鼓風過程對城市污泥好氧堆肥溫度的影響

鼓風過程對城市污泥好氧堆肥溫度的影響

堆重溫度是城市污泥氧氣沉積過程中的一個重要參數(shù)。好氧堆肥的理想溫度范圍是52～60℃,在這一溫度范圍內(nèi)持續(xù)一定時間則可殺滅病原微生物及雜草種子,有機物降解的速率較快,Bach、Mckinley等學者陸續(xù)證明了這一結(jié)論。但是,如果不加以控制,則堆體溫度最高能升至82℃,因此需要對其進行有效地控制。堆體和外界環(huán)境進行能量交換主要通過3種方式:傳導、對流、輻射,但是只有很少的熱量是通過輻射和傳導方式散失的,無論采用負壓引風還是正壓鼓風工藝,大部分的熱量都將通過蒸發(fā)冷卻的方式(對流)散失,所以各種堆肥工藝的堆體溫度在很大程度上要依靠鼓風過程來控制,鼓風作用使得堆體中心和表面溫度差異極大。Miller、Harper等研究認為,翻堆和鼓風是控制堆體溫度的有效措施,如果不采取這些措施,堆體溫度很快就將達到70～80℃。鼓風不僅是調(diào)控堆肥溫度的重要手段,而且可以調(diào)節(jié)堆體中的氧氣、水分含量,但是對于鼓風過程影響堆肥溫度的方式和程度還鮮見報道。堆肥是一個復雜的系統(tǒng),對于不同混料比例、堆體的不同部位,鼓風過程對堆溫的影響范圍和程度都會隨之變化。本研究的目的就是探討鼓風過程對城市污泥堆肥溫度的影響,為利用鼓風過程控制堆肥溫度提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1產(chǎn)污水、產(chǎn)污水、污染物防治供試城市污泥為北京市方莊污水廠的脫水污泥,該廠處理的主要是生活污水,污泥的含水率84.9%,揮發(fā)性有機物含量為74.3%。本試驗采用CTB調(diào)理劑作為填充料,其含水率和飽和吸水率分別為2.70%、65.7%。1.2堆肥池的堆置將城市污泥與調(diào)理劑按照設定比例混合,然后堆置于1.6m×1.0m×1.1m的堆肥池中。堆肥池底部為布氣板,通風系統(tǒng)采用鼓風機,試驗裝置見文獻。1.3堆溫監(jiān)測系統(tǒng)混料比例為1∶1和3∶2(污泥∶CTB調(diào)理劑,體積比),將堆料充分混勻后上堆。在離鼓風口(堆體縱軸方向)的近、中、遠的位置選定3個點(分別稱為風向近點、風向中點和風向遠點),每個點0.1m、0.5m、0.7m的深度位置上各設一個溫度傳感器,測定值代表該點上、中、下3個層次的溫度。采用中國科學院地理科學與資源研究所環(huán)境修復研究室研制的溫度變送器以及自動測控程序(Compsoft軟件)集成系統(tǒng)(CTB堆肥自動測控系統(tǒng))對堆溫進行監(jiān)測。堆肥試驗時間為4月,當兩個處理的堆溫進入高溫期(>55℃),4月11日12:00～13:00(此段時間氣溫變化不大,可以忽略其影響),持續(xù)鼓風40min,每5min通過傳感器采集溫度數(shù)據(jù)進行分析。2結(jié)果與討論2.1堆體堆體各層次的溫度變化圖1為混料比例1∶1時風向遠點、中點、近點堆體溫度隨鼓風過程的變化曲線。風向遠點堆體3個層次的溫度基本上對鼓風過程不響應,這主要是由堆肥原料的結(jié)構(gòu)和風量決定的(圖1-a)。通過鼓風過程對堆體溫度進行控制時,堆體的結(jié)構(gòu)和通風量都會對堆體溫度的變化產(chǎn)生影響。根據(jù)以往的試驗結(jié)果,當混料比例為1∶1時,堆肥物料中調(diào)理劑比例高,堆體通氣性好,鼓風過程對于堆溫影響比較明顯。但是當堆溫與氣溫相差不大時,通氣性好的堆體(或某些部位)有可能對鼓風作用不響應。同時,根據(jù)流體力學原理,在堆體底部的風室中,沿著風向設定的3個點中,風向遠點堆體的得到的風量最多,風向近點堆體得到的風量最少,因此在同一個堆肥倉中,好氧發(fā)酵的速度存在差異,風向遠點堆體物料的好氧發(fā)酵過程進行較快。在本試驗條件下,遠點堆體物料3個層次的溫度為21～23℃,而氣溫為20℃左右,與堆溫差別不大。鼓風過程持續(xù)40min,除了上層堆體溫度在鼓風開始階段0～10min呈現(xiàn)微弱下降趨勢(下降速率為0.02℃/min)外,其他各點的堆溫在持續(xù)鼓風過程中基本沒有變化。隨著鼓風過程的持續(xù)進行,風向中點堆體各層次的溫度都呈現(xiàn)下降趨勢,下層、中層、上層的溫度下降幅度分別為0.63℃、2.10℃、1.53℃(圖1-b),但是這種下降趨勢在整個鼓風過程中并不均勻。