機械強化快速好氧發酵反應器研發探析

王龍

（北京中源創能工程技術有限公司，北京 100029）

1 設計需求分析

根據典型規模餐飲服務機構，或我國典型行政區域單元，分別統計調研不同本技術預期場景下有機垃圾的產生規模如表1 所示。

表1 典型場景餐廚垃圾產生規模

根據上表所示，本研究主要針對不同場景下的餐廚或廚余垃圾處理。覆蓋的使用場景包括餐飲單位、農村、鄉鎮、縣市。處理規模從數百kg 至數十噸不等。因此，明確本研究的機械強化快速好氧發酵設備應具有以下特點：

（1）穩定連續運行：保障有機垃圾即產即清，能夠實現連續進出料，物料在反應器內具有相對穩定的停留時間，出料性質保持穩定，不隨進料頻率產生波動。

（2）提高堆肥效率：能夠通過機械方式強化通風、攪拌、輔熱等關鍵發酵工藝，根據發酵狀態及時調整運行參數，縮短堆肥周期。

（3）提升裝備化水平：全過程堆肥工藝實現成套設備化。設備主體及配套設備組成全面標準化。成套設備實現處理規模、處理對象系列化。

（4）優化工業設計：通過自動化控制實現系統全自動運行，通過優化工業設計實現簡易化操作，降低對人員的依賴，擴大系統應用場景。

（5）降低運行成本：通過反應器結構設計，實現菌渣高效分離，在系統內截留微生物，維持合理含水率水平，降低菌種及輔料的消耗。

因此，本研究將從反應器結構形式、反應器容積、攪拌裝置、輔熱裝置、引風系統設計五大方面進行機械強化快速好氧發酵設備的研發。

2 反應器結構形式

本研究設計固體物料分倉式反應器結構形式，以多個串聯的完全混合反應器模擬推流式反應器。利用隔板沿長度方向將反應器分為n 個獨立的發酵倉，同時，在中心攪拌軸沿長度方向分別設置攪拌槳葉。堆肥原料進入堆肥反應器后首先進入1#發酵倉，在攪拌軸的作用下與1#發酵倉原有的物料混合均勻后，超出隔板高度部分進入2#發酵倉，以此類推最終由第n 個發酵倉排出系統。每個獨立發酵倉可視為一個完全混合反應器，n 個獨立發酵倉串聯后可趨近與理想的推流式反應器。連續固體推流式反應器結構形式如圖1。

圖1 連續固體推流式反應器結構形式

3 反應器容積設計

反應器容積計算具體如下：

公式中，m0，原始有機垃圾重量，含水率為，取90%；m1，發酵倉進料重量，預處理（分揀、破碎、脫水）減量化率為a，取40%；Y1，發酵倉進料有機物含量，取0.9g/g（絕干物料），進料含水率，取75%；ΔY1，有機質降解率，取40%，發酵后物料含水率，取30%。T，發酵周期，設定為8d。ρ，物料容重，假設發酵前后不發生變化（1.0kg/m3）。

基于以上設計參數，反應器容積與處理規模的關系為。而不同停留時間，則對應不同處理規模的反應器有效容積如圖2。

4 攪拌裝置設計

攪拌裝置設計包括攪拌槳葉、攪拌軸，以及攪拌電機及減速機的選型與設計。設計應基于反應器結構類型與容積設計結果，確定攪拌槳葉形式以及攪拌直徑，基于工藝要求設定轉速后經計算得出電動機功率，并以此為基礎確定減速機規格，最后，按照減速機的輸出軸頭和攪拌軸系支承方式選擇相同型號規格的機架、聯軸器、軸封形式（圖3）。

圖2 不同停留時間條件下不同處理規模的反應器有效容積

圖3 反應器攪拌裝置設計

經過以上分析計算，本研究開發的機械強化快速好氧發酵反應器采用長實心軸、一體設計，選擇槳式攪拌器形式，設定轉速為10r/min，通過合理設定軸壁厚，要求滿足剛度要求，最終不同規格攪拌器系統選型。

5 輔熱裝置設計

國內外常見的堆肥反應器，主要集中在如何實現堆肥過程的機械化，如實現自動化機械進出料，自動鼓風曝氣供氧，以滾筒為代表的水平流反應器強化了攪拌翻堆過程。但普遍對堆肥過程溫度、菌種、輔料這幾項指標的優化考慮不足。如前所述，溫度可以直接影響反應速率，產物性質，減量化效果等。因此，通過合理設計，實現堆肥溫度可控可調，同時考慮節能降耗，是機械強化快速堆肥反應器的重要研究內容之一。反應器輔熱裝置設計圖如圖4。

