好氧堆肥反應(yīng)器裝置和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能檢驗(yàn),農(nóng)業(yè)機(jī)械化論文

好氧堆肥反應(yīng)器裝置和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能檢驗(yàn),農(nóng)業(yè)機(jī)械化論文近年來，我們國家畜禽養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展，規(guī)模日益擴(kuò)大。當(dāng)前，我們國家畜禽糞便年產(chǎn)量已達(dá)30億t左右，是世界上產(chǎn)量最大的國家，并已成為我們國家農(nóng)村主要面源污染來源。畜禽糞便含有大量的有機(jī)物及豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)。高溫好氧堆肥化是有機(jī)固體廢棄物無害化、減量化、資源化處理的重要途徑。高溫好氧堆肥種類主要包括靜態(tài)堆肥、條垛式堆肥、槽式堆肥、反響器堆肥等，華而不實(shí)，反響器好氧堆肥方式因其具有堆肥周期短、占地面積小、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和二次污染小等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前研究熱門，具有良好的應(yīng)用前景。當(dāng)前，國內(nèi)外工廠化好氧堆肥反響器裝備技術(shù)相對較為成熟，但因好氧堆肥經(jīng)過是物理、化學(xué)、生物學(xué)耦合的復(fù)雜經(jīng)過，科學(xué)基礎(chǔ)研究還有待深切進(jìn)入。然而，當(dāng)前可用于模擬好氧堆肥的反響器試驗(yàn)系統(tǒng)如Kumar等研發(fā)的實(shí)驗(yàn)室滾筒式堆肥反響器系統(tǒng)和韓魯佳等研發(fā)的實(shí)驗(yàn)室小型好氧堆肥反響器尚存在反響器體積小、實(shí)時(shí)監(jiān)測和反應(yīng)控制功能單一等問題。本文設(shè)計(jì)一種可用于開展有機(jī)固體廢棄物好氧堆肥試驗(yàn)研究的反響器系統(tǒng)，可知足多種試驗(yàn)需求，并具有精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和多形式反應(yīng)控制功能。1、好氧堆肥反響器裝置設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的好氧堆肥反響器裝置主要包括物料艙、攪拌系統(tǒng)和布?xì)庀到y(tǒng)3部分，如此圖1所示。1.1物料艙由文獻(xiàn)可知，堆肥裝置維持堆體溫度的必要條件是式中Qin堆肥物料的產(chǎn)熱量，即輸入反響器的能量，kJ本文引用文獻(xiàn)有關(guān)參數(shù)及判定公式對其進(jìn)行確定。初始堆料的參數(shù)為:有機(jī)物質(zhì)量比為0.7g/g，有機(jī)質(zhì)降解率為35%，堆料的初始、終了含水率分別為60%、50%，堆體的最高溫度為55℃，環(huán)境溫度為20℃，堆料的比熱容為1.2kJ/(kgK)。經(jīng)計(jì)算，得出堆料的質(zhì)量Mm與反響器的有效外表積S之比需大于6.31?？紤]到堆體散熱情況、實(shí)驗(yàn)室實(shí)際要求及規(guī)模等情況，該堆肥反響器設(shè)計(jì)為圓柱體構(gòu)造。該物料艙的設(shè)計(jì)容積為100L。根據(jù)攪拌堆料的物理形態(tài)及堆肥裝置維持堆體溫度的必要條件，參考常見攪拌容器常用裝料高徑比，其內(nèi)徑D為450mm，高度HL為600mm，全部使用不銹鋼材料制作。為有效確保反響器保溫性能，其物料艙設(shè)計(jì)為雙層不銹鋼構(gòu)造，夾層內(nèi)均勻填充厚度為30mm的聚氨酯保溫材料。1.2攪拌系統(tǒng)攪拌系統(tǒng)在反響器中主要用于物料的翻攪及混勻?？紤]到堆料的攪拌效果，并結(jié)合文獻(xiàn)［8］可知，槳式攪拌器能知足所有堆肥物料所要求的流動(dòng)狀態(tài)，而且可知足多種攪拌需求。根據(jù)攪拌物料的性質(zhì)以及攪拌均勻性需求，應(yīng)使攪拌槳葉直徑取最大值。根據(jù)文獻(xiàn)，攪拌槳葉的直徑取標(biāo)準(zhǔn)值Dj=400mm，葉片厚度=6mm，槳葉寬度B=35mm，槳葉的傾斜角度為45，攪拌軸徑d=35mm。通常情況下，底層攪拌槳葉與反響器物料艙底面的間距C與反響器物料艙內(nèi)徑Di的比值一般在0.05～0.3。則底層攪拌槳葉與反響器物料艙底面的距離C為20～120m?？紤]到實(shí)際攪拌經(jīng)過中物料艙底部會(huì)有30mm的墊料，C值不能太小，而C值太大攪拌效果缺乏，結(jié)合實(shí)際情況取C=75mm。