有機基質臭氧消毒設備設計與試驗

喬曉東 賈海遙, 王晨健, 王琨琦 顏丙新 郭文忠

(1.北京農業智能裝備技術研究中心， 北京 100097； 2.西安工業大學機電工程學院， 西安 710021)

0 引言

有機基質栽培是設施農業無土栽培主要形式之一。有機基質除了能夠支撐、固定植株根系外，還可以為作物根系所需的水、肥、氣、熱等生長條件提供緩沖作用，即外來水分和養分可以暫時儲存于有機基質中，供植物根系按需選擇吸收[1]?；|作為栽培的核心，既是決定植物根系生長的最主要因素，也是病蟲害傳播的媒介和繁殖場所。一方面，由于連作后自毒產物增多、抵抗力下降，加劇了病菌傳播；另一方面，基質本身含有害蟲和雜草種子，使作物產量降低、品質下降，嚴重時會影響后茬作物的生長，造成大面積的病菌、病毒、線蟲以及蟲卵傳播，甚至導致整個種植過程的失敗[2-3]。因此，基質消毒是設施栽培中非常重要的作業環節。

為全面推進農業廢棄物的資源化利用，提高有機基質重復利用率，研究者對栽培介質消毒方法進行了大量嘗試與探索，常規的消毒方法主要包括化學消毒和太陽能、蒸汽、微波等物理高溫消毒[4]。其中，化學消毒主要利用嗅甲烷、氯化物、甲醛、高錳酸鉀、漂白劑等藥劑對基質進行消毒，方法比較簡單,但不容易殺滅基質中的雜草種子,且藥劑會造成環境污染，因而此方法將逐漸被淘汰；太陽能消毒需要光照,受氣候與天氣等自然條件限制，消毒周期長[5]，蒸汽、微波高溫消毒通過加熱流動空氣殺滅基質中的病菌與雜草，是目前基質消毒的研究熱點[6-11]。

臭氧消毒除應用于醫療、水處理及農產品殺菌外，在作物栽培中同樣具有滅菌增產效果[12-14]。本文針對有機基質消毒方法與技術裝備現狀，根據有機質物料輸送及拋撒動力學特性與臭氧消毒工藝流程，設計一種轉筒式有機基質臭氧消毒設備，采用螺旋輸送器推送有機基質，實現有機基質連續進出，升舉抄板拋撒有機基質與臭氧氣體形成對流，以提高消毒效率。

1 總體結構和工作原理

1.1 總體結構

根據有機基質臭氧消毒技術需求及工藝流程，臭氧消毒設備結構如圖1所示，主要由臭氧發生器、出料口、回轉軸承、螺旋輸送器罩殼、升舉抄板、螺旋輸送器、進料口、螺旋輸送器電機、變頻器、螺旋輸送器罩殼電機、轉筒托輥、托輥電機、轉筒、機架等組成。臭氧發生器與轉筒通過快速旋轉接頭聯結，進料口與出料口分別配置于轉筒左右兩側，螺旋輸送器罩殼與轉筒采用回轉軸承實現相對轉動，螺旋輸送器電機、螺旋輸送器罩殼電機、托輥電機與變頻器驅動螺旋輸送器轉動、罩殼翻轉與轉筒轉動。螺旋輸送器與螺旋輸送器罩殼實現有機基質轉筒進料與卸料，轉筒內部升舉抄板在消毒階段拋撒有機基質形成“物料簾”與臭氧氣體充分接觸，卸料階段拋撒至螺旋輸送器罩殼內，在螺旋輸送器作用下，完成有機基質輸送與卸料作業。根據設計要求確定的臭氧消毒設備主要技術參數如表1所示。

表1 臭氧消毒設備主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of ozone disinfection equipment

圖1 有機基質臭氧消毒設備結構示意圖Fig.1 Ozone disinfection equipment structure diagram drawing for organic matrix1.臭氧發生器 2.快速旋轉接頭 3.出料口 4.回轉軸承 5.螺旋輸送器罩殼 6.升舉抄板 7.螺旋輸送器軸 8.螺旋輸送器罩殼鏈傳動 9.進料口 10.螺旋輸送器電機 11.變頻器 12.螺旋輸送器罩殼電機 13.螺旋輸送器 14.轉筒托輥 15.托輥電機 16.轉筒 17.機架

