好氧堆肥反应器装置和系统的设计与性能检验

《好氧堆肥反应器装置和系统的设计与性能检验》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、好氧堆肥反应器装置和系统的设计与性能检验　　引言　　近年来，我国畜禽养殖业迅猛发展，规模日益扩大。目前，我国畜禽粪便年产量已达30亿t左右，是世界上产量最大的国家，并已成为我国农村主要面源污染。畜禽粪便含有大量的有机物及丰富的氮、磷、钾等营养物质。高温好氧堆肥化是有机固体废弃物无害化、减量化、资源化处理的重要途径。高温好氧堆肥种类主要包括静态堆肥、条垛式堆肥、槽式堆肥、反应器堆肥等，其中，反应器好氧堆肥方式因其具有堆肥周期短、占地面积小、易实现自动化控制和二次污染小等优点成为目前研究热点，具有良好的应用前景。　　目前，国内外工厂化好氧堆肥反应器装备技术相对较为成熟

2、，但因好氧堆肥过程是物理、化学、生物学耦合的复杂过程，科学基础研究还有待深入。然而，目前可用于模拟好氧堆肥的反应器试验系统如Kumar等研发的实验室滚筒式堆肥反应器系统和韩鲁佳等研发的实验室小型好氧堆肥反应器尚存在反应器体积小、实时监测和反馈控制功能单一等问题。　　本文设计一种可用于开展有机固体废弃物好氧堆肥试验研究的反应器系统，可满足多种试验需求，并具有精准的数据实时采集和多模式反馈控制功能。　　1、好氧堆肥反应器装置设计　　设计的好氧堆肥反应器装置主要包括物料舱、搅拌系统和布气系统3部分，如图1所示。　　　　1.1物料舱　　由文献可知，堆肥装置维持堆体温度的必

3、要条件是　　式中Qin堆肥物料的产热量，即输入反应器的能量，kJ　　本文引用文献有关参数及判断公式对其进行确定。初始堆料的参数为:有机物质量比为0.7g/g，有机质降解率为35%，堆料的初始、终了含水率分别为60%、50%，堆体的最高温度为55℃，环境温度为20℃，堆料的比热容为1.2kJ/(kgK)。　　经计算，得出堆料的质量Mm与反应器的有效表面积S之比需大于6.31。　　考虑到堆体散热情况、实验室实际要求及规模等情况，该堆肥反应器设计为圆柱体结构。该物料舱的设计容积为100L。根据搅拌堆料的物理形态及堆肥装置维持堆体温度的必要条件，参考常见搅拌容器常用装料高

4、径比，其内径D为450mm，高度HL为600mm，全部使用不锈钢材料制作。为有效确保反应器保温性能，其物料舱设计为双层不锈钢结构，夹层内均匀填充厚度为30mm的聚氨酯保温材料。　　1.2搅拌系统　　搅拌系统在反应器中主要用于物料的翻搅及混匀。考虑到堆料的搅拌效果，并结合文献［8］可知，桨式搅拌器能满足所有堆肥物料所要求的流动状态，而且可满足多种搅拌需求。根据搅拌物料的性质以及搅拌均匀性需求，应使搅拌桨叶直径取最大值。根据文献，搅拌桨叶的直径取标准值Dj=400mm，叶片厚度δ=6mm，桨叶宽度B=35mm，桨叶的倾斜角度为45°，搅拌轴径d=3

5、5mm。　　通常情况下，底层搅拌桨叶与反应器物料舱底面的间距C与反应器物料舱内径Di的比值一般在0.05～0.3。则底层搅拌桨叶与反应器物料舱底面的距离C为20～120m。考虑到实际搅拌过程中物料舱底部会有30mm的垫料，C值不能太小，而C值太大搅拌效果不足，结合实际情况取C=75mm。　　对于多层搅拌器，搅拌器层距Sp与搅拌容器内径Di之比一般在0.5～2.0范围内，则搅拌器层距Sp为100～400mm。为了开展关于堆肥空间梯次性差异等研究，引入了上、中、下3层温氧传感器及取样口，考虑到实际反应器物料舱的有效高度及取样口、传感器的合理配置，搅拌器层距Sp取150

6、mm。　　1.3布气系统　　根据堆肥物料有机物的化学成分和可降解程度，采用化学计量法可估算堆肥反应中微生物的需氧量。堆肥原料的化学需氧量计算公式为　　由式(2)可以得出每氧化1kg的挥发性固体，需要消耗氧气1.07kg。由文献［7］可知，当被氧化的挥发性质量为Mv时，理论通风量Vair为3.82Mv。　　根据对物料性质的假设，可知　　在反应器物料舱装满51kg物料时，根据堆料的实际参数可得实际通风量Vair为19.10m3。由于布气系统采取间歇通风的模式，经折合计算，可得风机实际通风时间累计为14d。计算得该时段内通气流量为0.95L/min。通风的另一功能是去除

7、多余水分，在计算通风量之前，需首先计算进气口与出气口的空气比湿度及去除水分质量。根据文献，空气比湿度可表示为　　为得到去除水分所需通风量的最大值，取Mm为51kg。根据文献可得出堆肥过程中去除水的质量为18.36kg，环境空气温度20℃，相对湿度75%，出气口空气是饱和状态，温度为55℃。由式(1)～(3)可得出气口空气比湿度3。由于布气系统采取间歇通风的模式，经折合计算，可得风机实际通风时间累计为14d，则理论通风量为7.26L/min。　　综上所述，布气系统的布气量应为生化反应需氧量和去除水分需氧量之和，即理论布气流量应为Qair=8.21L/min。　　2、

8、基于ANS