（农业工程专业论文）小型实验室好氧堆肥反应器系统研究.pdf

摘要 当前，规模化养殖所产生的大量、集中的畜禽粪便，给环境保护带来了极大压力。要实现畜 牧业可持续发展、改善生态环境，必须对畜禽粪便等废弃物进行有效地处理。堆肥化处理是国内 外广泛应用的有机废弃物资源化、无害化技术。好氧堆肥技术因其堆肥效率高，异味、臭气少在 实际应用中越来越受重视。开发用于试验研究的好氧堆肥反应器，对好氧堆肥技术的研究有重要 意义。本研究主要内容如下： 1 设计了小型实验室好氧堆肥反应器系统：在综合相关文献，吸收消化国外同类设备基础上， 选择了自热型、底部正压强制通风、无搅拌的堆肥反应器系统，选取圆柱体作为反应器外形；通 过堆肥物料平衡和热力学分析，得到堆体温度达到要求的基本条件。通过盛装物料量，计算了生 化反应需氧量和去除水分需氧量，选取了风机和流量计。进行了反应器零部件和保温箱的设计， 为反应器系统配置了温度采集系统和尾气的吸收净化装置。 2 进行了小型实验室好氧堆肥反应器系统性能参数的测试。通过风速试验，得托架上方测定 点的风速基本一致，空气能均匀的进入物料。通过反应器系统总传热系数的测定试验，测得总传 热系数约为o 1 6 5k j ( m 2 k h ) ，较低的总传热系数有利于减少热量散失，保持堆体温度。 3 使用本反应器系统进行堆肥化试验研究。在堆肥化试验中，对所得堆肥性质进行了检验， 指标为温度、含水率和可挥发性固体( v s ) 的含量及降解率。试验表明，本反应器系统所用物料 量少，能较好地保证堆肥过程中温度、通气量处于适宜范围，所得堆肥物料性质均匀，可挥发性 固体( v s ) 降解率高，实现了有机物的降解和堆肥物料的减量化处理，适用于实验室的好氧堆肥 试验研究。 关键词：好氧堆肥，反应器，实验室，开发，试验研究 a b s t r a c t v o l u m e so fm a n u r ef r o ml a r g es c a l el i v e s t o c kf a r mc a l lc a u s ep o l l u t i o np r o b l e m s i no r d e rt o r e a l i z et h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h es t o c k b r e e d i n ga n di m p r o v et h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，t h e l i v e s t o c km a n u r es h o u l db ed i s p o s e dv i n u a l l y c o m p o s t i n gi saw i d e l yu s e dt e c h n i q u ef o ro r g a n i cs o l i d w a s t e sr e c y c l i n ga n dh a r m l e s s l y a e r o b i cc o m p o s t i n gi sp a i dm o r ea t t e n t i o nb e c a u s ei ti sm o r ee f f e c t i v e a n dr e l e a s e sl e s so d o r s od e v e l o p i n gs m a l lb e n c h s c a l ea e r o b i cc o m p o s t i n gr e a c t o rh a sag o o ds e n s ef o r a e r o b i cc o m p o s t i n gr e s e a r c h i n g t h em a i nc o n t e n to fr e s e a r c hi sa sf o l l o w s ： f i r s t l y ，as m a l lb e n c h - s c a l ea e r o b i cc o m p o s t i n gs y s t e mb o t t o mf o r c e da e r a t i o nr e a c t o rs y s t e mw a s d e s i g n e dd e p e n d i n go nl o t so ff i t e r a t u r e s t h i sr e a c t o rh a sac y l i n d r i c a ls h a p ea n dd o e s n tn e e dt o a g i t a t e t h ec o n d i t i o nw h i c hc o m p o s tm a t e r i a l c a l lk e e pt h eh i g h t e m p e r a t u r ei sa c q u i r e db yt h e c o m p o s tt h e r m o d y n a m i c sa n dm a s sb a l a n c e b a