【摘要】：本論文的研究工作是國家自然科學(xué)基金重大國際合作項(xiàng)目(50621140001)的部分內(nèi)容。根據(jù)我國缺水地區(qū)通過建立分散式生態(tài)衛(wèi)生系統(tǒng)改善環(huán)境衛(wèi)生條件的需要，研究了以鋸末為載體的生態(tài)堆肥反應(yīng)器的污染物去除特性和作為衛(wèi)生設(shè)備的實(shí)用性。論文通過小試和中試，重點(diǎn)研究了在控制載體含水率(50～60％)和堆肥反應(yīng)溫度(50～60℃)，每日定量投入糞便的條件下，生態(tài)堆肥反應(yīng)器對(duì)糞便中污染物去除特性，并考察了反應(yīng)器中載體的理化性質(zhì)、微生物數(shù)量與種群結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，開展了生態(tài)堆肥反應(yīng)器的生物降解動(dòng)力學(xué)研究。與此同時(shí)，結(jié)合2項(xiàng)示范工程，研究了生態(tài)堆肥反應(yīng)器的推廣應(yīng)用前景。論文的主要研究成果如下： 1．通過生態(tài)堆肥反應(yīng)器的小試和中試，考察了糞便中污染物的去除，以及有機(jī)物和肥分在載體中的積累特性。結(jié)果表明：生態(tài)堆肥反應(yīng)器對(duì)水溶性有機(jī)物的去除率按TOC、COD和BOD_5計(jì)均能達(dá)到74～78％，有機(jī)物中脂類和總糖最易降解，去除率分別達(dá)到96％和85％，在每日定量投料的條件下，難降解有機(jī)物在反應(yīng)器中積累，最終殘留在堆肥產(chǎn)物中；糞便中氮的組分以有機(jī)氮為主，但在高溫和通風(fēng)條件好的情況下以氨氣的形式揮發(fā)較快，總氮的殘留率在30％左右；堆肥過程中N、P、K等肥料成分基本上按同樣的趨勢(shì)積累，最終堆肥產(chǎn)物的肥分基本上能夠達(dá)到農(nóng)用肥料的標(biāo)準(zhǔn)。 2．考察了生態(tài)堆肥反應(yīng)器的微生物滅活特性。結(jié)果表明，反應(yīng)器中維持50～60℃的溫度可提供微生物滅活的良好條件，對(duì)糞大腸菌的滅活過程符合一級(jí)反應(yīng)的規(guī)律，達(dá)到1-、2-、3-、4-log糞大腸菌滅活的時(shí)間分別為5、11、16和21h，在每日定量投入糞便的條件下能夠保證反應(yīng)器中沒有糞大腸菌殘留；對(duì)蛔蟲卵的滅活速度更快，2h之內(nèi)就能達(dá)到100％的滅活率。作為衛(wèi)生設(shè)備使用的生態(tài)堆肥反應(yīng)器在試驗(yàn)過程中既無臭味散發(fā)，又無蟲蠅產(chǎn)生，能夠保持良好的衛(wèi)生條件。 3．研究了堆肥反應(yīng)過程中載體的總固體量(TS)、灰分、容重、孔隙度等理化參數(shù)的變化規(guī)律，并引入自由空域(FAS)作為評(píng)價(jià)載體通氣性的指標(biāo)。結(jié)果表明，隨著堆肥反應(yīng)時(shí)間的延續(xù)，反應(yīng)器內(nèi)TS和灰分不斷增加，導(dǎo)致載體容重增大，孔隙度降低，F(xiàn)AS減小。FAS的減小直接影響空氣在堆體中的擴(kuò)散效果。作為生物載體的鋸末的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，分析結(jié)果表明這些成分在堆肥反應(yīng)過程中基本上不發(fā)生生物降解。 4．考察了生態(tài)堆肥過程中水分的蒸發(fā)情況，根據(jù)熱量平衡原理進(jìn)行了反應(yīng)器的熱平衡分析。結(jié)果表明，反應(yīng)器的水分蒸發(fā)速率受載體的理化性能影響很大，造成堆肥后期通過加熱裝置輸入的熱量絕大部分消耗于水分的蒸發(fā)。堆肥系統(tǒng)總輸入熱量的77．5％以上由加熱裝置提供，而平均有10．5％的水分由加熱裝置所提供的熱量所蒸發(fā)。在保證堆肥反應(yīng)必須的含水率的前提下，減少多余水分進(jìn)入反應(yīng)器是降低反應(yīng)器熱耗的重要途徑。 5．研究了生態(tài)堆肥反應(yīng)器中微生物量和種群的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在堆肥反應(yīng)的一個(gè)周期內(nèi)，微生物總量的變化具有初期迅速增長，中期達(dá)到平衡，后期開始下降的特征。微生物中好氧菌數(shù)量的變化趨勢(shì)與微生物總量相似，而兼性菌數(shù)量初期遠(yuǎn)低于好氧菌，中后期達(dá)到和超過了好氧菌的數(shù)量。反應(yīng)期內(nèi)微生物以嗜熱細(xì)菌為主，主要為球菌和桿菌。載體中微生物的DGGE分析結(jié)果表明，隨著反應(yīng)的進(jìn)行微生物的多樣性指數(shù)有增大的趨勢(shì)，但相似性指數(shù)在后期反而降低，說明堆肥中的微生物種群不穩(wěn)定。載體理化性質(zhì)的變化可能是影響微生物種群的重要原因。 6．根據(jù)生態(tài)堆肥反應(yīng)器的特點(diǎn)，建立了引入FAS值的生物降解動(dòng)力學(xué)模型。在該模型中，微生物生長速率系數(shù)k是FAS值的函數(shù)，當(dāng)FAS＞0．622時(shí)，k＞0，好氧微生物增殖；當(dāng)FAS＜0．622時(shí)，k＜0，好氧微生物出現(xiàn)負(fù)增長；FAS=0．622是反應(yīng)器是否處于好氧條件的臨界條件。該生物降解動(dòng)力學(xué)模型能很好解釋堆肥過程中好氧微生物數(shù)量變化的規(guī)律。 7．開展了生態(tài)堆肥反應(yīng)器用作無水衛(wèi)生設(shè)備的2項(xiàng)示范工程研究。其中用于四川地震災(zāi)區(qū)的生態(tài)衛(wèi)生設(shè)備采用了糞尿分離方式，以減少反應(yīng)器的水分輸入，在不設(shè)置加熱裝置的條件下實(shí)現(xiàn)了生態(tài)堆肥。生態(tài)堆肥反應(yīng)器的示范性應(yīng)用效果表明，其作為衛(wèi)生設(shè)備能夠有效解決無水條件下的環(huán)境衛(wèi)生問題，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：X703

【參考文獻(xiàn)】

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