資源化好氧堆肥裝置的設計
2016-06-22 07:31:54郭光星何子俊
郭光星 張 茜 何子俊 林 將 江 娟
(文華學院城建學部環(huán)境工程專業(yè), 武漢 430074)
資源化好氧堆肥裝置的設計
郭光星張 茜何子俊林 將江 娟
(文華學院城建學部環(huán)境工程專業(yè), 武漢430074)
摘要：設計了具有自動攪拌功能的好氧堆肥裝置，頂端集氣、進料，中部測溫、取樣，底部鼓風機強制通氧、滲濾液收集。并利用該裝置進行了好氧堆肥實驗，最終堆肥數(shù)據(jù)表明：獨有的“耙式”攪拌器與圓錐形底部設計使肥料攪拌更加均勻，接觸氧氣更充分，底部滲濾液收集、回灌更加方便。最終可為高校環(huán)境實驗室、科研機構(gòu)以及農(nóng)村家庭和中小型養(yǎng)殖戶提供可直接購買使用的自動化小型好氧堆肥裝置。
關鍵詞：好氧堆肥裝置；耙型攪拌；錐底；滲濾液回灌
我國禽畜糞便及固體廢物垃圾問題隨著人們生活水平質(zhì)量提高、物質(zhì)需求豐富而日益嚴重，解決這一問題已成為我國環(huán)保領域刻不容緩的一項工作。堆肥法處理垃圾相比傳統(tǒng)垃圾處理，盡可能向零污染零排放靠近，而且我國是一個農(nóng)業(yè)大國，堆肥法處理垃圾十分符合我國國情。
1堆肥裝置的現(xiàn)狀及設計理念
1.1堆肥裝置的現(xiàn)狀
生物反應器是通過有目的的控制手段使不同功能的微生物快速大量繁殖, 從而加速垃圾中易降解和中等易降解有機組分的轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定。
目前,國內(nèi)對于各種堆肥反應器已有較多的研究[1-3]，但主要側(cè)重于靜態(tài)堆肥，考慮到自然通風給堆肥體系補氧受周圍環(huán)境因素的影響較大，堆肥效果具有不確定性，且發(fā)現(xiàn)堆肥產(chǎn)生滲濾液量少時，將無法排出滲濾液，造成收集、產(chǎn)生臭氣等問題，從而也在一定程度上限制了堆肥化方法在處理有機固體廢物方面的大力推廣與實際應用。
本文堆肥裝置的設計充分考慮到堆體翻動、系統(tǒng)供氧、廢氣產(chǎn)生、測試取樣、回灌等方面，獨有的“耙型攪拌”、錐底滲濾液收集系統(tǒng)在傳統(tǒng)的堆肥實驗中也具有一定的新意。
1.2堆肥裝置的設計理念
如圖1所示，本文裝置主體為圓柱體反應倉，頂部進料采氣，中部設計肥料采集口和測溫口，由篩網(wǎng)及布氣板將圓柱體和圓錐底部隔開，底部設計進氣口和收集滲濾液，最終達到固、液、氣三相收集。通過“耙形”攪拌器的攪拌和強制通風相結(jié)合實現(xiàn)通風供氧，縮短堆肥周期，提高肥效和有機肥量，同時降低滲濾液的污染物負荷。
圖1 結(jié)構(gòu)示意
2裝置設計參數(shù)及實驗對比
堆肥裝置設有驅(qū)動電機、減速器、活動蓋體、攪拌軸、攪拌耙、集氣口、測溫口、取樣口等。
2.1容積和尺寸
參考了關于堆肥體積與肥效的文獻[4]，文獻中大多通過分析不同體積的溫度、微生物數(shù)量、C/N比、全碳的變化等數(shù)據(jù)變化，可得出結(jié)論：堆肥反應裝置的有效推薦容積可以確定在30 L以上，作為小型的、適合堆肥研究的、實驗室合適體積設計和制造的參考參數(shù)。
又考慮到堆肥實驗在實驗室中進行,所以裝置不宜做得太大。裝置內(nèi)部直徑D=50 cm,攪拌軸外徑d=3 cm，有效高度(即:可裝堆肥物料的高度) h=70 cm。 根據(jù)式(1)：
(1)
式中，V為裝置有效容積(L)；D為裝置內(nèi)徑(cm)；d為攪拌軸外徑(cm)，h為有效高度(cm)。
據(jù)式(1)計算得堆肥裝置的有效容積為137 L。
考慮到錐底無法平放，實際加工時制作了可移動的支撐架，見圖2。
圖2 裝置外觀
2.2裝置結(jié)構(gòu)特點
(1) 攪拌是為了使肥料更充分接觸氧氣，故設計1.1 kW電機配合減速器使用，可實現(xiàn)32 r/min的慢速攪拌；
(2) 1 kW鼓風機配合布氣板達到強制通風供氧的目的；
(3) 減速機出軸帶動主軸轉(zhuǎn)動攪拌，并在底部支撐架設計一凹槽支撐主軸，使得主軸底部有一定的支撐力；
(4) 底部設計成錐形底，方便液體的收集。
2.3實驗數(shù)據(jù)
