好氧堆肥系統(tǒng)的設(shè)計及研究*

王霞琴，柳陽陽，劉 濤，王發(fā)生

(1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 機械工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060；2.江蘇派沃能源發(fā)展有限公司 蘭州分公司，甘肅 蘭州 730030)

禽畜養(yǎng)殖業(yè)廢棄物減量化的原則是根據(jù)我國禽畜養(yǎng)殖業(yè)污染物排放量大的特點，通過肥料化、能源化和飼料化等手段來消減污染物的排放總量，實現(xiàn)有機廢棄物的再利用。畜禽糞便是一種生物資源，又是一種現(xiàn)實的潛在的環(huán)境危害物質(zhì)。為了提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系中草畜肥糧之間物流、能流和信息流的轉(zhuǎn)化、傳遞及利用效率，減少資源浪費，減輕環(huán)境染，必須將畜禽糞便作為一種可以有效管理和充分利用的資源。好氧堆肥技術(shù)是實現(xiàn)固體有機廢棄物減量化、無害化和資源化處理的主要手段。

1 好氧堆肥原理及堆肥工藝

好氧堆肥技術(shù)是指，在提供游離氧條件下，通過微生物的參與，將有機廢棄物進行降解，最終達到穩(wěn)定的無害化處理。微生物以固體有機廢棄物中分子量大、位能高的各種有機物作為營養(yǎng)源，經(jīng)過一系列生化反應(yīng)，逐級釋放能量，最終轉(zhuǎn)化為分子量小、能位低的簡單物質(zhì)而穩(wěn)定下來。固體有機物經(jīng)過好氧堆肥后，體積一般為原來的50%～70%。好氧堆肥處理技術(shù)是實現(xiàn)固體有機廢棄物減量化、無害化和資源化處理目標的主要手段。

根據(jù)實際生產(chǎn)需求，設(shè)計通過兩次發(fā)酵完成好氧堆肥過程。好氧堆肥工藝流程如圖1所示。

圖1 堆肥工藝流程圖

堆肥物料發(fā)酵過程中，通過強制通風(fēng)及翻堆攪拌，為堆肥物料提供氧氣。在主發(fā)酵過程中，最初是堆肥物料中的易分解物質(zhì)進行分解，產(chǎn)生熱量、二氧化碳及水，這時堆體溫度開始上升。伴隨堆體溫度上升，各種微生物菌類吸取有機廢棄物中的碳、氮等營養(yǎng)成分，進入旺盛的繁殖期。此時，最適宜溫度為45°～65 ℃，堆肥物料在此階段進行高效分解。這里將溫度升高到開始降低為止階段，作為主發(fā)酵階段，一般主發(fā)酵周期為3～4 d。經(jīng)過主發(fā)酵的堆肥物料被送入二次發(fā)酵倉，進行二次發(fā)酵，對堆肥物料中尚未分解及較難分解的有機物進行分解，得到完全成熟的堆肥成品。堆肥過程中的氣體經(jīng)過除臭系統(tǒng)除臭后排放。

2 堆肥系統(tǒng)參數(shù)研究

根據(jù)實際生產(chǎn)需求，在好氧堆肥過程中，需要在保證堆肥質(zhì)量的基礎(chǔ)上，縮短堆肥周期，提高堆肥效率。通過分析好氧堆肥原理可知，控制堆肥條件是加快堆肥反應(yīng)進程，縮短堆肥物料穩(wěn)定時間的關(guān)鍵。影響好氧堆肥的主要因素包括通風(fēng)供養(yǎng)、堆料含水率及溫度。

2.1 曝氣供氧

通風(fēng)供氧是能夠?qū)崿F(xiàn)好氧堆肥的重要條件，其主要作用在于為堆肥物料提供氧氣，以促進微生物的發(fā)酵。在通風(fēng)過程中，氧氣體積分數(shù)應(yīng)大于18%，否則會限制微生物的生命活動，難以保證堆肥質(zhì)量。在本堆肥系統(tǒng)中，采用風(fēng)機強制通風(fēng)及攪拌裝置相互配合，為堆肥物料提供氧氣。通風(fēng)供氧控制可通過測定排氣口氧氣含量確定，出口氧氣的適宜體積分數(shù)值為14%～17%。

2.2 堆料含水率

好氧堆肥過程中，水分的主要用于溶解有機物，參與微生物的新陳代謝，同時水分的蒸發(fā)可以帶走熱量，從而調(diào)節(jié)堆肥溫度。好氧堆肥過程中，堆肥物料的最佳含水率范圍在45%～60%。本好氧堆肥以豬糞作為堆肥物料進行分析。豬糞含水量為75%。堆肥物料進入發(fā)酵倉前應(yīng)進行簡單脫水，進入發(fā)酵倉時添加吸水物(如木屑、稻草等)吸收水分，增加堆肥物料與空氣的接觸面積。

