（工程热物理专业论文）有机废弃物堆肥过程中的传热传质研究.pdf

上海交通大学硕士学位论文 有机废弃物处理过程中的传热传质研究 摘要 ? ：随着社会经济的发展，人们生活水平不断提高，城市有机废弃物的 处理和利用问题越来越为人们所关注。对有机废弃物进行堆肥化处理是 解决城市有机垃圾问题的最有效和应用最广泛的方法。既能解决带给城 市压力越来越大的环境污染问题，又能够有效地利用资源，其堆肥产品 是农作物生长所需的有机肥料。然而，堆肥化处理有机废弃物问题的关 键是如何确保堆肥过程能够分解废弃物引起恶臭的腐烂物质、完全消灭 病原体、减少垃圾体积和重量及其含水量。目前我国对堆肥化处理有机 废弃物过程中的传热传质问题缺乏理论研究，很难掌握堆肥过程中堆肥 混合物温度和含湿率随堆肥时间的变化规律等，这样就不可能保证堆肥 j 质量。7 本文针对堆肥过程中的热质传递问题进行了理论分析和现场测试， 针对堆肥过程，重点对槽式堆肥过程建立了多孔介质传热传质模型，考 察了各种堆肥参数对堆肥质量的影响规律以及堆肥混合物中温度场和湿 度场随堆肥时间的的变化规律，为保证堆肥质量提供了参考依据。 厂1 、本文先分析了堆肥的基本原理，简单介绍了堆肥化的几种方法， i 针对堆肥过程的特征，通过一些合理假设，把堆肥化处理的堆肥混合物 进行简化建立了多孔介质模型。 上海交通太学硕士学位论文 摘要 2 、本文接下来系统地阐述了多孔介质的传热传质基本理论与经验公 式。内容主要包括多孔介质中流体的流动机理及其基本方程，多孔介质 中的热传递方式和描述方程、多孔介质中的传质规律以及它们的适用条 件。 3 、本文利用多孔介质中的传热传质理论，参考了当前多孔介质传热 传质研究的最新成果，结合课题针对槽式堆肥过程的传热传质问题建立 了物理数学模型，并编制了通用程序，通对某饲养场以动物粪便以堆肥 原料的槽式堆肥过程进行数值计算，得出了堆肥混合物中的温度和湿度 分布，以及它们在堆肥过程中随时间的变化规律。 4 、本文还对该槽式堆肥过程进行了现场实测，并把实测数据与计算 数据进行了分析比较，对误差产生的原因进行了分析，并且提出了改进 l 方向。 ：， 本文的模型以比较高的精度模拟了堆肥过程中的传热传质规律，对 实际堆肥过程中设计堆肥装置，控制堆肥质量具有重要的参考价值和现 实的指导意义。 关键字：堆肥，多孔介质，传热传质，数值计算，有机废弃物 上海交通大学硕士学位论文 a b s n t p r o c e s s w i t hh i g hp r e c i s i o n t h es t u d i e si nt h i st h e s i so f f e rr e f e r e n c e s a n d g u i d a n c e f o rt h ed e s i g no fc o m p o s td e v i c e sa n dc o n t r o lo fc o m p o s t q u a l i t yi ne n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：p o r o u sm e d i a ，h e a t a n dm a s st r a n s f e r n u m e r 。l c a c o m p u t a t i o n ，o r g a n i c w a s t e s 圭塑奎堕盔兰堡主兰垒笙苎 竺! 里兰： r e s e a r c ho nh e a ta n dm l 蟠st r a n s f e rp r o c e s s 0 ft h et r e a t m e n ta n dr e u t i l i z a t i o n0 f o r g a n i cw a s t e s a b s t r a c t a l o n g w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fe c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to f t h ep e o p l el i v e s 。t r e a t m e n ta n dr e u t i l i z a t i o no fo r g a n i cw a s t e si nm o s t c i t i e sb e c o m ea ni m p o r t a n tp r o b l e m c o m p o s ti st h em o s tp o p u l a ra n d u s e f u lt e c h n o l o g yt o t r e a tt h e s eo r g a n i cw a s t e s ，w h i c hc a nn o to n l y s o l v et h ee n v i r o n m e n t a l p r o b l e m b u t a l s or e u t i l i z et h er e s o u r c e b e c a u s et h eo u t p u to fc o m p o s