本次實驗用好氧堆肥反應裝置進行實驗，以鋸末為調(diào)理劑，按照約1:2調(diào)節(jié)堆肥物料使C/N在27～36之間，加入去離子水使含水率保持在65%左右。實驗前期對肥料每天攪拌1 h，鼓風30 min，中期隔天攪拌，后期可停止攪拌，適當鼓風。
實驗時間：5～7月；平均氣溫：28℃；平均濕度：80%～90%。
實驗所用牛糞、鋸末分別從武漢南湖養(yǎng)殖場和永宏木材加工廠收集而來。
堆體升溫緩慢，取樣第20 d達到最高溫度50.9 ℃，屬中溫堆肥，并在40 ℃以上持續(xù)約10 d，基本滿足堆肥的衛(wèi)生要求，第48 d肥料接近室溫，如圖3。
圖3 堆體升溫趨勢
取樣前4 d因有機酸的產(chǎn)生pH值下降，經(jīng)高溫階段有機酸降解伴有氨的產(chǎn)生使pH值回升，降溫初期氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸根使pH值下降，最終pH值基本介于7.5～8.0之間呈堿性，符合無害化處理要求，如圖4。
圖4 堆體pH變化趨勢
如圖5，起初有機物未進入滲濾液中，后有機物溶入滲濾液使COD上升，翻拌鼓風使堆體各層物料均質(zhì)化，微生物活動較強消耗有機物，生物得到徹底降解。
圖5 滲濾液COD、BOD5變化趨勢
記錄COD、BOD5數(shù)據(jù)的同時，測定其去除率。
(2)
(3)
式(2)、(3)中，C為硫酸亞鐵銨標準溶液的濃度(mg/L)；V1為滲濾液消耗硫酸亞鐵銨標準溶液的體積(mL)；V2為空白消耗硫酸亞鐵銨標準溶液的體積(mL)； V為滲濾液體積(mL)；n為水樣稀釋倍數(shù)。
據(jù)式(2)、(3)計算得COD去除率為63%；
(4)
式(4)中，S0為原滲濾液BOD5濃度(mg/L)；
S1為最終滲濾液BOD5濃度(mg/L)。
據(jù)式(4)計算得BOD5去除率達66%。
如表1，本文用玉米種子發(fā)芽率作為生物指標對牛糞堆肥的腐熟度進行評判。且從表1看出裝置中滲濾液培養(yǎng)的玉米種子發(fā)芽指數(shù)為75%(>50%),參考了顧文杰已有的研究[6]，可以認為取樣已經(jīng)腐熟。
表1 種子發(fā)芽率
與傳統(tǒng)桶裝堆肥相比，該裝置可以對發(fā)酵過程中氣、液、固三相進行全面的收集(表2)。
表2 裝置與塑料桶的對比
收集到的滲濾液多次進行回灌可以降解有毒有害物質(zhì)[7]，其中以嗜熱四膜蟲作為指示生物來觀察生物的毒性變化，通過監(jiān)測滲濾液對四膜蟲的半致死濃度來衡量其生物毒性。
分別在不同稀釋倍數(shù)的滲濾液中加入四膜蟲懸液，稀釋倍數(shù)做5個平衡樣，同時做5個等滲濾液空白對照樣，24 h后取樣用微型生物框計數(shù)，并計算死亡百分數(shù)，滲濾液半致死濃度LC50，采用概率單位法，根據(jù)死亡百分數(shù)-概率單位換算表，將死亡百分數(shù)換算成死亡概率單位，以回歸法求出LC50值。實驗結(jié)果表明：使用滲濾液回灌后，有利于快速降解堆肥中的有機物，有效縮短了堆肥周期。
配制銅標準液，以蒸餾水為空白樣，用空氣-乙炔原子吸收光譜儀讀取對應吸光度，讀取待測液吸光度即可求出其中銅的濃度。測得牛糞中含有微量重金屬銅，其來源可能是飼料或污染土壤，對環(huán)境不造成污染并且滲濾液可以作為水處理實驗原料，實現(xiàn)堆肥資源化、無害化和實驗室的良性鏈接。
本裝置設計了滲濾液收集系統(tǒng)，人工手動從頂部加入回灌，不增加能耗。
3結(jié)語
(1) 項目裝置的研制成功，將會產(chǎn)生一定的社會效益和環(huán)境效益，符合推進生態(tài)文明建設和走可持續(xù)發(fā)展之路的基本思想。
社會效益：該裝置可單獨作為產(chǎn)品銷售，可用于高校實驗室和科研機構(gòu)，也可用于小規(guī)模的禽畜糞便、固體廢物、餐飲廚余垃圾和園林垃圾的好氧堆肥，特別適用于農(nóng)村家庭及中小型養(yǎng)殖戶用來進行禽畜糞便處理，其產(chǎn)物是有機肥料。該裝置的推廣和應用可實現(xiàn)農(nóng)村禽畜糞便的無害化與資源化，有利于改善農(nóng)村的生態(tài)環(huán)境和衛(wèi)生環(huán)境，進而改善農(nóng)村人口的生活條件，使其身心健康得到進一步的保障。
