城市污泥好氧发酵过程中水热动态变化研究

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在城市污泥好氧发酵处理中,物料无害化、减量化效果取决于发酵堆体水热变化,而堆体水热变化受制于发酵控制策略。为了进一步完善污泥好氧发酵工艺,提升产品质量,本文研究了通风、匀翻控制策略对污泥好氧发酵水热动态变化的影响,此外,量化了匀翻对堆体结构的影响,以及负压引风脱除蒸发水汽的效果。  发酵堆体实际脱水量由通风输水(8.5%-11.1%)、有机物代谢产水(8.5%-9.7%)、表观脱水(79.2%-82.9%)组成。发酵温度与通风速率共同影响物料脱水效果。在恒定通风速率条件下,物料脱水量与发酵温度呈指数相关(P<0.01)。在发酵末期,当温度低于35℃,不同通风速率(1.72-2.26 L min kg-1 VS)的物料脱水量没有差异(P>0.05)。采用通风速率1.98L min kg-1 VS物料脱水效果较优,物料含水率可由65.6%降至46.4%,日脱水速率为23.7 kgd-1t-1。  有机物代谢产热率为20.6 MJ kg-1 VS。有机物代谢热在污泥好氧发酵热量输入中的比例为87.7%。水分蒸发(77.3%)、通风显热增加(11.4%)、热传导(9.1%)是发酵体系热量输出的主要方式。由于通风气流(水汽+干空气)的显热增加量远少于水分蒸发热量,因此通风影响堆体热量平衡的主要方式是脱水(通风气流携带蒸发水汽)。堆体干物质贮存热量仅为水分贮存热量的15%-35%。热辐射对堆体热量平衡的影响可忽略不计。城市污泥好氧发酵的热量输入速率为73.0 MJ d-1t-1。  适宜匀翻次数有助于有机物分解、水分脱除、提升发酵积温。非匀翻(CK)、匀翻两次(T2)、匀翻四次(T4)堆体的有机物损失率分别为22.1%、25.8%、26.1%,发酵产品的含水率分别为52.6%、47.7%、50.4%,发酵积温分别为308.7℃、318.9℃、288.6℃。堆体压实速率与发酵时间呈指数相关(P<0.01)。匀翻能够减小堆体压实程度、显著提高堆体自由空域,但频繁匀翻并不能进一步强化堆体自由空域。在规模化城市污泥好氧发酵过程中,应采取两次匀翻较适宜。  匀翻可促进物料脱水,但匀翻并非以直接的方式促进物料脱水。在好氧发酵过程中,堆体脱水率(总脱水量/初始发酵物料质量)为426.1 kg ton-1(非匀翻处理)、487.6 kg ton-1(两次匀翻处理)、464.3 kg ton-1(四次匀翻处理)。匀翻过程中,堆体表面的瞬时水汽通量为0.005-0.059kg m-2 s-1,每吨物料的水分散失量仅为0.08-0.61 kg。匀翻过程中的水分散失量对整个发酵过程的脱水贡献仅为0.12%-0.18%。匀翻过程中每吨物料损失9.2-30.3 MJ热量,堆体热量损失10.0%-18.1%。翻抛过程引起堆体热量损失的主要原因并非是水分散失,水分散失热量在堆体匀翻热量损失中的比例仅为2.02%-5.03%。  在未负压引风条件下,当强制通风停止后,不同发酵阶段的最大水汽相对冷凝速率排序为:高温期(0.72 kgh-1 m-3)>升温期(0.36 kg h-1 m-3)>降温期(0.014 kgh-1 m-3)。在未采取负压引风措施下,强制通风停止25 min后的期间里,水汽冷凝率分别为35.7%(升温期)、60.6%(高温期)、9.5%(降温期)。升温期与高温期水汽相对冷凝速率与冷凝时间呈指数相关,降温期的水汽相对冷凝速率与冷凝时间呈线性相关。在封闭式城市污泥好氧发酵过程中,强制通风时应相应开启负压引风以去除蒸发水汽。从运行成本的考虑,建议发酵升温与高温期宜采用高引风速率(106.3 m3 h-1 ton-1),而降温期应采用低引风速率(21.9 m3 h-1 ton-1)。此外,在升温与降温期,负压引风时间应延长至通风停止后5 min,在高温期,负压引风时间应延长至通风停止后10 min。  在城市污泥与锯末的好氧发酵过程中,采用通风速率1.98L min kg-1 VS、两次匀翻策略,堆体高温(>50℃)可持续5d,发酵物料实现无害化处理。发酵物料的pH为呈“先上升、后下降”的变化态势。EC与C/N则分别为上升、下降趋势。发酵产物的pH、EC、C/N、GI分别为7.2、2363μs cm-1、12.9、87%,发酵物料实现腐熟。
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