ti sag o o df e r t i l i z e r h o w e v e ei nv i e wo f t h es i t u a t i o no ft h ec o m p o s tr e s e a r c hi no u rc o u n t r y , i ti si m p o s s i b l et o c o n t r o lt h eq u a l i t yo fc o m p o s tb e c a u s et h e r ei sl i t t l er e s e a m ho nt h e h e a ta n dm a s st r a n s f e rp r o c e s so fc o m p o s t t h i st h e s i sm a i n l yc a r d e s o u tt h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h eh e a ta n dm a s s t r a n s f e r p r o c e s s o fc o m p o s tb a s e do nap o r o u sm e d i am o d e lw i t ha ne m p h a s i s o nt h ef a c t o r st h a ta f f e c tq u a l i t yo fc o m p o s ta n dt h et e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t y v e n u st h ec o m p o s t p r o c e s s f i r s t l y t h i st h e s i s a n a l y z e d t h eb a s i c t h e o r y a n dm e t h o d so f 上海交通大学硕士学位论文a b g l a c t c o m p o s t i n g b a s e d o nc h a r a c t e r so f o r g a n i c w a s t e sa n d i o g i c a h y p o t h e s e s ap o r o u sm e d i am o d e lf o r s t u d i e sa b o u tt h eh e a ta n d m a s st r a n s f e rp r o c e s so fc o m p o s tw a se s t a b l i s h e d nt h es e c o n dc h a p t e r it h et h e s i s s y s t e m a t i c a l l y d i s c u s s e dt h e t h e o r yo fh e a ta n dm a s s t r a n s f e ri np o r o u sm e d i aa n di n t r o d u c e ss o m e e x p e r i m e n t a l f o r m u l a s f l o wa n dh e a tt r a n s f e ro f l i q u i di np o r o u sm e d i a w a s e s p e c i a l l yt a l k e da b o u t b a s e do nt h et h e o r yd i s c u s s e di nt h es e c o n dc h a p t e r , t h ep h y s i c a l a n dm a t h e m a t i c a lm o d e l sa b o u ts t u d i e so ft h eh e a ta n dm a s st r a n s f e r nc o m p o s tp r o c e s sw a ss e tu pr e f e r r i n gt ob o t ht h ef o r n l e rs i m u l a t e s a n db o u n d a r yt h a tf e e d e r sl a r g e l yu s e di nf a c t o r i e s t h e nt h ea u t h o r p r o g r a m m e dac o m p u t e r c o d et h a ti s a p p l i c a b l e f o ro n eo rt w o d i m e n s i o n sn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ng r o o v e c o m p o s t a sas a m p l e ，a c o m p o s tp r o c e s s w a ss i m u l a t e da n ds e v e r a l p i c t u r e s