新型堆肥装置设计及其应用研究

TechniquesandEquipmentforEnvironmentalPollutionControl

Vol.6,No.2Feb.2005

新型堆肥装置设计及其应用研究

戴　芳　曾光明　袁兴中　胡天觉　时进钢

(湖南大学环境科学与工程系,长沙410082)

摘　要　根据城市生活垃圾的特点和性质,利用物料平衡和热力学原理进行好氧堆肥实验装置的设计,并对堆肥发酵

仓容积的确定和配套辅助设备进行了研究,得出当堆肥装置直径小于2125m时,需采取保温措施。通过强制通风静态仓式堆肥小试实验进行的城市生活垃圾堆肥结果表明,通过30℃及以上的水浴加热,可实现固体废物的堆肥化。

关键词　堆肥化　物料平衡　热量平衡　强制通风静态仓

Designofanewtypeofcompostingdeviceanditsapplication

DaiFang　ZengGuangming　YuanXingzhong　HuTianjue　ShiJingang(DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,HunanUniversity,Changsha410082)

Abstract　Accordingtothecharacteristicsofdomesticwaste,anaerobic2compostingequipmentwasde2signedusingmassbalanceandthermodynamicsprinciple,andastudywasdoneonhowtodeterminethevol2umeofthestorehouseandaidedequipment.Itwasconcludedthatwhenthediameterofcompostingsystemwaslessthan2125m,heatpreservationshouldbecarriedout.Domesticwastecompostingwastestedwiththebenchscaleaeratedstaticbinandtheexperimentalresultsprovedthattheequipmentrealizedthecompostingofsolidwastewhenitwasheatedupinmorethan30℃waterbath.

Keywords　composting;massbalance;thermalbalance;benchscaleaeratedstaticbin

　　堆肥作为简单有效的处理生活垃圾并维持自然同时假设:界良性物质循环的技术方法[1],正逐渐得到人们的①堆肥原料中有机质含量ζ为50%,经初步稳认可和应用。ζ为25%[3]。定后,有机物的去除率Δ

有关堆肥技术的研究目前仍是国内外的热门课②堆体温度在60℃保持3d。题,不断改进堆肥工艺、设备、降低经济成本、提高堆③堆肥原料含水率η1为50%,出料含水率η2肥成品质量是研究者们研究的主要方向。为了对堆为40%。肥技术进行深入研究,同时考虑到实验场地的限制,④反应器操作温度60℃,环境温度0℃(最不自行设计了一套小规模的城市生活垃圾堆肥实验装利条件)。置,从而更好地研究静态仓式高温好氧堆肥工艺技⑤堆料容重ρ=652kg/m3,填充率θ=0.7。术。本文作者根据堆肥系统中物质平衡和代谢平衡根据物料平衡关系,可知堆肥过程中原料与出规律,对堆肥设备作了初步研究。料的物质关系:原料中有01125W0kg的有机质降

1　实验装置设计

解,原料水分减少量为0142W0kg。

根据上述方程得,降解01125W0kg有机物时产

本实验采用强制通风静态仓式堆肥法,实验装

生的水分为01075W0kg;同时堆肥过程中水分总蒸

置的设计充分考虑到热量平衡、系统供氧、废气产生、测试取样等方面。基金项目:国家“863”高技术资助项目(2001AA644020);国家自然科

学基金资助项目(70171055、50179011);国家杰出青年科1.1　物料平衡

学基金资助项目(50225926);高等学校博士学科点专项科

取W0kg干物料为基准进行计算,其中有机物中易降解成分可用葡萄糖代表[2],其氧化反应式如下:

C6H12O6+6O2=6CO2+6HO2+2820kJ

研基金资助项目

收稿日期:2003-07-20;修订日期:2003-10-09

作者简介:戴芳(1980～),女,硕士研究生,主要从事固体污染物控制

与资源化研究。E2mail:daifangwwh@yahoo.com.cn

第2期戴　芳等:新型堆肥装置设计及其应用研究

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q/A=α×(T1-T0)×Fa×Fe

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发量为原料水分减少量与降解产生水分量之和,其

大小为01495W0kg。=20.3×10-8×[(273+50)4-1.2　热量平衡(273+0)4]×1×0.9

堆肥系统中温度是影响微生物活动和堆肥工艺(5)=642(kJ/h・m2)过程的重要因素。就系统而言,微生物分解有机物式中:q—热传输速率,kJ/h;进行分解代谢释放出的热量是主要热源,而堆料升A—面积(m2);温,水分蒸发,不断通风和热环境的传递,会损失一α—常数,20.3×10-8kJ/h・m2・K4;

