(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市園林綠地面積不斷擴(kuò)大，園林廢棄物的數(shù)量逐年增加，已成為城市固體廢棄物的主要組成之一，給環(huán)境帶來了巨大的壓力。園林廢棄物是指一系列的有機(jī)材料，包括落葉、樹枝修剪物、草屑、灌木、雜草、種子和殘花等[1]。如何合理有效地處理大量的園林廢棄物已成為目前急需解決的問題。

迄今為止，我國大多數(shù)城市對于園林廢棄物的處理方式仍主要采用衛(wèi)生填埋、焚燒等傳統(tǒng)處理方式，只有少數(shù)大城市在傳統(tǒng)處理方式的基礎(chǔ)上開展了堆肥等新型處理方式對園林廢棄物進(jìn)行處理。填埋與焚燒為主的處理方式成本相對較高，不僅浪費(fèi)了國家的寶貴土地資源，造成了對環(huán)境的二次污染，還造成了園林廢棄物這一良好生物質(zhì)資源的浪費(fèi)。園林廢棄物含有大量的纖維素、木質(zhì)素、半纖維素和有益營養(yǎng)元素等有機(jī)物，是好氧堆肥的良好原料，園林廢棄物循環(huán)再利用將成為今后發(fā)展的必然趨勢。

好氧堆肥是一種可持續(xù)、高質(zhì)量的有機(jī)廢物處理和處置技術(shù)，可減輕環(huán)境污染，最終產(chǎn)品適合用作肥料和土壤改良劑[2]。好氧堆肥還可以減少土壤中病原菌對植物的危害，為植物的生長提供必要的養(yǎng)分，改善土壤的理化性質(zhì)[3]。

目前，國內(nèi)外的好氧堆肥發(fā)酵處理設(shè)備基本為大型設(shè)備且存在一些問題：一是不能同時具備翻轉(zhuǎn)、提供氧氣等綜合功能，堆肥時間較長且產(chǎn)品質(zhì)量不佳；二是價格昂貴，運(yùn)行成本較高；三是設(shè)備體積龐大，需要大量實驗原料，不便于進(jìn)行實驗；四是對攪拌次數(shù)、攪拌時間及轉(zhuǎn)速等實驗參數(shù)設(shè)置不合理，影響實驗效果[4]。

針對以上問題，設(shè)計了一臺供實驗使用的好氧堆肥滾筒發(fā)酵實驗設(shè)備并進(jìn)行實驗，得到合理的基本實驗參數(shù)。

1 滾筒發(fā)酵實驗設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

好氧堆肥滾筒發(fā)酵實驗設(shè)備主要由反應(yīng)筒體、攪拌裝置、轉(zhuǎn)動和支撐裝置及通氣裝置幾部分組成。

1.1 反應(yīng)筒體設(shè)計

反應(yīng)筒體是進(jìn)行堆肥實驗的主要場所，也是實驗設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)，涉及到進(jìn)出料口、出氣孔的布置，攪拌裝置、曝氣裝置和溫度傳感器的安裝等。從設(shè)計的科學(xué)性、使用的實用性與可靠性及制造成本等方面綜合考慮，設(shè)計反應(yīng)筒體外形為圓柱體，有效容積為70 L。

為保證反應(yīng)筒體的強(qiáng)度和剛度，筒體使用304不銹鋼無縫焊接制作。為避免受到腐蝕影響，增加筒體的使用壽命，對表面進(jìn)行拋光處理。為增強(qiáng)筒體的保溫效果，在筒體的內(nèi)外層之間增加了20 mm的聚氨酯保溫層。

1.2 攪拌裝置設(shè)計

好氧堆肥是一個相對靜態(tài)并且消耗氧氣的過程，筒體內(nèi)不同區(qū)域物料發(fā)酵進(jìn)程的快慢不同將影響整體的實驗速度。滾筒內(nèi)的物料普遍黏性較高，流動性較低，輸送性能差，在發(fā)酵過程中物料不能充分混合，影響發(fā)酵降解速率。為加強(qiáng)滾筒內(nèi)物料的攪動，使筒內(nèi)物料混合以及物料層中的供氧均勻，在筒內(nèi)設(shè)置抄板[8]。