a b o u tt h e d i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yw e r ed r a w n a ne n g i n e e d n ge x p e r i m e n t a ls t u d yh a sb e e nc a r r i e do u to na a c t u a l c o m p o s t a f t e ra f u l l a n a l y s i s o ft h e e x p e r i m e n t a l d a t aa n d s i m u l a t e dd a t a ，t h er e a s o n st h a tc a u s e dd i f f e r e n c ew a si n t e r p r e t e d a n da ni m p r o v e dm e t h o dw a sb r o u g h tf o r w a r d t h es t u d i e s i nt h i s t h e s i s t h em o d e lh a ss i m u l a t e dt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e ri nc o m p o s t 上海交通大学硕士学位诧文第一章绪论 1 1 本课题的任务和意义 第一章绪论 一处理有机废弃物的重要性 环境问题与资源、人口问题已经被国际社会公认为是影响2 1 世纪可持续发展的 三大关键问题。随着二十多年来我国经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，污 染物排放量迅速增加，环境污染已经成为制约我国经济与社会的进一步发展及人民生 活与健康水平进一步提高的重大因素。我国早将保护环境确定为一项基本国策，并制 定了经济建设和环境建设同步规划、同步实施、同步发展，实现经济效益、社会效益 和环境效益想统一的方针n 。近年来，世界各国人民的环境意识普遍提高，保护、治 理、改善环境的重要性已得到全面的共识n ”。其中，由于工业快速发展，城市规模 不断扩大，当前世界上工业发达国家城市垃圾数量剧增。目前几个发达国家垃圾年产 量如下：美国为1 8 亿吨，英国和法国均为1 4 0 0 万吨，而这些国家以往几年城市垃 圾的增长率都在4 左右“1 。我国城市垃圾每年排出大约1 亿吨1 。 城市垃圾的成分很复杂，但大致可分为有机物、无机物和可回收废品三类。属于 有机物的垃圾主要为动植物废弃物，其中往往有病原微生物存在，这样的垃圾未经处 理，危害很大，就算是直接作为农肥，其危害亦相当大，因为病原体可随瓜果、蔬菜 等返回城市，传病于人，因此必须妥善处理。 同时，有机废弃物潜在的利用价值也被人们所认识。有机废弃物不仅蕴涵着大量 的能源物质，如碳素，也拥有丰富的作物生长所需要的营养物质，如氮，磷钾等微量 元素。而且，人们己逐步认识到长期掩用化学肥料和化学农药对土壤结构和食品都存 在着污染，影响人类健康和破坏生态平衡。为此，对有机废弃物进行处理与再生利用 以至形成无害化的最终产品的研究是非常必要的。 当今世界各国政府和人民对地球环境问题的重要性，不断有着新的认识，已经意 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 识到这一代人必须在注重经济发展的同时，肩负起为后人保存有限的地球资源和回归 地球生态环境的重任。经济可持续发展的原则正逐步成为各国共同遵守的行为准则。 上海作为中国最大的城市，正在国际上发挥着日益重要的作用。上海市政府一直 重视环境保护，“九五”环境治理也取得了很大的成果，但是上海的环境问题仍相当 突出，与经济快速发展的形势、与市民对改善环境质量的要求、与建设现代化国际大 都是的战略目标还有相当的差距 1 。由上海市环境卫生统计资料“1 ，上海及其周边地 区生活垃圾的排放量达每年2 2 万吨，动物性废弃残渣为7 4 0 万吨，农村废弃物残渣 为3 0 0 万吨，而这些废弃物残渣都几乎没有得到妥善处理。其中值得注意的是城市污 染结构正在发生变化，生活污染、农业面源污染、畜禽业污染等有机废弃物污染的比 重急剧上升，对改善环境的压力越来越大。 在这样的内外形势下，对有机废弃物的处理进行研究无疑具有极其重要的意义。 二堆肥过程原理 有机垃圾的处理原则，首先是应该无害化，处理后的垃圾化学性质应稳定，病原 体被杀灭，要达到我国无害化处理暂行卫生评价标准的要求“1 。其次是尽可能资源 化，处理后将其作为二次资源加以利用。最后是应坚持环境效益、经济效益、社会效 益相统一。 针对以上原则，堆肥是处理有机垃圾方法中的一种行之有效的方法。这是因为： 一方面，我国农村数千年来有着堆肥的习惯：另一方面，农村需要肥料，城市中的有 机垃圾是理想的堆肥原料，采用这些原料进行堆肥，既可以达到城市有机垃圾无害化 处理的目的，又可以生产出优质有机肥料n “”1 。 堆肥有好氧和厌氧两种，多数采用好氧。因为好氧堆肥时间短，不产生恶臭。