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部分热量。因此,堆肥反应器的操作温度应是在发T1,T0—装置器壁、环境热力学温度,K;酵生化反应温度达到一定值前提下,堆肥产热与环Fa—角系数,一般取1;

[4]

境散热的平衡温度。否则,需要采取保温措施。Fe—辐射频率因子,一般取0.9。根据前述假设,可推出其保温条件。为了杀灭堆肥中所含的致病微生物,保证堆肥

显然,需要保温的先决条件是[3]:

QinQout.air—通风供氧带走的热量,kJ;

Qout.w—水分蒸发带走的热量,kJ;Qout.E—损失于环境中的热量,kJ;Qout.d—堆料升温所需热量,kJ。

(1)

卫生学指标合格,堆体内部温度须在60℃高温下持

续72h[5],则:(6)Qin-Qout.w-Qout.d>642×72×S1775W0-1152W0-262W0>642×72×S361W0>46224S

由于Qout.air较小,忽略不计,(1)式简化为:

(2)Qin当堆料中干基质为W0kg时,根据堆肥反应热

力学,堆肥发热量:

H0=(14.2±0.8)×103kJ/kg有机质[3]

ζ×Δζ则:Qin=H0×015×W0×

=14.2×015W0×0.25×103

=1775W0(kJ)

(3)

假设堆体为圆柱形,此时忽略上下底面散热,

(7)则:　S=π×D×H

θ×ρ×η又由于W0=π/4×D2×H×1

=π/4×D2×H×0.7×652×0.5

π×D2×H=57

(8)

ΔMQout.w=ΔH×

=2253×0.495W0

=1152W0(kJ)

(4)

(8)解不等式(6),得:联合(7)、

D>2.25m

因此,堆肥装置直径小于2.25m时,须采取保温措施。本实验装置内半径160mm,高310mm,所以采用水浴保温。

假设水浴温度为30℃,由于在升温期内(假设为72h),堆体温度随时间不断上升,取容器内温度为20℃(实际导热量大于该情况),壁厚为5mm。

式中:ΔH—水的汽化热,2253kJ/kgH2O;

ΔM—水分蒸发量。

假定进料温度T进=10℃,则:Qout.d=Qout.g+Qout.w

=W0×Cp.g×(T-T进)+W0×Cp.w

×(T-T进)=W0×1.05×(60-10)+W0

×4118×(60-10)=262W0(kJ)

9t(9)

9n

Q=0.15×0.31×(30-20)/0.005=93(kJ/h)

式中:λ—导热系数,查表有机玻璃值为0.15W/

[6]

m・℃;

S—表面面积π,×0.32m×0.31m=0.31m2;

dQ=-λ×S×式中:Cp.g—固体成分堆料比热,1.05kJ/kg・℃;

Cp.w—水的比热,4.18kJ/kg・℃。

现设堆体内温度为60℃,此时反应器壳外表温度约50℃,环境温度为0℃,则:

9t—温度梯度,℃/m。9n

升温后期堆体外部温度可接近30℃,这时水浴的导热作用可忽略。这时主要通过上下底面散热。

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q=α×A×(T1-T0)×Fa×Fe

π×=20.3×10-8×2×0.162×

[(273+50)4-(273+0)4]×1×0.9

26

=103(kJ/h)

环境污染治理技术与设备第6卷

验中水浴温度为30℃,且为了防止堆体不断升温后

将有益菌种全部杀死,装堆后第8天停止水浴加热。

②装置设计采用强制通风供气结构。底部有50mm高缓冲层,使得通风供氧均匀。同时设计底

这说明从理论上讲,通过水浴保温可基本满足面略微倾斜,以便于收集渗滤液。堆肥在高温期维持3d的时间要求。③装置设计了上、中、下3个采样口,以保证实1.3　理论通风量验数据的可靠性。

强制通风的目的主要是供氧,去除水分以及控④堆肥过程中通氧量大小由转子流量计控制。制系统保持适宜的温度(此处考虑到Qout.air较小,忽略不计)。

微生物所需空气量Go,由氧化方程式可计算得氧化1kg有机物需氧1.07kg,折算成标准状态下的空气量为3840L。由前已知,当干物料为1kg时,氧化的有机质为0.125kg,则:

