污泥生物干化反应过程物料能量计算及分析
⇨⇦
摘 要：本文结合某污水处理厂污泥处理项目的实际生产情况，以单反应槽处理污泥10t/d为计算基础，结合不同季节外界及堆体不同温度，分别对生物干化反应过程的物料及能量平衡进行计算，计算结果与实际运行情况基本相符。通过计算发现，在现阶段影响生物干化反应过程的主要因素为初始混合物含水率、可生物降解有机质含量及通风量。
关键词：污泥；生物干化；物料能量平衡
目前国内应用的污泥处理处置技术主要有：生物干化、热干化、焚烧（掺烧）、石灰处理等，综合对比投资费用、处理成本，及污泥最终产物的可利用方向，采用生物干化技术处理污泥，并已于2012年底建成使用一座日处理含水率80%的污泥1000t的污泥处理项目。根据两年来的实际生产情况来看，出料含水率与外界环境温度有关系，冬季出料含水率一般在40%—45%，非冬季出料含水率在25—40%之间。本文对污泥生物干化反应过程中的理论物料及能耗平衡进行核算，寻找影响反应过程的主要因素，以期对今后优化生产工艺过程提供一定的技术支持。
一、好氧生物干化过程的物料平衡
本项目主要是将含水率80%的污泥与一定的稻壳、返混料混合，得到含水率在60%以下的初始混合物，进入生物干化车间后经过约22d的好氧生物干化反应，得到含水率在40%以下的产物，产物的绝大部分作为返混料使用，余下一小部分作为产品运出。在整个好氧生物干化过程中物料平衡计算的基本思想是：输入的混合物料 加上通入的空气在反应过程中必须等于新增殖的细胞、其他简单有机物、二氧化碳、水、氨等分解产物的总和。好氧生物干化反应过程中通入的空气主要有三方面作用：（1）可生物降解有机物反应所需要的氧气，（2）带走生物干化过程去除水分的空气量，（3）生物干化过程中温度过高时，冷却堆体需要的空气量。
二、好氧生物干化过程的能量平衡
整个好氧生物干化过程视为一个体系，则根据热力学第一定律，在一个平衡的系统中，释放的能量=消耗的能量。释放的能量=可生物降解有机物反应所产生的热量（Q1）。消耗的能量=物料中水升温需要的热量（Q2）+物料中固体物质升温需要的热量（Q3）+进入反应过程的空气升温需要的热量（Q4）+水分蒸发需要的热量（Q5）。需要说明的是，在本次能量平衡公式中没有考虑翻堆过程瞬间释放的热量、反应槽体吸收的热量。因此，在实际生产中，只有Q1≥Q2+Q3+Q4+Q5才能保证好氧生物干化反应过程的自主进行，否则将需要外加能量。
三、好氧生物干化反应过程的理论计算
（一）好氧生物干化过程中水分的变化
假设好氧生物干化过程中可生物降解的有机质全部反应，其反应式为[1]：
C40H60.8O30.3N2.5+27.175O2→C10H16O3N2+30CO2+21.65H2O+0.5NH3
其中：有机质分子式为1060.6，空气中氧含量为21%，出料含水率为40%。
则经计算，有机质分解需氧量为604.07m3、有机质分解需要空气量为2876.52m3，有机质分解产生的水量为0.39t，有机质分解后的残留物为0.22t。产物中固体量为7.64t，产物中水量为5.1t，则反应过程中需要去除的水分为7.4t。
（二）非冬季好氧生物干化过程中通风量及能量
根据生产实际情况，在非冬季时间内按车间温度25℃、堆体温度60℃考虑，此时空气的饱和水蒸汽含量分别为22.8g/m3、129g/m3。若带走全部7.4t水需要的通风量为69600m3。为便于计算不考虑翻堆曝气、堆体温度过高曝气及鼓风机故障，视堆体温度恒定，进出堆体的空气中水蒸汽均为饱和。则生物干化反应过程中需要通风量为72476.52m3。根据设计，每个反应槽对应6台曝气鼓风机，每台鼓风机风量为2000m3/h，折算到单台鼓风机开启时间为15min/h。释放能量>消耗能量时，无需外加能量而保证生物干化反应过程的顺利进行。若考虑释放能量=消耗能量时，则产物出料含水率为35%，此时需要的通风量折算到单台鼓风机开启时间为17min/h。
四、影响生物干化反应过程的因素
（一）含水率
初始混合物的含水率是影响生物干化反应过程的重要因素，通常认为适宜反应的含水率在40—65%之间，当含水率超过65%时，物料孔隙率相对降低，影响通气效果，当含水率低于40%时，会影响反应过程中微生物的活性[5-7]。从堆体升温角度来说，水的比热容基本上是干物质的比热容的4倍，因此每升高1℃，水吸收的热量约是干物质的4倍，初始混合物含水率越高，物料中的水升温需要的热量越多，影响反应效果及物料升温时间。
（二）可生物降解的有机质
在发酵过程中，可生物降解的有机质分解释放热量来维持物料反应所需的温度，如果该部分有机质较低则不能有效的将水分去除。同时还限制发酵过程中微生物的生长繁殖，最终影响反应效果。
（三）温度
对于生物干化反应过程而言，物料的温度影响微生物活性，温度过低导致反应过程延长，也不能实现污泥无害化的目标，温度过高导致物料中有益的微生物被杀死影响反应。外界环境的温度对出料的含水率有明显影响，环境温度高时，空气中湿度相对较低，同等曝气条件下带走的水分较多。
（四）通风量
在好氧生物干化过程中通风有重要的作用，一方面为微生物发酵过程提供氧气，一方面通过对通气量的控制调节堆体的温度，同时利用气体将水分带走。结合本文计算可以发现，在同等通风量的情况下，由于温度原因夏季带走的水分较多，也就是说当外界环境温度相对较高时，保持相对较多的通风量可以缩短物料反应时间，提高反应效率。
五、结论
通过计算可以发现，在现阶段影响整个生物干化过程的主要因素为初始混合物中的可生物降解的有机质、通风量，外界环境温度较低时，带走同样水分需要的通风量较高，消耗的能量较大，需要的可生物降解的有机质较多。因此可全年综合调控外加稻壳的量，寒冷季节增加稻壳的添加量，相对温暖季节可减少稻壳的添加量。外界环境温度较高时，可通过调整翻堆频次及鼓风机工作时间，以加快生物干化反应过程，减少物料在反应槽内的时间，提高单位污泥处理量。
参考文献：
[1] 陈世和.城市垃圾堆肥原理与工艺[M].上海：复旦大学出版社，1990.
[2]王华. 污泥好氧堆肥理论研究及计算机模拟[J]. 华中科技大学， 2007.