好 氧堆肥露天进行，全过程所需时问，冬季约为一个月；夏季约为半个月占地面积较大， 粉碎后的有机垃圾分层堆在地面上，堆高3 m ，底宽4 i n ，顶宽2 m ，长度不限，加上覆 盖表面。在堆底预先开挖通风沟，堆中预先插入通风管，以保证好氧分解菌所需要的 氧气。堆中好氧菌分解有机物产生生物热，当气温2 0 摄氏度时，3 5 天后堆中温度 可上升至6 0 摄氏度左右。此后有机物产生消化，病原菌及寄生虫卵逐渐被消灭。 三研究有机废弃物处理过程中热质传递的重要性 了解堆肥过程中的温度和湿度变化情况，为控制堆肥过程，调节堆肥温度和湿度 2 毒 上悔交通大学硕士学位论文 第一章绪论 等堆肥参数，确保堆肥质量提供参考依据。 1 2 国内外研究概况 堆肥不仅在土壤需要大量有机肥的不发达国家应用广泛，而且在俄罗斯、丹麦、 德国等发达国家也采用。厌氧堆肥因其发酵时间长，占地大，发酵过程中产生的臭气 多而应用日益减少。动态发酵( 堆肥) 具有发酵时间短，臭气少，发酵温度均匀，无 害化彻底等优点，其应用范围日益广泛。英国从上个世纪20 年代开始研究厌氧堆肥， 丹麦从上个世纪30 年代开始应用好氧堆肥。我国从上个世纪80 年代开始研究堆肥 并兴建了一批堆肥厂，但这些工艺多以静态、半动态为主，其发酵周期长、生产率偏 低、难阻适应经济发展以及发达地区的需要。国内在动态发酵方面的研究和应用还很 不够。 目前，对有机垃圾的处理，国外进行了比较多的研究，对堆肥技术也进行了一定 的研究，但是对堆肥过程的热质传递计算几乎没有，而国内在环境卫生这一领域内， 对有机垃圾的处理研究还处于十分落后的状态，资料奇缺，技术落后，工艺水平和设 备研制远远不能满足社会、经济和城市发展的需要。不过国内外对多孔介质的传热计 算还是比较多。这对我们对堆肥过程的热质传递计算有一定的参考价值。 从1 9 7 7 1 9 9 0 年，日本的m i n a m i t a j n a 污泥处理厂使用了一种槽式堆肥化装置， 日处理量l m 3 ( 约o 5 吨天) “1 。 上个世纪9 0 年代后，日本东洋大纳梦株式会社在对有机垃圾处理研究中，提出 了t d 式有机废弃物再资源化系统“大纳梦马克”的基本构想：有机废弃物是无限的 资源。“大纳梦马克”是以有机垃圾为原料的有机资源再生产装置，从“大纳梦马克” 中产出的再生资源，通过再资源化回收系统，使资源再一次流通倒市场上去。“大纳 梦马克”是高速发酵装置，它可以把日常生活的有机垃圾通过1 2 天的发酵、分解 转变为再生资源。大幅度减少了原有的自然堆肥法的处理时间( 3 6 个月) ，“大纳 梦马克”还可以将发酵、分解过程中的恶臭去除“。 至于多孔介质的热质传递，是种复杂、普遍的现象，多孔介质传热传质研究与 圭堡茎望查兰里主兰丝兰苎 整二兰苎笙 能源、资源、环境、材料、化工、生物、农业等领域科学与技术发展紧密相关，在实 际工程中有广泛的应用，是近2 0 年国际学术界前沿研究课题之一。t r e v i s a n “6 对上 下底面绝热不渗透矩形截面多孔介质在两侧处于不同温度和浓度时的自然对流做了 数值计算，并用量级分析法进行了定性讨论。h o r n e 研究了下底加热的情形，认为只 有当瑞利数r a 超过某一临界值时，多孔介质内的自然对流才会发生“”。文献“”1 中试验测定了自然对流发生的临界r a ，数值研究了含内热源的圆柱形多孔介质内部 的流场和温度场。 非饱和含湿介质内的传递过程包括导热、对流、扩散及相变及其耦合过程。早期 被注意的是土壤中水分的迁移和物料的干燥过程。文献n “”1 综合考虑了毛细作用、 液体扩散和蒸发凝结作用，提出了以饱和度s 和温度t 为变量的双参数模型。该模型 忽略了压力的变化对流动和传热的影响，理论值与实验室实验结果对比，只有部分是 吻合的。文献“9 1 利用不可逆热力学理论，考虑了压力的影响，提出了三参数模型， 论证严密，理论上具有较强的通用性。然而该模型中9 个物性系数难以确定，影响了 它的实用性。文献口“1 考虑了热湿迁移特性的综合影响，并假定物性为常数，得到 了简化模型。文献“利用体平均方法提出了连续模型。该模型的基础是多孔介质中 多相流动的w h i t a k e r 迁移理论。由于控制方程和物理量的数目皆增加了，所以这种 模型有着广泛的应用。文献“”为了研究水泥板的干燥问题，在假定介质内存在干燥 和含湿区域界限的基础上，综合了文献“”和文献“的特点，提出了一个用以描述多 孔介质中温度、压力和湿分布的综合理论模型。 路勇等“”“们在多孔介质干燥过程传热传质分析中描述了干燥过程的三个阶段： 即预热、恒速干燥阶段和第一、二降速干燥阶段。采用纯粹s t e f a n 问题中的数值方 法一定空间网格、变时间步长，将其应用倒带有移动边界的干燥过程的传热传质耦 合问题中，对多孔介质坐了如下的简化：( 1 ) 所研究的材料在宏观结构上是统计均匀 的，且吸湿后体积不发生变化；( 2 ) 忽略压力梯度及重力造成的湿迁移；( 3 ) 无融冻 问题存在；( 4 ) 被干燥多孔介质为非吸附行材料。对干燥过程的三个干燥阶段的湿度 温度场进行了联合求解。并分析了内外部因素对干燥过程的影响，对研究不同干燥条 件下的各种具体多孔介质的干燥过程有一定的借鉴作用。 