好氧堆肥系統的設計及研究*

王霞琴，柳陽陽，劉 濤，王發生

(1.蘭州石化職業技術大學 機械工程學院，甘肅 蘭州 730060；2.江蘇派沃能源發展有限公司 蘭州分公司，甘肅 蘭州 730030)

禽畜養殖業廢棄物減量化的原則是根據我國禽畜養殖業污染物排放量大的特點，通過肥料化、能源化和飼料化等手段來消減污染物的排放總量，實現有機廢棄物的再利用。畜禽糞便是一種生物資源，又是一種現實的潛在的環境危害物質。為了提高農業生態系中草畜肥糧之間物流、能流和信息流的轉化、傳遞及利用效率，減少資源浪費，減輕環境染，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。好氧堆肥技術是實現固體有機廢棄物減量化、無害化和資源化處理的主要手段。

1 好氧堆肥原理及堆肥工藝

好氧堆肥技術是指，在提供游離氧條件下，通過微生物的參與，將有機廢棄物進行降解，最終達到穩定的無害化處理。微生物以固體有機廢棄物中分子量大、位能高的各種有機物作為營養源，經過一系列生化反應，逐級釋放能量，最終轉化為分子量小、能位低的簡單物質而穩定下來。固體有機物經過好氧堆肥后，體積一般為原來的50%～70%。好氧堆肥處理技術是實現固體有機廢棄物減量化、無害化和資源化處理目標的主要手段。

根據實際生產需求，設計通過兩次發酵完成好氧堆肥過程。好氧堆肥工藝流程如圖1所示。

圖1 堆肥工藝流程圖

堆肥物料發酵過程中，通過強制通風及翻堆攪拌，為堆肥物料提供氧氣。在主發酵過程中，最初是堆肥物料中的易分解物質進行分解，產生熱量、二氧化碳及水，這時堆體溫度開始上升。伴隨堆體溫度上升，各種微生物菌類吸取有機廢棄物中的碳、氮等營養成分，進入旺盛的繁殖期。此時，最適宜溫度為45°～65 ℃，堆肥物料在此階段進行高效分解。這里將溫度升高到開始降低為止階段，作為主發酵階段，一般主發酵周期為3～4 d。經過主發酵的堆肥物料被送入二次發酵倉，進行二次發酵，對堆肥物料中尚未分解及較難分解的有機物進行分解，得到完全成熟的堆肥成品。堆肥過程中的氣體經過除臭系統除臭后排放。

2 堆肥系統參數研究

根據實際生產需求，在好氧堆肥過程中，需要在保證堆肥質量的基礎上，縮短堆肥周期，提高堆肥效率。通過分析好氧堆肥原理可知，控制堆肥條件是加快堆肥反應進程，縮短堆肥物料穩定時間的關鍵。影響好氧堆肥的主要因素包括通風供養、堆料含水率及溫度。

2.1 曝氣供氧

通風供氧是能夠實現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，以促進微生物的發酵。在通風過程中，氧氣體積分數應大于18%，否則會限制微生物的生命活動，難以保證堆肥質量。在本堆肥系統中，采用風機強制通風及攪拌裝置相互配合，為堆肥物料提供氧氣。通風供氧控制可通過測定排氣口氧氣含量確定，出口氧氣的適宜體積分數值為14%～17%。

2.2 堆料含水率

好氧堆肥過程中，水分的主要用于溶解有機物，參與微生物的新陳代謝，同時水分的蒸發可以帶走熱量，從而調節堆肥溫度。好氧堆肥過程中，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行分析。豬糞含水量為75%。堆肥物料進入發酵倉前應進行簡單脫水，進入發酵倉時添加吸水物(如木屑、稻草等)吸收水分，增加堆肥物料與空氣的接觸面積。

2.3 溫度

在好氧堆肥過程中，溫度是影響微生物活動的重要因素。堆肥過程會經歷從升溫階段到高溫階段再到降溫階段的過程。在堆肥過程中，堆體溫度的變化速率會受到通風及堆肥設備等條件的影響。堆肥物料發酵的適宜溫度為55～60 ℃，設計堆肥過程中通過提高進入發酵倉氣體溫度和溫度反饋系統，控制堆肥倉溫度。溫控電子探頭分別放置在兩發酵倉堆體內的上、中、下三個部位，以檢測堆體不同部位溫度變化。

3 好氧堆肥系統設計

本堆肥系統設計為密閉式倉筒堆肥設備，通過堆肥過程機械化，來提高堆肥效率，保證堆肥質量。堆肥設備工作過程，堆肥物料從設備頂部進入主發酵倉，在主發酵倉中完成一次發酵。一次發酵完成之后，堆肥物料進入二次發酵倉進行二次堆肥發酵，最終通過在堆肥設備底部卸出腐熟物料。這種好氧發酵工藝的發酵周期為7～10 d，通過二次發酵，可提高堆肥質量，節省單次堆肥周期，物料可實現3～4 d間歇進料。設計好氧堆肥系統由發酵倉和4個附屬系統組成，分別為攪拌裝置、控制系統、通風系統、上料系統和除臭系統。密閉式倉筒堆肥設備整體結構如圖2所示。