s eo nt h em a t e r i e lw e i g h t ，t h ea e r a t i o nr e q u i r e m e n t s i n c l u d i n gs t o i c h i o m e t r i cd e m a n da n dw a t e rr e m o v a ld e m a n dw a sd e t e r m i n e da f t e r w a r d st h ea i rp u m p a n dt h ef l o wm e t e rw e r es e l e c t e d t h ea r t i c l ea l s od e s i g nt h ec o m p o n e n t sa n dt h ei n s u l a t e dc a b i n e t t h e r ea r ea l s od e s i g na b o u tt e m p e r a t u r ed a t as y s t e ma n do d o rc l e a rs y s t e m s e c o n d l y ，t h ep e f l b r m a n c et e s tw a sc a r r i e do u t t h er e s u l to ft h ea e r a t i o ne x p e r i m e n ts h o w st h a t t h ew i n dv e l o c i t yo ft h es e l e c t e dp o i n t si su n i f o r m t h eo v e r h e a tc o e f f i c i e n tw a sa l s oe v a l u a t e de q u a lt o 0 1 6 5k j ( m 2 k h ) ，w h i c hi sb e n e f i tt or e d u c eh e a tl o s s f i n a l l y ，t h e r ea r ea l s oc a r r i e do u tc o m p o s te x p e r i m e n t su s i n gt h i sr e a c t o rs y s t e mi nt h i sa r t i c l e t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ee n d - p r o d u c tw a su n i f o r ma sr e g a r d st om o i s t u r ec o n t e n ta n dv o l a t i l es o l i dc o n t e n t t h ed e g r a d a b i l i t yr a t ew a sh i g ha n dt h et e m p e r a t u r eo ft h ec o m p o s tm a t e r i a la l m o s tm e e t st h ed e m a n d t h i sr e a c t o rs y s t e mc o u l dp r o v i d es u i t a b l ec o n d i t i o n so ft e m p e r a t u r ea n da e r a t i o n ，a n dr e a l i z e dt h e c o m p o s t i n go fs o l i dw a s t e k e yw o r d s ：a e r o b i cc o m p o s t i n g ，r e a c t o r ，b e n c h s c a l e ，d e v e l o p ，e x p e r i m e n t a ls t u d y 圃 独创性声明 ，1 t_ o _lt hh n 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 狄祝 时间：如彳年占月j & 1 3 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：狄励乙 时间：产“年g 月l a - e l 导师签名 韩枣隹 时间：a 。彩 年；月a 日 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 1 1 1 畜禽粪便废弃物的污染 第一章绪论 近年来，我国畜禽养殖业发展迅速，从分散的农户养殖转向集约化、规模化的养殖，畜禽粪 便的排放量大幅度增加。据测定，一个饲养1 0 万只鸡的规模化养鸡场，年产鸡粪达3 6 0 0 多t ( 窦新红，2 0 0 1 ) 。统计数据显示，2 0 0 3 年全国的畜禽饲养量中，养猪4 6 6 0 1 7 万头、牛1 3 4 6 7 2 万头( 国家统计局，2 0 0 4 ) 。参照国家环保总局推荐的排泄系数( 张克强和高怀友等，2 0 0 4 ) 可 以估算出当年的猪粪产量约为1 8 5 4 7 5 万t 、牛粪产量约为9 8 3 1 0 6 万t 。 