引言
近年來,我國畜禽養殖業迅猛發展,規模日益擴大。目前,我國畜禽糞便年產量已達 30 億 t 左右,是世界上產量最大的國家,并已成為我國農村主要面源污染來源。畜禽糞便含有大量的有機物及豐富的氮、磷、鉀等營養物質。高溫好氧堆肥化是有機固體廢棄物無害化、減量化、資源化處理的重要途徑。高溫好氧堆肥種類主要包括靜態堆肥、條垛式堆肥、槽式堆肥、反應器堆肥等,其中,反應器好氧堆肥方式因其具有堆肥周期短、占地面積小、易實現自動化控制和二次污染小等優點成為目前研究熱點,具有良好的應用前景。
目前,國內外工廠化好氧堆肥反應器裝備技術相對較為成熟,但因好氧堆肥過程是物理、化學、生物學耦合的復雜過程,科學基礎研究還有待深入。然而,目前可用于模擬好氧堆肥的反應器試驗系統如 Kumar 等研發的實驗室滾筒式堆肥反應器系統和韓魯佳等研發的實驗室小型好氧堆肥反應器尚存在反應器體積小、實時監測和反饋控制功能單一等問題。
本文設計一種可用于開展有機固體廢棄物好氧堆肥試驗研究的反應器系統,可滿足多種試驗需求,并具有精準的數據實時采集和多模式反饋控制功能。
1、 好氧堆肥反應器裝置設計
設計的好氧堆肥反應器裝置主要包括物料艙、攪拌系統和布氣系統 3 部分,如圖 1 所示。
1. 1 物料艙
由文獻可知,堆肥裝置維持堆體溫度的必要條件是
式中 Qin———堆肥物料的產熱量,即輸入反應器的能量,kJ
本文引用文獻有關參數及判斷公式對其進行確定。初始堆料的參數為: 有機物質量比為0. 7 g / g,有機質降解率為 35% ,堆料的初始、終了含水率分別為 60%、50%,堆體的最高溫度為 55℃,環境溫度為 20℃,堆料的比熱容為 1. 2 kJ/\\(kg·K\\) 。
經計算,得出堆料的質量 Mm與反應器的有效表面積S 之比需大于 6. 31。
考慮到堆體散熱情況、實驗室實際要求及規模等情況,該堆肥反應器設計為圓柱體結構。該物料艙的設計容積為 100 L。根據攪拌堆料的物理形態及堆肥裝置維持堆體溫度的必要條件,參考常見攪拌容器常用裝料高徑比,其內徑D為450 mm,高度 HL為 600 mm,全部使用不銹鋼材料制作。為有效確保反應器保溫性能,其物料艙設計為雙層不銹鋼結構,夾層內均勻填充厚度為 30 mm 的聚氨酯保溫材料。
1. 2 攪拌系統
攪拌系統在反應器中主要用于物料的翻攪及混勻??紤]到堆料的攪拌效果,并結合文獻[8]可知,槳式攪拌器能滿足所有堆肥物料所要求的流動狀態,而且可滿足多種攪拌需求。根據攪拌物料的性質以及攪拌均勻性需求,應使攪拌槳葉直徑取最大值。根據文獻,攪拌槳葉的直徑取標準值 Dj=400 mm,葉片厚度 δ = 6 mm,槳葉寬度 B = 35 mm,槳葉的傾斜角度為 45°,攪拌軸徑 d =35 mm。
通常情況下,底層攪拌槳葉與反應器物料艙底面的間距 C 與反應器物料艙內徑 Di的比值一般在0. 05 ~ 0. 3。則底層攪拌槳葉與反應器物料艙底面的距離 C 為 20 ~120 m??紤]到實際攪拌過程中物料艙底部會有 30 mm 的墊料,C 值不能太小,而 C值太大攪拌效果不足,結合實際情況取 C = 75 mm。
對于多層攪拌器,攪拌器層距 Sp與攪拌容器內徑 Di之比一般在 0. 5 ~ 2. 0 范圍內,則攪拌器層距 Sp為 100 ~400 mm。為了開展關于堆肥空間梯次性差異等研究,引入了上、中、下 3 層溫氧傳感器及取樣口,考慮到實際反應器物料艙的有效高度及取樣口、傳感器的合理配置,攪拌器層距 Sp取 150 mm。
