2.2 污泥堆肥过程的物料平衡和热量平衡

2.2.1 污泥堆肥的物料平衡

要真正了解污泥堆肥的过程，就必须有效了解堆肥在发酵装置中的变化情况，并且最好能以定量形式来表示污泥堆肥中各种有机物成分在微生物作用下的氧化分解过程，掌握堆肥物料中各种成分在生化反应中的质量和能量平衡。但对于物质成分复杂的污泥堆肥反应来说，预先确定物料平衡是比较困难的。此处主要从理论上初步讨论污泥堆肥过程中一般物料平衡的若干方程式（以连续操作装置为例）。

2.2.1.1 计量反应式

污泥堆肥过程中，有机物和分子氧生成菌体、CO2、H2O、NH3等的化学反应式如下：

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表示原料中有机成分，即挥发性物质（VM）的元素组成，CpHqOrNs表示未反应的原料和生成菌体的混合物，是污泥堆肥产物的元素组成。为了使式（2-22）在定量上成为完整的体系，将原料的单位质量作为基准，则式中a、b、c、d及p、q、r、s可分别由它们分子式中各元素的分子数确定。式（2-22）中的系数t、u、v、w等可用以下两种方法来确定：①通过用污泥堆肥原料和产品的元素分析值，即干燥固体中C、H、N的质量分数实测值的方法确定，但同时必须测定干燥固体的质量变化；②在单位质量的原料进行堆肥化反应时，通过直接测定实际所消耗的摩尔数以及生成的CO2、NH3等的摩尔数来确定。实际上，通过分析可看出：在实际的堆肥过程中，方法①是不合适的，而采用方法②可以对堆肥过程进行正确的定量化分析处理。

2.2.1.2 固相成分变化率

1．挥发性成分的变化率

对于特定的原料，污泥堆肥反应程度可用原料中挥发性成分（VM）的变化率XVM表示。XVM定义如下：

则污泥堆肥制品中残存的VM的质量WV可由式（2-24）求得：

式中 W0——干燥固体原料的质量；

S0——干燥固体原料中VM的质量分数。

若堆肥过程中，原料中的灰分不变，则当变化率为XVM时，成品污泥堆肥中VM的适量分数S可由式（2-25）求得：

若S已知，则由式（2-25）可求得XVM为

2．碳素变化率

在污泥堆肥过程中，可以通过直接测定堆肥过程中CO2的发生量来了解污泥堆肥反应的过程，而避开固体原料样品的VM变化测定。由于产生的是污泥堆肥有机碳氧化所致，因此可用污泥堆肥中碳素的变化率XC来反映污泥堆肥反应的进程：

式中 S0C——干燥固体原料中碳素的质量分数。

2.2.1.3 碳素变化率与挥发性成分变化率的关系

1．XC与XVM的关系

式中 YVM/CO2——每生成1mol CO2所减少的VM的质量，g，该值由实验测定，也称收率。

2．收率的计算

如果通过试验测得CO2发生量和各次取样时VM的质量分数，则收率YVM/CO2的值可由式（2-29）求得：

式中 Wr, Sr——堆肥反应装置内经取样后，剩余干燥固体的质量及其中VM的质量分数；

Wsi, Si——每次取样的干燥固体的质量和VM的质量分数；

G0——污泥堆肥过程产生的气体总流量；

ZCO2——干燥气体为基准的CO2与产生气体的物质的量之比。

2.2.1.4 氮素的变换规律

污泥堆肥中氮素形态包括总氮（TN）、有机氮（总氮减去无机氮）、无机氮 [主要是氨态氮（-N）和硝态氮（-N）]，污泥堆肥可能导致氮素的矿化、NH3的挥发、硝化及反硝化作用，其中氮素的矿化将有机氮转化为氨态氮，NH3的挥发和反硝化作用直接导致了氮素的损失，污泥堆肥过程中的氮含量及其存在形态的变化直接关系到最终堆肥腐熟产品的农业利用价值。堆肥中氮素的损失主要通过以下三个途径进行：①高的pH值和高的堆肥温度造成的NH3逸出；②水溶性含氮成分随渗出水流失；③在缺氧条件下硝态氮反硝化引起的气相NOX挥发。