畜禽粪便的大量、集中排放，已成为不可忽视的环境污染源。据资料显示，我国畜禽粪便进 入水体的流失率高选2 5 3 0 ，氮、磷流失量和c o d 排放总量已经超过化肥( 田宁宁等，2 0 0 0 ) 。 当排入水体的粪便总量超过水体能自然净化的能力时，就会改变水体的物理、化学性质和生物群 落组成。粪便中有机物分解产生的恶臭以及有害气体( 如硫化氢、氨气、酪酸、粪臭素) 和携带 病原微生物的粉尘通过空气传播，不仅直接或间接危害人体健康，而且还会引起生态环境恶化。 日益严峻的畜禽废弃物排放形势，引起了社会的高度关注。我国制定的畜禽养殖业污染物 排放标准( g b1 8 5 9 6 2 0 0 1 ) ，已于2 0 0 3 年开始实施。随着社会环保意识的不断增强，畜禽养殖 业污染物的控制将进入一个规范化、科学化的时代。防止集约化养殖场畜禽粪便的污染，加强畜 禽粪便的处理，必将得到越来越广泛的重视。 1 1 2 畜禽粪便废弃物的堆肥化处理 与工业污染源不同，畜禽粪便是一种生物质资源，其成分中含有丰富的有机物质和大量农作 物生长所必需的氮、磷、钾等营养元素，见表1 - 1 。 表1 一i 畜禽粪尿成分表，( 张克强和高怀友等2 0 0 4 ) 寄禽粪便加工成肥料后可施用于农田，有改良土壤结构、提高土壤肥力的作用。但若将未经 处理过的粪便直接施入农田，则会起到反作用。鸡粪氨素含量高，直接施用会灼伤作物根系；牛 粪中常混有杂草种子，直接施用会造成农田杂草发生；不经处理的粪便施入农田，还会带入大量 病菌。因此，需要对畜禽粪便进行资源化、无害化处理。 中国农业大学硕士学位论立第一章绪论 堆肥化技术是国内外应用最广泛的有机固体废弃物处理方法之一。通常认为堆肥化是在微生 物的作用下通过高温发酵使有机物矿质化、腐殖化和无害化而变成腐熟肥料的过程。这种技术处 理粪便简便易行，能杀死其中的大部分病源微生物。好氧堆肥是利用堆肥设备使堆肥物料在有氧 条件r ，利用好氧微生物的作用达到稳定化、无害化。与传统的自然堆肥法相比，好氧堆肥的效 率高，堆制时间短，能有效控制臭味挥发，国内外对好氧堆肥的研究也最为广泛。 1 1 3 实验室好氧堆肥反应器的开发 堆肥反应是包含了一系列微生物活动的复杂过程，它受含水率、温度、通风供氧量、碳氮比 ( c n ) 和p h 值等诸多因素影响。好氧堆肥有多种方法，所应用的堆肥设备亦不同( 魏源送等， 2 0 0 0 a ) 。反应器堆肥是种物料包含在密闭的容器中，有较多控制措施的封闭式堆肥化操作方法。 其优点是堆体温度高，发酵时间短，有机物分解彻底，能有效防i 病原菌的传播和异味散发。 反应器堆肥技术在生产中已得到广泛的应用，在科研中也有较深入的研究。堆肥反应器系统 是反应器堆肥操作的关键设备。在用于实验室的小型好氧堆肥反应器上进行试验研究、过程模拟， 不但可以提高试验精度，而且能缩短试验周期，降低试验费用，对好氧堆肥研究的开展有重要的 意义。 1 2 国内外相关研究现状 1 ，2 1 好氧堆肥的基本原理 堆肥化就是在一定的条件下，通过微生物的发酵作用，将有机物转变为肥料的过程，堆肥化 的产物就称为堆肥。根据堆肥过程中利用的微生物对氧气的需求，可将堆肥分为好氧堆肥和厌氧 堆肥( 李秀金，2 0 0 1 ) 。好氧堆肥是在有氧参与的条件下，好氧微生物通过自身的生命活动进行 氧化分解和生物合成，并产生二氧化碳( c 0 2 ) 、水和热量的过程。厌氧堆肥是在无氧条件下，厌 氧微生物对有机物进行氧化分解和生物合成，并产生甲烷( c h 。) 、c 0 2 和许多低分子量中间产物 的过程。厌氧堆肥与好氧堆肥相比，单位质量有机质降解产生的能量少、而且易发出臭味，因此 儿乎所有的堆肥工程系统都采用了好氧堆肥( 李季和彭生平，2 0 0 5 ) 。 好氧条件下，堆肥物料中可溶性的有机物透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物所吸收。而 固体和胶体有机物质则附着在微生物体外，被微生物所分泌的酶分解为可溶性物质后，再渗入细 胞。被吸收的有机物，一部分转化为生物体所必需的营养物质，合成新的细胞物质，使微生物生 长繁殖，产生更多生物体；另一部分则被氧化成简单的无机物，并放出生物生产活动所需要的能 量。 堆肥化过程中，主要有三个方面的变化。一是原判中易腐烂的有机物转化为土壤易吸收的有 机营养物质。二是由于有机物的分解、转化，堆肥物料的重量、体积均会有减少。从而实现了废 弃物处理的减量化。三是堆肥过程中产生的高温，能杀死堆肥物料中的致病菌、寄生虫卵，消除 有害病菌的传播，从而达到无害化的目的。好氧堆肥堆体温度高，一般均可达到5 0 6 0 c ，故又 称为高温堆肥。冈为高温堆肥可以最大限度地杀灭病原菌，而且对有机物的分解速度快，耗时短， 臭味少，所以在工程中大多采用高温堆肥。在欧盟，堆肥化仅限定于好氧堆肥( 朴哲，2 0 0 1 ) 。 1 2 2 好氧堆肥的工艺 现代化堆肥工艺主要包括物料前处理、主发酵或一次发酵、后发酵或二次发酵、脱臭、贮存 等工序。其中，最主要的是主发酵和后发酵：c 序( 李秀金，2 0 0 1 ) 。堆肥的一般流程如图1 - 1 所示 ( 李季和彭生平，2 0 0 5 ) 。 