王霞琴,柳陽(yáng)陽(yáng),劉 濤,王發(fā)生
(1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 機(jī)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(guó)禽畜養(yǎng)殖業(yè)污染物排放量大的特點(diǎn),通過(guò)肥料化、能源化和飼料化等手段來(lái)消減污染物的排放總量,實(shí)現(xiàn)有機(jī)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(shí)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(fèi),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(shí)現(xiàn)固體有機(jī)廢棄物減量化、無(wú)害化和資源化處理的主要手段。
好氧堆肥技術(shù)是指,在提供游離氧條件下,通過(guò)微生物的參與,將有機(jī)廢棄物進(jìn)行降解,最終達(dá)到穩(wěn)定的無(wú)害化處理。微生物以固體有機(jī)廢棄物中分子量大、位能高的各種有機(jī)物作為營(yíng)養(yǎng)源,經(jīng)過(guò)一系列生化反應(yīng),逐級(jí)釋放能量,最終轉(zhuǎn)化為分子量小、能位低的簡(jiǎn)單物質(zhì)而穩(wěn)定下來(lái)。固體有機(jī)物經(jīng)過(guò)好氧堆肥后,體積一般為原來(lái)的50%~70%。好氧堆肥處理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)固體有機(jī)廢棄物減量化、無(wú)害化和資源化處理目標(biāo)的主要手段。
根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求,設(shè)計(jì)通過(guò)兩次發(fā)酵完成好氧堆肥過(guò)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(guò)程中,通過(guò)強(qiáng)制通風(fēng)及翻堆攪拌,為堆肥物料提供氧氣。在主發(fā)酵過(guò)程中,最初是堆肥物料中的易分解物質(zhì)進(jìn)行分解,產(chǎn)生熱量、二氧化碳及水,這時(shí)堆體溫度開(kāi)始上升。伴隨堆體溫度上升,各種微生物菌類吸取有機(jī)廢棄物中的碳、氮等營(yíng)養(yǎng)成分,進(jìn)入旺盛的繁殖期。此時(shí),最適宜溫度為45°~65 ℃,堆肥物料在此階段進(jìn)行高效分解。這里將溫度升高到開(kāi)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(guò)主發(fā)酵的堆肥物料被送入二次發(fā)酵倉(cāng),進(jìn)行二次發(fā)酵,對(duì)堆肥物料中尚未分解及較難分解的有機(jī)物進(jìn)行分解,得到完全成熟的堆肥成品。堆肥過(guò)程中的氣體經(jīng)過(guò)除臭系統(tǒng)除臭后排放。
根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求,在好氧堆肥過(guò)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(guò)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(jìn)程,縮短堆肥物料穩(wěn)定時(shí)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。
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(jìn)微生物的發(fā)酵。在通風(fēng)過(guò)程中,氧氣體積分?jǐn)?shù)應(yīng)大于18%,否則會(huì)限制微生物的生命活動(dòng),難以保證堆肥質(zhì)量。在本堆肥系統(tǒng)中,采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)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(guò)測(cè)定排氣口氧氣含量確定,出口氧氣的適宜體積分?jǐn)?shù)值為14%~17%。
好氧堆肥過(guò)程中,水分的主要用于溶解有機(jī)物,參與微生物的新陳代謝,同時(shí)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(guò)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(jìn)行分析。豬糞含水量為75%。堆肥物料進(jìn)入發(fā)酵倉(cāng)前應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)單脫水,進(jìn)入發(fā)酵倉(cāng)時(shí)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。
在好氧堆肥過(guò)程中,溫度是影響微生物活動(dòng)的重要因素。堆肥過(guò)程會(huì)經(jīng)歷從升溫階段到高溫階段再到降溫階段的過(guò)程。在堆肥過(guò)程中,堆體溫度的變化速率會(huì)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(jì)堆肥過(guò)程中通過(guò)提高進(jìn)入發(fā)酵倉(cāng)氣體溫度和溫度反饋系統(tǒng),控制堆肥倉(cāng)溫度。溫控電子探頭分別放置在兩發(fā)酵倉(cāng)堆體內(nèi)的上、中、下三個(gè)部位,以檢測(cè)堆體不同部位溫度變化。
本堆肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)為密閉式倉(cāng)筒堆肥設(shè)備,通過(guò)堆肥過(guò)程機(jī)械化,來(lái)提高堆肥效率,保證堆肥質(zhì)量。堆肥設(shè)備工作過(guò)程,堆肥物料從設(shè)備頂部進(jìn)入主發(fā)酵倉(cāng),在主發(fā)酵倉(cāng)中完成一次發(fā)酵。一次發(fā)酵完成之后,堆肥物料進(jìn)入二次發(fā)酵倉(cāng)進(jìn)行二次堆肥發(fā)酵,最終通過(guò)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(guò)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(shí)現(xiàn)3~4 d間歇進(jìn)料。設(shè)計(jì)好氧堆肥系統(tǒng)由發(fā)酵倉(cāng)和4個(gè)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(cāng)筒堆肥設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 密閉式倉(cāng)筒堆肥設(shè)備