圖1 筒體及抄板安裝

1.3 轉(zhuǎn)動和支承裝置

由于滾筒的體積與質(zhì)量都不是很大，本裝置通過定位板將電機(jī)與滾筒底部相連，由電機(jī)直接帶動滾筒旋轉(zhuǎn)。根據(jù)實驗的實際情況，滾筒及筒內(nèi)物料可能達(dá)到的最大質(zhì)量m=100 kg，筒體半徑r=225 mm，最大轉(zhuǎn)速5 r/min，啟動時間為1 s。根據(jù)相關(guān)公式計算得到最大扭矩為1.4 N·m，選擇J-8618HB1401型號步進(jìn)電機(jī)。

滾筒筒體、傳動機(jī)構(gòu)及各種配套裝置都集中安裝在機(jī)架上，因此機(jī)架應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性，較強(qiáng)的剛度及一定的可移動性。根據(jù)筒體的設(shè)計尺寸，設(shè)計機(jī)架的長為500 mm、寬為450 mm、高為400 mm，采用50 mm的Q235方鋼焊接而成，利于承受彎、壓、扭的組合變形[9]。

支承裝置是滾筒反應(yīng)器用以支承筒體質(zhì)量、物料質(zhì)量及其他載荷的重要結(jié)構(gòu)裝置。支承裝置包括的主要部件有托輪、托輪軸、軸承、軸承支座等[10]。托輪除起支承作用外，同時擔(dān)負(fù)輔助筒體轉(zhuǎn)動的作用，避免筒體在轉(zhuǎn)動中產(chǎn)生過大的變形。當(dāng)筒體轉(zhuǎn)動時托輪裝置隨之共同轉(zhuǎn)動，可大幅度減小與筒體之間的直接摩擦，延長反應(yīng)器的使用壽命?？筛鶕?jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對筒體的長徑比要求來設(shè)計支承裝置的檔數(shù)[11]，本設(shè)備的內(nèi)徑D=450 mm<3 000 mm，長徑比1.4<15.5。根據(jù)相關(guān)資料選取支承裝置的檔數(shù)為2，兩托輪的中心與筒體截面中心連線間的夾角為60°，即托輪與滾圈中心線與垂直方向的夾角為30°。支承檔數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)見表1，轉(zhuǎn)動及支承裝置如圖2所示。

表1支承檔數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)

支承檔數(shù)234567LDD≤3 m<15.515.5～22.522.5～32———3 m≤D≤4.5 m<1313.5～1818～2525～3534～4241～48D>4.5 m————32～3835～40

圖2 轉(zhuǎn)動及支承裝置

1.4 通氣裝置

好氧堆肥通風(fēng)供氧方式分為被動通風(fēng)、自然通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)三種方式，強(qiáng)制通風(fēng)是借助機(jī)械攪拌裝置定期、定量地向滾筒內(nèi)通入充足的空氣[12]。為使?jié)L筒內(nèi)物料與氧氣充分接觸，通氣管布置在滾筒底部，氣管上設(shè)有通氣孔，從進(jìn)氣端開始由疏到密排布，以保證通氣均勻，這種通氣方式可以使空氣緩緩地從物料底部充滿至整個滾筒內(nèi)，保證空氣與物料的充分接觸，新鮮空氣由鼓風(fēng)機(jī)從通氣管通入筒內(nèi)。

隨著實驗的進(jìn)行，滾筒內(nèi)會產(chǎn)生廢氣，滾筒發(fā)酵實驗設(shè)備必須設(shè)置相應(yīng)的排氣裝置將發(fā)酵產(chǎn)生的生物氣體及時導(dǎo)出，為避免滾筒內(nèi)填充率為60%以上時排氣口堵塞，將排氣口設(shè)置在端蓋上方，使其始終保持在物料上方，并配有可關(guān)閉膠塞。為安裝及實驗方便，將通氣管安裝在端蓋上。