在鼓風的0～10min段內(nèi),各層次的溫度下降速率最快,下層、中層、上層分別為0.06℃/min、0.09/min、0.07℃/min;在鼓風的10～40min時間范圍內(nèi),下層的溫度基本沒有變化,中層、上層的溫度變化速率分別為0.04℃/min、0.03℃/min。堆體下層溫度較低,所以鼓風過程對于下層物料的溫度影響在鼓風開始階段較明顯(0～10min),隨后則影響不大。在整個鼓風過程中,中層的溫度變化最為明顯,主要是由于堆體溫度的高低和熱量平衡過程決定的。上層的溫度最高,但是上層與中層的溫差(3℃)小于中層與下層的溫差(10℃),所以上層與中層的熱量交換過程也較弱,中層對于上層的冷卻效應弱于下層對中層的冷卻效應。持續(xù)鼓風40min,中層的溫度平均下降速率約為0.05℃/min,上層則為0.04℃/min。在堆溫控制過程中,這一參數(shù)對于設定風機鼓風時間具有參考意義。風向近點堆體各層的溫度變化如圖1-c。各層次溫度變化在鼓風0～10min時間段內(nèi)最為明顯,下層、中層、上層的溫度變化速率分別為0.07℃/min、0.12℃/min、0.08℃/min;在10～40min時間范圍內(nèi),為0.01℃/min、0.03℃/min、0.02℃/min。鼓風對中層的溫度影響最大,對下層的溫度影響最小,與中點的堆體溫度變化規(guī)律類似。持續(xù)鼓風40min時,下層、中層、上層溫度的平均下降速率約為0.03℃/min、0.05℃/min,0.04℃/min。綜合上述討論,對于高調(diào)理劑比例的堆體,鼓風過程對風向遠點堆體各層次的溫度影響不大。對于風向中點、近點的堆體,鼓風使得中層、上層的溫度下降,平均下降速率為0.05℃/min、0.04℃/min。風向中點堆體的下層溫度基本不受鼓風作用的影響,但是風向近點堆體的下層溫度會隨著鼓風過程而下降,速率約為0.03℃/min。2.2熱空氣上升和下降相對1∶1的混料比例而言,3∶2比例中調(diào)理劑含量較低。以往的試驗結(jié)果表明,此種比例的堆體通氣性較差,堆體結(jié)構(gòu)容易變形,壓實現(xiàn)象明顯,堆體溫度較低。圖2是各層次的堆溫隨鼓風過程的變化曲線。當鼓風過程持續(xù)進行40min,風向遠點堆體的上層溫度呈現(xiàn)上升趨勢(圖2-a),幅度為0.8℃。因為中層溫度比上層溫度高2～3℃。隨著鼓風過程的持續(xù)進行,中層熱空氣上行,導致上層堆溫上升。這是一個動態(tài)平衡,熱空氣上升帶入熱量,同時上層熱空氣排入外界帶走熱量,堆溫的上升或下降取決于這兩種過程的迭加效應。本試驗條件下,上層溫度上升的速率為0.022℃/min。中層溫度在40min下降幅度為1.6℃,在0～10min下降速率約為0.12℃/min,在10～40min下降速率約為0.01℃/min。下層溫度隨著鼓風過程基本沒有變化,主要是因為下層溫度較低,與氣溫基本接近。風向中點堆體的上層溫度的變化速率為0.05℃/min(圖2-b)。中層的溫度變化也呈現(xiàn)不均衡趨勢,在0～10min下降速率約為0.12℃/min,在10～40min下降速率約為0.01℃/min。下層溫度對于鼓風過程沒有響應。風向近點堆體上層、中層的溫度隨著鼓風過程變化的趨勢和程度與遠點、中點堆體類似(圖2-c)。下層溫度變化約0.9℃,且變化速率在整個過程中較為均衡,速率約為0.025℃/min。因此,對于低調(diào)理劑比例的堆體,持續(xù)鼓風將會使上層堆溫上升,上升速率約為0.022～0.05℃/min。在本試驗條件下,主要是中層溫度較高引起的,但是這一現(xiàn)象是否具有普遍意義,有待深入研究。鼓風過程將會使得中層溫度下降,在鼓風開始階段(0～10min),下降速率較快,約為0.12℃/min,隨后變化速率較小,約為0.01℃/min。下層因溫度較低,除了風向近點堆體,其它部位的下層溫度則對鼓風過程沒有響應。3堆肥溫度鼓風過程鼓風是實現(xiàn)高溫好氧堆肥過程控制的重要手段。在城市污泥堆肥過程中,鼓風對堆體溫度的影響與調(diào)理劑的混合比例有關(guān)。當高調(diào)理劑的比例較高時,堆體風向遠點各層次溫度對于鼓風過程基本沒有響應。風向中點、近點堆體的中層、上層的溫度將會下降,下降幅度為0.05℃/min、0.04℃/min。風向中點堆體的下層溫度基本不受鼓風作用的影響,但是風向近點堆體下層溫度會隨著鼓風過程而下降,速率約為0.