圖2 密閉式倉筒堆肥設備

1)發酵倉結構設計

根據實際生產設計采用間歇式好氧堆肥二次發酵技術。設計設備規模處理量為 15 t/次，可用于中小規模養殖場(以存欄3000頭豬計算)畜禽糞便有機廢棄物的就地處理。發酵裝置主體為圓柱形結構，分為上下兩倉室完成堆肥物料好氧堆肥的二次發酵。發酵倉的容積及尺寸可根據公式(1)計算：

(1)

式中：m為入倉物料質量，kg；ρ為堆肥容重，kg/m3；η為物料填裝系數；D為發酵倉直徑，m；H為發酵倉高度，m。

考慮到堆肥物料在發酵倉的堆肥過程中需要留有一定的操作空間，一般取物料填裝系數為0.6～0.85[1]，根據物料特性及堆肥過程中的通風及機械攪拌要求，本發酵倉物料填充系數取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]。溫度是影響堆肥過程的重要因素，在考慮發酵倉結構時，應考慮發酵倉的表面散熱等因素，根據反應倉體積公式和表面積計算公式，可取發酵倉高度和內徑的比值H/D=1～2[3]，因為設計堆肥設備為上下兩倉室完成二次發酵，設備不宜過高，因此取發酵倉高度和內徑的比值為1。

將所有參數帶入公式計算，并參照符合化工設備的常用標準化零部件所規定的尺寸規格，可得：完成好氧堆肥一次發酵的主發酵倉的容積為 31 m3，發酵倉直徑為 3.4 m 高為 3.4 m。

堆肥物料通過一次發酵容積將減量1/3，因此設計完成好氧堆肥二次發酵的后發酵倉的容積為 21 m3，發酵倉直徑為 3.4 m 高為 2.3 m。

根據化工設備的常用標準化零部件設計要求，選擇發酵設備筒體材料為Q235-A。由于堆肥過程中筒體工作壓力小于 0.3 MPa，因此發酵設備筒體整體壁厚為 7 mm。發酵倉內壁襯聚氯乙烯襯板，防止堆肥過程中對發酵倉的腐蝕，同時，發酵設備外壁選擇用 20 mm 聚氨酯發泡材料作為設備保溫層。

設備堆肥過程中的進料口與出料口分別設計在發酵倉頂部和底部，尺寸為 1000 mm×1200 mm 的半月牙形開口，通過旋轉擋板實現開啟和關閉。堆肥物料通過上料系統從進料口進入主發酵倉。主發酵完成后，通過自身重力物料從出料口出料，進入二次發酵倉，完成二次發酵后從出料口出料。

2)攪拌裝置設計

攪拌裝置的作用是使發酵倉內的堆肥物料均勻分布，增加堆肥物料與氧氣的接觸，同時可使堆肥物料受熱均勻，從而提高堆肥效率。在攪拌裝置中設計攪拌主軸從堆肥設備罐體中心進入主發酵倉及二次發酵倉，設計攪拌軸外徑為 280 mm，內徑為 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°，在每個發酵倉分為上下兩層。耙形攪拌棒直徑為 70 mm，長度為 160 mm。

3)通風系統設計

堆肥設備中的通風裝置包括鼓風機(轉速 2900 r/min、流量 1688 m3/h、電機功率 2.2 kW)、電熱管加熱箱、通風管、雙層篩網。通氣管從堆肥罐右側進入主發酵倉，距離發酵倉頂部150 mm，通氣管直徑為138 mm，通氣管在發酵倉內為環形結構，每間隔20 mm設置一孔直徑為5 mm的曝氣孔。通過排風口氧氣含量及溫度反饋混合控制系統來控制風機的工作。

4)上料系統設計

上料系統包括提斗、提料軌道及電機，提斗的尺寸根據堆肥倉的尺寸來設計。發酵倉物料填充系數為0.8，主發酵倉設備容積為 31 m3。因此單次堆肥物料為 24.5 m3，假設需要30提填裝物料，每提容積為 0.82 m3，因此設計提斗尺寸為 1100 mm×1000 mm×800 mm。

5)除臭系統

在堆肥處理過程中會產生大量臭氣，主要有氨、硫化氫、甲基硫醇等，需要進行脫臭處理。除臭系統采用生物除臭法，利用微生物來分解、轉化臭氣成分以達到除臭目的。除臭生物過濾器中放置有熟化的肥料、樹皮、木片和顆粒泥炭等材料，堆高為0.8～1.2 m。排氣孔出來的臭氣通入除臭過濾器，使之于生物分解和吸附同時作用，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98%以上。

4 結語

本文通過分析高溫好氧堆肥原理，設計了二次發酵的好氧堆肥工藝流程，并對好氧堆肥過程中的影響因素進行分析，提出控制影響因素的方案。根據實際堆肥生產設計了好氧堆肥系統。該堆肥生產過程在半密封的裝置中完成，有利于減少物料的熱量損耗，減少堆肥物料對環境的二次污染。在整個堆肥機械化過程中，堆肥物料通過自身重力及攪拌軸的推動，通過至上而下的方式從進料口到出料口，當堆肥物料排出出料口時就完成了一次腐熟發酵過程。將兩次堆肥發酵過程分倉室完成，可調節不同發酵階段對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料周期。