垃圾堆肥设计.doc

针对我国现阶段城市垃圾易腐有机物含量高的特点，提出了一种实用新型快速堆肥装置重力翻板式垃圾快速堆肥装置，在进行对比论证的基础上，对重力式堆肥装置的发酵周期、占地面积、通风供氧等主要工艺及参数进行了设计。 关键词：城市垃圾堆肥；重力翻板式堆肥装置；工艺设计 随着城市发展，城市垃圾的问题越来越突出。据建设部统计资料，2002年，660个建制市生活垃圾产生量1.36亿t，其中集中处理量为7404万t，6200万t未经任何处理。建制市以下的县城、镇年产生生活垃圾约3600万t，基本没有得到处理。面对这一严峻的局面，加快垃圾处理设施建设己迫在眉睫。长期以来，单一使用填埋法处理垃圾所造成的对环境的长期危害性和对可利用资源的浪费己逐渐为人们所认识，各地目前开始纷纷建立起包含分选、堆肥、焚烧、填埋等多种处理工艺的城市垃圾无害化综合处理厂，从而避免和降低了因垃圾处理不当对环境造成的二次污染和资源的浪费，同时达到了无害化处理垃圾和资源充分利用的目的。 堆肥可分为好氧堆肥和厌氧堆肥两大类。与传统的厌氧堆肥相比，高温好氧堆肥发酵周期短、环境污染小，因而在我国较多地方得到了应用。近年来由于城市居民生活水平和气化率的提高，我国城市垃圾的有机物含量逐年提高。如我国日产生垃圾1000t以上的城市垃圾有机物含量都达到了50%左右。垃圾有机物又以厨余垃圾、菜市场垃圾等易腐垃圾为主。现阶段我国垃圾好氧发酵装置以简易式及静态仓式为主，难以满足含水率高、有机物含量高的生活垃圾的快速发酵要求。因此，加强适应有机垃圾处理的动态发酵装置的研发势在必行。 1重力翻板式堆肥装置的基本原理和简要结构 重力翻板式堆肥装置为二次型高温好氧堆肥装置的初级发酵装置，采用的是动态发酵工艺，其结构如图1所示。该装置基本结构为密封式多层发酵仓（35层），每层底部为活动翻板；发酵原料由装置的顶部进入，经布料装置洒入顶层发酵仓。一定间隔期后，发酵原料在重力作用下经活动翻板落入下层，依次类推。最后由底层的发酵仓落下完成初级发酵。底层的发酵仓也可兼作出料仓。 发酵塔顶部设有抽风口（外接除臭系统）以改善顶部的操作环境。 为便于通风供氧，装置两侧设有通风及排风管线，将空气引入活动翻板下面，经活动翻板的缝隙进入上一层发酵仓，由上一层发酵仓的上部或顶部排出，实现供氧及散热功能。 2重力翻板式堆肥装置的工艺设计 2.1发酵仓堆层高度 堆层高度对装置的通风供氧、发酵周期、占地面积等均有重大影响。 一般而言，初级发酵阶段要保持高温好氧的快速进行，堆肥原料需要有合理的碳氮比和含水率，堆肥过程中堆体内应维持足够的氧浓度和适宜的温度。根据一般的观点，适宜的碳氮比为(2535）:1，含水量为垃圾物料极限含水量的60%80%，当垃圾中易腐有机物含量高时，相 图1重力翻板式垃圾快速堆肥装置结构 应的适宜含水量也相应提高，如易腐有机物含量为80%，适宜含水量达到50%65%；综合腐熟速度和有机物分解速度，生活垃圾高温好氧堆肥初次发酵最佳温度为60左右；堆体内氧浓度在发酵时不宜低于8，否则将产生厌氧现象，一般应高于10%。 物料在高温快速发酵中会产生大量的热量，故在发酵的同时应进行散热以维持适宜温度。城市生活垃圾堆层为内部多孔隙的疏松堆体，其主体成分如厨余、纸张、煤灰等导热性能差，使得垃圾体的保温性很好。故而有效的散热方式为向堆体内进行通风，以实现堆体内水分的快速蒸发，吸热蒸发出的水气随风流排出而达到散热效果。在自然通风条件下，垃圾堆体上面空间敞开，下面与大气相通，堆层内的空气受热后向上蒸腾，使得堆层形成微弱的上升气流，既保持好氧状态，又实现散热；在自然通风散热过慢时，应进行强制通风，其风向一般与自然通风一致。 开始通风时，当堆层内温度和湿度分布大致相同时，根据气液相间传质原理，气流在上升过程中含湿量会逐渐达到饱和，其散热能力将逐渐减少。当垃圾堆层过高时，中上层的散热较为困难，同时会造成下层的吹冷现象。停止通风后，堆层主要依靠自然蒸腾作用补充氧气，这样会形成从下层至上层堆层含氧量的递减现象，显然，堆层高度越高，则中上层的含氧量减少得越快，使得有机物的分解速度降低。