對于多層攪拌器，攪拌器層距Sp與攪拌容器內(nèi)徑Di之比一般在0.5～2.0范圍內(nèi)，則攪拌器層距Sp為100～400mm。為了開展關(guān)于堆肥空間梯次性差異等研究，引入了上、中、下3層溫氧傳感器及取樣口，考慮到實(shí)際反響器物料艙的有效高度及取樣口、傳感器的合理配置，攪拌器層距Sp取150mm。1.3布?xì)庀到y(tǒng)根據(jù)堆肥物料有機(jī)物的化學(xué)成分和可降解程度，采用化學(xué)計(jì)量法可估算堆肥反響中微生物的需氧量。堆肥原料的化學(xué)需氧量計(jì)算公式為由式(2)能夠得出每氧化1kg的揮發(fā)性固體，需要消耗氧氣1.07kg。由文獻(xiàn)［7］可知，當(dāng)被氧化的揮發(fā)性質(zhì)量為Mv時(shí)，理論通風(fēng)量Vair為3.82Mv。根據(jù)對物料性質(zhì)的假設(shè)，可知在反響器物料艙裝滿51kg物料時(shí)，根據(jù)堆料的實(shí)際參數(shù)可得實(shí)際通風(fēng)量Vair為19.10m3。由于布?xì)庀到y(tǒng)采取間歇通風(fēng)的形式，經(jīng)折合計(jì)算，可得風(fēng)機(jī)實(shí)際通風(fēng)時(shí)間累計(jì)為14d。計(jì)算得該時(shí)段內(nèi)通氣流量為0.95L/min。通風(fēng)的另一功能是去除多余水分，在計(jì)算通風(fēng)量之前，需首先計(jì)算進(jìn)氣口與出氣口的空氣比濕度及去除水分質(zhì)量。根據(jù)文獻(xiàn)，空氣比濕度可表示為為得到去除水分所需通風(fēng)量的最大值，取Mm為51kg。根據(jù)文獻(xiàn)可得出堆肥經(jīng)過中去除水的質(zhì)量為18.36kg，環(huán)境空氣溫度20℃，相對濕度75%，出氣口空氣是飽和狀態(tài)，溫度為55℃。由式(1)～(3)可得出氣口空氣比濕度w為0.1153。同理，在室溫下，相對濕度為75%時(shí)，可求得進(jìn)氣口處的空氣比濕度win為0.0113，由此能夠得出除濕所需通入空氣量為146.26m3。由于布?xì)庀到y(tǒng)采取間歇通風(fēng)的形式，經(jīng)折合計(jì)算，可得風(fēng)機(jī)實(shí)際通風(fēng)時(shí)間累計(jì)為14d，則理論通風(fēng)量為7.26L/min。綜上所述，布?xì)庀到y(tǒng)的布?xì)饬繎?yīng)為生化反響需氧量和去除水分需氧量之和，即理論布?xì)饬髁繎?yīng)為Qair=8.21L/min。2、基于ANSYS的反響器構(gòu)造強(qiáng)度校核2.1模型計(jì)算及網(wǎng)格劃分反響器主罐體三維實(shí)體建模由UG實(shí)體造型完成。鑒于反響器內(nèi)流場對反響器主罐體的影響較小，因而對反響器主罐體進(jìn)行構(gòu)造強(qiáng)度校核時(shí)忽略反響器內(nèi)流場的影響。反響器內(nèi)流場網(wǎng)格由GAMBIT軟件完成，考慮葉片形狀的特殊性，采用對復(fù)雜邊界具有較強(qiáng)適應(yīng)性的非構(gòu)造化四面體網(wǎng)格對計(jì)算域進(jìn)行劃分，并對葉片外表進(jìn)行網(wǎng)格加密。體網(wǎng)格間距為3，總網(wǎng)格數(shù)為23萬左右。反響器主罐體劃分網(wǎng)格的方式與反響器攪拌系統(tǒng)一樣。2.2邊界條件設(shè)置反響器出料口處快裝盲板質(zhì)量最大，其實(shí)際質(zhì)量約為3.0kg，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際質(zhì)量約為30kg?；诎踩O(shè)計(jì)的要求，對反響器主罐體兩側(cè)端面施加豎直向下50N的載荷來模擬兩側(cè)快裝盲板的實(shí)際重力作用;對主罐體上端面施加豎直向下500N的載荷來模擬電動(dòng)機(jī)的重力效應(yīng)對罐體的影響。反響器底端為固定約束。攪拌系統(tǒng)上端面為固定約束，考慮到攪拌系統(tǒng)的最大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為50r/min，基于安全設(shè)計(jì)的要求，對攪拌系統(tǒng)施加60r/min的轉(zhuǎn)速來模擬離心力的作用。2.3計(jì)算結(jié)果可見，反響器主罐體上最大等效應(yīng)力為9.035MPa，攪拌系統(tǒng)最大應(yīng)力約為1.467MPa，反響器主罐體與攪拌器的許用應(yīng)力為113MPa，二者的最大應(yīng)力值均在設(shè)計(jì)安全范圍以內(nèi)。由反響器主罐體與攪拌器總變形圖可知，反響器主罐體的最大變形量為0.029mm，攪拌系統(tǒng)的最大變形量約為0.087mm，二者的最大變形量均在設(shè)計(jì)安全范圍以內(nèi)。