其他对土壤为对象的多孔介质模型以及浇铸时突发高温下多孔介质的热质迁移 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 的研究都比较多n 5 1 ”1 。”。”。但由于该过程的复杂性和多变性，因此迄今为止对于 多孔介质热量传递的机理、计算式以及实验研究，仍带有初期开发阶段的特征，有待 进一步的改进与拓展。 1 3 本文的研究内容 处理有机废弃物堆肥过程的热质传递在理论上就是多孔介质的传热传质问题，本 文在第二章简述了堆肥过程的基本原理，在第三章对多孔介质的传热传质问题进行了 深入的分析和讨论，在第四章和第五章对槽式堆肥过程的传热传质进行了数值计算， 并畜禽业废弃物的实际处理过程进行了现场实测，主要工作归纳如下： 1 对有机废弃物处理过程进行简化，并作出了一些合理假设，把堆肥过程中有 机废弃物分解释放出来的热量拟合为一个变化的内热源，针对堆肥过程推导了基于多 本定律和基本方程， 2 基于推导出来的多 四阶龙格一库塔法编制了用户计算程序，并对实际的槽式堆肥过程进行了数值模拟。 根据计算结果，绘制了堆肥过程堆肥混合物中的温度和含湿率分布以及随堆肥时间的 变化曲线。可对槽式堆肥过程中控制堆肥温度和含湿率二者的变化，确保堆肥质量提 供参考。 3 对以畜禽业废弃物为堆肥原料的实际堆肥过程的温度进行了现场实测，通过 所测数据与计算结果进行比较，发现模型具有较高的精度，正确反映了堆肥过程的温 度和含湿率的变化规律。从而验证了对堆肥过程所作的假设是科学的。本文的研究结 果对指导堆肥过程，提高堆肥质量具有重要参考价值。 望茎望查竺堡主兰垒笙苎 兰三兰兰! ! 苎查坚望 2 1 概论 第二章堆肥基本原理 堆肥过程是极其复杂的，要研究堆肥过程中的热质传递。必然要对堆肥过程作一 些合理假设、进行简化，这就要求对堆肥过程的基本原理有比较详尽发了解。 2 1 1 堆肥及其目的 有机物具有自身升温或发热的趋势，堆肥就是利用有机物自身所产生的热量，把 有机废弃物转变为有机肥料的过程。通常要求垃圾处理的工艺设计和控制目标应达到 最大分解率。高分解率，能够实现以简易设计和常规的操作方法，达到经济有效的垃 圾处理，并有效的控制臭气。由于堆肥化能够起到分解腐烂( 引起恶臭的) 物质，减 少垃圾体积和重量及其含水量，使处理后的堆肥达到稳定状态，并致死病原体等效果， 所以堆肥化也可毗看作是一种垃圾处理技术。 由于堆肥周期比较长，一般为4 0 6 0 天，利用一些微生物菌种可以加速堆肥化 过程，例如利用我们所自己研究筛选的微生物可以将整个堆肥周期缩短为1 5 1 8 天左 右。 堆肥化的目的就是通过堆肥化处理，我们能够将城市垃圾中的腐化有机物进行生 物转化，使之稳定下来，并消灭对人体有害的痛原微菌。第二，我们可以利用堆肥化 消灭植物虫害、草籽、昆虫和昆虫卵，并且大大降低有机废弃物的恶臭散化，保护自 然环境和人体健康。第三，我们可以通过堆肥化挥手大量有使用价值的产物进行填海 造地、土壤改良、农业有机肥料、提供土壤腐殖质等。但不管怎么说，堆肥化的目的 并不是生产某种特殊的产品，而是以经济有效的手段来达到垃圾的无害化、资源化， 从而实现社会效益和环境效益。 2 1 2 堆肥化分析方法及设备 由于堆肥化过程是一个相当复杂的过程，它受到耗氧率、碳氮比、温度、湿度、 p h 值、挥发固体含量、堆肥的密度、孔隙率和自由空域等诸因素的影响，所涉及的 学科相当广泛，其中最重要的是微生物、热力学、动力学等基础知识。 由于物料的固体含量是堆肥化的成败关键，这就需要知道堆肥化期间，如何调理 6 上海交通大学硕士学位论文第二章堆肥基本原理 物料的固体含量使污泥疏松，使其内部形成更多的孔隙。而堆肥所达到的温度、湿度 等则是衡量堆肥质量，决定是否达到堆肥目的的标准，这就迫切要求我们对整个堆肥 过程从热力学的观点来进行定量分析。 热力学原理的运用，是分析堆肥化系统的最为基础的方法，它是协调物理、化学 和生物学等方面的工具。有机物料的自热现象主要是由微生物作用引起的。而且这种 现象在有机物料中不断变化，到处可见。对堆肥化而言，有机物料从自热开始便有大 量的微生物繁殖，但是当其温度超出定范围时，微生物繁殖便受到了限制。例如， 大多数的真菌当温度超过5 0 。c 时便不能生存( 也有少量真菌在6 0 6 2 0 c 的温度下 仍然能够繁殖生存) ，当堆肥达到高温时，真菌处于灭活状态。中温菌和放线菌随着 嗜热菌的繁殖而逐渐衰减。堆肥化的质量主要取决于有机物的成分和发酵情况，而发 酵的成功与否，主要受到湿度、温度、耗氧率和通气情况的影响。 2 2 堆肥化系统 堆肥化过程的简单示意图如图2 1 所示。 图2 - 1 堆肥化过程示意图 f i g 2 - 1a s c h e m a t i cd i a g r a mo fac o m p o s t i n gp r o c e s s 堆肥化系统可以根据不同依据划分为不同几类。例如，从生物发酵的的角度来分， 可分为需氧堆肥化和厌氧堆肥化：从发酵设备的形式来分可以分为封闭式和敞开式。 图2 - 2 是有代表性的堆肥化系统的简单示意图。 在实际堆肥过程中，用得较多的有箱式堆肥和槽式堆肥，对于它们的研究也比较 多。至少已有三项应用箱式堆肥器( 横流式搅拌型固定床发酵仓) 进行含湿有机物料 堆肥化的探索性研究。