尹朝陽，雍 毅，葉 宏，謝 飛，黃 翔

(四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,成都 610041)

?

· 治理技術(shù) ·

蚯蚓生物處理污泥系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究及探討

尹朝陽，雍 毅，葉 宏，謝 飛，黃 翔

(四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,成都 610041)

通過對處理周期前后污泥、蚯蚓重量，以及有機(jī)碳等指標(biāo)的測定，對污泥處理系統(tǒng)進(jìn)行了物料衡算；生活污泥經(jīng)蚯蚓處理后，干重降低了28%，有效的實(shí)現(xiàn)了減量化，有機(jī)物質(zhì)總量削減了57.14%，穩(wěn)定化、無害化效果顯著。同時(shí)結(jié)合蚯蚓生物處理污泥系統(tǒng)原理，基于冬季有機(jī)碳等指標(biāo)的檢測數(shù)據(jù)，確定本系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)級(jí)數(shù)為一級(jí)，并在此基礎(chǔ)上，建立了動(dòng)力學(xué)模型與反應(yīng)器模型。

蚯蚓;污泥;動(dòng)力學(xué)

1 引 言

蚯蚓生物處理污泥技術(shù)是一種利用蚯蚓—微生物人工生態(tài)系統(tǒng)處理污泥的方法，它利用蚯蚓的生態(tài)功能，最終達(dá)到污泥減量、穩(wěn)定和資源化，蚯蚓處理污泥技術(shù)具有處理效果好、工藝設(shè)備簡單、維護(hù)管理方便、環(huán)境效益顯著、能耗低、費(fèi)用少等特點(diǎn)，在眾多的污泥處理技術(shù)中有其獨(dú)特的優(yōu)勢。

目前，國內(nèi)已有很多蚯蚓處理污泥工程實(shí)例，四川綠山生物科技有限公司在成都市溫江區(qū)、郫縣等地建立了污泥處理基地，采用“好氧堆肥+蚯蚓生物處理”工藝對污泥進(jìn)行處理；富陽誠龍蚯蚓養(yǎng)殖公司利用大平二號(hào)蚯蚓處理造紙污泥項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)際運(yùn)行；西安等地也建立了以蚯蚓生物法處理污泥的處理廠。

同時(shí)國內(nèi)很多學(xué)者開展了蚯蚓處理污泥的理論研究。白春節(jié)等[1]經(jīng)過研究表明，采用箱式養(yǎng)殖法，利用城市生活污泥直接飼養(yǎng)蚯蚓是可行的；賈輝等[2]通過研究比較蚯蚓在久置污泥與未完全發(fā)酵牛糞配比中和新鮮污泥與腐熟牛糞配比中的生長繁殖狀況，找出最適合蚯蚓生長繁殖的污泥與牛糞的配比；徐軼群等[3]采用塑料溫棚內(nèi)壟式堆積污泥培養(yǎng)蚯蚓方式，研究了蚯蚓處理對污泥重金屬的影響。

目前蚯蚓處理污泥理論研究主要集中在工藝參數(shù)、重金屬富集以及重金屬生物有效性的變化上，而對于蚯蚓處理污泥的機(jī)理研究則較少。本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步探討處理機(jī)理，并結(jié)合該工藝的特點(diǎn)，建立相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，以更好的指導(dǎo)污泥處理工作。

2 實(shí)驗(yàn)組織

本實(shí)驗(yàn)選擇一個(gè)污泥處理周期，測定蚯蚓增長率、污泥減重率、有機(jī)碳，以及C、H、N、S等元素總量的變化情況。污泥來自某城鎮(zhèn)生活污水處理廠的生化污泥，接種蚯蚓采用赤子愛勝蚓。本次實(shí)驗(yàn)選擇在冬季進(jìn)行。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，確定處理周期為25d，在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)一次性添加污泥，設(shè)置六條養(yǎng)殖床，每條養(yǎng)殖床長約2.5m，寬約60cm，共添加濕污泥500kg，每條養(yǎng)殖床蚯蚓接種量為4kg。實(shí)驗(yàn)共取樣品6次，平均間隔時(shí)間約為5d。