3、反響器自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1溫、氧采集模塊的選型為了實(shí)現(xiàn)堆肥反響器的自動(dòng)控制，須對堆體溫度參數(shù)及氧濃度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)所測數(shù)據(jù)由各執(zhí)行器進(jìn)行反應(yīng)控制?？紤]到堆肥反響器體積較大，堆體存在空間梯次性差異，為了準(zhǔn)確監(jiān)測堆體的溫度及氧濃度分布，引入了上、中、下3層溫度傳感器及氧濃度傳感器，控制系統(tǒng)通過分析堆體的溫度及氧濃度分布，進(jìn)而準(zhǔn)確控制反響器的各個(gè)執(zhí)行單元。因此選擇PT-100型溫度傳感器，THY-FDM-700型管道式氧濃度傳感器(北京泰華恒越科技有限公司)，其檢測探頭為電化學(xué)方式(40X-V型，英國)。3.2控制系統(tǒng)方案反響器控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)反響器內(nèi)部的堆肥環(huán)境自動(dòng)控制布?xì)庀到y(tǒng)及攪拌系統(tǒng)動(dòng)作來設(shè)計(jì)。反響器配備的氧濃度傳感器、溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測堆體內(nèi)各層氧濃度及溫度數(shù)據(jù)，并傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)分析、比對進(jìn)而控制各個(gè)執(zhí)行器動(dòng)作，確保反響器內(nèi)堆體環(huán)境始終處于良好狀態(tài)。根據(jù)實(shí)際堆肥試驗(yàn)需要，該反響器控制系統(tǒng)需具備多種運(yùn)行形式以知足多種試驗(yàn)需求。基于此，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了二元反應(yīng)自動(dòng)運(yùn)行形式、一元反應(yīng)自動(dòng)運(yùn)行形式及手動(dòng)控制運(yùn)行形式，并配備有預(yù)警系統(tǒng)以對可能出現(xiàn)的系統(tǒng)故障進(jìn)行提示。圖4是反響器運(yùn)行操作界面圖，華而不實(shí)運(yùn)行形式選擇、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、曲線顯示、報(bào)警記錄、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)檢測及對各個(gè)執(zhí)行器運(yùn)行情況的監(jiān)視均通過該界面獲取。4、反響器性能試驗(yàn)4.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)為檢驗(yàn)該反響器性能能否知足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了反響器性能試驗(yàn)。該堆肥性能試驗(yàn)討論了堆肥經(jīng)過中堆體不同高度下的感觀指標(biāo)、常規(guī)理化指標(biāo)的變化，華而不實(shí)感觀指標(biāo)包括堆體的顏色及氣味，常規(guī)理化指標(biāo)包括堆體的溫度、酸堿度(pH值)、揮發(fā)性固體(VS)含量及種子發(fā)芽指數(shù)(GI)。本次堆肥試驗(yàn)以豬糞、麥秸、蘑菇渣為主要原料。使用前先將麥秸切斷至2!3cm，再與豬糞、蘑菇渣混合堆肥。根據(jù)豬糞、麥秸和蘑菇渣基本理化數(shù)據(jù)，豬糞、麥秸、蘑菇渣按質(zhì)量比10∶2∶1混合，并于混合后進(jìn)行加水處理，將初始混合物料調(diào)制較優(yōu)范圍。堆肥原料與初始混合物料基本理化指標(biāo)如表1所示。4.2結(jié)果與討論4.2.1堆肥經(jīng)過堆體溫度的變化圖5是反響器堆體上、中、下3層的中心溫度和環(huán)境溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖可知，堆肥初期，反響器內(nèi)堆體各層溫度上升非常迅速，華而不實(shí)堆體上層、中層、下層最高溫度分別為65℃、64.1℃、57.6℃。隨后堆體各層溫度緩慢下降，至堆肥試驗(yàn)第10天，堆體各層溫度均降至40℃左右。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，高溫好氧堆肥處理有機(jī)廢棄物堆體溫度大于50℃的時(shí)間應(yīng)持續(xù)5～7d。試驗(yàn)中，堆體上層、中層、下層溫度大于50℃的時(shí)間分別為8.1d、7.2d、4.8d。