s e n n 发表了以这种发酵仓对牛粪的堆肥化“1 ，其试验装置见 7 上海交通太学硕士学位论文第二章堆肥基本原理 图2 - 3 。 曩。：；：；罱l r 广7 l = ) 舯蝻r ! s r 五 磐篓- 衰寻书 * 锑。广卜1 凇。u 时 j ih ” 肆翥主蛊五最洲仁 亡r 工工工丁：豆一 i 早r 气 知完全杜 式倒一h k s j - z - ) 岛勃式嗣悼库发酵球隹筒) h i e f 。w l t k 托 h ) 扼抖式律采亡c 幅t j 图2 - 2 堆肥化系统简单示意图 f i g 2 - 2s o m e s c h e m a t i c d i a g r a m so fc o m p o s t i n gs y s t e m 图2 叫所示为在保持恒定的通气量和最佳含水量条件下的温度分布曲线。特别在 一再盘一槽开吼c ” 图2 - 3 发酵仓 f i g 2 3c o m p o s t i n gs y s t e m 毳j f 开站皓时阿d p 挺 一 图2 4 温度随堆肥时问的变化关系 f i g 2 - 4t e m p e r a t u r ec u r v e sv e r s u s t h ed a y so f c o m p o s t 日一埘 上海交通大学硕士学位论文第二章堆肥基本原理 最初的2 4 小时之内，温度迅速上升。在7 1 7 9 。c 之间时产出的堆肥性质稳定，质 量较好，温度高至8 7 。c 时要引起注意，超过7 9 。c 时堆肥呈黑色，有一种“煮熟” 的臭味，就有机分解而论，这不是完全稳定的。正如s e n n 所指出的，在这些研究中 的最佳温度值常常高于文献中报道的数字。因此我们很有必要了解堆肥过程在任何时 刻的温度场，从而保证堆肥的质量。 如果物料的含水量为4 5 6 0 ，一般来说，堆 肥就是良好的，最佳含水量的范围一般是5 0 5 5 。 发酵中常常见到物料有“结块”现象，尤其在水分 含量较高时。物料从一个发酵槽输送到另一个发酵 槽的这种转运过程能够起到松散物料的作用，并且 使物料发生较大变化( 如图2 - 5 ) 。在松散的物料中 可以有效的进行搅拌，从而保证较高的空气流通量。 实际过程中发现空气流通量较低时将会导致温度过 度升高，使其堆肥化产品会出现“过熟”而有机分 p 村 解又不够充分的现象。较高的空气流通量能使发酵图2 - 5 温度随堆肥时间的变化美系 槽中的高热量散失，使温度降低到比较理想的范围f i g 2 5t e m p e r a t u r ec u r v e sv e r s u s 内。由此可以看出，我们必须随时掌握堆肥过程的t h ed a y so fc o m p o s t 湿度场和温度场，从而可以在湿度过高时加入膨胀剂来将它调整到理想的状态，在温 度过高时采用搅拌等措施来降低它的温度，确保堆肥质量。 量 ： 暑 占 图2 - 6m w 系统温度、氧气和二氧化碳含量变化的分布曲线 f ig 2 - 6 t e m p e r a t u r e ，0 2 ，c 0 2 c u r v e sv e r s l i st h ed a y so fc o m p o s t 9 上晦交通大学硕士学位论文第二章堆肥基本原理 s e n n 提出了更多的数据“”，可以对实际堆肥过程和我们数值计算提供一些依 据。其中值得一提的是日处理量为3 6 0 吨的粪肥槽式堆肥化处理厂在俄亥俄州的牧场 非常流行。m e t r o - w a s t e 型堆肥化装置是将两个槽式发酵仓组合起来，各宽6 m ，长 1 2 2 m ，该发酵仓随同储存、筛分以及包装装置一并安装在大型封闭式建筑物内。 m e t r o w a s t e 系统具有的优点是：设计简单、将搅拌和通气两者结合为、一体，遗憾 的是在俄亥俄州的全部粪便处理系统中没有记录下那些施用的工作参数，但这种装置 的设计思路无疑是成功的。图2 - 6 所示的是m e t r o - w a s t e 系统在处理经粉碎的城市垃 圾时所观测到的温度、氧气和二氧化碳含量变化的分布曲线图。 2 3 堆肥化学热力学原理 热力学是研究能量及其转换的一们学科。热力学通常与热量有关，但它不仅涉及 热量而且也涉及能量的不同形式。可以说。热力学原理很成熟，并且已经运用于物理、 化学和生物学系统。l e h n i g e r 指出：我们对生物学的研究应以热力学原理作为开始 才是正确的，使生物学的实际与理论更为系统化。这一论点也同样适用于堆肥化系统 的研究。热力学原理的应用，正如分析物理、化学和生物学过程的基本方法一样，也 是分析堆肥化系统的基本方法。由于热力学定律可以认作是不可能违反的，这些基本 定律的应用将揭示出堆肥化系统的限制条件和发晨前景。本文的主要目的就是把热力 学知识运用到堆肥化系统中去，而堆肥化系统的性质又是由物理、化学和生物过程组 成的。没有一种象热力学这样单独的科学，就不能使堆肥化的各个方面一体化。 2 3 1 自由能和平衡 对于如下平衡反应： 鲥+ 尬营c c + 扔( 2 - 1 ) 大多数以微菌为媒介引起的代谢反应都是由一系列这种平衡反应构成的。因此，他们 对于生命系统是重要的。不同种类的浓度影响可用下式加以描述 蝇_ 讣明n 掰 浯2 ) 式中：g 。