城市污泥生物干化过程的微生物产水与脱水机制

The moisture content of mechanical dewatered sewage sludge is about 80%～85% that the high moisture content and an abundant amount of bound water cause considerable difficulties in sludge treatment and disposal as well as elevate the expenditure. Bio-drying is an energy-saving technology which removes the water of mechanical dewatered sludge by bio-energy, alleviating the sludge pollution. The reduction and reutilization of sewage sludge will be optimized if the bio-drying technology is advanced essentially from the perspectives of water generation and water removal. The objectives of this research are to characterize the mechanisms of water generation and water removal from the points of the microbial degradation, water form and heat distribution, to investigate on the process of water generation and heat production during the degradation of organic matter, to clarify the factors that affect on the release of bound water during bio-drying, to correlate the water evaporation and the heat. Based on the mechanisms of water transformation and migration, and the analysis of balance equations of water mass and heat, the technology will be improved so the efficiency of bio-drying will be increased.

机械脱水后的城市污泥含水率仍高达80%～85%，极高的含水率与大量结合水增加了污泥处理处置难度并显著提高了成本。对脱水城市污泥进行生物干化，可利用生物热能快速脱除水分，减少污泥污染。只有从本质上量化各阶段的微生物产水、脱水能力，明确水分的转化和迁移过程，才能进一步优化干化策略，更高效地实现污泥减量化与资源化。本项目的研究目标是根据城市污泥生物干化各阶段微生物对有机质的降解、水分形态的改变和系统的热量分配，研究堆体的产水、脱水机制，揭示微生物降解有机质的产水与产热过程，明确结合水活化的影响因素，建立自由水蒸发的能量平衡方程，最终掌握污泥生物干化水分的转化和迁移机理，并基于水热平衡方程提高生物干化效率。

生物干化是一种经济节能的有机废弃物处理方式，通过生物降解有机质产生的热量脱除废弃物中的水分。然而该技术仍存在着因结合水含量过多造成的脱水局限性。.本研究探索了生物干化的水分蒸发、产水、有机质降解以及微生物群落之间的关系，基于水热平衡角度研究了干化效果，并掌握了不同阶段的脱水量、污泥形态变化、胞外聚合物以及自由水释放的过程。.生物干化过程的水分蒸发量、产水量及有机质降解量分别为412.9 g kg−1 sewage sludge bio-drying material (SSBM，生物干化基质)，65.0 g kg−1 SSBM和 70.2 g kg−1 SSBM。稀疏曲线和多样性指数表明第2天起，堆体温度剧烈升高后，细菌多样性骤降，但与此同时，水分蒸发量明显增加。当堆体进入降温期时，细菌多样性回升。在高温期，Acinetobacter和Bacillus是主导菌，其间，水分蒸发量、产水量和有机质降解量均达到峰值。当堆体在初次高温期后期进行第一次匀翻，并在之后的10天进行两次匀翻，可使单位质量的生物干化物料产生较多热量，达1.641 MJ kg-1 SSBM，此时，用于水分蒸发的热利用率达58.1%。在初次高温期，总脱水量的62%水分被脱除。介电常数测定表明，高温期的堆体温度维持在50°C以上时，物料中大量的结合水释放为自由水。经生物干化后，扫描电镜观测下的堆体物料多孔且呈分层片状。三维荧光光谱分析表明胞外聚合物中的芳香族蛋白和可溶性微生物副产物在初次高温期显著降解；初次高温期是关键的胞外聚合物组分降解阶段，色氨酸和酪氨酸的高效降解发生于初次高温期。在生物干化中发挥关键作用的功能微生物主要来自Firmicutes, Actinobacteria和Proteobacteria门，它们富含参与氨基酸转运代谢的相关基因，与色氨酸、酪氨酸降解有关的微生物同时也是生物干化基质中的生态优势菌。