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

基于雙區模型的污水污泥好氧堆肥過程中基質顆粒溶解氧分布模擬  

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

《清潔生產雜志》2023年第428卷，文章編號139380  

 

摘要內容

 

研究采用雙區模型（TRM）分析污泥堆肥過程中氣固兩相分布特征，結合丹麥Unisense微電極實測堆肥顆粒內部溶解氧（DO）梯度，探究不同調理劑（稻殼、花生殼、小麥秸稈）對堆肥顆粒好氧/厭氧層厚度（L_A/L_{ANA}）的影響。關鍵發現包括：  

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效率（\alpha值增加0.001）（圖1B）。  

 

 

溶解氧分布：Unisense微電極（OX-25）測量顯示，堆肥顆粒內部DO擴散深度隨堆肥進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），預測閾值氧濃度（C_{O2,SA}/C_{O2,SANA}）。  

 

 

 

微生物機制：調理劑未顯著改變微生物群落結構（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。  

 

 

研究目的

量化不同調理劑對堆肥氣滯區比例（\varphi）和傳質系數（\alpha）的影響。  

 

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

 

解析微生物群落對氣固兩相分布的響應機制。  

 

研究思路

實驗設計：  

 

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對照）。  

 

通過氦氣示蹤實驗結合STANMOD軟件反演\varphi和\alpha參數（圖1）。  

溶解氧測量：  

 

使用Unisense OX-25微電極（步長25μm）測定不同堆高、不同堆肥階段顆粒內部DO梯度（圖3）。  

模型構建：  

 

基于DO數據建立C_{O2,S}與L_A/L_{ANA}的擬合方程（多項式/分段函數）（圖4）。  

 

預測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：  

 

高通量測序分析細菌、真菌、古菌群落結構（圖6）及功能基因（KEGG）。  

 

測量數據及研究意義

氣固兩相參數（圖1）  

 

數據：高溫期SRP/SRW的\alpha值（傳質系數）比SRA高0.001；腐熟期\varphi（氣滯區比例）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，提升氧傳質效率，抑制厭氧微環境。  

溶解氧分布（圖3）  

 

數據：SRB處理高溫期，當C_{O2,S}=5\%時，DO在475–525 μm深度降至0；C_{O2,S}=40\%時，DO擴散深度達1383 μm。  

 

意義：量化顆粒內部缺氧層位置，為優化通風策略提供依據。  

擬合方程（圖4）  

 

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

 

意義：預測閾值氧濃度（C_{O2,SA}=10\%, C_{O2,SANA}=5\%），指導通過調控表面氧濃度抑制厭氧區形成。  

微生物群落（圖6）  

 

數據：高溫期SRP/SRW的厚壁菌門（Firmicutes）相對豐度達83.5%（SRA僅49%）；古菌Methanobacterium（產甲烷菌）在氣滯區富集。  

 

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

 

結論

調理劑優化：花生殼和小麥秸稈通過降低氣滯區比例（\varphi）和提升傳質效率（\alpha），減少厭氧微環境，抑制CH?和N?O生成。  

 

模型有效性：雙區模型耦合擬合方程可準確預測顆粒內部L_A/L_{ANA}分布，閾值氧濃度C_{O2,S}>10\%可基本消除厭氧層。  

 

工程應用：通過增加翻堆頻率或優化通風，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電極測量數據的詳細研究意義

 

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

微尺度缺氧層定位：  

 

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

動態過程解析：  

 

揭示堆肥進程（升溫期→高溫期）中DO擴散深度從1320 μm降至392 μm（SRB），闡明微生物耗氧加劇導致厭氧層擴大的機制。  

模型驗證基礎：  

 

實測DO梯度為擬合方程（圖4）提供數據支撐，驗證C_{O2,S}與L_{ANA}的負相關性（R^2>0.92），推動理論模型工程化應用。  

工藝優化指導：  

 

發現表層氧濃度（C_{O2,S}）需>10%才能消除高溫期厭氧層，為通風系統設計（如變頻風機控制）提供定量標準。