2.3 溫度

在好氧堆肥過程中，溫度是影響微生物活動的重要因素。堆肥過程會經(jīng)歷從升溫階段到高溫階段再到降溫階段的過程。在堆肥過程中，堆體溫度的變化速率會受到通風(fēng)及堆肥設(shè)備等條件的影響。堆肥物料發(fā)酵的適宜溫度為55～60 ℃，設(shè)計堆肥過程中通過提高進入發(fā)酵倉氣體溫度和溫度反饋系統(tǒng)，控制堆肥倉溫度。溫控電子探頭分別放置在兩發(fā)酵倉堆體內(nèi)的上、中、下三個部位，以檢測堆體不同部位溫度變化。

3 好氧堆肥系統(tǒng)設(shè)計

本堆肥系統(tǒng)設(shè)計為密閉式倉筒堆肥設(shè)備，通過堆肥過程機械化，來提高堆肥效率，保證堆肥質(zhì)量。堆肥設(shè)備工作過程，堆肥物料從設(shè)備頂部進入主發(fā)酵倉，在主發(fā)酵倉中完成一次發(fā)酵。一次發(fā)酵完成之后，堆肥物料進入二次發(fā)酵倉進行二次堆肥發(fā)酵，最終通過在堆肥設(shè)備底部卸出腐熟物料。這種好氧發(fā)酵工藝的發(fā)酵周期為7～10 d，通過二次發(fā)酵，可提高堆肥質(zhì)量，節(jié)省單次堆肥周期，物料可實現(xiàn)3～4 d間歇進料。設(shè)計好氧堆肥系統(tǒng)由發(fā)酵倉和4個附屬系統(tǒng)組成，分別為攪拌裝置、控制系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、上料系統(tǒng)和除臭系統(tǒng)。密閉式倉筒堆肥設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 密閉式倉筒堆肥設(shè)備

1)發(fā)酵倉結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)實際生產(chǎn)設(shè)計采用間歇式好氧堆肥二次發(fā)酵技術(shù)。設(shè)計設(shè)備規(guī)模處理量為 15 t/次，可用于中小規(guī)模養(yǎng)殖場(以存欄3000頭豬計算)畜禽糞便有機廢棄物的就地處理。發(fā)酵裝置主體為圓柱形結(jié)構(gòu)，分為上下兩倉室完成堆肥物料好氧堆肥的二次發(fā)酵。發(fā)酵倉的容積及尺寸可根據(jù)公式(1)計算：

(1)

式中：m為入倉物料質(zhì)量，kg；ρ為堆肥容重，kg/m3；η為物料填裝系數(shù)；D為發(fā)酵倉直徑，m；H為發(fā)酵倉高度，m。

考慮到堆肥物料在發(fā)酵倉的堆肥過程中需要留有一定的操作空間，一般取物料填裝系數(shù)為0.6～0.85[1]，根據(jù)物料特性及堆肥過程中的通風(fēng)及機械攪拌要求，本發(fā)酵倉物料填充系數(shù)取0.6。堆肥物料以豬糞為主，含水量為75%，考慮堆肥物料的孔隙度，因此堆肥容重取 800 kg/m3[2]。溫度是影響堆肥過程的重要因素，在考慮發(fā)酵倉結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮發(fā)酵倉的表面散熱等因素，根據(jù)反應(yīng)倉體積公式和表面積計算公式，可取發(fā)酵倉高度和內(nèi)徑的比值H/D=1～2[3]，因為設(shè)計堆肥設(shè)備為上下兩倉室完成二次發(fā)酵，設(shè)備不宜過高，因此取發(fā)酵倉高度和內(nèi)徑的比值為1。

將所有參數(shù)帶入公式計算，并參照符合化工設(shè)備的常用標準化零部件所規(guī)定的尺寸規(guī)格，可得：完成好氧堆肥一次發(fā)酵的主發(fā)酵倉的容積為 31 m3，發(fā)酵倉直徑為 3.4 m 高為 3.4 m。

堆肥物料通過一次發(fā)酵容積將減量1/3，因此設(shè)計完成好氧堆肥二次發(fā)酵的后發(fā)酵倉的容積為 21 m3，發(fā)酵倉直徑為 3.4 m 高為 2.3 m。