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

3.1 污泥減量及蚯蚓增重測算

本污泥處理系統(tǒng)，采用蚯蚓的生物作用對污泥進(jìn)行處理，蚯蚓在不斷增殖的同時(shí)，污泥中的物質(zhì)不斷被消耗和轉(zhuǎn)化，即可實(shí)現(xiàn)污泥的減量化、無害化和資源化。本實(shí)驗(yàn)測定了污泥減量及蚯蚓增重情況，并記錄了污泥的表觀特征變化，詳見表 1、表2。

表1 污泥重量及表觀特征變化Tab.1 Changes of weight and apparent characteristics of sludge

由表1可以看出，污泥經(jīng)過蚯蚓生物處理后，在含水率基本保持不變的情況下，濕污泥減少了190kg，減重比達(dá)到了38.0%，接近40%；干污泥減少了約24.11kg，減重比約28.7%，減量化作用明顯。污泥含水率由最初的83.2%降至80.68%，這主要是由于冬季為了保持養(yǎng)殖床的溫度，采用水稻簾進(jìn)行了覆蓋，加之溫度較低，水分自然蒸發(fā)較少。

表2 蚯蚓增重變化Tab.2 Changes of earthworm weight

由表2可以看出，蚯蚓含水率約為80.75%，蚯蚓采食污泥后，在轉(zhuǎn)化吸收了24.11kg物質(zhì)的情況下，由原來的24.00kg增重至27.41kg，增重了3.41kg，增重比約為14.21%。

3.2 元素及有機(jī)物分析

為研究污泥在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)各主要元素(C、H、O、N、S)總量以及有機(jī)物的變化規(guī)律，特對污泥樣品進(jìn)行了元素以及有機(jī)碳測定，數(shù)據(jù)詳見表3。

根據(jù)分析測量結(jié)果可知，原污泥中O元素含量最高，約為56.10%，其次是C、N、H、S，百分含量依次為29.65%、5.26%、4.09%、0.89%。各元素的質(zhì)量及質(zhì)量百分比均呈下降趨勢，其中N元素削減比例最高，約為41.55%；其次為碳元素，削減比例約為40.89%；H、O、S削減比例依次為36.69%、20.61%、19.95%。

原污泥中TC含量為29.65%(以干污泥計(jì))，TOC含量為28.50%(以干污泥計(jì))，可見污泥中C主要以有機(jī)碳為主，約占96.12%。經(jīng)過處理后干污泥中TC的百分含量由29.65%降低至24.58%，總質(zhì)量由24.91kg降至14.72kg，消耗質(zhì)量為10.18kg，削減比達(dá)40.89%；有機(jī)碳的百分含量由28.50%降低至22.39%，總質(zhì)量由23.94kg降至13.41kg，消耗質(zhì)量為10.53kg，削減比達(dá)43.98%，污泥的無害化效果顯著。同時(shí)TOC與TC消耗量基本相同，可見本工藝主要是通過蚯蚓吞食有機(jī)物質(zhì)，并對其進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。

表3 元素總量及有機(jī)物變化Tab.3 Changes of the total element and organic matter(kg)

本次實(shí)驗(yàn)測定了污泥樣品中TOC含量，參考《森林土壤有機(jī)質(zhì)的測定及碳氮比的計(jì)算》LY/T1237-1999，污泥中有機(jī)質(zhì)平均含碳量以58%計(jì)算，則可估算出相應(yīng)污泥中有機(jī)質(zhì)含量。經(jīng)計(jì)算，原污泥中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量百分比為49.14%(以干污泥計(jì))，經(jīng)蚯蚓處理后降至38.60%，降低幅度為10.54%。孫穎[4]等研究表明：污泥處理前有機(jī)質(zhì)質(zhì)量百分比為53.45%，處理后為 44.1%，降低幅度為9.35%；馮春[5]等研究表明：污泥處理前有機(jī)質(zhì)質(zhì)量百分比為52.5%，處理后為 37.5%，降低幅度為15.0%。由于處理的原污泥不同，因此有機(jī)質(zhì)含量存在差異，但有機(jī)質(zhì)降低幅度保持在9%～15%，處理后有機(jī)質(zhì)的百分比也維持在37%～44%。

