姜承志　周全

摘 要：本文結(jié)合某污水處理廠污泥處理項(xiàng)目的實(shí)際生產(chǎn)情況，以單反應(yīng)槽處理污泥10t/d為計(jì)算基礎(chǔ)，結(jié)合不同季節(jié)外界及堆體不同溫度，分別對(duì)生物干化反應(yīng)過(guò)程的物料及能量平衡進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行情況基本相符。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)階段影響生物干化反應(yīng)過(guò)程的主要因素為初始混合物含水率、可生物降解有機(jī)質(zhì)含量及通風(fēng)量。

關(guān)鍵詞：污泥；生物干化；物料能量平衡

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的污泥處理處置技術(shù)主要有：生物干化、熱干化、焚燒（摻燒）、石灰處理等，綜合對(duì)比投資費(fèi)用、處理成本，及污泥最終產(chǎn)物的可利用方向，采用生物干化技術(shù)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(xiàng)目。根據(jù)兩年來(lái)的實(shí)際生產(chǎn)情況來(lái)看，出料含水率與外界環(huán)境溫度有關(guān)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(duì)污泥生物干化反應(yīng)過(guò)程中的理論物料及能耗平衡進(jìn)行核算，尋找影響反應(yīng)過(guò)程的主要因素，以期對(duì)今后優(yōu)化生產(chǎn)工藝過(guò)程提供一定的技術(shù)支持。

一、好氧生物干化過(guò)程的物料平衡

本項(xiàng)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(jìn)入生物干化車間后經(jīng)過(guò)約22d的好氧生物干化反應(yīng)，得到含水率在40%以下的產(chǎn)物，產(chǎn)物的絕大部分作為返混料使用，余下一小部分作為產(chǎn)品運(yùn)出。在整個(gè)好氧生物干化過(guò)程中物料平衡計(jì)算的基本思想是：輸入的混合物料 加上通入的空氣在反應(yīng)過(guò)程中必須等于新增殖的細(xì)胞、其他簡(jiǎn)單有機(jī)物、二氧化碳、水、氨等分解產(chǎn)物的總和。好氧生物干化反應(yīng)過(guò)程中通入的空氣主要有三方面作用：（1）可生物降解有機(jī)物反應(yīng)所需要的氧氣，（2）帶走生物干化過(guò)程去除水分的空氣量，（3）生物干化過(guò)程中溫度過(guò)高時(shí)，冷卻堆體需要的空氣量。

二、好氧生物干化過(guò)程的能量平衡

整個(gè)好氧生物干化過(guò)程視為一個(gè)體系，則根據(jù)熱力學(xué)第一定律，在一個(gè)平衡的系統(tǒng)中，釋放的能量=消耗的能量。釋放的能量=可生物降解有機(jī)物反應(yīng)所產(chǎn)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(zhì)升溫需要的熱量（Q3）+進(jìn)入反應(yīng)過(guò)程的空氣升溫需要的熱量（Q4）+水分蒸發(fā)需要的熱量（Q5）。需要說(shuō)明的是，在本次能量平衡公式中沒(méi)有考慮翻堆過(guò)程瞬間釋放的熱量、反應(yīng)槽體吸收的熱量。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，只有Q1≥Q2+Q3+Q4+Q5才能保證好氧生物干化反應(yīng)過(guò)程的自主進(jìn)行，否則將需要外加能量。

三、好氧生物干化反應(yīng)過(guò)程的理論計(jì)算

（一）好氧生物干化過(guò)程中水分的變化

假設(shè)好氧生物干化過(guò)程中可生物降解的有機(jī)質(zhì)全部反應(yīng)，其反應(yīng)式為[1]：

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

其中：有機(jī)質(zhì)分子式為1060.6，空氣中氧含量為21%，出料含水率為40%。

則經(jīng)計(jì)算，有機(jī)質(zhì)分解需氧量為604.07m3、有機(jī)質(zhì)分解需要空氣量為2876.52m3，有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的水量為0.39t，有機(jī)質(zhì)分解后的殘留物為0.22t。產(chǎn)物中固體量為7.64t，產(chǎn)物中水量為5.1t，則反應(yīng)過(guò)程中需要去除的水分為7.4t。

