Simulation of dissolved-oxygen distribution in matrix particles during the aerobic composting process of sewage sludge with two-region model  

基于雙區(qū)模型的污水污泥好氧堆肥過程中基質(zhì)顆粒溶解氧分布模擬  

來源：Journal of Cleaner Production, Volume 428, 2023, Article 139380

《清潔生產(chǎn)雜志》2023年第428卷，文章編號(hào)139380  

 

摘要內(nèi)容

 

研究采用雙區(qū)模型（TRM）分析污泥堆肥過程中氣固兩相分布特征，結(jié)合丹麥Unisense微電極實(shí)測(cè)堆肥顆粒內(nèi)部溶解氧（DO）梯度，探究不同調(diào)理劑（稻殼、花生殼、小麥秸稈）對(duì)堆肥顆粒好氧/厭氧層厚度（L_A/L_{ANA}）的影響。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)包括：  

氣固兩相特征：花生殼和小麥秸稈顯著降低堆肥后期（腐熟期）氣滯區(qū)比例（\varphi值降低0.02–0.07），而稻殼處理增加0.06（圖1A）；高溫期花生殼和小麥秸稈提升氣固兩相間傳質(zhì)效率（\alpha值增加0.001）（圖1B）。  

 

 

溶解氧分布：Unisense微電極（OX-25）測(cè)量顯示，堆肥顆粒內(nèi)部DO擴(kuò)散深度隨堆肥進(jìn)程和堆高增加而減小，厭氧層厚度（L_{ANA}）增加（圖3）。建立C_{O2,S}（表面氧濃度）與L_A/L_{ANA}的擬合方程（圖4），預(yù)測(cè)閾值氧濃度（C_{O2,SA}/C_{O2,SANA}）。  

 

 

 

微生物機(jī)制：調(diào)理劑未顯著改變微生物群落結(jié)構(gòu)（圖6），但高溫期花生殼和小麥秸稈處理加速氮代謝和甲烷代謝基因表達(dá)。  

 

 

研究目的

量化不同調(diào)理劑對(duì)堆肥氣滯區(qū)比例（\varphi）和傳質(zhì)系數(shù)（\alpha）的影響。  

 

建立表面氧濃度（C_{O2,S}）與顆粒內(nèi)部好氧/厭氧層厚度的數(shù)學(xué)模型。  

 

解析微生物群落對(duì)氣固兩相分布的響應(yīng)機(jī)制。  

 

研究思路

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

 

四組處理：污泥+稻殼（SRA）、污泥+稻殼+花生殼（SRP）、污泥+稻殼+小麥秸稈（SRW）、污泥+稻殼（SRB對(duì)照）。  

 

通過氦氣示蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)合STANMOD軟件反演\varphi和\alpha參數(shù)（圖1）。  

溶解氧測(cè)量：  

 

使用Unisense OX-25微電極（步長(zhǎng)25μm）測(cè)定不同堆高、不同堆肥階段顆粒內(nèi)部DO梯度（圖3）。  

模型構(gòu)建：  

 

基于DO數(shù)據(jù)建立C_{O2,S}與L_A/L_{ANA}的擬合方程（多項(xiàng)式/分段函數(shù)）（圖4）。  

 

預(yù)測(cè)不同堆高下氣固兩相氧濃度及厭氧層厚度（圖5）。  

 

微生物分析：  

 

高通量測(cè)序分析細(xì)菌、真菌、古菌群落結(jié)構(gòu)（圖6）及功能基因（KEGG）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

氣固兩相參數(shù)（圖1）  

 

數(shù)據(jù)：高溫期SRP/SRW的\alpha值（傳質(zhì)系數(shù)）比SRA高0.001；腐熟期\varphi（氣滯區(qū)比例）降低0.02–0.07。  

 

意義：花生殼/小麥秸稈通過增大孔隙連通性減少氣滯區(qū)，提升氧傳質(zhì)效率，抑制厭氧微環(huán)境。  

溶解氧分布（圖3）  

 

數(shù)據(jù)：SRB處理高溫期，當(dāng)C_{O2,S}=5\%時(shí)，DO在475–525 μm深度降至0；C_{O2,S}=40\%時(shí)，DO擴(kuò)散深度達(dá)1383 μm。  

 

意義：量化顆粒內(nèi)部缺氧層位置，為優(yōu)化通風(fēng)策略提供依據(jù)。  

擬合方程（圖4）  

 

數(shù)據(jù)：高溫期C_{O2,S}>10\%時(shí)，L_A最大（約1200 μm）；C_{O2,S}<5\%時(shí)，L_{ANA}占主導(dǎo)。  

 

意義：預(yù)測(cè)閾值氧濃度（C_{O2,SA}=10\%, C_{O2,SANA}=5\%），指導(dǎo)通過調(diào)控表面氧濃度抑制厭氧區(qū)形成。  

微生物群落（圖6）  

 

數(shù)據(jù)：高溫期SRP/SRW的厚壁菌門（Firmicutes）相對(duì)豐度達(dá)83.5%（SRA僅49%）；古菌Methanobacterium（產(chǎn)甲烷菌）在氣滯區(qū)富集。  

 

意義：揭示調(diào)理劑通過改變孔隙結(jié)構(gòu)間接影響微生物代謝功能（如甲烷代謝基因表達(dá)）。  

 

結(jié)論

調(diào)理劑優(yōu)化：花生殼和小麥秸稈通過降低氣滯區(qū)比例（\varphi）和提升傳質(zhì)效率（\alpha），減少厭氧微環(huán)境，抑制CH?和N?O生成。  

 

模型有效性：雙區(qū)模型耦合擬合方程可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)顆粒內(nèi)部L_A/L_{ANA}分布，閾值氧濃度C_{O2,S}>10\%可基本消除厭氧層。  

 

工程應(yīng)用：通過增加翻堆頻率或優(yōu)化通風(fēng)，將堆體孔隙氧濃度維持在10%以上，可減少72%溫室氣體排放。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

使用Unisense OX-25微電極（分辨率25 μm）測(cè)量堆肥顆粒徑向DO梯度（圖3），核心價(jià)值在于：  

微尺度缺氧層定位：  

 

直接觀測(cè)到顆粒內(nèi)部DO驟降點(diǎn)（如高溫期C_{O2,S}=5\%時(shí)DO在500 μm處歸零），精確定位厭氧核心區(qū)位置，解釋CH?和H?S的生成熱點(diǎn)。  

動(dòng)態(tài)過程解析：  

 

揭示堆肥進(jìn)程（升溫期→高溫期）中DO擴(kuò)散深度從1320 μm降至392 μm（SRB），闡明微生物耗氧加劇導(dǎo)致厭氧層擴(kuò)大的機(jī)制。  

模型驗(yàn)證基礎(chǔ)：  

 

實(shí)測(cè)DO梯度為擬合方程（圖4）提供數(shù)據(jù)支撐，驗(yàn)證C_{O2,S}與L_{ANA}的負(fù)相關(guān)性（R^2>0.92），推動(dòng)理論模型工程化應(yīng)用。  

工藝優(yōu)化指導(dǎo)：  

 

發(fā)現(xiàn)表層氧濃度（C_{O2,S}）需>10%才能消除高溫期厭氧層，為通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（如變頻風(fēng)機(jī)控制）提供定量標(biāo)準(zhǔn)。