3.3 物料衡算

結(jié)合上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，則可對該污泥處理系統(tǒng)進(jìn)行物料衡算，詳見下圖。蚯蚓通過吞食污泥(84kg，以干污泥計(jì))，將污泥中的有機(jī)質(zhì)(41.2kg)一部分轉(zhuǎn)化為身體所需要物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)自身增殖(約3.4kg)，一部分經(jīng)過轉(zhuǎn)化后以CO2和H2O形式(約20.6kg)排入大氣中，另一部分(無機(jī)物質(zhì)及代謝產(chǎn)物)則排除體外(約60kg)，具體詳見下圖。

圖 污泥處理系統(tǒng)物料平衡示意Fig. Diagram of the material balance of sludge treatment system

由上圖可以直觀看出，生活污泥經(jīng)蚯蚓處理后，干重降低了28%(③+④)，有效的實(shí)現(xiàn)了減量化；有機(jī)物質(zhì)總量削減了57.14%，處理后的產(chǎn)物中(①+②)，經(jīng)蚯蚓轉(zhuǎn)化的有機(jī)成分占總量的29.16%，穩(wěn)定化、無害化效果顯著。

4 模型建立

4.1 反應(yīng)級(jí)數(shù)確定及動(dòng)力學(xué)模型建立

蚯蚓生物處理污泥的原理為：蚯蚓為了自身生存的需要，吞噬大量污泥中的有機(jī)物等營養(yǎng)成分，除了一部分被蚯蚓本身吸收同化外，代謝剩余產(chǎn)物大部分最后以蚓糞的形式排泄出來，即蚯蚓生物處理系統(tǒng)的過程是一個(gè)有機(jī)物質(zhì)不斷減少，蚯蚓逐漸增重的過程。因此可根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，以有機(jī)碳的變化為基準(zhǔn)建立動(dòng)力學(xué)模型，即蚯蚓是反應(yīng)過程中的生物催化劑，將污泥轉(zhuǎn)化為價(jià)值高的產(chǎn)品。

根據(jù)上述分析，以有機(jī)碳減少速率確定的動(dòng)力學(xué)模型為：

υ =kcn

υ：有機(jī)碳減少速率；

k：反應(yīng)速率常數(shù)；

c：有機(jī)物濃度；

n：反應(yīng)級(jí)數(shù)。

其中k為一常數(shù)，只隨反應(yīng)溫度而變化，在本次實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)溫度較為穩(wěn)定，可視為不變。n為反應(yīng)級(jí)數(shù)，其定義為，若某一反應(yīng)的速率公式可以表達(dá)為：

υ = kCAaCBb

則各濃度項(xiàng)指數(shù)之和n=(a + b + ……)，為反應(yīng)的總反應(yīng)級(jí)數(shù)。

反應(yīng)級(jí)數(shù)的大小表示了濃度對反應(yīng)速率的影響程度，級(jí)數(shù)越大，則反應(yīng)速率受濃度影響越大。n不一定都是正整數(shù)，也可能是分?jǐn)?shù)、0、負(fù)數(shù)。任何一個(gè)反應(yīng)級(jí)數(shù)都是由實(shí)驗(yàn)確定的。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的速率微分式、速率積分式詳見表4。

表4 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型相關(guān)參數(shù)Tab.4 The related parameters of reaction kinetics model

反應(yīng)級(jí)數(shù)的確定可以采用積分法和微分法，其中積分法又包括嘗試法、作圖法以及半衰期法。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)(每隔幾天采集樣品，具有濃度數(shù)值及對應(yīng)的時(shí)間數(shù)值)，選用作圖法求得反應(yīng)級(jí)數(shù)。根據(jù)表4可知：

零級(jí)反應(yīng)：c～t呈線性關(guān)系；

一級(jí)反應(yīng)：lnc～t 呈線性關(guān)系；

二級(jí)反應(yīng)：1/c～t 呈線性關(guān)系；

三級(jí)反應(yīng)：1/c2～t呈線性關(guān)系；

n 級(jí)反應(yīng)：1/cn-1～t呈線性關(guān)系。

因此可分別做c、lnc、1/c、1/c2((1/cn-1與t的關(guān)系曲線，并進(jìn)行線性擬合，選擇線性擬合系數(shù)高的一組，即可確定反應(yīng)級(jí)數(shù)n。為了客觀表示有機(jī)碳的降解過程，以原始污泥干重為基數(shù)，求得不同時(shí)刻TOC的百分含量，以此作為c，并分別計(jì)算c、lnc、1/c、1/c2、1/c3，求得與t的線性擬合系數(shù)，詳見表5。

