垃圾堆肥設(shè)計(jì).doc

針對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段城市垃圾易腐有機(jī)物含量高的特點(diǎn)，提出了一種實(shí)用新型快速堆肥裝置重力翻板式垃圾快速堆肥裝置，在進(jìn)行對(duì)比論證的基礎(chǔ)上，對(duì)重力式堆肥裝置的發(fā)酵周期、占地面積、通風(fēng)供氧等主要工藝及參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：城市垃圾堆肥；重力翻板式堆肥裝置；工藝設(shè)計(jì) 隨著城市發(fā)展，城市垃圾的問(wèn)題越來(lái)越突出。據(jù)建設(shè)部統(tǒng)計(jì)資料，2002年，660個(gè)建制市生活垃圾產(chǎn)生量1.36億t，其中集中處理量為7404萬(wàn)t，6200萬(wàn)t未經(jīng)任何處理。建制市以下的縣城、鎮(zhèn)年產(chǎn)生生活垃圾約3600萬(wàn)t，基本沒(méi)有得到處理。面對(duì)這一嚴(yán)峻的局面，加快垃圾處理設(shè)施建設(shè)己迫在眉睫。長(zhǎng)期以來(lái)，單一使用填埋法處理垃圾所造成的對(duì)環(huán)境的長(zhǎng)期危害性和對(duì)可利用資源的浪費(fèi)己逐漸為人們所認(rèn)識(shí)，各地目前開(kāi)始紛紛建立起包含分選、堆肥、焚燒、填埋等多種處理工藝的城市垃圾無(wú)害化綜合處理廠，從而避免和降低了因垃圾處理不當(dāng)對(duì)環(huán)境造成的二次污染和資源的浪費(fèi)，同時(shí)達(dá)到了無(wú)害化處理垃圾和資源充分利用的目的。 堆肥可分為好氧堆肥和厭氧堆肥兩大類(lèi)。與傳統(tǒng)的厭氧堆肥相比，高溫好氧堆肥發(fā)酵周期短、環(huán)境污染小，因而在我國(guó)較多地方得到了應(yīng)用。近年來(lái)由于城市居民生活水平和氣化率的提高，我國(guó)城市垃圾的有機(jī)物含量逐年提高。如我國(guó)日產(chǎn)生垃圾1000t以上的城市垃圾有機(jī)物含量都達(dá)到了50%左右。垃圾有機(jī)物又以廚余垃圾、菜市場(chǎng)垃圾等易腐垃圾為主?，F(xiàn)階段我國(guó)垃圾好氧發(fā)酵裝置以簡(jiǎn)易式及靜態(tài)倉(cāng)式為主，難以滿(mǎn)足含水率高、有機(jī)物含量高的生活垃圾的快速發(fā)酵要求。因此，加強(qiáng)適應(yīng)有機(jī)垃圾處理的動(dòng)態(tài)發(fā)酵裝置的研發(fā)勢(shì)在必行。 1重力翻板式堆肥裝置的基本原理和簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu) 重力翻板式堆肥裝置為二次型高溫好氧堆肥裝置的初級(jí)發(fā)酵裝置，采用的是動(dòng)態(tài)發(fā)酵工藝，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置基本結(jié)構(gòu)為密封式多層發(fā)酵倉(cāng)（35層），每層底部為活動(dòng)翻板；發(fā)酵原料由裝置的頂部進(jìn)入，經(jīng)布料裝置灑入頂層發(fā)酵倉(cāng)。一定間隔期后，發(fā)酵原料在重力作用下經(jīng)活動(dòng)翻板落入下層，依次類(lèi)推。最后由底層的發(fā)酵倉(cāng)落下完成初級(jí)發(fā)酵。底層的發(fā)酵倉(cāng)也可兼作出料倉(cāng)。 發(fā)酵塔頂部設(shè)有抽風(fēng)口（外接除臭系統(tǒng)）以改善頂部的操作環(huán)境。 為便于通風(fēng)供氧，裝置兩側(cè)設(shè)有通風(fēng)及排風(fēng)管線，將空氣引入活動(dòng)翻板下面，經(jīng)活動(dòng)翻板的縫隙進(jìn)入上一層發(fā)酵倉(cāng)，由上一層發(fā)酵倉(cāng)的上部或頂部排出，實(shí)現(xiàn)供氧及散熱功能。 