1.2 工作原理

首先臭氧發生器產生的臭氧氣體依次通過快速旋轉接頭、中空輸送軸通氣孔進入轉筒，當消毒轉筒內的臭氧氣體達到指定濃度時，關閉臭氧發生器；接著開啟輸送器電機，在罩殼作用下，有機基質從進料口向出料口軸向移動，當有機基質接近出料口時，開啟罩殼電機，翻轉罩殼，有機基質撒落至轉筒底部，回轉罩殼繼續進料；然后啟動托輥電機，托輥摩擦力驅動托輥轉動，在轉筒、升舉抄板、重力等的聯合作用下，有機基質依次實現升舉、拋撒以及與螺旋輸送器罩底部發生二次碰撞等運動，并與臭氧氣體充分接觸，實現有機基質臭氧消毒；臭氧消毒完成后，罩殼回正，再次開啟輸送，有機基質拋撒至罩殼內，在輸送器螺旋推送作用下，經出料口完成卸料作業。

2 關鍵部件設計

2.1 轉筒與抄板

在消毒和卸料關鍵作業階段，有機基質隨轉筒轉動過程中受到轉筒徑向、大小與有機基質顆粒質量、質心至轉筒圓心距離、轉筒轉速的平方成正比離心力F，垂直于抄板表面支承力N、平行于抄板表面摩擦力f、垂直向下重力G合力作用，去除有機基質顆粒與轉筒及顆粒間碰撞接觸力、阻尼力后受力分析如圖2所示。

圖2 有機基質受力分析示意圖Fig.2 Mechanical analysis of organic matrix

另外為了滿足臭氧消毒工藝流程，在消毒階段，有機基質需與轉筒底部發生二次碰撞，增加接觸面積，在卸料階段，有機基質盡量全部傾撒于螺旋輸送器罩殼內，提高卸料效率。轉筒容積與消毒能力直接相關，根據設計要求，有機基質消毒設備一次可消毒質量m為50 kg，試驗所用的有機基質密度ρ為299.3 kg/m3，為保證良好的消毒效果，假設有機基質填充率γ為20%[15]，轉動軸向長度L為1 000 mm，滾筒半徑r計算式為

(1)

將已知參數代入式(1)取整后，r為500 mm，由于臭氧氣體具有強氧化性，轉筒的筒體采用304不銹鋼，厚度4 mm。

轉筒內部設置抄板有利于提高有機基質傾撒效果[16]，使有機基質在轉筒的整個橫截面上均勻分布，保證物料與臭氧氣體有良好的接觸，提高消毒效果與轉筒的填充率。抄板的布置形式分為升舉式、均布式、扇形式、蜂巢式和翻動式等[17]，升舉式抄板加工制作方便，便于安裝，對有機基質的適用性較為廣泛。抄板數量一般取筒體直徑的6～10倍[7,17]，抄板的徑向高度和長度可以根據抄板的有機基質持有量和筒體實際空間布置來確定，初步設計抄板的徑向高度為170 mm，長度為1 000 mm，抄板材料同樣采用304不銹鋼，厚度4 mm，結合筒體的空間布置，在筒體橫截面布置了8個抄板，抄板在滾筒內的布置如圖3所示。

圖3 轉筒與升舉抄板結構示意圖Fig.3 Schematic of rotating barrel and lifting board1.連接法蘭 2.轉筒 3.升舉抄板

2.2 螺旋輸送器

常用的輸送裝置有螺旋輸送器、刮板式輸送器與拋扔式輸送器[15]。本文選用結構簡單，轉速可在較大范圍內變化的螺旋輸送器。螺旋輸送器結構參數主要包括葉片外直徑D、葉片內直徑d、葉片螺距p、轉速n，螺旋輸送器結構如圖4所示。

