污泥好氧发酵处理过程中有机物降解率测试方法探究

居素伟

(上海汀滢环保科技有限公司，上海 201707)

1 技术研究背景

来源于污水处理厂的有机污泥，虽然泥质不尽相同，但皆含水率高并伴有恶臭，且不易搬运，其污泥处理处置方法有待探究[1-2]。通过好氧发酵制作堆肥是一种经济、高效的方法。在好氧发酵堆肥前，掌握污泥中有机物的降解特性，由此判断原料污泥是否适合好氧发酵处理，再决定具体的处理工艺步骤[3]。

好氧发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机物(包括恶臭物质)进行降解，利用产生的生物热能杀菌、降低含水量，从而形成生物化学性能更稳定、更易搬运、卫生学上无明显不快感的无害化产品[4]。

利用微生物的好氧代谢作用，有机物中的碳最终会转化成CO2。因此，分析好氧堆肥过程中产生CO2量的变化几乎就能了解降解状态。另外，产生的CO2量与耗氧量是等当量的，分析耗氧量也是降解率测试的方法之一。此外，更直接的方法即测定干物质的重量变化，通过测定灼热减量部分，按比例计算可得到可降解的有机物的量。本文采用的是CO2重量法。

2 测试方法和装置

2.1 测试装置的组合

首先，将原料污泥与发酵后污泥混合，通气、供氧，结合后期培养步骤，促进好氧发酵进程。组合装置如图1、图2所示。图1是物料发酵降解部分的器具组合图，图2是二氧化碳收集部分的器具组合图。其中：①蒸馏水瓶；②充填了混合后的具备好氧发酵条件的物料的容器；③氨气吸收管；④浓硫酸瓶；⑤氯化钙容器；⑥混合填充了高盐酸镁、氢氧化钠颗粒、脱脂棉的CO2主收集管；⑦混合填充了高盐酸镁、烧碱石棉、脱脂棉的CO2辅助收集管。

图1 物料发酵降解部分的器具组合Fig.1 Combination of Utensils for Degredation of Materials Fermentation

图2 二氧化碳收集部分的器具组合Fig.2 Combination of Utensils for Carbon Dioxide Collection

由图1、图2可知，器具组合能把发酵箱的气体彻底干燥，并连接到吸收器导管。首先用500 mL洗瓶装入浓硫酸，再用直径50 mm、长400 mm的玻璃管装填氯化钙和高氯酸镁吸收水分、有机物分解产生的氨以及反应产生的水。然后采用2组装填有CO2吸收剂的内径25 mm、长300 mm的U型导管充分吸收CO2，吸收剂为氢氧化钠颗粒和烧碱石棉筛。

各器具的容量大小取决于测试物料的量与通气量。考虑到原料的不确定性和计量误差，建议测试物料量可多一些，但物料过多会使CO2量也增多，因此以填充200 g物料作为测试量。待测试物料的发酵培养步骤如下：

(1)测试物料由原料污泥和发酵后污泥混合，约200 g;

(2)保持通气状态良好的测试物料的含水率调整至50%左右;

(3)通气量维持在60 mL/min左右;

(4)培养温度设定在50 ℃。

2.2 操作方法

2.2.1 原料污泥预处理

将含水率较高的原料污泥发酵，可使污泥含水率控制在30%左右，混合以后的测试物料含水率可调整至50%左右。但发酵后污泥比例提高，这部分污泥产生的CO2量会影响到由原料污泥产生的CO2的量，因此要尽量减少发酵污泥的混合比例。

2.2.2 原料污泥和发酵污泥的混合装填

采用含水率30%的经完全发酵后的污泥与原料污泥进行混合，使待测物料的含水率调整至50%左右，然后在过滤片上垫一多孔薄膜，将待测物料装填在薄膜上，尽量保持物料蓬松，避免结块而与空气接触不良。盖好橡皮塞，放进50 ℃恒温箱内的托盘上预热15 min。

2.2.3 通气和测试

预热完成后，连接导管开始通气，可采用小型真空泵进行抽吸，空气流量设定为60 mL/min，观察试瓶里的气泡状态以了解空气流量。测试须每天定时进行，用管夹夹住氯化钙容器和高氯酸镁U型管之间的导管，防止试瓶内的液体倒流。关闭各U型管的活塞，气泵停止后拆下U型管称量，称量完成后，再逆顺序连接好重新试验通气。通常连续7 d进行操作测试，以进一步追踪CO2的变化。

