2.2 污泥堆肥過程的物料平衡和熱量平衡

2.2.1 污泥堆肥的物料平衡

要真正了解污泥堆肥的過程，就必須有效了解堆肥在發酵裝置中的變化情況，并且最好能以定量形式來表示污泥堆肥中各種有機物成分在微生物作用下的氧化分解過程，掌握堆肥物料中各種成分在生化反應中的質量和能量平衡。但對于物質成分復雜的污泥堆肥反應來說，預先確定物料平衡是比較困難的。此處主要從理論上初步討論污泥堆肥過程中一般物料平衡的若干方程式（以連續操作裝置為例）。

2.2.1.1 計量反應式

污泥堆肥過程中，有機物和分子氧生成菌體、CO2、H2O、NH3等的化學反應式如下：

式中：t=0.5（r+2u+v-c）; u=a-p; v=0.5（b-q-3w）; w=d-s。

式（2-22）中：CaHbOcNd表示原料中有機成分，即揮發性物質（VM）的元素組成，CpHqOrNs表示未反應的原料和生成菌體的混合物，是污泥堆肥產物的元素組成。為了使式（2-22）在定量上成為完整的體系，將原料的單位質量作為基準，則式中a、b、c、d及p、q、r、s可分別由它們分子式中各元素的分子數確定。式（2-22）中的系數t、u、v、w等可用以下兩種方法來確定：①通過用污泥堆肥原料和產品的元素分析值，即干燥固體中C、H、N的質量分數實測值的方法確定，但同時必須測定干燥固體的質量變化；②在單位質量的原料進行堆肥化反應時，通過直接測定實際所消耗的摩爾數以及生成的CO2、NH3等的摩爾數來確定。實際上，通過分析可看出：在實際的堆肥過程中，方法①是不合適的，而采用方法②可以對堆肥過程進行正確的定量化分析處理。

2.2.1.2 固相成分變化率

1．揮發性成分的變化率

對于特定的原料，污泥堆肥反應程度可用原料中揮發性成分（VM）的變化率XVM表示。XVM定義如下：

則污泥堆肥制品中殘存的VM的質量WV可由式（2-24）求得：

式中 W0——干燥固體原料的質量；

S0——干燥固體原料中VM的質量分數。

若堆肥過程中，原料中的灰分不變，則當變化率為XVM時，成品污泥堆肥中VM的適量分數S可由式（2-25）求得：

若S已知，則由式（2-25）可求得XVM為

2．碳素變化率

在污泥堆肥過程中，可以通過直接測定堆肥過程中CO2的發生量來了解污泥堆肥反應的過程，而避開固體原料樣品的VM變化測定。由于產生的是污泥堆肥有機碳氧化所致，因此可用污泥堆肥中碳素的變化率XC來反映污泥堆肥反應的進程：

式中 S0C——干燥固體原料中碳素的質量分數。

2.2.1.3 碳素變化率與揮發性成分變化率的關系

1．XC與XVM的關系

式中 YVM/CO2——每生成1mol CO2所減少的VM的質量，g，該值由實驗測定，也稱收率。

2．收率的計算

如果通過試驗測得CO2發生量和各次取樣時VM的質量分數，則收率YVM/CO2的值可由式（2-29）求得：

式中 Wr, Sr——堆肥反應裝置內經取樣后，剩余干燥固體的質量及其中VM的質量分數；

Wsi, Si——每次取樣的干燥固體的質量和VM的質量分數；

G0——污泥堆肥過程產生的氣體總流量；

ZCO2——干燥氣體為基準的CO2與產生氣體的物質的量之比。

2.2.1.4 氮素的變換規律

污泥堆肥中氮素形態包括總氮（TN）、有機氮（總氮減去無機氮）、無機氮 [主要是氨態氮（-N）和硝態氮（-N）]，污泥堆肥可能導致氮素的礦化、NH3的揮發、硝化及反硝化作用，其中氮素的礦化將有機氮轉化為氨態氮，NH3的揮發和反硝化作用直接導致了氮素的損失，污泥堆肥過程中的氮含量及其存在形態的變化直接關系到最終堆肥腐熟產品的農業利用價值。堆肥中氮素的損失主要通過以下三個途徑進行：①高的pH值和高的堆肥溫度造成的NH3逸出；②水溶性含氮成分隨滲出水流失；③在缺氧條件下硝態氮反硝化引起的氣相NOX揮發。