调理剂 产品循环 膨胀剂回流 圈1 - 1 堆肥工艺流程 前处理包括分选、破碎、筛分、配料和混合等工序，任务是为堆肥化过程提供适宜的原料。 堆肥原料是混合物，其中的基本物料称为基质，包括畜禽粪便、污泥、城市垃圾等多种废弃物。 只使用基质堆肥，往往达不到最佳的效果，甚至会影响堆肥化反应过程。所以还耍在原料中添加 其他的有机或无机物料，称为调理剂和膨胀剂。调理剂的作用是改变堆肥原料的比重、含水率， 增加原料中的能量含量。膨胀剂的作用是改变原料的结构，调整孔隙率，便于通风，可以循环使 用( h a u g ，1 9 9 3 ) 。 主发酵是堆肥化反应开始后，有机物被快速分解的阶段。通常是从堆肥开始，经历升温划、 高温期直到降温期结束时的整个过程。主发酵可以露天进行，也可以在封闭状态下进行，通过翻 堆或机械通风为物料提供氧气。这一阶段的特点是氧气吸收率高，堆体温度较高，可挥发性i 刮体 大量减少，释放出较多臭味气体( 李季和彭生平，2 0 0 5 ) 。 后发酵阶段在主发酵工序之后进行，作用是使难降解的有机物进一步分解，并转化成较稳定 的物质，最终得到完全腐熟的产品。这一阶段的特点是氧气吸收率低、堆体温度较低、管理和调 控措施比较简单，所以通常将这一阶段反应安排在露天进行，以降低生产成本。 后处理是获得堆肥产品的最后一道工序。用于去除两次发酵后堆肥物料中的杂物，并将物料 破碎到要求的粒度。在整个堆肥过程中，会有臭味气体产生。从环保的要求出发，要对产生的臭 气进行脱臭处理，可使用化学除臭剂除臭，也可用腐熟的堆肥吸附或用沸石吸附。 好氧堆肥的一般工艺基本相同，但由于实际操作中所采用工程技术、手段的不同，好氧堆肥 的技术和方法也多种多样。根据技术特点，一般可分为三类，即条形堆式、通气静态条形堆式和 反应器式堆肥( 李季和彭生平，2 0 0 5 ；朴哲，2 0 0 1 ) 。 条形堆式堆肥是将物料以条垛状堆制，条垛的横截面可以是梯形、矩形或三角形。翻堆机定 期的对堆体翻转搅动，使物料与空气接触以获得氧气。此外，翻堆还有破碎和混合的作用，有助 于获得质地均匀的堆肥产品。此方法的优点是：成本较低，物料适应性强；翻堆加快水分损失， 堆肥易干燥；堆制时间长，堆肥产品稳定性好。缺点是：占地面积大，受气候影响；需要频繁的 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 监测，才能保持足够的通气量和温度；翻堆造成臭味散失和氮的损失( 李艳霞等，2 0 0 0 ) 。 通气静态条形堆式堆肥也是将物料堆积成条垛，与条形堆式不同之处是堆肥过程中不进行物 料的翻堆，有专门的通风系统和风机为堆体强制供氧。通气系统包括一系列管路，位于堆体下部。 与风机连接起通气的作用。在这些管路上先铺一层木屑或其他填充料使通气均匀，然后在这层 填充料上堆放物料构成堆体。通气系统可分为正压排气式利负压吸气式两种。该方法的优点是： 通气量、温度可以较好地控制；堆肥产品稳定，能较有效地杀灭病原菌和杂草种子；堆腐的时间 相对较短。缺点是通气能耗大，受气候条件影响大。 反应器式堆肥，也称为发酵仓式堆肥，是将物料放置在部分或全部密闭的容器内，控制通气 和水分条件，使物料进行生物转化和分解。与其它两种方式的根本区别是堆肥过程在一个或几个 容器内进行，机械化、自动化程度高。整个流程包括通风、湍度控制、水分控制、无害化控制几 个方面。反应器式堆肥的优点是：能控制发酵过程中系统的通气量，物料的含水率和温度；堆肥 周期短，设备占地面积小，堆肥过程不受气候条件的影响：能够对废物进行统一的收集处理，防 止了环境的二次污染，同时也解决了臭味问题。缺点是：嫂稀和运营成本高；堆肥周期短，产品 有潜在的不稳定性，几天的堆制不足以达到腐熟，后熟期长。 堆肥方法不同，堆肥设备也就有很大差异。上述三种方式各有优缺点，通常需根据不同生产 条件进行选择。由于反应式堆肥具有降解速率快、堆肥效率高，时问短，不受时间空间限制等特 点，可实现工业化生产，环保效益好，在国内外都得到普遍的应用，堆肥反应器系统研究和应用 也得到较大的发展。 1 2 3 好氧堆肥反应器系统的研究 好氧堆肥反应器系统的核心设备是反应器，此外还包括粉碎设备、混合设备、输送设备和分 离设备等。根据反应器的结构、反应器系统的通风方式，可将好氧堆肥反应器系统归纳为：被动 通风反应器系统、强制通风无搅拌反应器系统、强制通风有搅拌反应器系统和滚筒反应器系统 ( r o b e r t 2 0 0 0 a ：r o b e r t ，2 0 0 0 b ；b i o c y c l e ，2 0 0 4 ) 。 1 被动通风反应器系统 被动通风是利用堆体内外的氧气浓度差异、温度差异利风力的作用，使外部空气向堆体内部 扩散。被动通风的优点足节约能源、节省费用，缺点是不能有效的控制通风量的变化。f e r n a n d e s 等( 1 9 9 7 ) 的研究表明在被动通风方式下，堆体温度可以达到无害化的要求。 利用被动通风原理设计的反应器构造简单，不需要动力供氧，设计的雕点是如何为堆体提供 充足的氧气，并保证物料中氧气浓度的均匀性。为达到要求，常用的方法是减小反应器的厚度， 但这会影响反应器的物料处理量；还可以使用其他方法，如增大物料与空气的接触面积，提高被 动通风的效率。 