（二）非冬季好氧生物干化過(guò)程中通風(fēng)量及能量

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，在非冬季時(shí)間內(nèi)按車間溫度25℃、堆體溫度60℃考慮，此時(shí)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(fēng)量為69600m3。為便于計(jì)算不考慮翻堆曝氣、堆體溫度過(guò)高曝氣及鼓風(fēng)機(jī)故障，視堆體溫度恒定，進(jìn)出堆體的空氣中水蒸汽均為飽和。則生物干化反應(yīng)過(guò)程中需要通風(fēng)量為72476.52m3。根據(jù)設(shè)計(jì)，每個(gè)反應(yīng)槽對(duì)應(yīng)6臺(tái)曝氣鼓風(fēng)機(jī)，每臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量為2000m3/h，折算到單臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)啟時(shí)間為15min/h。釋放能量>消耗能量時(shí)，無(wú)需外加能量而保證生物干化反應(yīng)過(guò)程的順利進(jìn)行。若考慮釋放能量=消耗能量時(shí)，則產(chǎn)物出料含水率為35%，此時(shí)需要的通風(fēng)量折算到單臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)啟時(shí)間為17min/h。

四、影響生物干化反應(yīng)過(guò)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(yīng)過(guò)程的重要因素，通常認(rèn)為適宜反應(yīng)的含水率在40—65%之間，當(dāng)含水率超過(guò)65%時(shí)，物料孔隙率相對(duì)降低，影響通氣效果，當(dāng)含水率低于40%時(shí)，會(huì)影響反應(yīng)過(guò)程中微生物的活性[5-7]。從堆體升溫角度來(lái)說(shuō)，水的比熱容基本上是干物質(zhì)的比熱容的4倍，因此每升高1℃，水吸收的熱量約是干物質(zhì)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(yīng)效果及物料升溫時(shí)間。

（二）可生物降解的有機(jī)質(zhì)

在發(fā)酵過(guò)程中，可生物降解的有機(jī)質(zhì)分解釋放熱量來(lái)維持物料反應(yīng)所需的溫度，如果該部分有機(jī)質(zhì)較低則不能有效的將水分去除。同時(shí)還限制發(fā)酵過(guò)程中微生物的生長(zhǎng)繁殖，最終影響反應(yīng)效果。

（三）溫度

對(duì)于生物干化反應(yīng)過(guò)程而言，物料的溫度影響微生物活性，溫度過(guò)低導(dǎo)致反應(yīng)過(guò)程延長(zhǎng)，也不能實(shí)現(xiàn)污泥無(wú)害化的目標(biāo)，溫度過(guò)高導(dǎo)致物料中有益的微生物被殺死影響反應(yīng)。外界環(huán)境的溫度對(duì)出料的含水率有明顯影響，環(huán)境溫度高時(shí)，空氣中濕度相對(duì)較低，同等曝氣條件下帶走的水分較多。

（四）通風(fēng)量

在好氧生物干化過(guò)程中通風(fēng)有重要的作用，一方面為微生物發(fā)酵過(guò)程提供氧氣，一方面通過(guò)對(duì)通氣量的控制調(diào)節(jié)堆體的溫度，同時(shí)利用氣體將水分帶走。結(jié)合本文計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，在同等通風(fēng)量的情況下，由于溫度原因夏季帶走的水分較多，也就是說(shuō)當(dāng)外界環(huán)境溫度相對(duì)較高時(shí)，保持相對(duì)較多的通風(fēng)量可以縮短物料反應(yīng)時(shí)間，提高反應(yīng)效率。

五、結(jié)論

通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)階段影響整個(gè)生物干化過(guò)程的主要因素為初始混合物中的可生物降解的有機(jī)質(zhì)、通風(fēng)量，外界環(huán)境溫度較低時(shí)，帶走同樣水分需要的通風(fēng)量較高，消耗的能量較大，需要的可生物降解的有機(jī)質(zhì)較多。因此可全年綜合調(diào)控外加稻殼的量，寒冷季節(jié)增加稻殼的添加量，相對(duì)溫暖季節(jié)可減少稻殼的添加量。外界環(huán)境溫度較高時(shí)，可通過(guò)調(diào)整翻堆頻次及鼓風(fēng)機(jī)工作時(shí)間，以加快生物干化反應(yīng)過(guò)程，減少物料在反應(yīng)槽內(nèi)的時(shí)間，提高單位污泥處理量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳世和.城市垃圾堆肥原理與工藝[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1990.

[2]王華. 污泥好氧堆肥理論研究及計(jì)算機(jī)模擬[J]. 華中科技大學(xué)， 2007.