2.2.1.5 伴有堆肥產品的固相各成分變化的計算

伴有污泥堆肥產品循環操作的物料平衡如圖2-4所示。

污泥堆肥過程中，為使污泥堆肥反應能夠連續有效地進行，通常把部分污泥堆肥腐熟料重新混入原料進行堆肥接種。這樣反應器入口固相成分的質量表示如下：

VM（干燥揮發性物質）：

TDS（干燥固體總質量）：

式中 ——污泥堆肥原料中干燥揮發性物質；

——污泥堆肥原料中的灰分；

F0——污泥堆肥原料中干燥固體總質量；

——反應器出口或成品堆肥中VM的變化率；

——成品堆肥中水分對原質量之比；

a——成品污泥堆肥的循環比。

污泥堆肥產品的循環比a和污泥堆肥原料與循環制品的質量比a′（干物基準）之間有如下關系：

污泥堆肥反應器內各固相成分質量可參照上面公式根據物料平衡進行相應推導，具體計算參考相關書籍。

2.2.2 污泥堆肥的熱量平衡

污泥堆肥過程通常可分為常溫階段、中溫階段和高溫階段，并且隨著堆肥系統的溫度的升高，堆肥發酵速度加快，更容易腐熟。因此，溫度是影響微生物群活動和污泥堆肥工藝過程的重要因素，同時溫度又受到污泥堆肥過程的熱量平衡控制。污泥堆肥中微生物分解有機物釋放出熱量，同時供氧、釋放二氧化碳和堆肥物料中水分蒸發等又帶走熱量，熱量的進出反映到污泥堆肥系統中即表現為堆體溫度的升降。作為一種生物活動系統，與非生物系統又有明顯的區別。對非生物系統而言，體系反應速度直接與溫度有關，是個線性關系：溫度越高反應速度越快；反之越慢。而靠酶促作用進行的污泥堆肥生物化學反應系統，則只在某些溫度范圍內有效，范圍之外的反應則是無效的，甚至是負效應，這種溫度的綜合影響主要是由于不同種類微生物的生長繁殖對溫度范圍有不同的要求。所以，對污泥堆肥過程進行相關的熱量平衡研究就至關重要。

熱力學第一定律表明，在一個平衡系統中，能量輸入等于能量輸出，是一種動態平衡關系。因此，把污泥堆肥的整個系統看做一個封閉系統，列出反應過程的熱量走向，即可得出平衡關系。

污泥堆肥系統的熱量平衡項目概括見表2-7。

2.2.2.1 連續操作過程中各項熱量及水平衡計算公式

（1）qz的計算：

式中 F0——干燥固體原料供給量，kg/d；

S0——固體原料中VM質量分數；

XVM——原料中揮發成分變化率；

Qs——污泥堆肥過程中單位質量VM生化反應的反應熱，kJ。

污泥堆肥過程中生化反應可視為氧化的磷酸化反應（ATP生成反應），在ATP生成反應中，氧原子每釋放1個電子其發熱值。

在生化反應中，1個氧分子要釋放4個電子，則生化反應熱：

式中：ΔO2即為污泥堆肥全過程中生化所消耗氧的摩爾數，當 ΔO2=1mol時，則 Qs=-443.5kJ/gVM，需換算成常用的熱量單位kcal，即為-106kcal/gVM。

（2）qs的計算：

式中 cps——固體原料比熱容；

te——出口固體溫度；

t0——入口固體溫度。

（3）qa的計算：

式中 G0——總供氣量；

cpq——氣體比熱容；

tg、——出、入口氣體溫度。

（4）qe的計算：

式中 l——反應裝置的高度；

——總傳熱系數；

Ae——傳熱面積；

t——反應裝置溫度；

ta——周圍環境溫度。

根據封閉體系的熱量平衡，則有：

（5）qw的計算：

式中 cpw——水的比熱容；

W′、——進、出口分水質量分數；

Qw——水分蒸發熱；

Q0cpw（t-t0）——液體水顯熱；

——水分蒸發帶走的熱量（水蒸發潛熱）。

（6）水平衡關系式：

式中 β——水生成量/VM減少量；

Mw——水分子量；

G0——干燥空氣量；

Y′——水蒸氣對干燥原料氣體摩爾數之比，則水的摩爾數′；——固相水分減少量；

βF0S0XVM——反應生成水分量；

——水蒸發量。

2.2.2.2 間歇操作過程中各項熱量及水平衡計算公式

（1）qz的計算：

式中 W0——干燥固體原料供給量。

（2）qs的計算：

（3）qw的計算：

（4）qe的計算：

同理，由熱平衡關系可得：

（5）水平衡關系式：