由纽约的公益组织o p e nr o a d 开发的h o tb o x 系统，是一种小型的被动通风反应器系统。该 系统使用p v c 管作为通风管，管壁上均匀冲孔，在每个箱体的底部和中部各插一排通风管，每 排3 根，贯穿整个箱体。通过这种方法，增大了物料与空气的接触面积。 英国t e g 公司开发的t s c ( t e gs i l o c a g e ) 系统是一种大型被动通风的反应器系统，如图 _ 4 一 中国敏业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 。该系统为增大物料处理量，采用了一个反应器内包含多个物料舱的结构。每个物料舱尺寸为 7 3 4 3 1 2 m ，物料的中心到外壁的距离为o 6 m ，有利于氧气均匀扩散。每个反应器最多可容 纳3 2 个这样的物料舱，相邻物料舱之间留有一定的间隔作为空气通道。该系统平均每周可以处 理物料6 7 0 d 。 圈1 - 2t s c 堆肥反应器系统 2 强制通风无搅拌反应器系统 这类系统在堆肥过程中不对物料进行翻堆和搅拌，靠机械强制通风为堆体供氧。在强制通风 条件下，可控制通风量，为堆肥物料提供充足的氧气，反应器的体积通常较大，生产能力强。 在设计上，进气管道通常位于反应器下方，空气由堆体底部进入物料，尾气从反应器顶部排 出，进入净化装置。系统通常采用一个风机、多个反应器、一套尾气净化装置这样的配置。各个 反应器的进气管道通过分流的管接头连接到主管道上，各分管道上装有控制阀门，排气管也使用 同样的方法连接到净化装置上，以时间为反馈控制风机的运行。 图1 - 3c s s 系统中的c o m p t a i n e r 反应器 图1 - 3 是c s s ( c o n t a i n e r i z e dc o m p o s t i n gs y s t e m ) 系统中的c o m p t a i n e r 反应器。该反应器外 形为眭方体，容积有3 3 3 m 3 和4 0 5 m 3 ( c h a r l e s ，2 0 0 2 ) 两种。空气从反应器底部通入，废气从 反应器上部排出集中处理。反应器内层底部截面为拱形，中间高、两侧平，可降低物料对气流的 阻力。在反应器底部还设计了容量为9 1 0 l 的蓄液池，用来盛装从物料中渗出的废液。堆肥过程 中，系统不断检测和记录各反应器中物料的温度，以温度为反馈控制各个反应器的进气管道上阀 门的通断。 图1 4e c o p o d 反应器系统 对于好氧堆肥反应器系统来说，反应器并非全是具有固定形状的容器。如图1 _ 4 所示的e c o p o d ( a g b a ge n v i r o n m e n t a lc o ) 系统的反应器是用可降解材料制成的聚乙烯袋。除反应器外，该系 统还包括装填设备、封口设备、风机、通气管路和温度传感器。 在进行堆肥时，反应器放置在地面，装填设备边行走，边将搅拌好的物料填入反应器中。在 装填的同时，通气管道也铺设到物料中，管道放置在高于堆体底部0 3 m 的平面上。物料填满后， 将温度传感器放入，并使用封口设备将袋口封住。物料在e c o p o d 系统中堆制8 1 2 周，再将反 应器切开，把堆肥产品移走。e c o p o d 系统使用灵活。原料量少时可将反应器截成合适长度的小 段，再将小段封口即成为小型的反应器。 3 强制通风有搅拌反应器系统 这类系统包含的设各与强制通风无搅拌反应器系统类似，区别在丁：反应器具有搅拌功能。堆 肥过程中，搅拌有利于物料与空气的充分接触，减少物料温度、湿度和氧气浓度的差异，加快反 应过程( w a l k e r e l a l ，1 9 9 9 ) 。e a r t h l 、l b ( g r e e nm o u n t a i n t e c h n o l o g i e s c o ) 系统和w r i g h t ( w r i g h t e n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n ti n c ) 系统是常用的强制通风有搅拌反应器系统。 e a r t ht u b 系统如图1 - 5 所示。其反应器是全封闭的，形状类似于盆形，上、下底面直径分别 为2 3 m 和1 6 m ，高度为1 2 m 。在反应器轴线上安装有螺旋搅龙，由马达带动工作，实现搅拌功 能。 图1 5e a r t ht u b 反应器系统 一6 一 中国农业人学硕士学位论文第一章绪论 w r i g h t 系统构造复杂，可进行连续的堆肥生产。该系统的反应器是箱体，内部包含三个反应 室和若干物料舱，每个反应室内通风、温度和含水率可以调控，从而形成不同的反应条件。相邻 两个反应室之间保持一定的空间，用于垂直安装搅拌设各。 系统工作时，液压装置将一个空物料舱推入反应器中，原料从舱顶装入，堆肥过稗开始。与 此同时，最早进入反应器的物料舱被推出，其中的物料已经完成堆肥过程。依次类推，每天均可 往反应器中加入原料，同时有物料完成堆肥，从而形成连续生产。随着堆制天数推移，物料舱会 从第一个反应室一直移动到第三反应室，每个反应室内捉供了某一阶段适宜物料堆肥反应的条 件。 