城市污泥強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛堆肥溫度變化規(guī)律研究

在有機(jī)廢物的高辛度處理中，許多因素（如濕度、溫度、ph、c.n）會(huì)影響堆肥過程和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。在諸多因素中,溫度是堆肥過程的核心參數(shù),堆體一般要經(jīng)歷升溫過程、高溫持續(xù)過程和降溫過程。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于堆肥溫度的研究主要集中于以下幾個(gè)方面:堆肥升溫過程的特點(diǎn)及堆肥所能達(dá)到的最高溫度;堆體熱量散失過程與溫度的關(guān)系;控制過程與溫度的關(guān)系;溫度與微生物的生長繁殖及種群演替的關(guān)系[9,10,11,12,13,14,15,16]。由于高溫分解較中溫分解速度快,并且高溫堆肥又可將蟲卵、病原菌、寄生蟲、孢子等殺滅,故有機(jī)廢棄物資源化處理中一般多采用高溫堆肥。通常需要采用通氣調(diào)整堆肥溫度和有機(jī)物分解速率之間的平衡。堆肥初期3～7d,通氣的主要目的是滿足供氧,使生化反應(yīng)順利進(jìn)行,以達(dá)到提高堆層溫度的目的。當(dāng)堆肥溫度升到峰值以后,通氣的目的以控制溫度為主。Wiley和Spillane認(rèn)為,如果缺少溫度調(diào)節(jié)措施,堆體溫度會(huì)很快升至70～80℃,這將嚴(yán)重影響微生物的生長繁殖,因此,必須通過加大通氣,通過蒸發(fā)水分帶走熱量,使堆溫下降。Finstein等的研究結(jié)果表明,在強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛堆肥系統(tǒng)中,鼓風(fēng)使得堆體中心和表面的溫度差異極大。前期的試驗(yàn)結(jié)果表明,鼓風(fēng)對(duì)堆體不同部位的溫度變化影響不同,因此堆體不同層次的溫度變化也會(huì)表現(xiàn)出不同的特點(diǎn),了解這種差異對(duì)于調(diào)控堆肥過程,提高堆肥效率和堆肥產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。1材料和方法1.1ctb調(diào)理劑的含水率城市污泥為北京方莊污水處理廠脫水污泥,含水率83%～85%,揮發(fā)性有機(jī)物含量為49%～58%。堆肥中所采用CTB調(diào)理劑的含水率和飽和含水率分別為2.70%、65.7%。回流污泥的含水率和揮發(fā)性有機(jī)物比例分別為39.1%、38.3%。1.2測試安裝堆肥池大小為1.6×1.0×1.1m3(圖1)。堆肥池底部鋪放布?xì)獍濉?.3堆體各層次間溫度的測定將堆料按設(shè)定比例(表1)充分混勻后上堆。在堆體幾何中心的中層和上層放置2個(gè)溫度傳感器,測定堆體中層和上層的溫度。處理II的幾何中心從下向上平均放置6個(gè)溫度傳感器,以便測定堆體各層次間溫度的差異。試驗(yàn)采用中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所環(huán)境修復(fù)研究室研制的溫度變送器以及堆肥自動(dòng)測控軟件(Compsoft)集成系統(tǒng)(CTB堆肥自動(dòng)測控系統(tǒng)),對(duì)堆溫進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測和控制(圖1)。2結(jié)果與討論2.1堆肥溫度起爆階段圖2是1999年秋季試驗(yàn)中各處理上層溫度的變化曲線。處理I堆溫的上升趨勢(shì)緩慢,從開始升溫到溫度峰值的平均升溫速率為4.7℃/d,峰值為46.3℃,降溫階段溫度平均下降速率為2.9℃/d。處理III的堆體,升溫和降溫過程都很劇烈。溫度上升階段,2.5d即達(dá)堆溫峰值,升溫速率17.6℃/d,降溫速率為10.1℃/d。根據(jù)我國《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB7959-87)》的規(guī)定,要求堆肥溫度在50～55℃以上維持5～7d作為滅菌的標(biāo)準(zhǔn)。按照這一標(biāo)準(zhǔn),處理III的堆體溫度在≥50℃高溫期維持時(shí)間僅為1.5d,達(dá)不到該標(biāo)準(zhǔn)的要求。由于堆體中調(diào)理劑所占比例高達(dá)50%,通氣性能良好,微生物活動(dòng)劇烈,堆溫上升很快;但是堆體保溫性能差,堆體散熱較快,導(dǎo)致堆溫迅速下降。處理II的堆溫經(jīng)2d后可達(dá)到58℃,上升速率12℃/d,在50℃以上的高溫期維持6d,達(dá)到了無害化標(biāo)準(zhǔn)的要求。不同混料比例的堆溫變化特點(diǎn)表明,當(dāng)調(diào)理劑比例較低時(shí),堆體升溫速率≤4.7℃/d,降溫速率≤2.9℃/d,因此堆肥處理時(shí)間長,而且堆體溫度較低,達(dá)不到污泥高溫堆肥所要求的滅菌溫度。