污泥堆肥影响因素及ENS氧温度控制污泥堆肥工艺

1 污泥堆肥的方法

通常人们将污泥堆肥的方法做如下分类：

（1）自然堆制：这种方法可以有限制地应用于农业废物或园林垃圾，由于污泥的透气性极差及含水率很高，这种方法原则上讲不适用于污泥堆肥。

（2）堆垛加机械翻堆：出于同样的原因，很少有设计者专门做这种设计，但实际中，由于污泥堆及翻堆操作控制不好，通风口被堵等等原因，很多污泥堆肥操作中难以避免局部或全部出现这种操作形式。

（3）强制通风的污泥条堆：堆肥以条堆的形式进行并辅以强制通风。发酵过程中伴以间歇的翻堆过程。

（4）强制通风的污泥料仓：这种方法原则上与强制通风的污泥条堆相同，只是将污泥置于反应器或发酵仓中，从而垛可以堆的更高一些，这种设计思想还试图改善废气的捕集。

2 污泥堆肥物料的主要影响因素

从堆肥物料的角度，有以下主要因素：

2.1空隙率（透气率）

机械脱水后的污泥本身通常是透气率极差的物料。堆肥发酵过程的重要前提是系统中需要生化反应所必须的氧气。所以污泥堆肥中几乎没有例外的要添加结构性物质（调整剂），如秸秆、木屑、园林垃圾等，以保证系统中空气的流动进而为生化降解提供氧气。

2.2含水率

污泥本身含水率高，但影响生化反应的倒不是水本身，而是由于含水率高而导致的物料透气性差。添加锯末可以吸收一部分水分，进而改善透气性，但锯末添加量大会导致成本增加。所以实际工程中一是要追求机械脱水污泥的高含固率，二是将含水量低的堆肥后的污泥进行一部分回流混合。

2.3碳氮比

大量文献将污泥堆肥中添加结构物质或调整剂（如秸秆、木屑、园林垃圾等）归结为改善、调整堆肥物料中的碳氮比。这个归纳从逻辑上是站不住脚的，因为污泥在脱水之前如果继续进行生化氧化完全可以得到进一步的降解，另外，所加入系统的这些调整剂中的碳通常是木质素、纤维素这类生化难降解物质。添加了这些物质，与其说是改善系统碳氮比倒不如说是增加了系统的透气性。

3 污泥堆肥操作中的主要影响因素

3.1关于堆肥中生化反应的机理

高速反应及避免二次污染是堆肥处理设施设计与运行的关键。

堆肥过程中的生物化学反应速度比在水溶液系统中的反应速度要慢得多。这主要是由系统本身的特性及高度非均相性决定的。堆肥堆中氧气溶解到物料表面有大量微生物存在的液相中并参与反应，这与废水的生化处理相比要慢得多，因为传质过程是整个反应动力学上的控制步骤。如果假定微生物富集在物料表面的水膜里，通过理论计算可以推测，水膜中有很大一部分是处于厌氧状态的。遗憾的是，由于固体废物的复杂性和测试手段的局限性，目前有关固体—液体—空气三相之间，在处理系统的微观动力学上的研究还很难进行。但我们可以根据如图1所示的三项体系进行以下定性分析。

高分子有机物需先经过水解后溶于水相，水分子再逐步扩散至表层。在生物氧化受制约（如溶氧量不够或微生物浓度较低）时，一些小分子中间产物会扩散至气相中。废气中的有机物、h2s、nh3等是气味污染的来源。

生物氧化时产生的热量，一部分使体系温度增加，提高了生物活性；另一部分造成水分的蒸发，减少了水分含量。同时，在升高了的温度下，促进了易挥发有机物质的挥发，如果没有充足的氧气使之在液相中得到生化分解，则作为气味物质进入气相。

所以，在其他条件一定时，以下是堆肥过程的关键影响因素：

（1）供氧

（2）温度与热平衡

（3）湿度保持与强制脱水

3.2氧浓度和通风

在供氧问题上，关键不在于向系统提供的氧的总量是否充分，而在于如何保证时时有氧又不过量通风。即，一方面要避免由于供氧不足使得垃圾处理时间过长，同时产生臭气；另一方面又要避免由于过量通风，导致垃圾堆温度下降，反应速度降低，过多地带出半产物（臭气的来源），同时导致过高的能耗和运行费用。

大量的文献报道表明，实测的耗氧速率数据远远小于目前流行的通风设计值（0.05-0.2nm3/min·m3）（中国建设部标准，城市生活垃圾好氧静态堆肥处理技术规程cjj/t52-93）。长期以来，为了保证足够的供氧，所以取值过大。其结果，既浪费能量，又影响温度的抬升。