圖4 螺旋輸送器結構示意圖Fig.4 Schematic of screw conveyers

螺旋輸送器的生產率(推送量)與螺旋輸送器葉片外直徑、葉片內直徑、葉片螺距、葉片與外殼間隙、螺旋輸送器轉速、有機基質物料特性及螺旋輸送器布置形式有關，計算式為[15]

(2)

式中Q——螺旋輸送器生產率(輸送量)，kg/s

λ——螺旋輸送器葉片與罩殼間隙，一般為5～8 mm，取5 mm

φ——輸送有機基質的充滿系數，一般為0.3～0.4，取0.35

C——螺旋輸送器傾斜輸送系數，水平布置為1

根據實際生產需求，為提高有機基質生產率，結合《農業機械設計手冊》中螺旋輸送器葉片外直徑選取表，D選取160 mm，葉片厚度s為3 mm。

螺旋輸送器輸送軸直徑一般計算公式為[18]

d=(0.2～0.35)D

(3)

因此，螺旋輸送器軸直徑d取值為32～56 mm，螺旋輸送器軸采用空心軸設計，且軸上有通氣孔，用于向轉筒內部通入臭氧氣體，適當擴大軸徑，d選取60 mm，螺旋輸送器軸選用304不銹鋼管，壁厚17 mm。

螺距不僅決定螺旋的升角，也決定物料運行的滑移面，螺距直接影響物料的輸送過程，計算公式為[19-20]

p=K1D

(4)

式中K1——螺距系數，當水平布置時，取0.8～1.0

因此，螺旋輸送器葉片螺距為128～160 mm，考慮到有機基質流動性較好且螺距適當增大有助于提高螺旋輸送器的輸送能力，所以螺旋輸送器葉片采用304不銹鋼，螺距p為160 mm。

螺旋輸送器轉速對輸送量有很大的影響。一般來說，螺旋輸送器轉速越大，輸送量越高，但由于螺旋輸送器罩殼選用開口設計，當轉速超過極限速度后，有機基質會在螺旋輸送器垂直輸送方向產生跳動或者因為離心力過大而向外拋出，影響物料輸送，因此需對螺旋輸送器轉速n進行一定的限定?？筛鶕菪斔推髯畲筠D速公式進行計算[21]，即

(5)

式中nmax——螺旋輸送器最大轉速，r/min

A——有機基質綜合特征系數，為28

因此，計算求得nmax為70 r/min，即在滿足輸送量要求的前提下，螺旋轉速不允許超過它的臨界轉速，即

n

(6)

聯合公式(2)～(6)計算可得，螺旋輸送器生產率Q為0.29 kg/s，效率滿足實際生產需求。

2.3 螺旋輸送器罩殼

在進料和卸料階段螺旋輸送器罩殼配合螺旋輸送器進行有機質軸向推送，在消毒階段，螺旋輸送器罩殼開口向下，在有機基質拋撒下落過程中與有機基質“物料簾”發生二次碰撞，增加有機基質與臭氧氣體接觸機率，提高消毒效率，在卸料階段，螺旋輸送器罩殼開口向上，有機基質回落至螺旋輸送器罩殼，配合螺旋輸送器完成卸料作業。因此，螺旋輸送器罩殼既要保證與“物料簾”發生二次碰撞后順利回彈至轉筒底部，又要滿足卸料階段有機基質完全回落至螺旋輸送器罩殼內，綜合考慮有機基質摩擦角與傾撒特性，罩殼開口角設計為60°，并與底部半圓相切，螺旋輸送器罩殼結構如圖5所示。

圖5 螺旋輸送器罩殼結構示意圖Fig.5 Schematic of screw conveyers cover

3 數值模擬

在消毒和卸料過程中，有機基質除受到轉筒作用力、抄板作用力、重力、離心力之外，還受到包括有機基質顆粒-顆粒、顆粒-轉筒之間接觸力作用，有機基質與消毒設備之間運動學與動力學過程理論分析與試驗驗證較復雜，為有效分析優化設備參數，以有機基質抄板角(如圖2中β，抄板水平為0°，逆時針為正)為評價目標，以抄板彎折角、轉筒轉速、有機基質轉筒填充率為影響因素，采用離散元分析軟件EDEM建立顆粒模型，與設備模型進行數值模擬，分析有機基質在設備內部運動過程，求取設備最優工況。