圖4 反應器輔熱裝置設計

本反應器設計為分倉推流式反應器，堆肥物料在密閉反應器系統內完成堆肥過程。輻射系統的設計必須結合堆肥過程的熱平衡。

（1）堆肥反應器內維持堆體正常發酵所需的最低熱量計算公式如式（2）：

公式中：Qmax為反應器內物料發酵可對外釋放的熱量，kJ/kg；QW為水分蒸發帶走的熱量，kJ/kg；QE為損失在反應器周邊環境的熱量，kJ/kg；QS為堆肥原料升溫所需的熱量，kJ/kg；QG為引風帶走的熱量，kJ/kg。

（2）物料發酵堆肥釋放熱量

根據文獻資料，結合碳水化合物、蛋白質、脂肪，根據垃圾成分統計有機物發熱量為17.6MJ/kg。即：

（3）堆料升溫所需熱量

公式中：Cp.g為物料比熱，1.05kJ/kg·℃；Cp.w為水的比熱，4.18kJ/kg·℃；T 為預期堆體的穩定溫度，℃，設定為55℃；Ta為原料的初始溫度，℃，設定為20℃。

（4）水分蒸發所需熱量

公式中：hw為水分蒸發熱，kJ/kg·℃。

（5）引風帶走熱量

公式中：G0為引風量；Ca為氣體比熱，1.4kJ/m3·℃。

從文獻獲知，通風供氧造成的熱量損失主要是水蒸氣蒸發所帶走的熱量，且由于發酵反應器頂部空間很小，空氣自身升溫需要的熱量可以忽略不計。但考慮到本研究所開發的設備為強制高頻通風，按照1000m3/次，每天通風3 次，計算通風量帶走的熱量，計算結果QG=1.47×105kJ。

（6）散失到周圍環境的熱量如公式（14）：

公式中：S 為散熱面積；HRT 為設計停留時間，本設計選擇8d，192h；K 為傳熱系數，不銹鋼K 值為1.5W/（m2·K）；

T內、T外為反應器內外的環境熱力學溫度，K。

計算散失到周圍環境的熱量：QE=3.63×104×SkJ

由計算結果可知，在不考慮外保溫的情況下，熱量散失過大。因此，在設計強化堆肥反應器時必須設計保溫層。本研究采用聚氨酯做保溫材料，K 值為0.027W/（m2.K），重新計算熱量散失如下：QE=65.34×SkJ

（7）機械強化快速堆肥裝置所需的總熱量

圖5 不同規模垃圾堆肥過程所需熱量及各部分熱量需求占比

從圖5 可以看出，發酵過程熱量需求主要來自水分攜帶走的熱量，其次，是引風攜帶。物料升溫所需的熱量較少，不足總熱量需求的2%。由于在反應器表面增加了保溫措施，故表面散熱大幅降低基本可忽略不計。但總體而言，在任何規模條件下，機械堆肥總需熱與總放熱難以達到自持平衡，需要輔助加熱系統提供額外熱量。

6 引風系統設計

為了避免通風系統堵塞與頻繁維修，本研究設計引風+攪拌協同系統作為堆肥的主要供氧方式。引風系統與攪拌系統聯動，在物料翻堆的同時，利用引風系統將堆體中釋放的水蒸氣與CO2排出反應器外，同時，攪拌過程中從進風口補充的干燥空氣與物料充分混合，作為下一靜止周期堆肥微生物反應的氧氣來源。每一個引風周期過后，堆體物料的溫度同期下降至較低水平。因此，引風系統的作用為供氧與冷卻物料。反應器引風系統設計如圖6。

圖6 反應器引風系統設計

引風系統的設計需考慮有機質降解所需的氧氣，堆體中水分蒸發、散熱冷卻需要的通風量。

（1）有機物分解需要的氧氣量。

堆肥過程有機物的分解需要消耗一定量的氧氣，計算公式如公式（9）；

式中：q 為通氣量，m3/h；z0為進氣中氧氣濃度，取值0.209；z為排期中氧氣濃度，取值0.15；Morganic為有機質質量，kg；av為分解單位堆料需要的氧氣量，取0.89m3/kg；s 為堆肥裝置內總質量。

連續式堆肥需要的氧氣量是動態變化的，當系統內有機底物充足、微生物量最大、活性最強時，有機物降解速率最快，對氧氣的需求也最大。機械強化快速堆肥系統的通風量應不小于有機物分解過程需要的最大氧氣量。分析可知，當有機物降解速率最大時，需要的氧氣量也最大，降解速率最大的計算如公式（10）：