一该反应的自由能变化； a g ：r 0 一标准态下反应自由能变化； t 一热力学温度( 单位：k ) ； 圭墨奎望壁垦圭兰垒笙奎 兰三童兰! ! 苎查墨翌 噻通用气体常数，r r = 8 3 1 4 5 夕埘。，丘) ； a 、 b 、 c 、 d 一a 、b 、c 、d 的浓度。 在平衡状态下，反应自由能a 瓯必然为零，所以 蝇。训弛器 ( 2 - 3 ) 该反应的平衡常数k 可以表示为 豇= 器 a ， 则有 a g o = 一r t i n k ( 2 - 5 ) 上式是化学热力学中最重要的结果之一，根据标准自由能的变化，可以推算出平衡常 数。 2 3 2 反应速率和温度 化学反应速率通常是温度的函数。要表明温度影响，其常用方法是确定在某一温 度下的活性速率与低于1 0 。c 时的速率之比。其比值为温度系数q 】。由文献n 1 伽1 ， 大多数情况下，反应时所处温度每升高l o 。c ，其反应速率就增加一倍，所以o 、。= 2 。 般地，在以生物为媒介的反应中，在适合于活生物体生存的一定温度范围之内，也 可近似为遵从这一关系。但如果温度超过此范围，将会引起生物的灭活。由于扩散系 数随温度的变化较小，控制扩散反应的q 】。值通常低于2 。另一方面，对于酶凝聚和 微菌热灭活的温度系数在特性上都是大于2 的。因此，在化学和生化反应速率方面废 物分解和热灭活动力学的影响是相当重要的。 1 8 8 9 年，瑞典化学家a r r h e n i u s 根据试验和理论研究提出温度和反应速率之间 的一种数学关系“明 星幽：兰( 2 - 6 ) d i jr i 式中：k 表示反应速率常数，e 。为该反应的活化能，t 为热力学温度。 活化能就是为了进行次成功的化学反应，一个分子必须具有的能量数，将方程 ( 2 - 6 ) 积分得 t 上海交通大学硕士学位论文第二章堆肥基本原理 l 。生：垦亟二王! k 1r t , 7 2 ( 2 7 ) 式中k ：和k ，分别表示温度正和正下的反应速率常数。在2 0 。c 与3 0 。c 之间，。】。值 为2 时所对应的活化能大约为5 1 2 8 8 3 j m o l 。 由方程( 2 - 7 ) 演变出几个常用的a r r h e n i u s 表达式如下。在式( 2 7 ) 的两边取 反对数并整理得 旦一旦 k 。= k l e l e 矾 ( 2 8 ) 由于k ，与温度t ，相对应，墨p 码对给定的反应来说可以认为是常数，所以 e k ，= c e 只疋( 2 - 9 ) 大多数的生物过程都在一定温度范围内进行。日口使在堆月巴化系统中也是如此。温 度范围从0 8 0 。c 似乎十分狭小，与之相对应的范围仅为2 7 3 - 3 5 3 k 。这样，由t ，到 t 2 产生的变化只稍微超过了生物的温度范围。通常，假定在这个范围里的孟象为常 数，则等式( 2 - 7 ) 可简化为 l n 生k = 目佤一正) (2一l。)l 即 k 2 = 8 ( 咒_ ) ( 2 1 1 ) 按理说目应该是常数，但有时即使在小的温度范围内，仍有一定量的变化。q 。等 于2 0 时和它相对应的口值约为0 0 6 9 。 2 3 3 反应热的估算 通常，用标准焓值来估算有机废弃物的反应热是很困难的，因为这种废弃物往往 含有未知成分的有机混合物。在这种情况下，除了用标准焓值划定可能的反应热范围 外，其他适用不多。然而，一些实验和经验方法，对于决定反应热来说都是适用的。 有机废弃物的热值，可用量热测量仪测定。 上海交通大学硕士学位论文 第二章堆肥基本原理 量热法是确定有机混合物反应热最精确的方法。虽然量热实验在大多数水质实验 室中并不常采用。但采用实验设备对这些混合物的反应热进行分析是必不可少的。因 此，在理论和实验方法的基础上，引出了一些近似公式。 例如，f a i r 等人“1 “定出了各种类型真空过滤污泥的燃烧值。弹式量热器在 这些实验中得到了采用，与定压条件下的实际释放热没有明显的差别。其中具有代表 性的一个经验公式如下： o ：一旦盟一b 0 1 0 0 - p c l ( 2 - 1 2 ) 一l 1 0 0 一最j l 1 0 0 j 式中q 燃烧热( j k g ) ， a 一对原和消化初级污泥，系数为1 3 1 ，对远废水活性污泥，系数为1 0 7 ； b 一对原和消化初级污泥，系数为1 0 ，对远废水活性污泥，系数为5 ； p ，一污泥中的挥发固体百分数： p 广污泥中的无机调理剂百分数。 s p o e h r 和m i l n e r 提出了有关燃烧热和有机物还原程度的关系式“1 。这是一种 比较合理的方法，因为已经表明碳水化合物的燃烧热比起更具还原性的类脂物和碳氢 化合物的燃烧热明显要低一些。假定燃烧产物为二氧化碳气体，液态水和氮气，则任 何类型的有机物的还原度可以用下式来表示 r：1001266(c)+7,94(h)-(o)( 2 - 1 3 ) 3 9 8 9 式中c ，h 和0 分别表示不含灰分的碳、氢和氧的百分数。则其燃烧热为 o = 0 2 7 r + 4 0 0 ) x 4 1 8 6 8( 2 一1 4 ) 其中燃烧热q 的单位是p 。 