有機(jī)固體廢棄物資源化處理技術(shù)分析與裝備研究

何劍雄，黃安濤，劉勝強(qiáng)

（長沙環(huán)保（服務(wù)）工業(yè)技術(shù)研究院，湖南長沙410100）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，有機(jī)固體廢棄物的產(chǎn)生量逐年增加，產(chǎn)生量居世界前列。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2015年我國生活垃圾達(dá)2.48億t，農(nóng)業(yè)固體廢物中秸稈的年產(chǎn)量突破8 000萬t，餐廚垃圾產(chǎn)生量超過8 000萬t，畜禽廢棄物排放總量38億t，市政污泥（含水率80%）產(chǎn)生量接近3 500萬t，目前有機(jī)廢棄物每年仍以8%～10%的速度遞增[1，2]。特別是廣大農(nóng)村與鄉(xiāng)鎮(zhèn)，大量的畜禽糞便、餐廚垃圾、市政污泥、稻草秸稈等有機(jī)廢棄物未經(jīng)過無害化處理，隨意丟棄、裸露堆置或排入河、溪、田、塘等，造成大氣、土壤、地表水和地下水生態(tài)惡化，產(chǎn)生的惡臭以及有害氣體和攜帶病原微生物的粉塵飄散在空氣中，嚴(yán)重威脅人、畜健康[3]。

有機(jī)固體廢物處理基本思路是減量化、無害化、資源化，處置方法主要有填埋、焚燒、好氧和厭氧消化[4]。針對我國餐飲、果蔬農(nóng)貿(mào)市場、規(guī)模畜禽養(yǎng)殖、鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水廠污泥處理等行業(yè)的有機(jī)廢棄物,污染較為分散、集中處理投資成本大、人員費(fèi)用高、序批式好氧發(fā)酵周期長的不足，開發(fā)了中小型有機(jī)廢棄物處理設(shè)備，該設(shè)備占地面積小，資金投入小，實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模分散式城鄉(xiāng)、市場、企業(yè)產(chǎn)生的有機(jī)固體廢棄物自動化處置和資源化利用，改善人居環(huán)境。

1 技術(shù)原理及工藝

1.1 高溫快速好氧發(fā)酵原理

好氧發(fā)酵是有機(jī)物在高溫好氧環(huán)境下利用微生物通過自身的分解代謝和合成代謝過程，若利用專用設(shè)備發(fā)酵，添加高效微生物菌劑，不僅能提高堆肥質(zhì)量，還能促進(jìn)堆肥快速腐熟[5-6]。

針對有機(jī)廢棄物較為分散的特點(diǎn)，開發(fā)了一種滾筒式有機(jī)廢棄物反應(yīng)器，用于分散式有機(jī)廢棄物資源利用，通過篩選高溫發(fā)酵優(yōu)勢菌種，調(diào)節(jié)有機(jī)廢棄物養(yǎng)分、控制溫度、控制氧濃度等措施，縮短好氧堆肥反應(yīng)的時(shí)間。

1.2 滾筒式有機(jī)廢棄物反應(yīng)器的原理及結(jié)構(gòu)方案

滾筒式有機(jī)廢棄物反應(yīng)器采用外熱能源伴熱，通過控制水分條件和流動通氣，利用滾動和螺旋抄板間斷地或連續(xù)地翻動有機(jī)廢棄物，不斷地將進(jìn)料端的物料沿著筒體軸線方向向出料端移動，通風(fēng)和UV廢氣裝置將少量逸出的臭氣處置后抽出，同時(shí)帶走發(fā)酵產(chǎn)生的水汽。發(fā)酵過程中快速達(dá)到高溫，能控制發(fā)酵過程中臭氣的產(chǎn)生，有效殺滅病原體和降解有機(jī)污染物，完成好氧堆肥。主要設(shè)備包括伴熱裝置、臥式發(fā)酵滾筒、螺旋抄板等，發(fā)酵時(shí)間短，適合有機(jī)固體廢棄物處置，既能快速實(shí)現(xiàn)無害化和資源化，又能快速實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。

如圖1所示，滾筒式有機(jī)廢棄物反應(yīng)器主要由進(jìn)出料裝置、反應(yīng)器筒體、支撐裝置、限位裝置、傳動裝置、伴熱裝置、廢氣處理裝置、通風(fēng)裝置等組成。

圖1 滾筒式有機(jī)廢棄物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾筒式有機(jī)廢棄物反應(yīng)器采用水平臥式設(shè)計(jì)，進(jìn)出料分別設(shè)置在滾筒兩側(cè)，采用絞龍或螺旋進(jìn)出料，可實(shí)現(xiàn)進(jìn)出料全自動化。