4 滚筒反应器系统 滚筒反应器系统与前三种反应器系统有较大差别，这类系统使用圆柱体滚筒作为反应器( 李 秀金，2 0 0 1 ；李季和彭生平，2 0 0 5 ) 。滚筒放置时，轴线是水平或倾斜的。运行时，滚筒在驱动 装置带动下以设定速度绕轴线转动，物料在滚筒转动和筒内抄动装置作用下，被反复抄起、升高、 跌落，使物料的温度、水分均匀化，同时获得氧气，完成堆肥反应。除反应器外，系统还包括风 机、通气管路和尾气处理装置等完成强制通风和尾气净化功能。 1 9 3 3 年丹麦达诺公司开发了达诺滚筒系统( h a u g ，1 9 9 3 ) 。该系统的反应器称为达诺滚筒， 直径一般为2 7 3 7 m ，长4 5 8 m ，转速为0 1 1 o d m i n 。筒体倾斜放置，沿旋转方向提升的物料因 自身重力下落，同时逐渐向筒体出口端移动。风机为反应器强制通风，空气流动方向与物料移动 方向相反。常温下系统可2 4 h 连续运行，堆制时间1 5 d 。目前达诺滚筒仍在j “泛应用，其结构被 众多滚筒反应器系统所借鉴。 b e d m i n s t e r 系统是b e d m i n s t e rb i o c o n v e r s i o nc o r p o r a t i o n 开发了的一种滚筒反应器系统，其核 心是e w e s o n 型滚筒反应器( h a u g ，1 9 9 3 ) 。与达诺滚筒不同的是，它内部设置_ 三个舱，物料在 每个舱中停留1 2 d ，然后进入下一个舱。同时大约有1 5 的物料留在原米的舱中，其中的菌体 作为接种剂。e w e s o n 型滚筒直径一般为3 4 3 7 m ，长度为3 6 6 5 4 6 m ，转速为1 , 0 r m i n 。 除此之外，目前还有多种滚筒反应器系统在实际生产中得到应用。它们的工作原理和组成基 本相同，滚筒反应器构造相似，可处理不同规模的物料量，反应时间短。区别在于系统控制措施、 通风方式、反应器尺寸及反应器转速的不同。 1 , 2 4 实验室好氧堆肥反应器系统的控制功能研究 堆肥化过程是一个复杂的过程，要达到良好的反应效果，必须控制一些主要的影响因素，它 们为有机质含量、通风、含水率、c n 、温度和p h 值等。有些因素是由物料性质所决定，通常在 前处理阶段进行调节，如原料的有机质含量、含水率、c n 和p h 值；有些因素则是通过堆肥设备 进行控制，如通风最，堆体温度。其中，含水率、堆体温度既与物料性质有关，又与堆肥设备的 控制有关。实验室好氧堆肥反应器系统通常对通风、温度利含水率进行控制。 1 通风控制 通风的主要作用是供氧、降温和干化。通风控制包括通风方式、通风控制方式和通风量三个 方面内容。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 实验室反应器系统主要应用被动通风和强制通风这两种通风方式。被动通风节约能源，有较 强的商业化价值。f e m a n d e s ( 1 9 9 7 ) 和s u z e l l eb a m n g t o n ( 2 0 0 3 ) 研究了被动通风方式下的堆肥 效果，表明堆体温度可以达无害化的要求，但不能有效控制通风量的变化。强制通风方式下通风 量控制方便，易于研究各影响因素之间的关系，而且反应周期短。 在强制通风方式下，系统按一定的通风控制方式控制风机的启动和关闭。可以让风机连续运 行，也可以控制风机间歇运行。控制风机间歇运行时，由于控制系统中反馈因素及其数量的不同， 通风控制方式也有所不同( 张克强和高怀友等，2 0 0 4 ；魏源送等，2 0 0 0 b ) ： ( 1 ) 无反馈控制方式。系统中没有反馈，采用固定程序控制风机，如按时间控制方式。e r ) s t e i n ( 徐红，1 9 9 9 ) 在试验中采用了通6 m i n ，停1 8 m i n 的时间间隔通风控制。采用时间控制方式， 有机物分解速度慢，堆肥腐熟时间长。 ( 2 ) 单因素反馈控制方式。以一种因索作为反馈，控制风机的启动和关闭。常用的作为反 馈的因素包括温度、0 2 浓度或c 0 2 浓度等。郑玉琪等( 2 0 0 4 ) 使用了温度反馈控制的方式进行 强制通风，研究了猪粪好氧堆肥过程中不同部位氧气浓度的变化。温度控制操作简单、易实现， 成本低。 以0 2 浓度进行反馈控制也是有效的方法。单位时间内被分解和转化的有机物越多，微生物 的耗氧速率越大，这时需要加大通气量。有机物已基本分解后，微生物的耗氧速率降低，可适当 减小通气量。这种方式需要仪器分析0 2 浓度，成本较高。s m f t r s ( 2 0 0 1 ) 在反应器上使用了0 2 浓度控制。 ( 3 ) 双因素反馈控制方式。使用两种因素的组合为反馈的控制方式，包括时间一温度控制， 混合通风时间一温度控制等( 张克强和高怀友等，2 0 0 4 ) 。时间一温度控制方式是当堆体温度在 设定值以下时，采用时间控制的方式通风；当堆体达到设定温度后，采用温度控制风机通风。 r u t g e r s 方式就是一种时间一温度控制方式。朱能武等( 2 0 0 3 ) 在试验中研究了温度一时问通风控 制系统的运行效果。 