Go=0.125×3840=480L

蒸发水分所需通风量Gl,假定环境空气温度为0℃,饱和湿度为0.0038g水/g干空气,相对湿度则当W0=1kg时:1775+93×72-1152-262=6217(h)

103

为75%,排气口处温度45℃(取中间值),饱和湿度

图1　仓式堆肥实验装置剖面图为0.064g水/g干空气,空气摩尔质量为29g/mol。

Fig.1　Profileofanaerobiccompostingsystem由前已知,当干物料为1kg时,水分蒸发量为0.495

kg,则:

2.2　原　料Gl=[0.495×103/(0.064-0.0038×0.75)]

搜集富含微生物的腐质土壤、枯树叶、菜市场的×22.4/29

菜叶(晒3d)、鸡粪。木屑作膨松剂。根据各成分特=6250(L干空气/kg干物料)水∶菜叶∶树叶∶干草∶鸡以上计算结果表明,蒸发水分所需的空气量明性配制堆肥原料,见表1。土壤∶

6∶5.3∶3∶2∶0.5(质量比)。显大于挥发性固体降解所需的空气量,通气量取Gl粪=10∶

经测定,堆肥原料有机质含量70%,含水率值可满足通风要求。

本实验中静态堆肥通氧量K为0105～012m3/46%,pH为714。min・m3,转换为1kg干物料(即堆料量Md为2kg)表1　堆肥原料的性质

Table1　Charactersofrawmaterialsforcomposting在一次发酵阶段(T=21d)的需氧量为:

Gmin=Md/ρ×T×24×60×Kmin×103物料含水率(%)有机质(%)C/N

=2/652×21×24×60×0.05×103=4700(L)

Gmax=Md/ρ×T×24×60×Kmax×10

3

菜叶土壤干草树叶鸡粪

52.220.952.112.151.3

0.880.830.860.910.92

26∶113∶169∶140∶17.35∶1

=2/652×21×24×60×0.2×103=18000

(L)

可见,理论通风量与实际通风量相符合。

2　实验材料和方法

2.1　实验装置

该装置(见图1)为有机玻璃制成的圆柱状容

2.3　实验方法

堆肥装置有效容积为20L,堆料重5kg,上堆

前在布气板上垫上约10mm厚的稀疏棕榈使得堆体通气均匀,且可防止堆料下漏。器。体积为32L,外直径360mm。

将堆料切成约20mm大小的颗粒,混合均匀后装置空间设计的主要特点:

①装置外套有20mm厚夹层进行水浴加热。实上堆,并在堆体表面覆盖一层约50mm厚的稻草,

第2期戴　芳等:新型堆肥装置设计及其应用研究

27

以防止堆肥过程中水分的散失和吸收堆肥过程中产在堆肥过程中每星期翻堆一次。

生的臭气。采用间歇式通风,根据堆肥过程中耗氧2.4　采样和分析

量和CO2产生量的大小,调整通风量。通过调试隔2d采样一次,采样点为堆体内部,每个样品后,确定白天每隔4h通15min流量为810L/min20g左右,将采集的样品混匀,进行参数分析。其的空气。晚上持续通流量为210L/min的空气。并分析方法及条件见表2。

表2　堆肥过程分析参数及其分析方法[7]

Table2　Prametersandanalyticalmethodsofaerobiccompostingprocess[7]

参数含水率有机质总有机氮

pH值O2浓度

1∶10的水提取液

测试条件

105℃下24h550℃灼烧4h

仪器和分析方法减重(真空干燥箱ZK2072型)

减重(马弗炉DRZ型)

凯氏定氮法酸度计(PHS23C)

O22H2S测定仪样品鲜样烘干样风干样鲜样

室温

10-6～10-9稀释液

微生物数量稀释平板计数法鲜样

3　结果与分析　　氧气也是影响好氧堆肥的关键因素之一,充足的氧气是保证好氧微生物群体繁殖发育的重要条

通过21d堆肥,堆料中有白色丝状物产生,且件[9]。堆体中氧气含量的变化直接反映了堆肥中

有一股稻草的气息。C/N比由原始的3012∶1降为微生物耗氧速率的快慢和堆肥中有机物降解的情2014∶1。在堆肥始末进行的微生物数量实验中,发现况,是判断堆肥是否进行完全的重要参数[10]。为了霉菌、细菌是微生物种群中的优势菌种。解堆肥中微生物活动及有机物降解情况,通风2h3.1　堆体温度和含氧量后测定堆体顶部氧气浓度,其结果见图2。其中通