公式中：μ為微生物最大比增殖速率，取值0.1；s0取值0.3；km為反應系數，其計算如公式（11）：

則單位質量有機物分解最大需氧量(Os)為

設定日處理1t 有機垃圾，進入發酵倉體被降解最大需氧量為mO2=0.792m3/h。

（2）帶走水蒸氣所需的風量

堆肥過程水蒸氣主要來源于三個方面：原料堆肥過程中水分的蒸發、輔料中攜帶水分的蒸發、有機質降解產生的水蒸氣。由于本研究開發的機械強化快速堆肥反應器不采用輔料，因此，輔料中水分的散發可以省去。

針對堆肥過程有機質降解產生的水。取m1kg 原料為基準進行計算，其中原料有機物中易降解成分可用葡萄糖代表，其氧化反應公式如式（13）：

由公式計算得知，每降解1kg 有機物產生0.93kg 水。以原料為m1kg 計算，原料含的有機質為0.225m1kg，發酵過程有機質降解掉0.09m1kg，該過程產生0.0838m1kg 水。由于輸入氧氣與輸出二氧化碳基本持平，基于物質平衡得知：

計算結果說明，發酵過程產生的水約占系統水蒸氣總排出量的10.88%。綜上帶走水蒸氣所需的風量可由公式（16）計算：

公式中：mH2O為發酵過程排放的水總重量；mH2O.evap為發酵過程蒸發的游離水總重量；mH2O.deg為發酵過程降解有機物產生的水重量；H0-H1為排氣管中氣體與進風口氣體的濕度差，取值0.5；ρ0為空氣密度，取值1.2g/L。

所以，每克有機垃圾進行堆肥，帶走水蒸氣所需的通風量為0.15L 空氣。每t 垃圾所需的通風量為150m3。

（3）冷卻所需的風量

冷卻或散熱所需的風量需根據熱量平衡計算，可以參考本文第5 節的計算過程。堆肥過程中去除水分和散熱所需的通風量遠遠大于供氧所需的通風量，由于堆肥系統設計保溫效果受各種外界環境的影響，一般變化較大。

為了簡化計算過程，本研究選擇固定常數（5：1）計算冷卻所需風量

（4）所需總風量。

根據通風的三個作用，計算得知堆肥所需的最小通風量如式（18）：

以日處理1t 有機垃圾為例，計算得知，所需最小通風量154m3/d。

7 結語

本研究基于小試與好氧發酵技術關鍵影響因素，確定了反應器的設計需求，計算確定了不同規模反應器的結構形式、容積、攪拌、輔熱以及引風系統。取得的主要結論如下：

（1）針對國內外好氧堆肥設備的共性問題，提出具備穩定連續運行及高效微生物體系的設備設計需求。通過優化反應器結構形式，縮短堆肥停留時間，降低反應器容積。結合機械強化需求，分別開發攪拌裝置、輔熱裝置及通風裝置。

（2）對比廣泛應用于污水處理領域的完全混合反應器與推流式反應器，為實現反應器內固體物料連續進出料，采用多級串聯完全混合模擬推流式反應的設計思路，開發了固體物料分倉式反應器結構形式，通過結構設計實現菌渣高效分離，在系統內截留微生物、維持反應器合理含水率水平，降低菌種及輔料消耗。

（3）基于物料平衡確定反應器容積，在初始有機物含量為90%，有機質降解率為40%的條件下，分別計算了不同規模、不同停留時間的反應器有效容積。停留時間為8d 時，日處1t 有機垃圾反應器有效容積不應小于1.96m3。

（4）基于好氧發酵過程熱量平衡，分別計算物料發酵可對外釋放的熱量、原料升溫需要的熱量、反應器表面積散失的熱量，以及水分及引風帶走的熱量，得知在充分設計并優化保溫系統的前提下，發酵熱量需求主要來自水分及引風攜帶的熱量，僅靠發酵自身產熱量不足以維持機械強化快速發酵系統的基本需求。需要輔助加熱系統提供額外熱量，補充熱量需求約為200m0kJ。

（5）為避免通風系統堵塞與頻繁維修，設計聯動攪拌的引風系統作為反應器的主要供氧方式。引風規模的確定需分別計算有機質降解所需的氧氣，堆體中水分蒸發、散熱冷卻需要的通風量等。結果表明，通風需求分別為堆體冷卻、水分釋放以及有機物降解。日處理1t 有機垃圾所需最小通風量154m3/d。