过量通风除了造成以上所提到的负面影响外（堆堆垛温度下降，反应速度降低，过多地带出半产物——臭气的来源），还增加了系统的阻力和电耗。堆肥堆由不均匀的多空隙构成，一般气体总是向大空隙、大通道流动，所以，过量通风对堆肥堆中氧气的扩散，并不见得会有多大的改善。在时间序列上，系统“通风不足”和“过量通风”的交替，同样是气味产生的重要原因。因为，通风不足时，厌氧状态下产生的中间产物会在系统的固、气表面积累，在其后的过量通风阶段，由于风流速过大，大部分的气味物质在没有生物好氧降解之前就被解析和吹脱，从而造成臭气的排放。

3.3温度与热平衡

从反应动力学的角度来看，高、低温度段是没有明显分界的。实践证明，通过合理的控制，系统在有机物含量和耗氧速率较低时，仍可达到和保持较高的温度。如果对通风控制不合理或不控制，必然会出现较明显的高温和低温段。

反应释放的热能是系统热能的根本来源。

热源：

qo生物反应放热：是氧消耗的函数，工程上可以把它表示为输入氧气浓度与堆中氧气含量差与通风量的乘积。

热漏：

qr辐射防热：工程上可表达为垃圾堆温度与环境温度之差的函数

qv水分蒸发吸热：是垃圾堆温度和通风量的函数

qh通风温度升高吸热：是垃圾堆温度和环境温度之差和通风量的函数

当系统

qo>(qr+qv+qh)

时，垃圾堆温度升高，反之，下降。

上面的分析还显示，系统的热平衡除了受生化反应速度的影响外，与系统的通风操作“息息相关”。

3.4关于气味物质的产生与排放

其实在堆肥堆里，通风时被吹脱出来的气味物质在未离开堆肥堆之前，本身也曾经历着生物过滤的反应历程——气味物质被再次吸附。只是如果缺少对过程的优化控制，过小（厌氧出现）、过高（中间产物——气味物质被吹脱）的通风，使得这一反应常常未能得到实现。

堆肥中通过以下关键措施才能把臭气产生控制到最小：

始终保持空隙中有足够的氧气存在，从而保证垃圾与气体接触的表面处于好氧状态，所以应避免供氧不足。

在时间序列上，系统通风不足和过量通风的交替，同样是气味产生的重要原因：通风不足时，厌氧状态下产生的中间产物会在系统的固、气表面积累，在其后的过量通风阶段，由于风流速过高，大部分气味物质在没有生物好氧降解之前就被解析和吹脱，造成气味的排放；再来看生物过滤，其臭味去除率的根本保证在于足够低的滤速（避免气味物质被吹脱出来）、足够的氧气和湿度。

4 ens氧浓度温度控制污泥堆肥工艺

4.1基本思考与工艺

针对传统堆肥中存在的误区，即过于强调翻堆和过量和不控制的系统操作，万若环境开发的ens氧浓度温度控制污泥堆肥工艺的特点体现在以下几个环节（参见图2）：

（1）强化污泥堆肥前与结构污泥、回流污泥的预混合；

（2）减少和避免传统意义上的翻堆操作；

（3）实时在线检测堆肥中的氧与温度；

（4）利用氧-温度、通风、湿度的相互关系，建立控制模型；

（5）实时控制系统的氧气含量、温度和通风；

（6）采用小流量、柔和通风技术，降低能耗及气味产生；

（7）系统可在敞开或者密闭的条件下实施。

4.2污泥预混合技术

采用强化翻堆的目的是在一开始就保证系统的均匀性，而不寄托在操作中的翻堆上。

针对非均匀物料开发的机械搅拌流化床式混合技术，能在实现径向的均匀混合的同时，实现轴向的定量扰动进而杜绝物料的短路行进，并实现混合器中的物料流态化，从而达到：

以流化床形态完成混合

混和效率高：约30秒

混合能耗低：耗电<1度/吨

密闭操作

图3：污泥与结构物质的流态化混合

4.3污泥堆垛

堆垛视处理规模可以是铲车堆垛，或者采用传送带堆垛，也可采用两种方法的结合。堆垛高度不宜超过4米，宽度可以在3-12米之间优化。

4.4.氧浓度、温度、湿度的优化与控制

如前述，在其他条件一定时，系统运行的关键影响因素是供氧、温度与热平衡以及湿度保持与强制脱水。

我们根据有机物水解后发生的以下反应来分析系统氧、温度和水分的基本关系：

c6h12o6+6o2+6h2o–〉6co2+12h2o+热

图4表示堆肥温度的不同影响因素及热平衡体系与氧含量的相互关系及控制原理。

4.5.工程效果

表1将ens氧温度控制堆肥工艺与传统工艺进行对比。

5 小结

污泥堆肥的影响因素包括物料系统和操作条件两个方面。从物料系统上讲，优化的预混合保证系统均匀和良好的透气性，减少翻堆引起的气味物质排放。温度、氧含量以及湿度的控制对堆肥效果至关重要。利用生化反应中各相关因素本身所存在的必然联系，建立控制模型并优化氧浓度、温度、湿度和通风可以显著改善堆肥效果。

参考文献：（略）