1. 3 布氣系統
根據堆肥物料有機物的化學成分和可降解程度,采用化學計量法可估算堆肥反應中微生物的需氧量。堆肥原料的化學需氧量計算公式為
由式\\(2\\) 可以得出每氧化 1 kg 的揮發性固體,需要消耗氧氣 1. 07 kg。由文獻[7]可知,當被氧化的揮發性質量為 Mv時,理論通風量 Vair為 3. 82Mv。
根據對物料性質的假設,可知
在反應器物料艙裝滿 51 kg 物料時,根據堆料的實際參數可得實際通風量 Vair為 19. 10 m3。由于布氣系統采取間歇通風的模式,經折合計算,可得風機實際通風時間累計為 14 d。計算得該時段內通氣流量為 0. 95 L/min。通風的另一功能是去除多余水分,在計算通風量之前,需首先計算進氣口與出氣口的空氣比濕度及去除水分質量。根據文獻,空氣比濕度可表示為
為得到去除水分所需通風量的最大值,取 Mm為51 kg。根據文獻可得出堆肥過程中去除水的質量為 18. 36 kg,環境空氣溫度 20℃,相對濕度75% ,出氣口空氣是飽和狀態,溫度為 55℃ 。 由式\\(1\\) ~ \\(3\\) 可得出氣口空氣比濕度 w 為 0. 115 3。
同理,在室溫下,相對濕度為 75% 時,可求得進氣口處的空氣比濕度 win為 0. 011 3,由此可以得出除濕所需通入空氣量為 146. 26 m3。由于布氣系統采取間歇通風的模式,經折合計算,可得風機實際通風時間累計為 14 d,則理論通風量為 7. 26 L/min。
綜上所述,布氣系統的布氣量應為生化反應需氧量和去除水分需氧量之和,即理論布氣流量應為Qair= 8. 21 L / min。
2、 基于 ANSYS 的反應器結構強度校核
2. 1 模型計算及網格劃分
反應器主罐體三維實體建模由 UG 實體造型完成。鑒于反應器內流場對反應器主罐體的影響較小,因此對反應器主罐體進行結構強度校核時忽略反應器內流場的影響。反應器內流場網格由GAMBIT 軟件完成,考慮葉片形狀的特殊性,采用對復雜邊界具有較強適應性的非結構化四面體網格對計算域進行劃分,并對葉片表面進行網格加密。體網格間距為 3,總網格數為 23 萬左右。反應器主罐體劃分網格的方式與反應器攪拌系統相同。
2. 2 邊界條件設置
反應器出料口處快裝盲板質量最大,其實際質量約為 3. 0 kg,電動機的實際質量約為 30 kg?;诎踩O計的要求,對反應器主罐體兩側端面施加豎直向下 50 N 的載荷來模擬兩側快裝盲板的實際重力作用; 對主罐體上端面施加豎直向下 500 N 的載荷來模擬電動機的重力效應對罐體的影響。反應器底端為固定約束。攪拌系統上端面為固定約束,考慮到攪拌系統的最大設計轉速為 50 r/min,基于安全設計的要求,對攪拌系統施加 60 r/min 的轉速來模擬離心力的作用。
2. 3 計算結果
可見,反應器主罐體上最大等效應力為9. 035 MPa,攪拌系統最大應力約為 1. 467 MPa,反應器主罐體與攪拌器的許用應力為 113 MPa,二者的最大應力值均在設計安全范圍以內。由反應器主罐體與攪拌器總變形圖 可知,反應器主罐體的最大變形量為 0. 029 mm,攪拌系統的最大變形量約為 0. 087 mm,二者的最大變形量均在設計安全范圍以內。
3、 反應器自動控制系統設計
3. 1 溫、氧采集模塊的選型