2.2.1.5 伴有堆肥产品的固相各成分变化的计算

伴有污泥堆肥产品循环操作的物料平衡如图2-4所示。

污泥堆肥过程中，为使污泥堆肥反应能够连续有效地进行，通常把部分污泥堆肥腐熟料重新混入原料进行堆肥接种。这样反应器入口固相成分的质量表示如下：

VM（干燥挥发性物质）：

TDS（干燥固体总质量）：

式中 ——污泥堆肥原料中干燥挥发性物质；

——污泥堆肥原料中的灰分；

F0——污泥堆肥原料中干燥固体总质量；

——反应器出口或成品堆肥中VM的变化率；

——成品堆肥中水分对原质量之比；

a——成品污泥堆肥的循环比。

污泥堆肥产品的循环比a和污泥堆肥原料与循环制品的质量比a′（干物基准）之间有如下关系：

污泥堆肥反应器内各固相成分质量可参照上面公式根据物料平衡进行相应推导，具体计算参考相关书籍。

2.2.2 污泥堆肥的热量平衡

污泥堆肥过程通常可分为常温阶段、中温阶段和高温阶段，并且随着堆肥系统的温度的升高，堆肥发酵速度加快，更容易腐熟。因此，温度是影响微生物群活动和污泥堆肥工艺过程的重要因素，同时温度又受到污泥堆肥过程的热量平衡控制。污泥堆肥中微生物分解有机物释放出热量，同时供氧、释放二氧化碳和堆肥物料中水分蒸发等又带走热量，热量的进出反映到污泥堆肥系统中即表现为堆体温度的升降。作为一种生物活动系统，与非生物系统又有明显的区别。对非生物系统而言，体系反应速度直接与温度有关，是个线性关系：温度越高反应速度越快；反之越慢。而靠酶促作用进行的污泥堆肥生物化学反应系统，则只在某些温度范围内有效，范围之外的反应则是无效的，甚至是负效应，这种温度的综合影响主要是由于不同种类微生物的生长繁殖对温度范围有不同的要求。所以，对污泥堆肥过程进行相关的热量平衡研究就至关重要。

热力学第一定律表明，在一个平衡系统中，能量输入等于能量输出，是一种动态平衡关系。因此，把污泥堆肥的整个系统看做一个封闭系统，列出反应过程的热量走向，即可得出平衡关系。

污泥堆肥系统的热量平衡项目概括见表2-7。

2.2.2.1 连续操作过程中各项热量及水平衡计算公式

（1）qz的计算：

式中 F0——干燥固体原料供给量，kg/d；

S0——固体原料中VM质量分数；

XVM——原料中挥发成分变化率；

Qs——污泥堆肥过程中单位质量VM生化反应的反应热，kJ。

污泥堆肥过程中生化反应可视为氧化的磷酸化反应（ATP生成反应），在ATP生成反应中，氧原子每释放1个电子其发热值。

在生化反应中，1个氧分子要释放4个电子，则生化反应热：

式中：ΔO2即为污泥堆肥全过程中生化所消耗氧的摩尔数，当 ΔO2=1mol时，则 Qs=-443.5kJ/gVM，需换算成常用的热量单位kcal，即为-106kcal/gVM。

（2）qs的计算：

式中 cps——固体原料比热容；

te——出口固体温度；

t0——入口固体温度。

（3）qa的计算：

式中 G0——总供气量；

cpq——气体比热容；

tg、——出、入口气体温度。

（4）qe的计算：

式中 l——反应装置的高度；

——总传热系数；

Ae——传热面积；

t——反应装置温度；

ta——周围环境温度。

根据封闭体系的热量平衡，则有：

（5）qw的计算：

式中 cpw——水的比热容；

W′、——进、出口分水质量分数；

Qw——水分蒸发热；

Q0cpw（t-t0）——液体水显热；

——水分蒸发带走的热量（水蒸发潜热）。

（6）水平衡关系式：

式中 β——水生成量/VM减少量；

Mw——水分子量；

G0——干燥空气量；

Y′——水蒸气对干燥原料气体摩尔数之比，则水的摩尔数′；——固相水分减少量；

βF0S0XVM——反应生成水分量；

——水蒸发量。

2.2.2.2 间歇操作过程中各项热量及水平衡计算公式

（1）qz的计算：

式中 W0——干燥固体原料供给量。

（2）qs的计算：

（3）qw的计算：

（4）qe的计算：

同理，由热平衡关系可得：

（5）水平衡关系式：