城市污泥好氧堆肥自动控制工艺及有机质降解模型的研究

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本研究开发了基于温度-氧气反馈通风的自动控制方法,即分别由温度和氧气传感器探测堆体内部温度和氧气的实际值,并将信号传到可编程逻辑控制器(PLC)和上位组态软件,根据预先设定的工作参数自动调整步进电磁阀门的开度从而控制堆体的通风量,其中工作控制参数在运行前根据堆肥物料的差异进行设定。根据堆肥过程温度的动态变化,将堆肥过程分为适应期、快速升温期、持续高温期和物料脱水期,结合堆体中心点温度和氧气含量的变化规律,分阶段控制通风量,有利于堆体快速升温和有机质的降解,减少通风能耗。  以城市污泥与锯末为原料,在50L一体化污泥好氧堆肥发酵仓内利用温度-氧气反馈通风的自动控制方法,采用3组不同通风工况进行静态好氧堆肥试验,分析堆体温度、VS、含水率、发芽指数(GI)和p H值随时间变化的特点,结果表明当城市污泥与锯末质量比4:1、含水率为67%、C/N比为20.6:1时,三种通风工况均可实现高温好好氧堆肥。整个堆肥过程p H大部分时间均处于7.5~8.5之间,不必进行相应的调整。工况2以[48、36、24、36、60、60 L/h]的低功耗连续通风的方式有机质降解及灭菌效果最为显著,GI值>80%,且最节能,因此堆肥效果最佳。  在250L发酵仓内,分别设置3组堆肥,其中1号采用间歇式通风控制工艺,2号和3号分别采用连续式通风控制工艺,研究不同控制工艺对堆温度、尾气及理化性质的影响,结果表明:3个堆体的温度在纵向深度上均存在明显的波动差异性,均满足T2>T1>T3>T4,因此选择T2(几何中心处温度值)作为整个堆肥过程的温度控制点;连续式通风工艺可实现堆体快速升温,保持较长时间高温及实现堆体快速腐熟,且可减少CO2和臭气(NH3和 H2S)的产生与释放。  选取连续控制工艺下的2号和3号反应器的堆体作为有机质组分降解规律及模型研究的对象,通过分析总糖、脂肪、蛋白质、半纤维素、纤维素和木质素等有机质组分在不同阶段的降解特征,得出易生物降解部分在堆肥前6天降解效果明显,平均降解率可达58.5%,后期降解效果较为缓慢;中等程度降解有机质在前4天降解效果不显著,而在持续高温期降解率高;难生物降解部分主要集中在堆肥后期进行降解,总降解小于10%。各有机质组分的降解满足一阶降解动力学模型,且线性关系显著,其中易降解有机质组分的降解速率常数在0.815~0.969 d-1之间,中等程度降解部分为0.0384~0.0536 d-1,难降解部分在0.0086~0.0089 d-1之间,可以得出易降解组分的速率常数约为中等程度降解部分的2倍,而远大于难降解部分,各具体组分的平均降解速率大小关系为:总糖>蛋白质>脂肪>半纤维素>纤维素>木质素。
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