2重力翻板式堆肥裝置的工藝設(shè)計(jì) 2.1發(fā)酵倉(cāng)堆層高度 堆層高度對(duì)裝置的通風(fēng)供氧、發(fā)酵周期、占地面積等均有重大影響。 一般而言，初級(jí)發(fā)酵階段要保持高溫好氧的快速進(jìn)行，堆肥原料需要有合理的碳氮比和含水率，堆肥過(guò)程中堆體內(nèi)應(yīng)維持足夠的氧濃度和適宜的溫度。根據(jù)一般的觀點(diǎn)，適宜的碳氮比為(2535）:1，含水量為垃圾物料極限含水量的60%80%，當(dāng)垃圾中易腐有機(jī)物含量高時(shí)，相 圖1重力翻板式垃圾快速堆肥裝置結(jié)構(gòu) 應(yīng)的適宜含水量也相應(yīng)提高，如易腐有機(jī)物含量為80%，適宜含水量達(dá)到50%65%；綜合腐熟速度和有機(jī)物分解速度，生活垃圾高溫好氧堆肥初次發(fā)酵最佳溫度為60左右；堆體內(nèi)氧濃度在發(fā)酵時(shí)不宜低于8，否則將產(chǎn)生厭氧現(xiàn)象，一般應(yīng)高于10%。 物料在高溫快速發(fā)酵中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，故在發(fā)酵的同時(shí)應(yīng)進(jìn)行散熱以維持適宜溫度。城市生活垃圾堆層為內(nèi)部多孔隙的疏松堆體，其主體成分如廚余、紙張、煤灰等導(dǎo)熱性能差，使得垃圾體的保溫性很好。故而有效的散熱方式為向堆體內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)，以實(shí)現(xiàn)堆體內(nèi)水分的快速蒸發(fā)，吸熱蒸發(fā)出的水氣隨風(fēng)流排出而達(dá)到散熱效果。在自然通風(fēng)條件下，垃圾堆體上面空間敞開(kāi)，下面與大氣相通，堆層內(nèi)的空氣受熱后向上蒸騰，使得堆層形成微弱的上升氣流，既保持好氧狀態(tài)，又實(shí)現(xiàn)散熱；在自然通風(fēng)散熱過(guò)慢時(shí)，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，其風(fēng)向一般與自然通風(fēng)一致。 開(kāi)始通風(fēng)時(shí)，當(dāng)堆層內(nèi)溫度和濕度分布大致相同時(shí)，根據(jù)氣液相間傳質(zhì)原理，氣流在上升過(guò)程中含濕量會(huì)逐漸達(dá)到飽和，其散熱能力將逐漸減少。當(dāng)垃圾堆層過(guò)高時(shí)，中上層的散熱較為困難，同時(shí)會(huì)造成下層的吹冷現(xiàn)象。停止通風(fēng)后，堆層主要依靠自然蒸騰作用補(bǔ)充氧氣，這樣會(huì)形成從下層至上層堆層含氧量的遞減現(xiàn)象，顯然，堆層高度越高，則中上層的含氧量減少得越快，使得有機(jī)物的分解速度降低。因而，Giesner廢物處理研究院工作協(xié)會(huì)的報(bào)告指出，垃圾堆層隨著高度的增加，溫度不斷提高，且有機(jī)物分解率變低。當(dāng)然堆層高度也不宜過(guò)低，因堆層高度與裝置的處理能力成正比關(guān)系，堆層愈低則裝置的日處理量愈小。 發(fā)酵開(kāi)始時(shí)，堆層內(nèi)的含水率大體相同，在通氣量合適時(shí)（以滿(mǎn)足供氧為主要目的），下層垃圾溫度及耗氧速度均較高。當(dāng)堆層進(jìn)入高溫期后，下層垃圾由于出現(xiàn)軟化現(xiàn)象而被壓實(shí)，含水率增加過(guò)高而使得氧氣難以進(jìn)入161以及定期鼓風(fēng)的吹冷效應(yīng)等原因，溫度顯著低于中上層，且耗氧速度過(guò)低，造成發(fā)酵不充分現(xiàn)象。為消除這一現(xiàn)象，須定期對(duì)堆體進(jìn)行翻堆。 從實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，采用靜態(tài)倉(cāng)式堆肥裝置，如無(wú)錫市環(huán)境衛(wèi)生工程實(shí)驗(yàn)廠，堆層高度約為4m，初級(jí)發(fā)酵期間采取了開(kāi)機(jī)通風(fēng)30min、關(guān)機(jī)30min強(qiáng)制間歇通風(fēng)方式，但堆層的上部和中部溫度長(zhǎng)期仍處于6579（約有5d)，使得有機(jī)物分解緩慢。