當(dāng)調(diào)理劑比例較高時(shí),堆體升溫速率為12～17.6℃/d,堆肥溫度將在2.5d內(nèi)升高到無害化處理所要求的≥50℃高溫。堆體溫度在高溫階段持續(xù)的時(shí)間與調(diào)理劑比例有著密切的聯(lián)系,當(dāng)調(diào)理劑比例太高時(shí),高溫持續(xù)時(shí)間短,如加入適當(dāng)比例的回流污泥,堆溫可以在50℃以上階段維持無害化處理所需的時(shí)間。圖3是2001年3月試驗(yàn)各處理上層溫度的變化曲線。Mosher等研究認(rèn)為,當(dāng)堆肥物料的溫度低于20℃,堆肥過程將顯著變慢甚至停止,但是從本試驗(yàn)結(jié)果來看,臨界溫度應(yīng)該在15℃甚至更低。以15℃作為臨界溫度,則2種處理從開始到15℃約需4.5～4.7d左右,溫升速率為2.7～2.9℃/d,但是處理IV的堆溫從15℃到50℃的時(shí)間僅為1.3d,溫升速率高達(dá)26.9℃/d,處理V的溫升速率為6.1℃/d。Miller認(rèn)為,堆肥溫度的上升過程是堆肥起始溫度、微生物新陳代謝產(chǎn)熱過程及堆體保溫效應(yīng)綜合作用的結(jié)果,堆體一般要經(jīng)歷升溫過程、高溫持續(xù)過程和降溫過程。李國學(xué)等國內(nèi)學(xué)者也有類似看法。從3月的試驗(yàn)結(jié)果來看,當(dāng)堆肥原料的起始溫度高于15℃,堆肥溫度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律符合3階段理論。但是當(dāng)堆肥原料的起始溫度很低時(shí),堆體溫度的動(dòng)態(tài)變化明顯分成4個(gè)階段:除了升溫、高溫和降溫階段,堆體還要經(jīng)歷一個(gè)從低溫到15℃的階段。這一階段對(duì)于微生物的大量繁殖和堆肥過程的啟動(dòng)具有重要意義,因此稱之為起爆階段。在隨后歷次的堆肥試驗(yàn)中,都存在這一現(xiàn)象,說明這一規(guī)律具有普遍意義,因此,堆肥的溫度動(dòng)態(tài)變化可以用以下典型溫度動(dòng)態(tài)變化曲線描述。2.2堆體溫度分布污泥堆體是一個(gè)復(fù)雜的生物反應(yīng)系統(tǒng),雖然都要經(jīng)歷起爆、升溫、高溫和降溫4個(gè)階段,但是各個(gè)層次的溫度升降規(guī)律并不一致。圖5是1999年11月各處理上、下兩層次的溫度動(dòng)態(tài)變化。處理I的堆體溫度上升緩慢,0～43h下層溫度高于上層溫度,43～192h上層溫度較高(圖5A)。兩個(gè)層次的最大溫差出現(xiàn)在堆肥進(jìn)行到115h左右,此時(shí)為上層堆溫的峰值前后。處理II與處理III的堆體溫度上升較快,不同層次的溫度變化規(guī)律基本相似(圖5B、圖5C)。初期下層堆溫比上層高,但隨著堆肥過程的進(jìn)行,上層堆溫逐漸比下層高。兩個(gè)層次的最大溫差為上層堆溫的峰值前后。2001年3月的試驗(yàn)結(jié)果也有類似現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因可能是:在堆肥初期,堆體上層對(duì)下層的壓實(shí)作用不明顯,而下層與空氣直接接觸,好氧生物活動(dòng)過程快速充分,因此溫度較高。隨著下層逐漸被壓實(shí),自由孔隙減少,通氣性比上層差,上層的好氧發(fā)酵過程比下層活躍,故上層溫度又逐漸高于下層。Russell等研究認(rèn)為,對(duì)于自然通風(fēng)的條垛式堆肥系統(tǒng),堆體上層溫度較下層高。本研究的結(jié)果表明,對(duì)于強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛,Russell等的研究結(jié)論不適用于整個(gè)堆肥過程。Smith等觀察到,在污泥條垛式堆肥化中,堆體溫度呈梯度分布,圖6中A是條垛式堆肥高溫階段溫度與堆體深度關(guān)系的典型曲線,堆體幾何中心溫度最高,底部溫度高于上部溫度。處理Ⅱ的測定結(jié)果表明,通風(fēng)靜態(tài)垛堆肥系統(tǒng)中心進(jìn)入高溫階段時(shí),其溫度梯度曲線符合圖6-A所示的梯度模式。但是在堆肥起始階段,因?yàn)槠湎聦拥臏囟容^高,其典型溫度梯度模式為圖6-B所示。3不同混料比例下堆體初始溫度堆體溫度在高溫階段持續(xù)的時(shí)間、升溫和降溫速率都與調(diào)理劑比例有著密切的關(guān)系。當(dāng)堆體混料比例中調(diào)理劑比例較低時(shí),堆體升溫速率和降溫速率都較為緩慢,而且堆體溫度較低,達(dá)不到污泥高溫堆肥所要求的滅菌溫度。當(dāng)調(diào)理劑比例較高時(shí),堆體升溫速率較快,降溫也快,高溫持續(xù)時(shí)間短。但如加入適當(dāng)比例的回流污泥,堆溫可以在50℃以上高溫階段持續(xù)滅菌所需的時(shí)間。