滾筒發(fā)酵實驗設(shè)備模型、滾筒發(fā)酵實驗設(shè)備及抄板安裝分別如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 滾筒發(fā)酵實驗設(shè)備模型

圖4 滾筒發(fā)酵實驗設(shè)備安裝

圖5 抄板安裝

2 性能實驗與結(jié)果分析

2.1 實驗方法

以園林廢棄物為原料，通過與少量豬糞混合至初始原料含水率為70%，碳氮比為20，控制滾筒填充率為65%，通氣頻率為5 min/120 min。為了研究翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、單次攪拌時間以及每日攪拌次數(shù)這3個參數(shù)對好氧堆肥效果的影響，設(shè)置每個因素皆有兩個水平，見表2，為全面觀察需要進(jìn)行6組實驗。

表2因素的水平設(shè)置

因素水平1水平2每天攪拌次數(shù)/次12單次時間/min25攪拌轉(zhuǎn)速/r·min-123

為簡化實驗，利用正交表L4(23)進(jìn)行正交實驗設(shè)計，則只需要進(jìn)行4組實驗就可以綜合觀察，具體設(shè)置見表3。本實驗需要設(shè)置4個實驗設(shè)備進(jìn)行同時發(fā)酵，并根據(jù)各自不同的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行攪拌，全程記錄各個實驗設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)，通過觀察實驗設(shè)備發(fā)酵過程中的溫度變化進(jìn)行對比分析。

表3實驗參數(shù)設(shè)置

編號攪拌次數(shù)單次時間攪拌轉(zhuǎn)速1水平1水平1水平12水平1水平2水平23水平2水平1水平24水平2水平2水平1

2.2 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)4個實驗設(shè)備發(fā)酵過程中溫度數(shù)據(jù)繪制的物料溫度曲線如圖6所示。

圖6 物料溫度曲線

在相同的好氧發(fā)酵時間內(nèi)，物料所能達(dá)到的最高溫度與初始溫度的差值就是物料的溫升，其是物料好氧發(fā)酵產(chǎn)生大量生化反應(yīng)熱的直接結(jié)果，溫升反應(yīng)了實驗設(shè)備內(nèi)好氧堆肥的效果，而且溫度超過50 ℃能否保持5～7天，是殺滅堆料中所含致病微生物和蟲卵、保證堆肥衛(wèi)生指標(biāo)合格和堆肥腐熟的重要條件[13-15]。本實驗選用物料的溫升作為實驗指標(biāo)，使用極差分析法對實驗結(jié)果進(jìn)行分析。實驗分析結(jié)果見表4。

表4實驗分析結(jié)果

A攪拌次數(shù)B單次時間C攪拌轉(zhuǎn)速溫升/℃1水平1水平1水平121.92水平1水平2水平224.83水平2水平1水平228.24水平2水平2水平122.2K146.750.144.1K250.44753k123.3525.0522.05k225.223.526.5極差R1.851.554.45主次順序C>A>B優(yōu)水平A2B1C2優(yōu)組合A2B1C2

三個因素的優(yōu)化水平組合A2B1C2為本實驗的最優(yōu)水平組合，即當(dāng)攪拌次數(shù)設(shè)置為每日2次、單次攪拌時間設(shè)置為2 min、攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 r/min時，實驗設(shè)備中的物料好氧發(fā)酵能獲得最優(yōu)溫升效果。

3 小結(jié)

設(shè)計了一種滾筒發(fā)酵實驗設(shè)備，該設(shè)備的有效容積為100 L，采用螺旋型抄板及強(qiáng)制曝氣的通氣方式，實現(xiàn)了園林廢棄物的快速腐熟。獲得了好氧發(fā)酵實驗設(shè)備的較優(yōu)參數(shù)，即攪拌次數(shù)為每日2次、單次攪拌時間為2 min、攪拌轉(zhuǎn)速為3r/min。由實驗結(jié)果得出，堆體溫度維持50 ℃以上的時間大于7天，滿足好氧發(fā)酵原料的腐熟要求，實驗效果良好。