甚至連續(xù)通風(fēng)10h也只能使堆層降溫710。根據(jù)鄭玉琪等的研究，利用豬糞（含CTB調(diào)理劑）進(jìn)行靜態(tài)倉(cāng)式堆肥，堆層高度為1.5m，開(kāi)機(jī)通風(fēng)10min、關(guān)機(jī)40min，在高溫階段堆層內(nèi)部溫度一直處于64以下。生活垃圾的孔隙率較豬糞高，在同樣堆高下堆溫應(yīng)控制在65以下。蒲一濤等采用生活垃圾進(jìn)行靜態(tài)倉(cāng)式堆肥，堆層原料含水率53.8%，有機(jī)物含量大于50%，堆層高度為1.4m，堆層壁采用了保溫措施，開(kāi)始階段開(kāi)機(jī)通風(fēng)10min、關(guān)機(jī)30min。發(fā)酵期間堆層內(nèi)部溫度一直處于62以下，經(jīng)過(guò)5d的高溫持續(xù)期進(jìn)入降溫階段。 與靜態(tài)倉(cāng)式相比，重力式堆肥裝置發(fā)酵物料在初級(jí)發(fā)酵期間經(jīng)歷了多次的迭落、混合，這樣對(duì)堆層水分的蒸發(fā)、氧濃度的提高、物料的均衡發(fā)酵無(wú)疑十分有利，故而本裝置的適宜堆層高度范圍較靜態(tài)倉(cāng)式更大。結(jié)合上述分析及對(duì)比，綜合考慮設(shè)備的處理能力和快速發(fā)酵的工藝特點(diǎn)，可以認(rèn)為堆層高度為1.5m左右比較適宜。 2.2初級(jí)發(fā)酵周期 為了縮短整個(gè)垃圾好氧發(fā)酵的周期和節(jié)約運(yùn)行成本，現(xiàn)代的垃圾好氧發(fā)酵工藝一般為二次發(fā)酵工藝，初次發(fā)酵強(qiáng)調(diào)的是無(wú)害化與速度，即要求在較短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)高溫好氧發(fā)酵，將大部分的易降解有機(jī)物降解掉，并利用高溫殺死大部分病菌和蟲(chóng)卵，實(shí)現(xiàn)垃圾的無(wú)害化，當(dāng)垃圾堆體的溫度開(kāi)始下降后，初級(jí)發(fā)酵基本完成；次級(jí)發(fā)酵強(qiáng)調(diào)的是穩(wěn)定化與節(jié)能，即在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)依靠自然通風(fēng)或微量通風(fēng)對(duì)難降解有機(jī)物和剩余的少量易降解有機(jī)物進(jìn)行分解，達(dá)到深度腐熟。 根據(jù)有關(guān)研究，城市垃圾在初級(jí)發(fā)酵階段，當(dāng)反應(yīng)條件最佳時(shí)，垃圾中易降解有機(jī)物的分解具有一級(jí)反應(yīng)的性質(zhì)，即： 式中，S0發(fā)酵開(kāi)始時(shí)揮發(fā)性固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)（）；S經(jīng)過(guò)時(shí)間t后的揮發(fā)性固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)（）；Kd比例常數(shù)，陳朱蕾等人根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)算出此值為0.119/d，陳世和的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)算出此值為0.136/d，兩者平均值為0.128/d。 在蒲一濤等的試驗(yàn)中，高溫階段結(jié)束時(shí)揮發(fā)性固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)約從60%降至52%，S:S00.867；陳朱蕾等的試驗(yàn)中，初次發(fā)酵結(jié)束時(shí)揮發(fā)性固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)約從58%降至31%，S:S00.534，將上述二者平均，可得S:S00.70。