温度能够反映堆肥系统内微生物活动[8]。堆风后,顶部氧气浓度均可达21%。从图2测定的结料中有机物在微生物的作用下参与微生物的细胞合果来看,氧气最低浓度为1215%,且发现整个堆肥成,同时分解为CO2和水,在此过程中产生大量热过程中氧气浓度呈先减小后增加的趋势。这可能是量促使堆体温度上升。由图2可看出,堆料初始温度为20℃,当堆肥化开始后,由于生物和水浴的共同作用,温度迅速上升。第4d时,温度已达到58℃,进入高温堆肥期,大约持续了4d左右,由于大部分易降解有机物已降解,且第8d时又停止了水浴保温,温度逐渐下降至室温。由此可见,采取水浴保温措施可很好地满足堆肥对温度的要求。

因为最开始时微生物需要适应新环境,耗氧量不大。但很快微生物就进入了对数增长期,生命活动旺盛,氧气消耗量大。而在堆肥后期堆体物质基本稳定,微生物活动减弱,氧气含量缓慢增加,直至接近环境空气中的氧气含量。其标志着堆肥进入腐熟阶段[10]。因此可以说,装置设计中的通风系统和实际操作中通风量的控制满足了堆肥过程中最低氧浓度12%的要求。3.2　含水率和有机质

堆肥过程中,水是有机物分解和微生物生长繁殖所不可缺少的条件。图3表示堆料含水率和有机质在不同堆肥阶段的变化情况。堆肥过程中的含水率一方面由于有机物的氧化分解产生水分而增加,另一方面由于通风作用以水蒸气的形式挥发而降

图2　堆肥温度和含氧量随时间的变化

Fig.2　Variationsoftemperatureandoxygencontentduringcomposting

低,因此含水率的变化是两因素迭加的结果[11]。从图3可看出,在堆肥初期有机物降解较快,含水率有所增长,形成了一个波峰。就堆肥全过程而言,含水

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环境污染治理技术与设备第6卷

率一直控制在40%～55%范围内,适合微生物生要采取一定的保温措施,以及采样时注意样品的有

长。这说明仓式堆肥装置能够有效地控制含水率在效性,仍可对堆肥进行较好的实验研究。

(4)本次试验对堆肥过程的评价仅选用了温度、小范围内波动。

含水率、有机质指标进行初步研究,今后将对增加NO3-2N、NH4+2N以及Gress发芽指数[13]等进行深

入研究。

参考文献

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图3　堆肥含水率和有机质随时间的变化

Fig.3　Variationsofmoistureefficiencyand

organicmatterduringcomposting

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～80%[12]。由图3可知,有机质初始含量70%,该

[7]S1M1Tiquia,N1F1Y1Tam.Compostingofspentpiglitter

值有利于堆肥化的进行。随着堆肥的进行有机质开

inturnedandforced2aeratedpiles.EnvironmentalPollution,

始逐渐降解,而且降解主要发生在升温期和高温期。

8d后有机质的降解已不明显,堆肥由主发酵期进

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[11]李承强,魏源送,樊耀波,等.不同填充物料污泥好氧堆

入了后发酵期。本次堆肥中产品的有机质含量为47%,有机物降解率为3219%。可见设计的堆肥装置能较好地保证堆肥过程中温度、含水率、含氧量等主要因素处于适宜的范围内,从而很好地促进了有机物的降解。

4　小　结

(1)通过物料平衡和热量平衡的估算,得出堆肥

装置直径小于2125m时,须采取保温措施。[12]聂永丰.三废处理工程技术手册.北京:化学工业出版

(2)通过理论计算和堆肥实验证明,采取30℃社,2000.204～247

及以上温度进行水浴保温,能够使得堆肥过程顺利[13]ChefetzB1,P1G1Hatcher,Y1Hadar,Y1Chen.Chemical进行。可以较快地达到高温阶段,并维持足够的高andbiologicalcharacterizationoforganicmatterduring

compostingofmunicipalsolidwaste.J1Environ.Qual.,温期以保证产品无害化。同时有机物的降解率也达

1996,25:776～785到3219%。从而实现了堆肥的无害化和资源化。

(3)通过堆肥实验表明,堆料为4～6kg时,只

肥的性质变化及腐熟度.环境科学,2001,22(3):60～65