污泥好氧發(fā)酵處理過程中有機物降解率測試方法探究

居素偉

(上海汀瀅環(huán)?？萍加邢薰?，上海 201707)

1 技術(shù)研究背景

來源于污水處理廠的有機污泥，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，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、高效的方法。在好氧發(fā)酵堆肥前，掌握污泥中有機物的降解特性，由此判斷原料污泥是否適合好氧發(fā)酵處理，再決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物(包括惡臭物質(zhì))進行降解，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、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，有機物中的碳最終會轉(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試的方法之一。此外，更直接的方法即測定干物質(zhì)的重量變化，通過測定灼熱減量部分，按比例計算可得到可降解的有機物的量。本文采用的是CO2重量法。

2 測試方法和裝置

2.1 測試裝置的組合

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，促進好氧發(fā)酵進程。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400 mm的玻璃管裝填氯化鈣和高氯酸鎂吸收水分、有機物分解產(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試物料的量與通氣量。考慮到原料的不確定性和計量誤差，建議測試物料量可多一些，但物料過多會使CO2量也增多，因此以填充200 g物料作為測試量。待測試物料的發(fā)酵培養(yǎng)步驟如下：

(1)測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行混合，使待測物料的含水率調(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50 ℃恒溫箱內(nèi)的托盤上預(yù)熱15 min。

2.2.3 通氣和測試

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。測試須每天定時進行，用管夾夾住氯化鈣容器和高氯酸鎂U型管之間的導(dǎo)管，防止試瓶內(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通氣。通常連續(xù)7 d進行操作測試，以進一步追蹤CO2的變化。

2.3 測試結(jié)果計算

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。計算出相對于降解后測試物料中的全碳量的百分比，作為測試的降解率。

測試物料中全碳量的計算如下：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。把有機物的微生物降解速率與CO2產(chǎn)生速率轉(zhuǎn)化分析，其計算采用基質(zhì)反應(yīng)一級公式，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物是復(fù)合成分，因此需要分別測試不同物料的降解率，綜合不同的曲線來確定a值和k值。測試方法穩(wěn)定后，得到的a值和k值更接近實際值。

a值和k值的計算方法如式(2)、式(3)。設(shè)t1和t2的測試降解率分別為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值用計算機多次試算，從而可得到k1和k2。為了讓實測曲線與理論曲線相近，可取7 d測試中的第2 d和第7 d作為t1和t2，代入公式求解。

計算發(fā)酵污泥分解產(chǎn)生的碳量時，可以用發(fā)酵污泥的總含碳量乘以相應(yīng)降解率，即可計算出發(fā)酵污泥在各個時間點產(chǎn)生的碳量。

3 測試結(jié)果

本用上述方法分別對3個污水廠的脫水污泥和3個畜牧業(yè)污泥進行測試，測試數(shù)據(jù)以及對上述理論公式的校驗結(jié)果如表1所示。

表2為3個污水廠和3個畜牧企業(yè)污泥的有機物降解率的7 d實測結(jié)果。

表1 測試結(jié)果的公式驗算

表2 污泥的有機物降解率的7 d的實測值

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，獨立的小圖標(biāo)是表2得出的樣品降解率的7 d實測值。

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

4 測試方法和結(jié)果的討論

4.1 測試結(jié)果的討論

CO2重量法的測試過程較接近實際的污泥好氧發(fā)酵降解過程，該測試方法可以按發(fā)酵天數(shù)詳細地收集數(shù)據(jù)。由圖3、圖4可知，公式計算值的連線和7 d實測值的小圖標(biāo)幾乎重疊，誤差極小。k值會影響連線的曲率，這表示污泥中有機物進入降解狀態(tài)的快慢，主要是受污泥中有機物特性的影響，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 測試方法的影響因素

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

二是測試裝置及器具的連接比較復(fù)雜，整套測試器具的密封性十分重要，稍有漏氣會對測試結(jié)果造成較大誤差。加上原料污泥的預(yù)處理等，一般測試一個樣品需要9～10 d，不容易同步測試數(shù)個樣品。

三是測試時的通氣量比較難以恒定，測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)生的甲烷會直接影響碳量測試結(jié)果。這就需要多次測試，調(diào)整通氣量才能得到比較穩(wěn)定的測試結(jié)果。此外，通氣量大小對降解率的影響程度也需要另行驗證。

4.3 測試方法的結(jié)論

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