這樣當(dāng)初始揮發(fā)性固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，揮發(fā)性固體轉(zhuǎn)化率可達(dá)到51.7，遠(yuǎn)高于一般生活垃圾堆肥廠的揮發(fā)性固體轉(zhuǎn)化率。如大連市生活垃圾廠的初次發(fā)酵的揮發(fā)性固體轉(zhuǎn)化率為15。 本發(fā)酵裝置由于垃圾堆層高度適宜，各個(gè)發(fā)酵倉(cāng)的通風(fēng)供氧單獨(dú)控制，且進(jìn)出料方式為動(dòng)態(tài)連續(xù)式，故可以接近最佳堆肥條件。如按上述取初始揮發(fā)性固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，轉(zhuǎn)化率為51.7%，利用公式（1），代入S:S0=0.70，Kd0.128/d，得： 根據(jù)美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局的有關(guān)報(bào)告，好氧堆肥堆體溫度持續(xù)3d達(dá)55以上，可以有效殺滅致病菌。本裝置頂層發(fā)酵倉(cāng)堆體從常溫上升至55需要約1d的時(shí)間，這樣初級(jí)發(fā)酵周期不宜小于4d，當(dāng)然將中層發(fā)酵倉(cāng)的熱氣導(dǎo)入頂層發(fā)酵倉(cāng)可大大縮短升溫時(shí)間，但在升溫階段垃圾的耗氧速度最大，有機(jī)物的分解速度達(dá)到最大，過(guò)早的進(jìn)入高溫階段不利于初次發(fā)酵期間有機(jī)物轉(zhuǎn)化率的提高。類(lèi)比與本裝置工藝特點(diǎn)有相似處的其它快速發(fā)酵裝置，如間歇?jiǎng)討B(tài)倉(cāng)式，其初級(jí)發(fā)酵周期為5d，另如Jersey多層消化塔，初次發(fā)酵周期為6d，綜上所述，本裝置初級(jí)發(fā)酵周期可定為46d。 為便于工藝操作和確保堆肥質(zhì)量的穩(wěn)定，推薦發(fā)酵周期為5d，發(fā)酵倉(cāng)設(shè)為5層，這樣每天上料一層，出料一層，使得工藝比較簡(jiǎn)便。 2.3通風(fēng)供氧方式及風(fēng)壓、風(fēng)量 初級(jí)發(fā)酵按溫度變化和時(shí)間歷程分為3個(gè)階段：升溫階段、高溫階段、降溫階段。升溫階段溫度變化快，耗氧速率很快達(dá)到最大值，此階段通風(fēng)以供氧為主要目的，一般溫度達(dá)到55以上后進(jìn)入高溫階段，隨著有機(jī)物濃度的降低，高溫階段耗氧速率逐漸降低，當(dāng)溫度出現(xiàn)明顯下降時(shí)，表明易降解有機(jī)物大部分己降解，發(fā)酵進(jìn)入降溫階段，降溫階段耗氧速率很低且變化不大，此時(shí)可進(jìn)行出料，完成初級(jí)發(fā)酵。 如按上節(jié)所述取發(fā)酵倉(cāng)為5層，發(fā)酵階段相對(duì)應(yīng)，則頂層發(fā)酵倉(cāng)主要處于升溫階段，該層的通風(fēng)量主要是滿(mǎn)足供氧，由于耗氧速率快，通風(fēng)間隔不宜過(guò)長(zhǎng)，根據(jù)鄭玉琪等的實(shí)驗(yàn)，升溫階段間隔時(shí)間約15min后堆層中部氧濃度即下降到4%以下，故最好采取連續(xù)通風(fēng)方式，因不考慮散熱，風(fēng)量其實(shí)不大，根據(jù)我國(guó)不同生活垃圾堆肥的實(shí)測(cè)結(jié)果，大多數(shù)情況下耗氧速率最大值低于10mol/(m3h)，所需供氧風(fēng)量約為0.02m3（m3min）；第二層至第四層處于高溫階段，為控制發(fā)酵溫度在60左右，在滿(mǎn)足供氧的同時(shí)，需加大通風(fēng)量進(jìn)行散熱，一般情況下散熱所需風(fēng)量為供氧所需風(fēng)量的615倍，而供氧所需風(fēng)量從第二層至第四層遞減，如取平均耗氧速度為5mol/(m3h)（實(shí)測(cè)結(jié)果大多低于此數(shù)值），風(fēng)量為供氧所需風(fēng)量的9倍，則通風(fēng)量為0.09m3（m3min）。