表5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.5 Data statistics

由表5可知，c、lnc、1/c、1/c2、1/c3與t的關(guān)系曲線的線性相關(guān)系數(shù)R2值分別為0.926、0.946、0.940、0.917、0.877，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，因此可認(rèn)為該系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)級(jí)數(shù)為一級(jí)，反應(yīng)模型為：

υ=kc

微分式為：

-dc/dt=kc

根據(jù)上述分析，在冬季，蚯蚓污泥處理系統(tǒng)為一級(jí)反應(yīng)，因此，污泥的處理速度(有機(jī)物質(zhì)的降低速度)與污泥有機(jī)物質(zhì)初始濃度有關(guān)。可以看出，不僅蚯蚓生物處理污泥系統(tǒng)的原理與污水生物處理原理相似，而且在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)上也具有相同點(diǎn)，即在外界具有充足營養(yǎng)的情況下，會(huì)提升系統(tǒng)反應(yīng)速度。

4.2 反應(yīng)器模型建立

反應(yīng)器是化工生產(chǎn)過程中的核心部分，在反應(yīng)器中所進(jìn)行的過程，既有化學(xué)反應(yīng)過程，又有物理過程，并有多方面的影響因素?；瘜W(xué)反應(yīng)工程把這種復(fù)雜的研究對象用數(shù)學(xué)模型的方法予以等效簡化，使得反應(yīng)裝置的選擇、反應(yīng)器尺寸的計(jì)算、反應(yīng)過程的操作及最優(yōu)控制等較為科學(xué)。反應(yīng)器的概念在水處理中含義較廣泛，各種單元處理所用的設(shè)備或構(gòu)筑物均可稱之為反應(yīng)器，包括化學(xué)反應(yīng)、生物化學(xué)反應(yīng)以至純物理過程等。

由于反應(yīng)器內(nèi)實(shí)際進(jìn)行的物質(zhì)遷移或流動(dòng)過程相當(dāng)復(fù)雜，建立數(shù)學(xué)模型十分困難。為此，將反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)遷移或流動(dòng)作一些假定予以簡化。通過簡化的反應(yīng)器稱理想反應(yīng)器?？山品从痴鎸?shí)反應(yīng)器的特征，并可由此進(jìn)一步推出偏離理想狀態(tài)的非理想反應(yīng)器模型。即：完全混合間歇式反應(yīng)器(Completely mixed batch reactor，簡稱CMB型)；推流式反應(yīng)器(Plug flow reactor，簡稱PF型)；完全混合連續(xù)式反應(yīng)器(Continuous stirred tank reactor，簡稱CSTR型)。

本項(xiàng)目采用的蚯蚓生物污泥處理系統(tǒng)，采用一次性加料方式，待污泥處理完成后，再一次性出料，可近似于完全混合間歇式反應(yīng)器(CMB型)。完全混合間歇式反應(yīng)器在整個(gè)反應(yīng)過程中，既無新的物料投入，也無反應(yīng)產(chǎn)物排除容器。就該系統(tǒng)而言，在反應(yīng)過程中，不存在物料的輸入和輸出，即無輸入量和輸出量，只有變化量和反映量。假定在處理過程中溫度恒定，可得出下列反應(yīng)式：

當(dāng)t=0時(shí)Ci=C0，對上式積分得：

根據(jù)前文分析，養(yǎng)殖床內(nèi)為一級(jí)反應(yīng)，則r(Ci)=-kCi，代入上式得：

污泥的處理過程是一個(gè)污染物濃度降低的過程，在此以污泥處理前后有機(jī)碳的變化作為模型參數(shù)。其中t為污泥的處理時(shí)間，C0為初始污泥中有機(jī)碳的質(zhì)量百分比，Cn為處理后污泥中有機(jī)碳的質(zhì)量百分比。此外，在測定周期內(nèi)，溫度變化幅度較小，可忽略溫度變化對處理系統(tǒng)的影響。取污泥處理前后的有機(jī)碳測定值，則根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可求得k值，繼而得出該條件下反應(yīng)器模型，詳見表6。