根據(jù)化工設(shè)備的常用標準化零部件設(shè)計要求，選擇發(fā)酵設(shè)備筒體材料為Q235-A。由于堆肥過程中筒體工作壓力小于 0.3 MPa，因此發(fā)酵設(shè)備筒體整體壁厚為 7 mm。發(fā)酵倉內(nèi)壁襯聚氯乙烯襯板，防止堆肥過程中對發(fā)酵倉的腐蝕，同時，發(fā)酵設(shè)備外壁選擇用 20 mm 聚氨酯發(fā)泡材料作為設(shè)備保溫層。

設(shè)備堆肥過程中的進料口與出料口分別設(shè)計在發(fā)酵倉頂部和底部，尺寸為 1000 mm×1200 mm 的半月牙形開口，通過旋轉(zhuǎn)擋板實現(xiàn)開啟和關(guān)閉。堆肥物料通過上料系統(tǒng)從進料口進入主發(fā)酵倉。主發(fā)酵完成后，通過自身重力物料從出料口出料，進入二次發(fā)酵倉，完成二次發(fā)酵后從出料口出料。

2)攪拌裝置設(shè)計

攪拌裝置的作用是使發(fā)酵倉內(nèi)的堆肥物料均勻分布，增加堆肥物料與氧氣的接觸，同時可使堆肥物料受熱均勻，從而提高堆肥效率。在攪拌裝置中設(shè)計攪拌主軸從堆肥設(shè)備罐體中心進入主發(fā)酵倉及二次發(fā)酵倉，設(shè)計攪拌軸外徑為 280 mm，內(nèi)徑為 220 mm。攪拌主軸上連接有耙形攪拌棒，耙形攪拌棒兩兩間隔90°，在每個發(fā)酵倉分為上下兩層。耙形攪拌棒直徑為 70 mm，長度為 160 mm。

3)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

堆肥設(shè)備中的通風(fēng)裝置包括鼓風(fēng)機(轉(zhuǎn)速 2900 r/min、流量 1688 m3/h、電機功率 2.2 kW)、電熱管加熱箱、通風(fēng)管、雙層篩網(wǎng)。通氣管從堆肥罐右側(cè)進入主發(fā)酵倉，距離發(fā)酵倉頂部150 mm，通氣管直徑為138 mm，通氣管在發(fā)酵倉內(nèi)為環(huán)形結(jié)構(gòu)，每間隔20 mm設(shè)置一孔直徑為5 mm的曝氣孔。通過排風(fēng)口氧氣含量及溫度反饋混合控制系統(tǒng)來控制風(fēng)機的工作。

4)上料系統(tǒng)設(shè)計

上料系統(tǒng)包括提斗、提料軌道及電機，提斗的尺寸根據(jù)堆肥倉的尺寸來設(shè)計。發(fā)酵倉物料填充系數(shù)為0.8，主發(fā)酵倉設(shè)備容積為 31 m3。因此單次堆肥物料為 24.5 m3，假設(shè)需要30提填裝物料，每提容積為 0.82 m3，因此設(shè)計提斗尺寸為 1100 mm×1000 mm×800 mm。

5)除臭系統(tǒng)

在堆肥處理過程中會產(chǎn)生大量臭氣，主要有氨、硫化氫、甲基硫醇等，需要進行脫臭處理。除臭系統(tǒng)采用生物除臭法，利用微生物來分解、轉(zhuǎn)化臭氣成分以達到除臭目的。除臭生物過濾器中放置有熟化的肥料、樹皮、木片和顆粒泥炭等材料，堆高為0.8～1.2 m。排氣孔出來的臭氣通入除臭過濾器，使之于生物分解和吸附同時作用，除臭后的氣體再排入大氣，可大大減少二次污染，除臭效率可達98%以上。

4 結(jié)語

本文通過分析高溫好氧堆肥原理，設(shè)計了二次發(fā)酵的好氧堆肥工藝流程，并對好氧堆肥過程中的影響因素進行分析，提出控制影響因素的方案。根據(jù)實際堆肥生產(chǎn)設(shè)計了好氧堆肥系統(tǒng)。該堆肥生產(chǎn)過程在半密封的裝置中完成，有利于減少物料的熱量損耗，減少堆肥物料對環(huán)境的二次污染。在整個堆肥機械化過程中，堆肥物料通過自身重力及攪拌軸的推動，通過至上而下的方式從進料口到出料口，當堆肥物料排出出料口時就完成了一次腐熟發(fā)酵過程。將兩次堆肥發(fā)酵過程分倉室完成，可調(diào)節(jié)不同發(fā)酵階段對不同控制因素的影響，加快了堆肥速度，縮短了單次堆肥物料的進料周期。