1)發(fā)酵倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)采用間歇式好氧堆肥二次發(fā)酵技術(shù)。設(shè)計(jì)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(chǎng)(以存欄3000頭豬計(jì)算)畜禽糞便有機(jī)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(cāng)室完成堆肥物料好氧堆肥的二次發(fā)酵。發(fā)酵倉(cāng)的容積及尺寸可根據(jù)公式(1)計(jì)算:
(1)
式中:m為入倉(cāng)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(cāng)直徑,m;H為發(fā)酵倉(cāng)高度,m。
考慮到堆肥物料在發(fā)酵倉(cāng)的堆肥過(guò)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(guò)程中的通風(fēng)及機(jī)械攪拌要求,本發(fā)酵倉(cāng)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(guò)程的重要因素,在考慮發(fā)酵倉(cāng)結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)考慮發(fā)酵倉(cāng)的表面散熱等因素,根據(jù)反應(yīng)倉(cāng)體積公式和表面積計(jì)算公式,可取發(fā)酵倉(cāng)高度和內(nèi)徑的比值H/D=1~2[3],因?yàn)樵O(shè)計(jì)堆肥設(shè)備為上下兩倉(cāng)室完成二次發(fā)酵,設(shè)備不宜過(guò)高,因此取發(fā)酵倉(cāng)高度和內(nèi)徑的比值為1。
將所有參數(shù)帶入公式計(jì)算,并參照符合化工設(shè)備的常用標(biāo)準(zhǔn)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(cāng)的容積為 31 m3,發(fā)酵倉(cāng)直徑為 3.4 m 高為 3.4 m。
堆肥物料通過(guò)一次發(fā)酵容積將減量1/3,因此設(shè)計(jì)完成好氧堆肥二次發(fā)酵的后發(fā)酵倉(cāng)的容積為 21 m3,發(fā)酵倉(cāng)直徑為 3.4 m 高為 2.3 m。
根據(jù)化工設(shè)備的常用標(biāo)準(zhǔn)化零部件設(shè)計(jì)要求,選擇發(fā)酵設(shè)備筒體材料為Q235-A。由于堆肥過(guò)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(cāng)內(nèi)壁襯聚氯乙烯襯板,防止堆肥過(guò)程中對(duì)發(fā)酵倉(cāng)的腐蝕,同時(shí),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(guò)程中的進(jìn)料口與出料口分別設(shè)計(jì)在發(fā)酵倉(cāng)頂部和底部,尺寸為 1000 mm×1200 mm 的半月牙形開(kāi)口,通過(guò)旋轉(zhuǎn)擋板實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟和關(guān)閉。堆肥物料通過(guò)上料系統(tǒng)從進(jìn)料口進(jìn)入主發(fā)酵倉(cāng)。主發(fā)酵完成后,通過(guò)自身重力物料從出料口出料,進(jìn)入二次發(fā)酵倉(cāng),完成二次發(fā)酵后從出料口出料。
2)攪拌裝置設(shè)計(jì)
攪拌裝置的作用是使發(fā)酵倉(cāng)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(shí)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(jì)攪拌主軸從堆肥設(shè)備罐體中心進(jìn)入主發(fā)酵倉(cāng)及二次發(fā)酵倉(cāng),設(shè)計(jì)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(gè)發(fā)酵倉(cāng)分為上下兩層。耙形攪拌棒直徑為 70 mm,長(zhǎng)度為 160 mm。
3)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
堆肥設(shè)備中的通風(fēng)裝置包括鼓風(fēng)機(jī)(轉(zhuǎn)速 2900 r/min、流量 1688 m3/h、電機(jī)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(jìn)入主發(fā)酵倉(cāng),距離發(fā)酵倉(cāng)頂部150 mm,通氣管直徑為138 mm,通氣管在發(fā)酵倉(cāng)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(guò)排風(fēng)口氧氣含量及溫度反饋混合控制系統(tǒng)來(lái)控制風(fēng)機(jī)的工作。
4)上料系統(tǒng)設(shè)計(jì)
上料系統(tǒng)包括提斗、提料軌道及電機(jī),提斗的尺寸根據(jù)堆肥倉(cāng)的尺寸來(lái)設(shè)計(jì)。發(fā)酵倉(cāng)物料填充系數(shù)為0.8,主發(fā)酵倉(cāng)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(jì)提斗尺寸為 1100 mm×1000 mm×800 mm。
5)除臭系統(tǒng)
在堆肥處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量臭氣,主要有氨、硫化氫、甲基硫醇等,需要進(jìn)行脫臭處理。除臭系統(tǒng)采用生物除臭法,利用微生物來(lái)分解、轉(zhuǎn)化臭氣成分以達(dá)到除臭目的。除臭生物過(guò)濾器中放置有熟化的肥料、樹(shù)皮、木片和顆粒泥炭等材料,堆高為0.8~1.2 m。排氣孔出來(lái)的臭氣通入除臭過(guò)濾器,使之于生物分解和吸附同時(shí)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(dá)98%以上。
本文通過(guò)分析高溫好氧堆肥原理,設(shè)計(jì)了二次發(fā)酵的好氧堆肥工藝流程,并對(duì)好氧堆肥過(guò)程中的影響因素進(jìn)行分析,提出控制影響因素的方案。根據(jù)實(shí)際堆肥生產(chǎn)設(shè)計(jì)了好氧堆肥系統(tǒng)。該堆肥生產(chǎn)過(guò)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(duì)環(huán)境的二次污染。在整個(gè)堆肥機(jī)械化過(guò)程中,堆肥物料通過(guò)自身重力及攪拌軸的推動(dòng),通過(guò)至上而下的方式從進(jìn)料口到出料口,當(dāng)堆肥物料排出出料口時(shí)就完成了一次腐熟發(fā)酵過(guò)程。將兩次堆肥發(fā)酵過(guò)程分倉(cāng)室完成,可調(diào)節(jié)不同發(fā)酵階段對(duì)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(jìn)料周期。