因而，Giesner废物处理研究院工作协会的报告指出，垃圾堆层随着高度的增加，温度不断提高，且有机物分解率变低。当然堆层高度也不宜过低，因堆层高度与装置的处理能力成正比关系，堆层愈低则装置的日处理量愈小。 发酵开始时，堆层内的含水率大体相同，在通气量合适时（以满足供氧为主要目的），下层垃圾温度及耗氧速度均较高。当堆层进入高温期后，下层垃圾由于出现软化现象而被压实，含水率增加过高而使得氧气难以进入161以及定期鼓风的吹冷效应等原因，温度显著低于中上层，且耗氧速度过低，造成发酵不充分现象。为消除这一现象，须定期对堆体进行翻堆。 从实际运行情况来看，采用静态仓式堆肥装置，如无锡市环境卫生工程实验厂，堆层高度约为4m，初级发酵期间采取了开机通风30min、关机30min强制间歇通风方式，但堆层的上部和中部温度长期仍处于6579（约有5d)，使得有机物分解缓慢。甚至连续通风10h也只能使堆层降温710。根据郑玉琪等的研究，利用猪粪（含CTB调理剂）进行静态仓式堆肥，堆层高度为1.5m，开机通风10min、关机40min，在高温阶段堆层内部温度一直处于64以下。生活垃圾的孔隙率较猪粪高，在同样堆高下堆温应控制在65以下。蒲一涛等采用生活垃圾进行静态仓式堆肥，堆层原料含水率53.8%，有机物含量大于50%，堆层高度为1.4m，堆层壁采用了保温措施，开始阶段开机通风10min、关机30min。发酵期间堆层内部温度一直处于62以下，经过5d的高温持续期进入降温阶段。 与静态仓式相比，重力式堆肥装置发酵物料在初级发酵期间经历了多次的迭落、混合，这样对堆层水分的蒸发、氧浓度的提高、物料的均衡发酵无疑十分有利，故而本装置的适宜堆层高度范围较静态仓式更大。结合上述分析及对比，综合考虑设备的处理能力和快速发酵的工艺特点，可以认为堆层高度为1.5m左右比较适宜。 2.2初级发酵周期 为了缩短整个垃圾好氧发酵的周期和节约运行成本，现代的垃圾好氧发酵工艺一般为二次发酵工艺，初次发酵强调的是无害化与速度，即要求在较短的时间内通过高温好氧发酵，将大部分的易降解有机物降解掉，并利用高温杀死大部分病菌和虫卵，实现垃圾的无害化，当垃圾堆体的温度开始下降后，初级发酵基本完成；次级发酵强调的是稳定化与节能，即在相对较长的时间内依靠自然通风或微量通风对难降解有机物和剩余的少量易降解有机物进行分解，达到深度腐熟。 根据有关研究，城市垃圾在初级发酵阶段，当反应条件最佳时，垃圾中易降解有机物的分解具有一级反应的性质，即： 式中，S0发酵开始时挥发性固体质量分数（）；S经过时间t后的挥发性固体质量分数（）；Kd比例常数，陈朱蕾等人根据实验数据算出此值为0.119/d，陈世和的实验数据算出此值为0.136/d，两者平均值为0.128/d。 在蒲一涛等的试验中，高温阶段结束时挥发性固体质量分数约从60%降至52%，S:S00.867；陈朱蕾等的试验中，初次发酵结束时挥发性固体质量分数约从58%降至31%，S:S00.534，将上述二者平均，可得S:S00.70。这样当初始挥发性固体质量分数为60%时，挥发性固体转化率可达到51.7，远高于一般生活垃圾堆肥厂的挥发性固体转化率。如大连市生活垃圾厂的初次发酵的挥发性固体转化率为15。 本发酵装置由于垃圾堆层高度适宜，各个发酵仓的通风供氧单独控制，且进出料方式为动态连续式，故可以接近最佳堆肥条件。如按上述取初始挥发性固体质量分数为60%，转化率为51.7%，利用公式（1），代入S:S0=0.70，Kd0.128/d，得： 根据美国国家环境保护局的有关报告，好氧堆肥堆体温度持续3d达55以上，可以有效杀灭致病菌。本装置顶层发酵仓堆体从常温上升至55需要约1d的时间，这样初级发酵周期不宜小于4d，当然将中层发酵仓的热气导入顶层发酵仓可大大缩短升温时间，但在升温阶段垃圾的耗氧速度最大，有机物的分解速度达到最大，过早的进入高温阶段不利于初次发酵期间有机物转化率的提高。类比与本装置工艺特点有相似处的其它快速发酵装置，如间歇动态仓式，其初级发酵周期为5d，另如Jersey多层消化塔，初次发酵周期为6d，综上所述，本装置初级发酵周期可定为46d。 