3.1 接觸模型

考慮到有機基質顆粒在含水率低的情況下，表面幾乎沒有黏附力，故選取Hertz-Mindlin接觸模型[22-24]。該模型屬于常規的顆粒接觸模型，模型中將每個顆粒的碰撞接觸力及阻尼分解為法向和切向方向[25-26]。

3.2 參數設置

選取上海森農環保科技有限公司生產的有機基質為研究對象，有機基質包括椰糠、草炭和有機肥等。為提高計算效率，將物料簡化為球狀，設置球狀粒徑為1～3 mm，尺寸隨機分布。在SolidWorks中對消毒設備進行實體建模(比例1∶1)，將裝配體保存為igs格式并導入EDEM軟件中，為減小計算量，去除了對仿真影響不大的結構，如螺旋輸送器、傳動裝置等，如圖3所示。

通過有機基質物料特性試驗并參考文獻[27-29]，得到有機基質與轉筒抄板之間的力學特性和相互之間的接觸參數如表2所示。

表2 EDEM中材料參數設置Tab.2 Material parameter setting of EDEM

4 試驗設計與結果分析

4.1 試驗設計和指標測定

有機基質臭氧消毒主要分為消毒和卸料兩個階段，傾盡角是指有機基質完全從抄板表面滑落時抄板基準面與水平面的夾角，傾盡角不僅可以反映有機基質拋撒“物料簾”的特性，同時可以表征物料回落螺旋輸送器罩殼狀態，因此將傾盡角作為評價指標。根據有機基質物料特性與消毒設備動力學參數不確定性，采用二次回歸正交試驗設計。結合實際工藝流程與生產需求，確定各因素的取值范圍：抄板彎折角為90°～180°，轉筒轉速為2～14 r/min，有機基質填充率為10%～30%。以抄板彎折角X1、轉筒轉速X2和填充率X3為試驗變量，基于二次正交旋轉組合試驗原理，建立因素編碼表，如表3所示。

表3 二次回歸正交試驗設計因素編碼Tab.3 Factors and codes of quadratic regression orthogonal rotating experiment design

通過EDEM軟件后處理模塊中的量角器功能對物料傾盡角進行測量。

4.2 回歸模型建立

離散元模型中時間步長設定為2.4×10-5s，瑞利步長設定為20%，保存時間為0.01 s。抄板彎折角為120°、轉筒轉速為6 r/min、填充率為13%時，有機基質消毒階段與卸料階段仿真結果如圖6、7所示。在以上條件下，圖6顯示有機基質顆粒消毒階段可有效形成“物料簾”，并與螺旋輸送器罩殼底部發生二次碰撞，圖7顯示有機基質顆粒在卸料階段基本上可以一次全部傾倒于螺旋輸送器罩殼內部，此時測定傾盡角為87.1°。該模擬過程可以很好地模擬消毒裝置有機基質顆粒分布與運動狀況。

圖6 有機基質消毒階段仿真結果Fig.6 Simulation results of organic matrix disinfection stage

圖7 有機基質卸料階段仿真結果Fig.7 Simulation results of organic matrix unloading stage

依據二次回歸正交旋轉組合試驗設置不同試驗組的參數模型，以仿真結果得到的物料傾盡角Y為評價指標，以各影響因素為自變量，基于EDEM仿真試驗，得到結果如表4所示。

表4 二次回歸正交旋轉組合試驗設計與結果Tab.4 Experimental design and result of quadratic regression orthogonal rotating test

表5 試驗結果方差分析Tab.5 Variance analysis of material inclination angle

表6 優化模型方差分析結果Tab.6 Variance analysis results of optimization model

Y=173.58-0.802 3X1+2.448 8X2

(7)