混合通风时间一温度控制方式比较复杂，能使堆体温度分布均匀，堆肥物料水分损失更少， 但是投资费用高。此外还有0 2 一温度反馈控制的方式，该方式能使物料在各阶段达到最佳的温度 和氧气含量。 通风量的充足与否直接关系到堆肥能否成功，通风量的计算也有多种方法。k e e n e r 等 ( 1 9 9 7 a ) 根据堆体压力损失计算通风量：蔡建成( 1 9 9 0 ) 、李秀金( 2 0 0 1 ) 介绍了用化学反应 式计算需氧量，然后折算成理论空气量的方法。 2 温度控制 温度是影响堆肥化的一个重要指标。美国环保局深度减除病源工艺的标准( 魏源送，1 9 9 9 ) 和我国粪便无害化卫生标准( g b 7 9 5 9 8 7 ) 均对堆体温度有相应要求。 由于研究目的不同，堆体温度控制策略也有不同。m a s o n 和m i k e ( 2 0 0 5 ) 从热力学出发，将 温度控制分为恒温型、白热型、控制温差型和控制热流量型四种。 ( 1 ) 恒温型。保持堆体温度基本恒定，可咀在相同温度下研究其他影响因素的作用。方法 是把反应器和通气管道放置在恒温水浴中( p e t i o t ，2 0 0 4 ；m a s o n ，2 0 0 5 ) ，或者是将反应器外壁 做成夹层( 胡天觉，2 0 0 2 ) ，其中通入恒温的水，空气也是经过加热后再进入反应器。 一8 中国农业大学倾士学位论文第一章绪论 微生物在对有机物进行分解时释放热量，使堆肥物料温度上升，可能会超过预定温度。为保 持恒温，要增大通风量，加快热量散失，或者往反应器中通入一定量的冷空气( m a s o n ，2 0 0 5 ) 。 恒温型反应器系统在试验中应用广泛，但是由于人工控制的恒温环境，物料反应条件与实际生产 还有较大差异。 ( 2 ) 自热型。堆体依靠微生物分解有机物时产生的热量升温，系统不进行温度调控。反应 条件与实际条件接近。当反应器体积小，比表面积a v ( 即反应器表面积与体积的比值) 值大时， 热量主要通过反应器外壁散失，物料在径向上会产生较大的温度差异。 减小这种温度差异通常有两种措施：增大反应器体积，减小a ，v 值；或是使用保温材料。v a n d e r g h e y n s t ( 1 9 9 7 ) 使用1 2 7 m m 厚的泡沫板作为保温层，在直径为6 0 0 m m 的反应器中测得径向温 度差异低于3 5 。 ( 3 ) 控制温差型和控制热流量型。这两类反应器系统的原理相似，都是在自热型系统基础 上产生的。研究者将反应器置于外部热源中，使外部热源的温度与物料温度接近，从而达到绝热 的目的。在对外部热源控制上，基于热源与物料温度差进行反馈控制的系统，就是控制温差型： 而基于反应器外壁热流量进行反馈控制的系统，就是控制热流量型。 在研究中，控制温差型系统应用的较多。通常以水浴为外部热源，使用传感器同时检测物料 和水浴的温度，控制系统不断调整水浴温度，使其与物料温度接近或略低于物料温度。控制热流 量型系统应用较少。这类系统控制外部热源以一定的速率为反应器表面加热，该速率接近物料反 应放热的速率。这两类系统相比，理论上控制热流量型系统能更好的减少热量散失，但实际操作 复杂，成本高。 3 含水率控制 水分是微生物活动所必须的物质，是重要的工艺控制参数。含水率太高会导致堆料的压实度 增加，空隙率降低，氧气供应不足，有机物降解速率降低，堆肥周期延长；含水率过低会限制微 生物的新陈代谢，导致微生物活性下降、堆肥物料腐熟困难。堆肥物料中水分蒸发时能带走热量， 还能起到调节温度的作用。堆肥的最佳含水率范围一般为5 0 6 0 左右( m i l i n d a ，2 0 0 3 ) 。 通常在试验前，把物料和调理剂按一定比例混合，凋整到合适的含水率。在堆肥过程中，由 于强制通风会带走物料中部分水分，从而使含水率降低。因此，许多反应器系统具有对物料加湿 功能：即先将风机产生的气流通过水箱，再进入反应器。h a g a 等( 1 9 9 6 ) 在反应器内设计了冷 凝水的回收装置，用于收集反应过程中蒸发的部分水分。 m i l i n d a ( 2 0 0 3 ) 设计了一种基于吸附原理的控制含水率的反应器系统，使用了全密闭的反应 器。用半透性的陶瓷材料做隔板，将反应器分隔为上、下两个舱，上舱用于盛装物料，下舱用于 装水。系统中设置一个水箱，并与反应器下舱连通。由于隔板的不透气性，当水箱液面低于隔板 时，反应器下舱的水压低于大气压力，形成真空。因为隔扳可以透水，上下舱水分具有平衡性， 从而使物料中水分被吸出；当含水率不足时，又可以使物料从下舱吸取水分，从而实现对物料含 水率的调控。 1 3 主要研究内容及思路框图 中同农业大学硕士学位论文第一章绪论 根据国内外好氧堆肥技术研究和好氧堆肥反应器系统的发展现状，参照现有的好氧堆肥反应 器系统，本课题拟研发一种操作方便、适用于试验研究的实验室好氧堆肥反应器系统。 该反应器系统可以控制部分影响堆肥反应的因素，满足堆肥所需条件，确保堆肥反应顺利进 行。根据以上要求，课题主要研究内容如下： 1 奄阅、分析文献，在消化吸收国外同类产品的基础上，研究一件小型实验室堆肥反应器，选 择通风方式和设计通风系统，根据现有的描述通风量的模型和方法，计算通风量，选择合适的风 机和流量计。