PMCT 系統工程設計

王濤

（1.機械科學研究總院環保技術與裝備研究所，北京 100044；2.機科發展科技股份有限公司，北京 100044；3.機械工業有機固廢生物處理與資源化利用工程研究中心，北京 100044）

近年來，我國堆肥技術研究取得了長足進步，尤其在市政污泥堆肥領域，以高溫好氧發酵技術與多層堆肥系統（SACT）為代表的先進堆肥技術實現了全封閉、全流程自動化，在達到工藝目的的同時，滿足了大型集中處理項目環境與職業健康安全的要求。然而，針對中小型堆肥項目和其他具有季節性特點的有機固體廢物處理項目，SACT 技術由于投資較高、系統較復雜，推廣應用存在局限性。

針對上述問題，機械科學研究總院科技創新基金項目——“e-PTFE 膜覆蓋高溫好氧發酵成套技術研究”完成了包括工程設計規范編制在內的中小型污泥堆肥處理系統的研究開發，并最終將這一系統命名為裝配式膜覆蓋堆肥技術（PMCT）[1]。

1 PMCT 技術

1.1 PMCT 的定義與系統組成

PMCT 是一種堆體通過裝配結構在功能性覆蓋膜作用下進行高溫好氧發酵的堆肥技術（見圖1）。

圖1 PMCT 系統示意圖

具體裝配步驟如下：1）放置擋墻支撐[2]就位；2）安裝除出料端以外的所有擋墻板；3）鋪設曝氣器；4）放置發酵中樞就位并安裝連接組件及電氣、控制線路；5）進料；6）安裝出料端擋墻板；7）將功能性覆蓋膜[3]覆蓋至堆體上并按要求與擋墻支撐緊固為一體；8）控制發酵中樞聯網，實現“一鍵啟動”。

1.2 PMCT 系統特征

首先，PMCT 本質上屬于靜態條垛高溫好氧發酵工藝類別中的膜覆蓋堆肥工藝類型[4]，具有靜態條垛系統靈活、可靠的特性。其次，PMCT 通過裝配式結構使之具有模塊式堆肥高效的特性。與傳統技術相比較，除裝配特性外PMCT 在工藝理論方面還具有以下三點創新。

1.2.1 增壓保溫環境的建立

PMCT 曝氣過程由于受到功能膜阻力的影響，堆體處于增壓環境狀態，一般高于大氣壓數百帕，這使得其較傳統堆肥系統擁有更優的環境條件，可提高好氧發酵反應速率。此外，PMCT 曝氣過程由于受功能膜阻力影響，膜與堆體間形成空氣層，可起到保溫作用，這一點對于冬季、高緯度地區具有特別重要的意義。

1.2.2 “夾心巧克力”堆體結構

PMCT 運行過程中，水分溢出后會在覆蓋膜內壁凝結，一部分滴落至堆體表層，另一部分沿膜內壁流至堆體底部。堆體設計成“夾心巧克力”結構形式（見圖2），返料（出料篩分所得篩上物）鋪設在堆體最底層可以使布氣層更加均勻；在堆體表層再覆蓋一層返料，可以有效防止恒濕物料層凝結水對混合物料產生影響。

圖2 PMCT 堆體結構示意圖

1.2.3 返料替代機械翻堆過程

傳統堆肥工藝返料工序的工藝目的是調解含水率與孔隙率，PMCT 系統除上述目的外，更重要的是對未腐熟的物料進行二次發酵，相當于將一次高效、徹底的翻堆過程融入靜態堆肥過程中。“高效”體現在通過成品篩分過程可以準確識別并篩選出大粒徑物料或物料內部發酵不完全需要進行二次發酵的物料；“徹底”體現在出料、篩分、混料（部分）、布料過程的攪拌作用比傳統翻堆機的效果要好。

PMCT 作為一種介于設備與設施之間的工業系統，盡管上述特點極大簡化了工程設計內容，但仍需要進行工程設計。

2 PMCT 工程設計輸入

2.1 工藝條件輸入

假定待處理物料為可堆肥物料，即滿足有機質以及氮磷鉀（NPK）復合肥（含氨、磷、鉀等的復合肥）等營養元素含量的基本要求且不具有生物毒性。在此基礎上，PMCT 系統工藝設計輸入條件如下。

2.1.1 堆體堆積密度

以污泥堆肥為例，堆體組成一般包括污泥（也稱生料）、輔料（也稱干料）、返混料（也稱熟料）。由于每個項目所處的環境條件與采用的輔料種類各不相同，因此混合配比也不盡相同。

設計前，應進行混合配比實驗，混合后物料堆積密度一般不大于0.6t/m3，在此基礎上，還需根據自然氣候條件酌情修正。

2.1.2 堆體發酵周期

設計前，宜進行設定運行條件下的工藝實驗，在此基礎上，還需根據自然氣候條件酌情修正。不具備實驗條件的項目，可根據經驗數據先行確定發酵周期。以污泥堆肥為例，發酵周期一般為21—28d。