為了實現堆肥反應器的自動控制,須對堆體溫度參數及氧濃度參數進行實時監測,并根據所測數據由各執行器進行反饋控制??紤]到堆肥反應器體積較大,堆體存在空間梯次性差異,為了準確監測堆體的溫度及氧濃度分布,引入了上、中、下 3 層溫度傳感器及氧濃度傳感器,控制系統通過分析堆體的溫度及氧濃度分布,進而準確控制反應器的各個執行單元。因而選擇 PT-100 型溫度傳感器,THY-FDM-700 型管道式氧濃度傳感器\\(北京泰華恒越科技有限公司\\) ,其檢測探頭為電化學方式\\(40X-V型,英國\\) 。
3. 2 控制系統方案
反應器控制系統應根據反應器內部的堆肥環境自動控制布氣系統及攪拌系統動作來設計。反應器配備的氧濃度傳感器、溫度傳感器實時監測堆體內各層氧濃度及溫度數據,并傳輸給控制系統,控制系統通過數據分析、比對進而控制各個執行器動作,確保反應器內堆體環境始終處于良好狀態。根據實際堆肥試驗需要,該反應器控制系統需具備多種運行模式以滿足多種試驗需求?;诖?,該控制系統設計了二元反饋自動運行模式、一元反饋自動運行模式及手動控制運行模式,并配備有預警系統以對可能出現的系統故障進行提示。圖 4 是反應器運行操作界面圖,其中運行模式選擇、數據存儲、曲線顯示、報警記錄、參數設置、系統檢測及對各個執行器運行情況的監視均通過該界面獲取。
4、 反應器性能試驗
4. 1 試驗設計
為檢驗該反應器性能是否滿足設計要求,進行了反應器性能試驗。該堆肥性能試驗探討了堆肥過程中堆體不同高度下的感觀指標、常規理化指標的變化,其中感觀指標包括堆體的顏色及氣味,常規理化指標包括堆體的溫度、酸堿度\\(pH 值\\) 、揮發性固體\\(VS\\) 含量及種子發芽指數\\(GI\\) 。
本次堆肥試驗以豬糞、麥秸、蘑菇渣為主要原料。使用前先將麥秸切斷至 2 !3 cm,再與豬糞、蘑菇渣混合堆肥。依據豬糞、麥秸和蘑菇渣基本理化數據,豬糞、麥秸、蘑菇渣按質量比 10∶ 2∶ 1混合,并于混合后進行加水處理,將初始混合物料調制較優范圍。堆肥原料與初始混合物料基本理化指標如表 1所示。
4. 2 結果與討論
4. 2. 1 堆肥過程堆體溫度的變化
圖 5 是反應器堆體上、中、下 3 層的中心溫度和環境溫度隨時間的變化曲線。由圖可知,堆肥初期,反應器內堆體各層溫度上升非常迅速,其中堆體上層、中層、下層最高 溫 度 分 別 為 65℃、64. 1℃、57. 6℃ 。隨后堆體各層溫度緩慢下降,至堆肥試驗第 10 天,堆體各層溫度均降至 40℃ 左右。根據相關標準規定,高溫好氧堆肥處理有機廢棄物堆體溫度大于 50℃的時間應持續 5 ~7 d。試驗中,堆體上層、中層、下層溫度大于 50℃的時間分別為 8. 1 d、7. 2 d、4. 8 d。由此可得堆體各層堆料基本滿足高溫堆肥無害化處理要求。
4. 2. 2 堆肥過程堆體酸堿度的變化
圖 6 為堆肥過程中反應器堆體各層堆料 pH 值的變化情況。堆體初始的 pH 值為 6. 67。由圖可得,反應器內堆體各層堆料的 pH 值在第 3 天均升至 8. 4 左右。隨著堆肥的進行,pH 值有所降低,到第18 天時,降至7.9 左右。堆肥結束時反應器內堆體各層堆料的 pH 值均小于8,符合無害化處理要求。
4. 2. 3 堆肥過程堆體揮發性固體含量的變化