为便于工艺操作和确保堆肥质量的稳定，推荐发酵周期为5d，发酵仓设为5层，这样每天上料一层，出料一层，使得工艺比较简便。 2.3通风供氧方式及风压、风量 初级发酵按温度变化和时间历程分为3个阶段：升温阶段、高温阶段、降温阶段。升温阶段温度变化快，耗氧速率很快达到最大值，此阶段通风以供氧为主要目的，一般温度达到55以上后进入高温阶段，随着有机物浓度的降低，高温阶段耗氧速率逐渐降低，当温度出现明显下降时，表明易降解有机物大部分己降解，发酵进入降温阶段，降温阶段耗氧速率很低且变化不大，此时可进行出料，完成初级发酵。 如按上节所述取发酵仓为5层，发酵阶段相对应，则顶层发酵仓主要处于升温阶段，该层的通风量主要是满足供氧，由于耗氧速率快，通风间隔不宜过长，根据郑玉琪等的实验，升温阶段间隔时间约15min后堆层中部氧浓度即下降到4%以下，故最好采取连续通风方式，因不考虑散热，风量其实不大，根据我国不同生活垃圾堆肥的实测结果，大多数情况下耗氧速率最大值低于10mol/(m3h)，所需供氧风量约为0.02m3（m3min）；第二层至第四层处于高温阶段，为控制发酵温度在60左右，在满足供氧的同时，需加大通风量进行散热，一般情况下散热所需风量为供氧所需风量的615倍，而供氧所需风量从第二层至第四层递减，如取平均耗氧速度为5mol/(m3h)（实测结果大多低于此数值），风量为供氧所需风量的9倍，则通风量为0.09m3（m3min）。据郑玉琪等的实验，高温阶段停止通风40min后堆层中部氧浓度达12%以上；无锡实验厂的间隔为60min，堆层氧浓度在89%的时间内达10%以上。为节约能量，第二层至第四层可采用间歇式通风方式，通风时间可设为20min，间隔为3060min。底层发酵仓处于降温阶段，此时由于易降解有机物己大部分降解，耗氧速度缓慢，可通以间歇的微风，甚至可采用自然通风方式。 初级发酵期间总耗风量计算如下： 顶层：连续通风1d，风量按上述取0.02m3/(m3min），耗风量Q1=24600.02=28.8m3。 第二层至第四层：断续通风共3d，持续时间20min，停止时间40min，风量按上述取0.09m3/（m3min），耗风量Q272（1/3）600.09972m3。 底层（自然通风或断续的弱风不计）： 则总耗风量为QK（Q1Q2），K风量系数，一般取1l。 代入各值，得Q=1.1(28.8129.6）174.2m3。 风压计算如下： 式中，K压力系数，一般取1.1；Py沿程阻力(Pa)；Pj局部阻力(Pa)；H堆层高度(m)；Pv堆层阻力(Pa)。 如堆层体积取160m3，各个发酵仓共用1台鼓风机，第24层发酵仓交替通风，顶层与底层连续通风，则风机风量可定为1200m3/h。管线最远长度取30m，管道风速取10m/s，管径计算值约为207mm，空气密度取1.29kg/m3，管道绝对粗糙度取0.2mm，查得管道摩擦系数=0.0196，据公式： 其中：管长(m)，d管内径(m），v介质流速(m/s)，g9.8m/s2，介质的重度（kgm），求得Py为183Pa，可估取合局部阻力系数10。 据公式： g及同上，求得Pj为645Pa，堆层高度按前述取15m，则Pv1000151500Pa，代入上述各值有： P1l（6451831500）2561Pa。 对比无锡实验厂初级发酵装置的风耗，此厂日处理量为160m3，共有初级发酵仓10座，每座初级发酵仓配1台7.5kW高压离心鼓风机，在初级发酵期间开机共约100h；本装置配置鼓风机功率为4kW（5-32N04A型离心鼓风机，风压2696Pa，风量1440m3/h），在初级发酵期期间开机约为40h，风耗能量可减小为前者的21.3%。 2.4占地面积 重力式堆肥装置由于采用了多层塔式结构，节约占地面积。如前所述，设发酵仓为5层，垃圾堆层高度为1.5m，每天上料一层，出料一层，则处理160m3垃圾堆层占地为1601.5106.7m2，对比无锡实验厂，该厂初级发酵仓共10座（不计备用），每座垃圾堆层占地面积为40m2，共占地400m2