據(jù)鄭玉琪等的實(shí)驗(yàn)，高溫階段停止通風(fēng)40min后堆層中部氧濃度達(dá)12%以上；無(wú)錫實(shí)驗(yàn)廠的間隔為60min，堆層氧濃度在89%的時(shí)間內(nèi)達(dá)10%以上。為節(jié)約能量，第二層至第四層可采用間歇式通風(fēng)方式，通風(fēng)時(shí)間可設(shè)為20min，間隔為3060min。底層發(fā)酵倉(cāng)處于降溫階段，此時(shí)由于易降解有機(jī)物己大部分降解，耗氧速度緩慢，可通以間歇的微風(fēng)，甚至可采用自然通風(fēng)方式。 初級(jí)發(fā)酵期間總耗風(fēng)量計(jì)算如下： 頂層：連續(xù)通風(fēng)1d，風(fēng)量按上述取0.02m3/(m3min），耗風(fēng)量Q1=24600.02=28.8m3。 第二層至第四層：斷續(xù)通風(fēng)共3d，持續(xù)時(shí)間20min，停止時(shí)間40min，風(fēng)量按上述取0.09m3/（m3min），耗風(fēng)量Q272（1/3）600.09972m3。 底層（自然通風(fēng)或斷續(xù)的弱風(fēng)不計(jì)）： 則總耗風(fēng)量為QK（Q1Q2），K風(fēng)量系數(shù)，一般取1l。 代入各值，得Q=1.1(28.8129.6）174.2m3。 風(fēng)壓計(jì)算如下： 式中，K壓力系數(shù)，一般取1.1；Py沿程阻力(Pa)；Pj局部阻力(Pa)；H堆層高度(m)；Pv堆層阻力(Pa)。 如堆層體積取160m3，各個(gè)發(fā)酵倉(cāng)共用1臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，第24層發(fā)酵倉(cāng)交替通風(fēng)，頂層與底層連續(xù)通風(fēng)，則風(fēng)機(jī)風(fēng)量可定為1200m3/h。管線最遠(yuǎn)長(zhǎng)度取30m，管道風(fēng)速取10m/s，管徑計(jì)算值約為207mm，空氣密度取1.29kg/m3，管道絕對(duì)粗糙度取0.2mm，查得管道摩擦系數(shù)=0.0196，據(jù)公式： 其中：管長(zhǎng)(m)，d管內(nèi)徑(m），v介質(zhì)流速(m/s)，g9.8m/s2，介質(zhì)的重度（kgm），求得Py為183Pa，可估取合局部阻力系數(shù)10。 據(jù)公式： g及同上，求得Pj為645Pa，堆層高度按前述取15m，則Pv1000151500Pa，代入上述各值有： P1l（6451831500）2561Pa。 對(duì)比無(wú)錫實(shí)驗(yàn)廠初級(jí)發(fā)酵裝置的風(fēng)耗，此廠日處理量為160m3，共有初級(jí)發(fā)酵倉(cāng)10座，每座初級(jí)發(fā)酵倉(cāng)配1臺(tái)7.5kW高壓離心鼓風(fēng)機(jī)，在初級(jí)發(fā)酵期間開(kāi)機(jī)共約100h；本裝置配置鼓風(fēng)機(jī)功率為4kW（5-32N04A型離心鼓風(fēng)機(jī)，風(fēng)壓2696Pa，風(fēng)量1440m3/h），在初級(jí)發(fā)酵期期間開(kāi)機(jī)約為40h，風(fēng)耗能量可減小為前者的21.3%。 2.4占地面積 重力式堆肥裝置由于采用了多層塔式結(jié)構(gòu)，節(jié)約占地面積。如前所述，設(shè)發(fā)酵倉(cāng)為5層，垃圾堆層高度為1.5m，每天上料一層，出料一層，則處理160m3垃圾堆層占地為1601.5106.7m2，對(duì)比無(wú)錫實(shí)驗(yàn)廠，該廠初級(jí)發(fā)酵倉(cāng)共10座（不計(jì)備用），每座垃圾堆層占地面積為40m2，共占地400m2