污泥生物干化反應過程物料能量計算及分析

姜承志　周全

摘 要：本文結合某污水處理廠污泥處理項目的實際生產情況，以單反應槽處理污泥10t/d為計算基礎，結合不同季節外界及堆體不同溫度，分別對生物干化反應過程的物料及能量平衡進行計算，計算結果與實際運行情況基本相符。通過計算發現，在現階段影響生物干化反應過程的主要因素為初始混合物含水率、可生物降解有機質含量及通風量。

關鍵詞：污泥；生物干化；物料能量平衡

目前國內應用的污泥處理處置技術主要有：生物干化、熱干化、焚燒（摻燒）、石灰處理等，綜合對比投資費用、處理成本，及污泥最終產物的可利用方向，采用生物干化技術處理污泥，并已于2012年底建成使用一座日處理含水率80%的污泥1000t的污泥處理項目。根據兩年來的實際生產情況來看，出料含水率與外界環境溫度有關系，冬季出料含水率一般在40%—45%，非冬季出料含水率在25—40%之間。本文對污泥生物干化反應過程中的理論物料及能耗平衡進行核算，尋找影響反應過程的主要因素，以期對今后優化生產工藝過程提供一定的技術支持。

一、好氧生物干化過程的物料平衡

本項目主要是將含水率80%的污泥與一定的稻殼、返混料混合，得到含水率在60%以下的初始混合物，進入生物干化車間后經過約22d的好氧生物干化反應，得到含水率在40%以下的產物，產物的絕大部分作為返混料使用，余下一小部分作為產品運出。在整個好氧生物干化過程中物料平衡計算的基本思想是：輸入的混合物料 加上通入的空氣在反應過程中必須等于新增殖的細胞、其他簡單有機物、二氧化碳、水、氨等分解產物的總和。好氧生物干化反應過程中通入的空氣主要有三方面作用：（1）可生物降解有機物反應所需要的氧氣，（2）帶走生物干化過程去除水分的空氣量，（3）生物干化過程中溫度過高時，冷卻堆體需要的空氣量。

二、好氧生物干化過程的能量平衡

整個好氧生物干化過程視為一個體系，則根據熱力學第一定律，在一個平衡的系統中，釋放的能量=消耗的能量。釋放的能量=可生物降解有機物反應所產生的熱量（Q1）。消耗的能量=物料中水升溫需要的熱量（Q2）+物料中固體物質升溫需要的熱量（Q3）+進入反應過程的空氣升溫需要的熱量（Q4）+水分蒸發需要的熱量（Q5）。需要說明的是，在本次能量平衡公式中沒有考慮翻堆過程瞬間釋放的熱量、反應槽體吸收的熱量。因此，在實際生產中，只有Q1≥Q2+Q3+Q4+Q5才能保證好氧生物干化反應過程的自主進行，否則將需要外加能量。

三、好氧生物干化反應過程的理論計算

（一）好氧生物干化過程中水分的變化

假設好氧生物干化過程中可生物降解的有機質全部反應，其反應式為[1]：

C40H60.8O30.3N2.5+27.175O2→C10H16O3N2+30CO2+21.65H2O+0.5NH3

其中：有機質分子式為1060.6，空氣中氧含量為21%，出料含水率為40%。

則經計算，有機質分解需氧量為604.07m3、有機質分解需要空氣量為2876.52m3，有機質分解產生的水量為0.39t，有機質分解后的殘留物為0.22t。產物中固體量為7.64t，產物中水量為5.1t，則反應過程中需要去除的水分為7.4t。

（二）非冬季好氧生物干化過程中通風量及能量

根據生產實際情況，在非冬季時間內按車間溫度25℃、堆體溫度60℃考慮，此時空氣的飽和水蒸汽含量分別為22.8g/m3、129g/m3。若帶走全部7.4t水需要的通風量為69600m3。為便于計算不考慮翻堆曝氣、堆體溫度過高曝氣及鼓風機故障，視堆體溫度恒定，進出堆體的空氣中水蒸汽均為飽和。則生物干化反應過程中需要通風量為72476.52m3。根據設計，每個反應槽對應6臺曝氣鼓風機，每臺鼓風機風量為2000m3/h，折算到單臺鼓風機開啟時間為15min/h。釋放能量>消耗能量時，無需外加能量而保證生物干化反應過程的順利進行。若考慮釋放能量=消耗能量時，則產物出料含水率為35%，此時需要的通風量折算到單臺鼓風機開啟時間為17min/h。

四、影響生物干化反應過程的因素

（一）含水率

初始混合物的含水率是影響生物干化反應過程的重要因素，通常認為適宜反應的含水率在40—65%之間，當含水率超過65%時，物料孔隙率相對降低，影響通氣效果，當含水率低于40%時，會影響反應過程中微生物的活性[5-7]。從堆體升溫角度來說，水的比熱容基本上是干物質的比熱容的4倍，因此每升高1℃，水吸收的熱量約是干物質的4倍，初始混合物含水率越高，物料中的水升溫需要的熱量越多，影響反應效果及物料升溫時間。

（二）可生物降解的有機質

在發酵過程中，可生物降解的有機質分解釋放熱量來維持物料反應所需的溫度，如果該部分有機質較低則不能有效的將水分去除。同時還限制發酵過程中微生物的生長繁殖，最終影響反應效果。

（三）溫度

對于生物干化反應過程而言，物料的溫度影響微生物活性，溫度過低導致反應過程延長，也不能實現污泥無害化的目標，溫度過高導致物料中有益的微生物被殺死影響反應。外界環境的溫度對出料的含水率有明顯影響，環境溫度高時，空氣中濕度相對較低，同等曝氣條件下帶走的水分較多。

（四）通風量

在好氧生物干化過程中通風有重要的作用，一方面為微生物發酵過程提供氧氣，一方面通過對通氣量的控制調節堆體的溫度，同時利用氣體將水分帶走。結合本文計算可以發現，在同等通風量的情況下，由于溫度原因夏季帶走的水分較多，也就是說當外界環境溫度相對較高時，保持相對較多的通風量可以縮短物料反應時間，提高反應效率。

五、結論

通過計算可以發現，在現階段影響整個生物干化過程的主要因素為初始混合物中的可生物降解的有機質、通風量，外界環境溫度較低時，帶走同樣水分需要的通風量較高，消耗的能量較大，需要的可生物降解的有機質較多。因此可全年綜合調控外加稻殼的量，寒冷季節增加稻殼的添加量，相對溫暖季節可減少稻殼的添加量。外界環境溫度較高時，可通過調整翻堆頻次及鼓風機工作時間，以加快生物干化反應過程，減少物料在反應槽內的時間，提高單位污泥處理量。

參考文獻：

[1] 陳世和.城市垃圾堆肥原理與工藝[M].上海：復旦大學出版社，1990.

[2]王華. 污泥好氧堆肥理論研究及計算機模擬[J]. 華中科技大學， 2007.