2.2 場地條件輸入

場地條件輸入主要包括場地的位置、邊界，以及場地的承載力及平整度。

2.3 外圍條件輸入

外圍條件輸入主要包括道路、電力、給排水等專業外線條件。

3 PMCT 模塊設計選型方法

依據《堆肥用功能性覆蓋膜》（JB/T 13739—2019）的要求[5]，堆肥用功能性覆蓋膜常用的有3 種規格，如表1 所示。

表1 堆肥用功能性覆蓋膜常用規格

以10t/d 的FCMC-4000 系統為例，堆體設計過程如下：

參考類似土壤力學參數，堆體安息角按照30°設計，堆體頂部三角區域高（H2）：

擋墻高H1為1m（含超高h=0.1m），最大堆高（H）：

堆體截面面積（S）：

覆蓋層、墊層厚度均取15cm，堆體有效截面面積（S有效）：

按照PMCT 標準模塊脫水污泥（含水率80%計）處理量為10t/（模塊·周期）計算，混合物料按照20t/（模塊·周期）估算，堆積密度目標值約為0.6t/m3，則標準模塊體積為33.3m3。考慮安全系數1.2，標準模塊有效長度約為12m。

其他規格系統計算結果如表2 所示。

表2 PMCT 膜與模塊的對應關系

以污泥堆肥為例，按照28d 的處理周期計算，PMCT 系統處理能力對應堆肥模塊尺寸與數量關系如表3 所示。

表3 不同處理規模PMCT 系統推薦配置

4 PMCT 工程設計規范

4.1 工藝設計

（1）采用膜覆蓋堆肥工藝，宜采用下列基本工藝流程：

1）混料—布料—發酵（曝氣）—出料；

2）混料—布料—一次發酵（曝氣）—翻堆—二次發酵（曝氣）—出料。

（2）當處理目標未經過分選或未達到待堆肥物料要求時，在混料工序前增加分選、篩分工序。

（3）當用戶對發酵產物有更高要求時，可增加制肥工序，并按需添加營養物質。

（4）混料工序宜符合下列要求：

1）混料宜采用專用混料機或裝載機完成；

2）混合后物料含水率宜為50%—60%；

3）混合后物料平均堆積密度宜小于0.7t/m3；

4）混合后物料粒度應盡量均勻。

（5）布料工序宜符合下列要求：

1）布料前應在條垛位置鋪設曝氣穿孔管，宜采用高密度聚乙烯（HDPE）雙壁波紋管，管徑宜大于100mm；

2）布料宜采用裝載機或自卸載重汽車完成；

3）堆體應按照兩層設計，底部5—10cm 鋪設干物料作為疏松布氣層，在曝氣穿孔管周圍適當增加鋪設厚度，以埋住管道為限；頂部鋪設混合后待發酵的物料；

4）布料后宜采用裝載機整垛，條垛整體斷面應為底邊長4m、高2m 的等腰三角形或等腰梯形。

（6）發酵（曝氣）工序宜符合下列要求：

1）發酵（曝氣）周期宜為14—42d；

2）曝氣風機宜采用高壓離心通風機，全壓不低于4000Pa；

3）曝氣強度宜為3—5m3/m3；

4）曝氣時間應根據氣候條件和儀表反饋實時調整。

（7）翻堆工序宜符合下列要求：

1）一次發酵與二次發酵之間，采用專用翻堆設備或裝載機進行翻堆操作，以優化堆體空隙結構；

2）先將覆蓋膜收卷，再進行翻堆，翻堆完成后再將覆蓋膜鋪蓋，翻堆后堆垛形狀和位置應盡可能保持原樣。

（8）出料工序宜符合下列要求：

1）通過人工或卷膜機收卷覆蓋膜；

2）通過裝載機將發酵產物鏟至指定區域或車輛貨箱。

4.2 其他設計

（1）發酵區設計：

1）發酵區采用硬化地面，并且沿條垛中軸垂直方向設置1%的坡度以利于水分排出；

2）發酵區設置條垛的數量及條垛與覆蓋膜的尺寸參考表3 要求折算；

3）采用人工鋪膜與收膜的工程，條垛間距宜為1m；采用機械鋪膜與收膜的工程，條垛間距應符合卷膜機使用要求；

4）覆蓋膜的固定宜采用沙袋或水管方式，在采用水管方式時，在場地內應考慮配套相應的給排水系統。

（2）混料區設計應符合混料機或裝載機工作場地空間要求，而且儲存空間應滿足不少于1d 物料的周轉量。

（3）物流通道設計應考慮裝載機、自卸載重車等物流車輛的載重量、寬度、高度及轉彎半徑等要求。

5 PMCT 堆肥工程設計實例

華北地區某糞便堆肥項目，處理規模為60t/d（含水率90%），先通過預處理工序脫水至含水率80%，質量減至30t/d，之后添加輔料（花生殼，含水率15%），添加比例為10%，根據物料平衡計算（見圖3），每日待發酵混合物料量為56t。

圖3 華北地區某糞便堆肥項目工藝流程圖

根據物料配比實驗，混合物料堆積密度為0.6t/m3，總體積為93.33m3。

11—12 月進行的工藝實驗結論證明，堆肥周期為21d 可滿足物料升溫及含水率要求。

最終選擇FCMC-4000 模塊63 組，并輔助配套設備。

運行工藝采用：混料—布料—一次發酵（曝氣）—翻堆—二次發酵（曝氣）—出料。

項目總占地面積6132m2，其中發酵區面積為3629m2。

總裝機功率為290kW。

定員為8 人。

項目投資估算如表4 所示。

表4 華北地區某糞便堆肥項目工程投資估算

6 結語

PMCT 是一項由中國自主研發的具有自主知識產權的堆肥技術[6]，具有獨特的裝配化特性，使其在設計、建造、運行過程中有可能實現高度標準化流程，進一步提升了堆肥項目的經濟性和可靠性，高度靈活化的設計使其更適用于中小規模有機固體廢物堆肥處理項目。