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生态堆肥反应器的污染物去除特性研究及应用示范

王洪波  
【摘要】:本论文的研究工作是国家自然科学基金重大国际合作项目(50621140001)的部分内容。根据我国缺水地区通过建立分散式生态卫生系统改善环境卫生条件的需要,研究了以锯末为载体的生态堆肥反应器的污染物去除特性和作为卫生设备的实用性。论文通过小试和中试,重点研究了在控制载体含水率(50~60%)和堆肥反应温度(50~60℃),每日定量投入粪便的条件下,生态堆肥反应器对粪便中污染物去除特性,并考察了反应器中载体的理化性质、微生物数量与种群结构的变化规律,开展了生态堆肥反应器的生物降解动力学研究。与此同时,结合2项示范工程,研究了生态堆肥反应器的推广应用前景。论文的主要研究成果如下: 1.通过生态堆肥反应器的小试和中试,考察了粪便中污染物的去除,以及有机物和肥分在载体中的积累特性。结果表明:生态堆肥反应器对水溶性有机物的去除率按TOC、COD和BOD_5计均能达到74~78%,有机物中脂类和总糖最易降解,去除率分别达到96%和85%,在每日定量投料的条件下,难降解有机物在反应器中积累,最终残留在堆肥产物中;粪便中氮的组分以有机氮为主,但在高温和通风条件好的情况下以氨气的形式挥发较快,总氮的残留率在30%左右;堆肥过程中N、P、K等肥料成分基本上按同样的趋势积累,最终堆肥产物的肥分基本上能够达到农用肥料的标准。 2.考察了生态堆肥反应器的微生物灭活特性。结果表明,反应器中维持50~60℃的温度可提供微生物灭活的良好条件,对粪大肠菌的灭活过程符合一级反应的规律,达到1-、2-、3-、4-log粪大肠菌灭活的时间分别为5、11、16和21h,在每日定量投入粪便的条件下能够保证反应器中没有粪大肠菌残留;对蛔虫卵的灭活速度更快,2h之内就能达到100%的灭活率。作为卫生设备使用的生态堆肥反应器在试验过程中既无臭味散发,又无虫蝇产生,能够保持良好的卫生条件。 3.研究了堆肥反应过程中载体的总固体量(TS)、灰分、容重、孔隙度等理化参数的变化规律,并引入自由空域(FAS)作为评价载体通气性的指标。结果表明,随着堆肥反应时间的延续,反应器内TS和灰分不断增加,导致载体容重增大,孔隙度降低,FAS减小。FAS的减小直接影响空气在堆体中的扩散效果。作为生物载体的锯末的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素,分析结果表明这些成分在堆肥反应过程中基本上不发生生物降解。 4.考察了生态堆肥过程中水分的蒸发情况,根据热量平衡原理进行了反应器的热平衡分析。结果表明,反应器的水分蒸发速率受载体的理化性能影响很大,造成堆肥后期通过加热装置输入的热量绝大部分消耗于水分的蒸发。堆肥系统总输入热量的77.5%以上由加热装置提供,而平均有10.5%的水分由加热装置所提供的热量所蒸发。在保证堆肥反应必须的含水率的前提下,减少多余水分进入反应器是降低反应器热耗的重要途径。 5.研究了生态堆肥反应器中微生物量和种群的变化规律。结果表明,在堆肥反应的一个周期内,微生物总量的变化具有初期迅速增长,中期达到平衡,后期开始下降的特征。微生物中好氧菌数量的变化趋势与微生物总量相似,而兼性菌数量初期远低于好氧菌,中后期达到和超过了好氧菌的数量。反应期内微生物以嗜热细菌为主,主要为球菌和杆菌。载体中微生物的DGGE分析结果表明,随着反应的进行微生物的多样性指数有增大的趋势,但相似性指数在后期反而降低,说明堆肥中的微生物种群不稳定。载体理化性质的变化可能是影响微生物种群的重要原因。 6.根据生态堆肥反应器的特点,建立了引入FAS值的生物降解动力学模型。在该模型中,微生物生长速率系数k是FAS值的函数,当FAS>0.622时,k>0,好氧微生物增殖;当FAS<0.622时,k<0,好氧微生物出现负增长;FAS=0.622是反应器是否处于好氧条件的临界条件。该生物降解动力学模型能很好解释堆肥过程中好氧微生物数量变化的规律。 7.开展了生态堆肥反应器用作无水卫生设备的2项示范工程研究。其中用于四川地震灾区的生态卫生设备采用了粪尿分离方式,以减少反应器的水分输入,在不设置加热装置的条件下实现了生态堆肥。生态堆肥反应器的示范性应用效果表明,其作为卫生设备能够有效解决无水条件下的环境卫生问题,具有很好的推广应用价值。


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