環(huán)境效益：禽畜糞便經(jīng)過好氧堆肥裝置處理后作為有機肥回田，不產(chǎn)生污染，實現(xiàn)了廢物的資源化再利用。與傳統(tǒng)堆肥裝置產(chǎn)生的滲濾液相比，該裝置堆肥過程中產(chǎn)生的滲濾液由于經(jīng)過多次向堆體中回灌，其BOD和COD的含量及生物毒性明顯降低，減輕了后續(xù)滲濾液處理的污染負荷。
(2) 本文設計的裝置，在未來的堆肥實驗中，無需費力攪拌，糞便的臭氣減少，滲濾液通過開啟底部閥門即可收集；同其他的堆肥工藝相比，該工藝縮短了反應時間，減少了堆肥成本，堆肥的回收利用價值高，值得在環(huán)境資源化領域推廣使用。
(3) 由于設計初衷是針對學校實驗室使用，經(jīng)費有限，部分設計無法更優(yōu)化，例如：當實驗完畢后，廢料通過其他方式倒出、滲濾液可利用循環(huán)泵自動回灌、動力裝置可以選擇速度智能化等。
參考文獻
陳朱蕾, 周傳斌, 劉婷,等. 厭氧-好氧生物反應器填埋工藝特性研究. 環(huán)境科學, 2007, 28(4):891-896.
楊延梅. 有機固體廢物好氧堆肥反應器的設計. 重慶交通大學學報：自然科學版, 2008(06):1155-1159.
戴芳, 曾光明, 袁興中,等. 新型堆肥裝置設計及其應用研究. 環(huán)境污染治理技術與設備, 2005(2)：24-28.
徐智, 張隴利, 梁麗娜,等. 不同體積堆肥裝置下的雞糞堆肥效果研究. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2008 (10):205-208.
江娟, 詹愛平, 馮斌.調(diào)節(jié)滲瀝液pH回灌對厭氧填埋的影響.環(huán)境科學,2010, 31(10):2500-2506.
顧文杰. 禽糞好氧堆肥除臭菌篩選及其促腐熟效果研究.哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學, 2008.
江娟, 謝文剛, 劉婷,等.生物反應器滲濾液回灌中加入堿度的影響分析.實驗室研究與探索, 2009(09): 43-46.
A design for aerobic composting device
Guo Guangxing, Zhang Xi, He Zijun, Lin Jiang, Jiang Juan
(Dept Environmental Engineering Wenhua College，Wuhan 430074)
Abstract:in this paper, we designed an aerobic composting device with automatic mixing functions. In this device, feeding and gas gathering were performed at the top, temperature measurement and sampling at the middle part, and forced oxygen supply and leachate collection at the bottom. The experiments revealed that with this unique "rake" stirrer and the conical design at the bottom, the fertilizer could be stirred more evenly and access to more oxygen, and leachate collection and refilling became more convenient. This smart device could be installed easily in university labs, institutions, rural households, and small-medium farms.
Keywords:aerobic composting device; rake type mixing; cone bottom; leachate recirculation
收稿日期：2015-07-22；2016-01-05修回
作者簡介：郭光星，男，1993年生，研究方向：環(huán)境工程。E-mail：464967743@qq.com 通訊作者： 江娟，E-mail：14784021@qq.com
中圖分類號：X705
文獻標志碼：A