选取温度传感器、温度记录仪，调试温度测试系统，并进行样机的生产。 2 进行反应器的性能参数的试验。 3 进行反应器系统的堆肥试验。根据试验结果，不断改进设计参数，完成实验室好氧堆肥反 应器系统的最终设计。 论文研究思路框图如图1 - 6 所示： 查阅文献， 进行国内外相关研究现状分析 l 小型实验室好氧堆肥反应器系统设计 l 小型实验室好氧堆肥 反应器系统性能参数试验测试 上 小型实验室好氧堆肥 反应器系统堆肥试验研究 上 结论与建泌 图i 一6 研究思路框图 第二章小型实验室好氧堆肥反应器系统设计 实验室好氧堆肥反应器系统的设计分为两部分：一是设计好氧堆肥反应器，该反应器温度控 制为自热型，通风方式为强制通风，不进行物料搅拌；二是为反应器配置通风系统、温度采集系 统和保温箱。 好氧堆肥条件一f ，原料中的好氧微生物降解有机废弃物，产生热量、水分和c 0 2 等气体。其 中，放出的热量会使堆体温度逐渐升高。通常可将反应分为升温期、高温期和降温期。在高温期 内，堆体温度达到5 0 0 c 以上，原料中除了糖类、淀粉等易分解的有机物继续分解外，半纤维素、 纤维素开始分解，并向腐殖化过渡。同时，保持了一段时间的高温可以杀死粪便中的虫卵和病原 菌。可见，提供充足的氧气、保持堆体温度是反应器系统应该满足的基本要求，也是本设计基本 的目标。 2 1 反应器结构方案设计 堆肥反应器的设计是堆肥系统设计的重要组成部分。合理的反应器外形和内部结构是有效通 风利保温的基础。 2 1 1 反应器外形 温度是衡量堆肥效果的一个重要指标，研究表明实验室反应器的外形对保温效果有较大影 响。堆肥试验中若堆体的热量散失过多，物料将难以达到预定的温度。热量的散失与表面积有关， v a n d e r g h e y n s t ( 1 9 9 7 ) 、p e t i o t ( 2 0 0 4 ) 等研究了表面积与体积之比( a v ) ，其比值越小保温效果 就越好。在工厂生产中堆体的体积较大，不论反应器是何种形状，a n 的值都较小而且根接近 ( p e t i o t ，2 0 0 4 ) ，因此在外形上不需要考虑体积和面积的选择。但在实验室堆肥中，物料的体积 小，选择反应器外形时要着重考虑表面积与体积的比值。在相同的体积下，圆柱形有较小的a v 值，表面散失的热量相对较小。选用圆柱体作为实验室反应器的外形( h a n s e ne t a l ，1 9 8 9 ；h o n g e la l ，1 9 9 8 ) ，从理论上讲有助于保持堆肥温度。 在实际应用中，与其他形状的反应器相比，圆柱体反应器也具一定优势。堆肥过程中物料会 产生温度梯度、湿度梯度以及氧气浓度梯度。在圆柱体反应器中对这些梯度进行研究时，可以将 温度、湿度及氧气浓度的差异简化到轴向和径向上，甚至只考虑轴向差异( v a n d e r g h e y n s t ，1 9 9 7 ) ， 从而使问题简化；当需要搅拌设备时，圆柱体反应器能简化搅拌设备的设计。 因此，本实验室好氧堆肥反应器的外形采用圆柱体。 2 1 2 反应器结构 根据堆肥试验物料的特性、堆肥试验的操作要求，参照相关类型的反应器构造，本反应器的 中国农业大学硕士学位论文第二章小型实验室好氧堆肥反应器系统设计 构造设计如图2 - 1 。实验室反应器为轴线垂直放置的圆柱体，分成上、下两段。上段是反应器盖 和出气部分，下段是物料舱和通气部分。反应器具体结构的功能描述如下： 1 进气结构：如图2 - 1 中所示，反应器底部有进气口，与输送管道相连，空气经输送管道进 入到反应器。 2 堆体与进气口的隔离：为保证进气的均匀性，空气进入反应器后需先经过缓冲再进入物料。 通常认为堆肥最适宜的含水率是6 0 左右，原料中含有较多水分，而且微生物分解有机物时还产 生水分，水分在重力作用下堆l i | _ 到物料底部引起局部含水率增大。含水率增大使压实度也变大。 而堆肥的压实作用是堆体内通风、湿度、含水率等分布不均的重要原因( 罗维和陈同斌，2 0 0 4 a ) 。 因此，需要在设计中保证堆体与进气部分的隔离。为方便排出 渗出的水分和其他残渣，避免形成局部压实，设计带铁丝网的 支架用以分离堆体与进气部分。考虑到对进气的缓冲，支架网 面距反应器底部有一定高度。 3 物料舱：有效容积是从铁丝网的上部到集水器的下沿。物 料舱用于盛装堆肥原料，其容积大小通过堆肥原料的物料衡算 和热量衡算确定。为方便测试，在物料舱特定高度上开有放置 传感器的口。 4 集水器：形状是带有凹槽的圆环，靠边缘的挡板搁置于物 料舱的上沿。边缘的挡板上套有u 型的密封圈，起密封的作用。 5 反应器上盖：堆肥物料含水率高，在高温期堆体温度可达 到7 0 。c 甚至更高温度，堆肥过程中有一定量水的汽化成水蒸气。 反应器进气口在底部，气流方向是由下向上，上升气流中的高 温水蒸气遇到温度较低的反应器顶端时会冷凝。若顶端是平顶， 冷凝水会再落回物料中去，这对要求严格的试验有一定影响。 将顶端设计成斜面，冷凝水会在重力作用下沿斜面滑落进入集 水器中，而不会再次落入物料中。因此，反应器设计为顶部为 倾斜的空心圆柱体。 6 排气：在整个堆肥过程中，因为微生物的分解会产生有害 的臭气，其主要成分是氨气( n h 3 ) 、甲烷(