4.3 最優參數組合確定

基于響應面法，應用Design-Expert軟件中的Optimization模塊進行參數優化，為在消毒階段使有機基質形成有效的“物料簾”并與螺旋輸送器罩殼發生二次碰撞，提高臭氧消毒效率，在卸料階段有機基質可以完全回落至螺旋輸送器罩殼，設置傾盡角取值范圍為75°≤Y≤95°，在90°≤X1≤180°，2 r/min≤X2≤14 r/min的條件下對各參數進一步尋優，獲得最優作業參數組合為:X1=124.23°、X2=6.29 r/min，此時可獲得Y的最優目標值為89.3°。

5 驗證試驗

為驗證模擬試驗結果與臭氧消毒滅菌效果，在參數優化和樣機試制完成后，于2019年6月在北京市農林科學院進行了有機基質臭氧消毒、卸料階段性能試驗和滅菌性能驗證試驗。

5.1 試驗條件

根據有機基質與消毒設備仿真結果，研制了整套有機基質臭氧消毒設備，如圖8所示。有機基質臭氧發生器型號FH-CYJ1520A-Y，額定功率0.23 kW，臭氧產量20 g/h，抄板彎折角124°，選取CH型臥式三相異步減速電機配合SK1600-0D75G-1型變頻器、托輥等總成驅動，轉筒轉速6 r/min，有機基質轉筒填充率約13%。

圖8 臭氧消毒設備生產試驗Fig.8 Production test of ozone disinfection equipment

選取上海森農環?？萍加邢薰旧a的有機基質為研究對象，有機基質包括椰糠、草炭和有機肥等。轉筒內臭氧氣體初始質量濃度為64.2 mg/m3，消毒時間60 min。臭氧消毒前后分別提取有機基質懸液，制成樣品勻液，稀釋，分別采用LB培養基和YPD培養基，計數，消毒試驗前測得有機基質中細菌菌落總數為281 CFU/mL，真菌菌落總數為144 CFU/mL。

5.2 試驗結果

臭氧消毒轉筒內部拋撒情況如圖9所示，有機基質回落至螺旋輸送器罩殼內部效果如圖10所示。消毒階段有機基質可以形成有效的“物料簾”并與螺旋輸送器罩殼發生二次碰撞，卸料階段有機基質可以回落至螺旋輸送器罩殼內部，有機基質傾盡角與仿真結果基本類似，試驗結果說明，仿真結果與實際試驗效果擬合性較好，Hertz-Mindlin接觸模型及參數設置適用于有機基質與消毒設備轉筒離散元仿真。消毒60 min后，經滅菌性能試驗：細菌菌落總數為31 CFU/mL，真菌菌落總數為3 CFU/mL，細菌滅菌率為88.9%，真菌滅菌率為97.9%，滿足實際生產需要。

圖9 有機基質臭氧消毒試驗Fig.9 Ozone disinfection test of organic matrix

圖10 有機基質卸料試驗Fig.10 Organic matrix unloading test

6 結論

(1)臭氧消毒設備轉筒直徑1 000 mm、長度1 000 mm，轉筒徑向均布8個升舉抄板，升舉抄板徑向高度170 mm、彎折角124°，螺旋輸送器葉片外直徑160 mm、葉片內直徑60 mm、螺距160 mm，螺旋輸送器罩殼開口角60°。

(2)采用EDEM建立有機基質顆粒模型，并進行參數標定，選取Hertz-Mindlin接觸模型與設備模型進行數值模擬，分析有機基質在設備內部運動過程，得到最優作業參數組合為：抄板彎折角124.23°、轉筒轉速6.29 r/min，此時有機基質傾盡角為89.3°。

(3)消毒階段與卸料階段試驗效果與仿真試驗擬合性較好，可以實現預定有機基質“物料簾”的形成及與螺旋輸送器發生的二次碰撞，作業完成后回落至螺旋輸送器罩殼內。經滅菌性能檢測，消毒60 min后，細菌滅菌率為88.9%，真菌滅菌率為97.9%，能夠滿足實際生產需求。