居素偉

(上海汀瀅環保科技有限公司，上海 201707)

1 技術研究背景

來源于污水處理廠的有機污泥，雖然泥質不盡相同，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]。通過好氧發酵制作堆肥是一種經濟、高效的方法。在好氧發酵堆肥前，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酵處理，再決定具體的處理工藝步驟[3]。

好氧發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)進行降解，利用產生的生物熱能殺菌、降低含水量，從而形成生物化學性能更穩定、更易搬運、衛生學上無明顯不快感的無害化產品[4]。

利用微生物的好氧代謝作用，有機物中的碳最終會轉化成CO2。因此，分析好氧堆肥過程中產生CO2量的變化幾乎就能了解降解狀態。另外，產生的CO2量與耗氧量是等當量的，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，將原料污泥與發酵后污泥混合，通氣、供氧，結合后期培養步驟，促進好氧發酵進程。組合裝置如圖1、圖2所示。圖1是物料發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，器具組合能把發酵箱的氣體徹底干燥，并連接到吸收器導管。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、有機物分解產生的氨以及反應產生的水。然后采用2組裝填有CO2吸收劑的內徑25 mm、長300 mm的U型導管充分吸收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。待測試物料的發酵培養步驟如下：

(1)測試物料由原料污泥和發酵后污泥混合，約200 g;

(2)保持通氣狀態良好的測試物料的含水率調整至50%左右;

(3)通氣量維持在60 mL/min左右;

(4)培養溫度設定在50 ℃。

2.2 操作方法

2.2.1 原料污泥預處理

將含水率較高的原料污泥發酵，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整至50%左右。但發酵后污泥比例提高，這部分污泥產生的CO2量會影響到由原料污泥產生的CO2的量，因此要盡量減少發酵污泥的混合比例。

2.2.2 原料污泥和發酵污泥的混合裝填

采用含水率30%的經完全發酵后的污泥與原料污泥進行混合，使待測物料的含水率調整至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，避免結塊而與空氣接觸不良。蓋好橡皮塞，放進50 ℃恒溫箱內的托盤上預熱15 min。

2.2.3 通氣和測試

預熱完成后，連接導管開始通氣，可采用小型真空泵進行抽吸，空氣流量設定為60 mL/min，觀察試瓶里的氣泡狀態以了解空氣流量。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型管之間的導管，防止試瓶內的液體倒流。關閉各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7 d進行操作測試，以進一步追蹤CO2的變化。

2.3 測試結果計算

把稱量后的CO2量轉化成碳量，減去用于混合的發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。以發酵天數為橫軸，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產生速率轉化分析，其計算采用基質反應一級公式，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；

t—發酵天數，d。

原料污泥中的可降解有機物是復合成分，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。

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

3 測試結果

本用上述方法分別對3個污水廠的脫水污泥和3個畜牧業污泥進行測試，測試數據以及對上述理論公式的校驗結果如表1所示。

表2為3個污水廠和3個畜牧企業污泥的有機物降解率的7 d實測結果。

表1 測試結果的公式驗算

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a2和a7的值代入理論公式中可以得到參數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，獨立的小圖標是表2得出的樣品降解率的7 d實測值。

圖3 畜牧企業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 測試方法和結果的討論

4.1 測試結果的討論

CO2重量法的測試過程較接近實際的污泥好氧發酵降解過程，該測試方法可以按發酵天數詳細地收集數據。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、木質素等含量偏高則降解率低。由表1可知，畜牧企業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果也有影響。

一是試料的預處理，即原料污泥和發酵污泥的混合比例。經測試得知，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雜，整套測試器具的密封性十分重要，稍有漏氣會對測試結果造成較大誤差。加上原料污泥的預處理等，一般測試一個樣品需要9～10 d，不容易同步測試數個樣品。

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，盡量避免結塊而形成局部厭氧狀態，厭氧發酵產生的甲烷會直接影響碳量測試結果。這就需要多次測試，調整通氣量才能得到比較穩定的測試結果。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 測試方法的結論

CO2重量法作為有機污泥降解特性的測試法，可以由發酵降解過程逐天測試，能得到比較切實的降解率數值，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，對今后好氧發酵處理處置污泥技術的大規模運用或者提高已有設施的運行效率會有很大的幫助。