由圖 7 可知,堆體各層堆料揮發性固體質量分數初始值為 83. 62%。隨著堆肥反應的進行,各層堆料的揮發性固體質量分數呈逐漸減小的趨勢,至堆肥結束趨于穩定。堆體結束時,反應器內堆體各層堆料的揮發性固體質量分數均降至 77% 左右。鑒于該好氧堆肥反應器體積相對較小,堆料有機質降解效果較工廠化堆肥尚有一定差距,但與現有實驗室小型好氧堆肥反應器試驗系統相比堆制效果有明顯提升。
4. 2. 4 堆肥過程堆體種子發芽指數的變化
種子發芽指數\\(GI\\) 綜合反映了堆肥產品的植物毒性,被認為是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度評價指標。種子發芽指數的計算公式為
一般情況下,RGI大于50%可認為堆肥對種子基本無毒性,種子發芽指數大于 85% 可認為完全無毒性,堆肥完全腐熟。本文種子發芽指數試驗選用黃瓜種子\\(綠箭一號,中國農科院\\) 。稱取堆肥樣品10. 0 g,按固液比\\(質量 / 體積\\) 1 ∶ 10 用去離子水浸提后 置于離心機離心,轉速 3 000 r/min,持 續20 min,取上清液。在 9 cm 培養皿內墊上兩張濾紙,均勻放入 10 粒大小基本一致、飽滿的黃瓜種子,加入堆肥浸提液 5. 0 mL,蓋上皿蓋,在 30℃的培養箱中避光培養 48 h,統計發芽率和測量根長。每個樣品做 3 個重復,以去離子水或蒸餾水作對照。
由圖 8可知,堆體各層堆料最終的種子發芽指數均大于 85%,可以認定堆肥完全腐熟。
4. 2. 5 堆肥過程感觀指標變化
堆肥初期,堆料呈現黃褐色,臭味較濃,顆粒度不均勻,麥秸粒徑偏大,且麥秸色澤鮮亮。隨著堆肥的進行,堆肥過程中產生的硫化氫和氨氣等使堆體散發出濃烈的臭味,隨后氣味逐漸變淡,堆體顏色逐漸變深,麥秸中的纖維素、木質素被微生物逐步降解。堆肥后期,反應器內堆體臭味基本消失,呈現泥土的氣息,堆體顏色變為黑褐色,堆體中的麥秸粒徑變小,且其色澤變得黯淡。綜上,該堆肥反應器試驗系統性能良好。
由上可見,堆肥過程堆體存在一定的空間梯度差異,因此,設計基于實時獲取的上、中、下堆體物料溫氧數據的控制模塊及取樣口,可有效滿足開展相關科學試驗研究的需要。
5、 結論
\\(1\\) 研制了一種好氧堆肥反應器,該反應器容積為100 L,攪拌轉速 20 ~60 r/min,布氣流量為 0 ~20 L / min。
\\(2\\) 基于 ANSYS 力學模擬研究,得出反應器主罐體上最大等效應力為 9. 035 MPa,攪拌系統最大應力約為 1. 467 MPa,均符合安全性和科學性要求。
\\(3\\) 由好氧堆肥反應器性能試驗得出,好氧堆肥反應器試驗系統內堆體上、中、下層溫度高于50℃ 的時間分別為 8. 1 d、7. 2 d 和 4. 8 d; 堆體各層最終 pH 值均小于 8,種子發芽指數均大于 85%,堆肥試驗效果良好。該堆肥反應器具有自動化程度高、可靠性強、高效環保等優點,可以滿足好氧堆肥模擬試驗和生物質原料無害化、減量化和資源化要求。
參考文獻:
1. 郭冬生,彭小蘭. 畜禽糞便污染與治理利用方法研究進展[J]. 浙江農業學報,2012,24\\(6\\) : 1164 - 1170.
2. 張田,卜美東,耿維. 中國畜禽糞便污染現狀及產沼氣潛力[J]. 生態學雜志,2012,31\\(5\\) : 1241 - 1249.
3. 李季,彭生平. 堆肥工程實用手冊[M]. 2 版. 北京: 化學工業出版社,2011.
4. 陳海濱,萬迎峰. 重力翻板式垃圾快速堆肥裝置的工藝設計[J]. 環境衛生工程,2009\\(2\\) : 40 - 43.