表6 反應(yīng)器模型參數(shù)表Tab.6 Reactor model parameters

為驗(yàn)證建立模型的準(zhǔn)確性，可代入實(shí)驗(yàn)中的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)與C0值，計(jì)算出相應(yīng)的Ci值，并與測定的有機(jī)碳百分含量進(jìn)行對比，采用Correl函數(shù)計(jì)算兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)性，詳見表7。

表7 數(shù)據(jù)對比表Tab.7 Data comparison table

由表7可以看出，采用本文模型計(jì)算出的各Ci值與實(shí)驗(yàn)測定值基本相同，采用Correl函數(shù)計(jì)算出的兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.974，標(biāo)明兩組數(shù)據(jù)相關(guān)程度高，差異較小，本文建立的反應(yīng)器模型可信。

5 結(jié) 語

通過對處理周期前后污泥和蚯蚓重量、有機(jī)碳等指標(biāo)的測定，對污泥處理系統(tǒng)進(jìn)行了物料衡算；生活污泥經(jīng)蚯蚓處理后，干重降低了28%，有效的實(shí)現(xiàn)了減量化，有機(jī)物質(zhì)總量削減了57.14%，穩(wěn)定化、無害化效果顯著。同時(shí)根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在冬季本系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)級(jí)數(shù)為一級(jí)，即污泥的處理速度(有機(jī)物質(zhì)的降低速度)與污泥有機(jī)物質(zhì)初始濃度有關(guān)，并在此基礎(chǔ)上，建立了動(dòng)力學(xué)模型與反應(yīng)器模型。

本文旨在對蚯蚓生物處理污泥系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究及模型建立尋求一種方法，因此只建立了冬季某一段時(shí)間的動(dòng)力模型與反應(yīng)器模型。后續(xù)可繼續(xù)檢測其它季節(jié)代表性溫度下的相關(guān)數(shù)據(jù)，建立各代表性溫度下模型，以指導(dǎo)污泥處理工作。但可以預(yù)測，在冬季溫度較低，蚯蚓活力差的情況下，污泥的處理速率尚與污泥有機(jī)物濃度有關(guān)，在春、夏季等溫度較高時(shí)，本系統(tǒng)反應(yīng)速度仍將與底物濃度有關(guān)，反應(yīng)級(jí)數(shù)仍為一級(jí)或更高。

[1] 白春節(jié)．城市剩余活性污泥直接飼養(yǎng)蚯蚓可行性研究[J]．微生物學(xué)通報(bào)，2007，34(1)：116-118．

[2] 賈 輝．利用蚯蚓處理污水廠活性污泥過程中蚯蚓生長繁殖的研究[D]．長春：東北師范大學(xué)，2008．

[3] 徐軼群，周 璟，董秀華，封 克．蚯蚓活動(dòng)對城市生活污泥重金屬的影響[J]．農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29(12)：2431-2435．

[4] 孫 穎，桂長華，孟 杰，錢光人．利用蚯蚓活動(dòng)改善污泥性狀的實(shí)驗(yàn)研究[J]．環(huán)境化學(xué)，2007，26(3)：343-346．

[5] 馮 春．城市污水處理廠污泥蚯蚓堆肥技術(shù)研究[D]．貴州:貴州大學(xué)，2008．

Study on the Kinetics of Sludge Treatment with Earthworm

YIN Zhao-yang, YONG Yi, YE Hong, XIE Fei, HUANG Xiang

(SichuanResearchAcademyofEnvironmentalScience,Chengdu610041,China)

By means of the determination of sludge, earthworm weight and organic carbon during the treatment period, the material balance of the sludge treatment system had been calculated. The dry weight of domestic sludge has decreased by 28% after the treatment by earthworm with effective implementation of the reduction and the total amount of organic matter has reduced by 57.14% with significant stabilization and harmless effect. Combined with the principle of earthworm biological sludge treatment system and based on the testing data of organic carbon and other indicators in winter, this study determined kinetic the reaction grade of this system was Grade one and established the dynamics model and reactor model on the basis of previous studies.

Earthworm; sludge; kinetics

2016-02-18

尹朝陽(1985-)，男，河北省晉州人，于2011年畢業(yè)于西南交通大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事固體廢棄物處理處置與資源化利用工作。

X703

A

1001-3644(2016)03-0101-06