类似于s p o e h r 和w i l n e r 提出的公式还有一个d u l o n g 公式1 ，n 、 9 = 1 4 5 4 ( c ) + 6 2 0 lh 一詈l + 4 1 ( s ) ( 2 1 5 ) o ， 在用上述方法计算反应热有困难时，可以用( 2 - 1 5 ) 来估算供料成分的总燃烧热值。 式( 2 - 1 4 ) 和( 2 - 1 5 ) 都需要根据有机废弃物的极限分析来确定碳、氢和氧的百 分数，这相对比较困难。而式( 2 - 1 2 ) 仅需分析挥发性固体的含量，这是很容易得到 的，但遗憾的是它适用性不强。 由于实际计算的种种困难，在实际分析过程中一般采用实验公式和经验数据。对 大多数有机废弃物堆肥化系统，燃烧热q 值在范围( 1 6 7 1 8 26 0 5 1 ) x 1 0 7 彤。，。 k g 一苟l 刨l 平 这个数据和计算方法得出的结果相比较相当精确，一般来说误差不会超过6 “2 ”。 值得指出的是，在考虑有机废弃物所含的反应热问题时应该注意到，在堆肥化期 间的实际释放热由有机物的实际降解量来决定。并且有机废弃物中不同的有机成分的 实际降解等级并不相同，这对实际释放的反应热影响很大。在本文中都假设堆肥效果 良好，有机废弃物的实际降解量都达到9 0 以上。 2 4 堆肥生物学原理 微菌消耗废弃物以及生长速率对所有废弃物处理过程包括堆肥化的主要性是很 明显的。一种微菌消耗营养物的速度致使物料浓度发生变化的影响如图2 7 所示，假 7 m ： 苷 暮 嚣 童 i l l i i c i e w 旅k s 图2 - 7 一种微菌消耗营养物的速度致使物料浓度发生变化的影响 f i g 2 - 7k m c u r v e sv e r s t l st h e 占 使适用同样的微菌在一系列试管中进行接种，迸一步假设不同试验管中浓度不同并且 能够使微菌接种，假设堆肥过程所需的营养物( 如氧气) 是充足的，废弃物的消耗率 正如图2 7 所示的那样，可以用许多数学方程来描述，1 9 4 2 年m o n o d 提出了下面形 式的抛物线关系式们 堕：一坐( 2 - 1 6 、 曲 丘，+ s 式中孚一废弃物的有效消耗率 质量( 体积时间) ； 讲 x 微菌浓度( 质量体积) ； k - 最大有效系数，在高浓度营养物中最大的物料消耗率( 物质质量微生物一 天质量) ； 1 4 上海交通大学硕士学位论文 第二章堆肥基本原理 k s 一半速系数，也称为m i c h a e li s - m e n t e n 系数( 质量体积) ； s 一限制底物的浓度( 质量体积) 。 m o n o d 提出的方程，它类似于h e n r i ( 1 9 0 2 年) 和m i c h a e l i s 及m e n t e n ( 1 9 1 3 年) 对单酶一底物体系所作的方程描述，采用负号说明底物浓度的下降是由于微生物 活动的结果。 在方程( 2 1 6 ) 中，假设了底物进入细胞没有速度限制，也就是说仅由限制底物 浓度s 来控制动力，测量底物的浓度通常在微生物细胞的附近区域。因此，限制通过 细胞壁或在细胞原生质中的所有转化物，都包含在方程之中。最后，m o n o d 的模型最 适合液态底物。此外，遇到特殊的底物可能会有质量转化限制。 由于这种限制性，在高浓度底物中，细胞酶系统与底物处于饱和时，物料的转化 过程很迅速，进一步，增加底物浓度就不再引起底物转化率的增加。再方程( 2 - 1 6 ) 中，s k ，这样方程的形式简化为 竿x = - k ， ( 2 1 7 ) 讲 这就是关于底物浓度的零级反应，在底浓度底物中，由于底物供给的限制使得细 胞机构以低速率工作，假设s “五，这时方程( 2 - 1 6 ) 简化为 - - ，- 出x 一：一拿j ( 2 一1 8 ) d tx 这是关于底物浓度的一级反应，当s = k 时，方程( 2 - 1 6 ) 简化为 坐一：一生( 2 - 1 9 ) 一 一一一 、 讲2 因此，半速系数对应着图2 7 中底物浓度中反应速度最大值一半的位置。 底物的消耗一般与微生物的生长密切相关，这可通过下面形式的方程式来表示 砉= l f _ 翁吐x 协z 。， 式中：车一微生物的净生长率 质量( 体积时间) ； y i 一生长系数( 微生物质量底物质量) ； 后一内源呼吸系数 时间1 或所需微生物质量( 微生物质量时间) 。 假设新无所谓的生长率正比于底物的消耗，并与y 成正比，用“内源呼吸”说明： 上海交通大学硕士学位论文 第二章堆肥基本原理 加入得不到底物，细胞质量将降低，无所谓开始利用本身储藏的物料并最终要使用原 生质( 在得不到底物时) ，细胞损失率一般正比于溶液中存在的生物体的质量。 将方程( 2 - 1 5 ) 代入( 2 - 2 0 ) ，可得出联合生长方程 去= _ ( 嚣卜j ( 2 - 2 1 a ) 或d r x ：樊一也( 2 - 2 1 b ) d tx 、+ s 。 一般地，记= u 。xx ，表示狰有效生长率；卢。= y 卅t 。，表示最大净有效生长率。 “t t 特殊情况下，如果为高浓度底物，即s e ，以及低内源呼吸，即七。_ 0 ，则 上式可以简化为 一= 篙“。 ( 2 _ 2 2 ) 方程( 2 - 2 1 ) 或( 2 2 2 ) 用来描述水溶液中微生物生长和底物消