由此可得堆體各層堆料基本知足高溫堆肥無害化處理要求。4.2.2堆肥經(jīng)過堆體酸堿度的變化圖6為堆肥經(jīng)過中反響器堆體各層堆料pH值的變化情況。堆體初始的pH值為6.67。由圖可得，反響器內(nèi)堆體各層堆料的pH值在第3天均升至8.4左右。隨著堆肥的進(jìn)行，pH值有所降低，到第18天時(shí)，降至7.9左右。堆肥結(jié)束時(shí)反響器內(nèi)堆體各層堆料的pH值均小于8，符合無害化處理要求。4.2.3堆肥經(jīng)過堆體揮發(fā)性固體含量的變化由圖7可知，堆體各層堆料揮發(fā)性固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)初始值為83.62%。隨著堆肥反響的進(jìn)行，各層堆料的揮發(fā)性固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈逐步減小的趨勢，至堆肥結(jié)束趨于穩(wěn)定。堆體結(jié)束時(shí)，反響器內(nèi)堆體各層堆料的揮發(fā)性固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)均降至77%左右。鑒于該好氧堆肥反響器體積相對較小，堆料有機(jī)質(zhì)降解效果較工廠化堆肥尚有一定差距，但與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室小型好氧堆肥反響器試驗(yàn)系統(tǒng)相比堆制效果有明顯提升。4.2.4堆肥經(jīng)過堆體種子發(fā)芽指數(shù)的變化種子發(fā)芽指數(shù)(GI)綜合反映了堆肥產(chǎn)品的植物毒性，被以為是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度評價(jià)指標(biāo)。種子發(fā)芽指數(shù)的計(jì)算公式為一般情況下，RGI大于50%可以為堆肥對種子基本無毒性，種子發(fā)芽指數(shù)大于85%可以為完全無毒性，堆肥完全腐熟。本文種子發(fā)芽指數(shù)試驗(yàn)選用黃瓜種子(綠箭一號，中國農(nóng)科院)。稱取堆肥樣品10.0g，按固液比(質(zhì)量/體積)1∶10用去離子水浸提后置于離心機(jī)離心，轉(zhuǎn)速3000r/min，持續(xù)20min，取上清液。在9cm培養(yǎng)皿內(nèi)墊上兩張濾紙，均勻放入10粒大小基本一致、飽滿的黃瓜種子，參加堆肥浸提液5.0mL，蓋上皿蓋，在30℃的培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)48h，統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率和測量根長。每個(gè)樣品做3個(gè)重復(fù)，以去離子水或蒸餾水作對照。由圖8可知，堆體各層堆料最終的種子發(fā)芽指數(shù)均大于85%，能夠認(rèn)定堆肥完全腐熟。4.2.5堆肥經(jīng)過感觀指標(biāo)變化堆肥初期，堆料呈現(xiàn)黃褐色，臭味較濃，顆粒度不均勻，麥秸粒徑偏大，且麥秸色澤鮮亮。隨著堆肥的進(jìn)行，堆肥經(jīng)過中產(chǎn)生的硫化氫和氨氣等使堆體散發(fā)出濃郁的臭味，隨后氣味逐步變淡，堆體顏色逐步變深，麥秸中的纖維素、木質(zhì)素被微生物逐步降解。堆肥后期，反響器內(nèi)堆體臭味基本消失，呈現(xiàn)泥土的氣息，堆體顏色變?yōu)楹诤稚?，堆體中的麥秸粒徑變小，且其色澤變得暗淡。綜上，該堆肥反響器試驗(yàn)系統(tǒng)性能良好。由上可見，堆肥經(jīng)過堆體存在一定的空間梯度差異，因而，設(shè)計(jì)基于實(shí)時(shí)獲取的上、中、下堆體物料溫氧數(shù)據(jù)的控制模塊及取樣口，可有效知足開展相關(guān)科學(xué)試驗(yàn)研究的需要。5、結(jié)論(1)研制了一種好氧堆肥反響器，該反響器容積為100L，攪拌轉(zhuǎn)速20～60r/min，布?xì)饬髁繛?～20L/min。(2)基于ANSYS力學(xué)模擬研究，得出反響器主罐體上最大等效應(yīng)力為9.035MPa，攪拌系統(tǒng)最大應(yīng)力約為1.467MPa，均符合安全性和科學(xué)性要求。(3)由好氧堆肥反響器性能試驗(yàn)得出，好氧堆肥反響器試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)堆體上、中、下層溫度高于50℃的時(shí)間分別為8.1d、7.2d和4.8d;堆體各層最終pH值均小于8，種子發(fā)芽指數(shù)均大于85%，堆肥試驗(yàn)效果良好。該堆肥反響器具有自動(dòng)化程度高、可靠性強(qiáng)、高效環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，能夠知足好氧堆