)據(jù)，建立各代表性溫度下模型，以指導污泥處理工作。但可以預測，在冬季溫度較低，蚯蚓活力差的情況下，污泥的處理速率尚與污泥有機物濃度有關(guān)，在春、夏季等溫度較高時，本系統(tǒng)反應速度仍將與底物濃度有關(guān)，反應級數(shù)仍為一級或更高。

[1] 白春節(jié)．城市剩余活性污泥直接飼養(yǎng)蚯蚓可行性研究[J]．微生物學通報，2007，34(1)：116-118．

[2] 賈 輝．利用蚯蚓處理污水廠活性污泥過程中蚯蚓生長繁殖的研究[D]．長春：東北師范大學，2008．

[3] 徐軼群，周 璟，董秀華，封 克．蚯蚓活動對城市生活污泥重金屬的影響[J]．農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2010，29(12)：2431-2435．

[4] 孫 穎，桂長華，孟 杰，錢光人．利用蚯蚓活動改善污泥性狀的實驗研究[J]．環(huán)境化學，2007，26(3)：343-346．

[5] 馮 春．城市污水處理廠污泥蚯蚓堆肥技術(shù)研究[D]．貴州:貴州大學，2008．

Study on the Kinetics of Sludge Treatment with Earthworm

YIN Zhao-yang, YONG Yi, YE Hong, XIE Fei, HUANG Xiang

(SichuanResearchAcademyofEnvironmentalScience,Chengdu610041,China)

By means of the determination of sludge, earthworm weight and organic carbon during the treatment period, the material balance of the sludge treatment system had been calculated. The dry weight of domestic sludge has decreased by 28% after the treatment by earthworm with effective implementation of the reduction and the total amount of organic matter has reduced by 57.14% with significant stabilization and harmless effect. Combined with the principle of earthworm biological sludge treatment system and based on the testing data of organic carbon and other indicators in winter, this study determined kinetic the reaction grade of this system was Grade one and established the dynamics model and reactor model on the basis of previous studies.

Earthworm; sludge; kinetics

2016-02-18

尹朝陽(1985-)，男，河北省晉州人，于2011年畢業(yè)于西南交通大學環(huán)境工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事固體廢棄物處理處置與資源化利用工作。

X703

A

1001-3644(2016)03-0101-06