2.3 测试结果计算

把称量后的CO2量转化成碳量，减去用于混合的发酵污泥中的碳量作为原料污泥中的碳量。计算出相对于降解后测试物料中的全碳量的百分比，作为测试的降解率。

测试物料中全碳量的计算如下：干物料重×灼热减量/100×0.5。以发酵天数为横轴，降解率为纵轴，可以描绘出降解曲线图。把有机物的微生物降解速率与CO2产生速率转化分析，其计算采用基质反应一级公式，如式(1)。

at=a·(1-e-kt)

(1)

其中：at—第t天的降解率；

a—最终降解率；

k—降解系数；

t—发酵天数，d。

原料污泥中的可降解有机物是复合成分，因此需要分别测试不同物料的降解率，综合不同的曲线来确定a值和k值。测试方法稳定后，得到的a值和k值更接近实际值。

a值和k值的计算方法如式(2)、式(3)。设t1和t2的测试降解率分别为a1和a2，同一试料的最终降解率a相同。

k1=1/t1×ln[a/(a-a1)]

(2)

k2=1/t2×ln[a/(a-a2)]

(3)

因a1和a2在相同曲线上，所以式(2)=式(3)，则得到式(4)。

1/t1×ln[a/(a-a1)]=1/t2×ln[a/(a-a2)]

(4)

式(4)可通过at值用计算机多次试算，从而可得到k1和k2。为了让实测曲线与理论曲线相近，可取7 d测试中的第2 d和第7 d作为t1和t2，代入公式求解。

计算发酵污泥分解产生的碳量时，可以用发酵污泥的总含碳量乘以相应降解率，即可计算出发酵污泥在各个时间点产生的碳量。

3 测试结果

本用上述方法分别对3个污水厂的脱水污泥和3个畜牧业污泥进行测试，测试数据以及对上述理论公式的校验结果如表1所示。

表2为3个污水厂和3个畜牧企业污泥的有机物降解率的7 d实测结果。

表1 测试结果的公式验算

表2 污泥的有机物降解率的7 d的实测值

由表1可知，参数a2和a7的值代入理论公式中可以得到参数k和最终降解率a，得出有机物降解率曲线，即图3和图4中的连线部分。如图3、图4所示，独立的小图标是表2得出的样品降解率的7 d实测值。

图3 畜牧企业污泥的有机物降解率Fig.3 Organic Matter Degradation Rate Curve of the Sludge in Animal Husbandry Enterprises

图4 污水厂脱水污泥的有机物降解率Fig.4 Organic Matter Degradation Rate Curve of Dewatered Sludge in Wastewater Treatment Plant

4 测试方法和结果的讨论

4.1 测试结果的讨论

CO2重量法的测试过程较接近实际的污泥好氧发酵降解过程，该测试方法可以按发酵天数详细地收集数据。由图3、图4可知，公式计算值的连线和7 d实测值的小图标几乎重叠，误差极小。k值会影响连线的曲率，这表示污泥中有机物进入降解状态的快慢，主要是受污泥中有机物特性的影响，如糖类、胺等含量偏高则容易分解，纤维素、木质素等含量偏高则降解率低。由表1可知，畜牧企业3的污泥降解速率k和最终降解率a都最高，而污水处理厂3的降解速率k虽为最高，但最终降解率a最高的是污水处理厂2的污泥。

4.2 测试方法的影响因素

除了污泥的有机物特性影响因素以外，测试方法本身对降解率的测定结果也有影响。

一是试料的预处理，即原料污泥和发酵污泥的混合比例。经测试得知，混合后物料的含水率约50%时，测试过程比较顺利；但发酵后污泥混入比高时，则不能反映真实的原料污泥的降解率。

二是测试装置及器具的连接比较复杂，整套测试器具的密封性十分重要，稍有漏气会对测试结果造成较大误差。加上原料污泥的预处理等，一般测试一个样品需要9～10 d，不容易同步测试数个样品。

三是测试时的通气量比较难以恒定，测试物料需要有较好的蓬松度，尽量避免结块而形成局部厌氧状态，厌氧发酵产生的甲烷会直接影响碳量测试结果。这就需要多次测试，调整通气量才能得到比较稳定的测试结果。此外，通气量大小对降解率的影响程度也需要另行验证。

4.3 测试方法的结论

CO2重量法作为有机污泥降解特性的测试法，可以由发酵降解过程逐天测试，能得到比较切实的降解率数值，还可以得到理论计算公式的相互验证。通过验证得到的公式计算结果，可以减少大量的实测操作，是一种比较有效的测试有机物降解率的方法，对今后好氧发酵处理处置污泥技术的大规模运用或者提高已有设施的运行效率会有很大的帮助。