滾筒式有機(jī)廢棄物反應(yīng)器日批次處理量為1~10 t，根據(jù)處理量不同，反應(yīng)器筒體長4.5~8 m，直徑1.2~2.2 m，長徑比為3~5，可簡化為筒體兩端帶有2個(gè)滾圈支座的簡支梁模型，中間采用齒輪傳動。筒體外部敷設(shè)有保溫材料和裝飾材料，筒體內(nèi)部設(shè)計(jì)有L型物料抄板，該L型物料抄板分兩組，一組沿滾動方向呈螺旋遞進(jìn)排布，另一組沿滾動方向呈逆螺旋遞進(jìn)排布，且均與水平方向呈不同傾角，如圖2所示。

圖2 反應(yīng)器剖面圖

根據(jù)滾筒滾圈設(shè)置支撐裝置及限位裝置，主要作用是承載物料及滾筒重量、傳遞接觸轉(zhuǎn)動和防止?jié)L筒串動，減少摩擦。

如圖2所示，伴熱裝置、溫濕度檢測管和強(qiáng)制曝氣管排列成五角星形一體化布置，其中下方2進(jìn)2出設(shè)置4根導(dǎo)熱油伴熱管，上方管內(nèi)綜合布置有溫度檢測傳感器、氧氣濃度檢測傳感器及強(qiáng)制曝氣暗管，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測及智能控制。

2.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）滾筒式有機(jī)廢棄物反應(yīng)器設(shè)備緊湊，伴熱裝置和螺旋抄板裝置保證了有機(jī)廢棄物的快速高溫好氧發(fā)酵。

（2）針對不同的有機(jī)廢棄物分別添加輔料和菌種，可適用多種有機(jī)廢棄物分散處理。

（3）根據(jù)不同有機(jī)廢棄物的工藝參數(shù)，可智能化設(shè)置和調(diào)整儲熱系統(tǒng)溫度、氧氣濃度、通風(fēng)速率、滾動頻率、正反轉(zhuǎn)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)物料及菌種的充分混合，縮短發(fā)酵時(shí)間，減少氮素?fù)p失，提高肥料品質(zhì)。

（4）設(shè)備操作簡單，各功能及工藝參數(shù)可中央監(jiān)測和遠(yuǎn)程程序化控制，監(jiān)測信號自動進(jìn)行故障分析、診斷、報(bào)警、記錄。

3 材料與方法

3.1 市政污泥原料

滾筒式有機(jī)廢棄物反應(yīng)器可適應(yīng)如餐廚、果蔬、規(guī)模畜禽養(yǎng)殖、鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水廠污泥處理等行業(yè)有機(jī)廢棄物處理，本研究選取較難處理的市政污泥作為發(fā)酵原料。

試驗(yàn)污泥來源于婁底市政污泥，按CJ/T209—2009檢測，其性質(zhì)見表1。

表1 某市政污水廠污泥性質(zhì)（結(jié)果取多份樣品平均值）%

根據(jù)泥質(zhì)分析，試驗(yàn)市政污泥中有機(jī)質(zhì)含量較高，按照質(zhì)量比2∶1添加稻殼（含水率11%）作為輔料，調(diào)節(jié)堆體水分和碳氮比?；旌狭显跐L筒式有機(jī)廢棄物反應(yīng)器內(nèi)充分混合后取樣，檢測顯示平均含水率61%，有機(jī)質(zhì)含量72.2%，碳氮比為20。

3.2 菌種篩選與實(shí)驗(yàn)方法

好氧堆肥過程中，起主導(dǎo)作用的主要是微生物，這些微生物具某些特定功能，或是針對某些物質(zhì)進(jìn)行分解，或是加快堆體升溫。本研究通過篩選優(yōu)勢菌群如芽孢桿菌等嗜熱菌，加速大分子復(fù)雜有機(jī)物，縮短堆肥時(shí)間，加快腐熟進(jìn)程，提高堆肥效率。

市場購買常規(guī)EM發(fā)酵菌劑，與篩選的芽孢桿菌嗜熱菌劑按1∶1添加。試驗(yàn)時(shí)按混合料質(zhì)量比3‰添加菌劑并開啟滾筒，轉(zhuǎn)速控制在0.5~1 r/min，正轉(zhuǎn)15 min后反轉(zhuǎn)15 min，將菌劑與堆體充分混合后自動進(jìn)入間歇式轉(zhuǎn)動，有利于增加堆體與氧氣接觸和散發(fā)熱量與水汽。同時(shí)開啟伴熱系統(tǒng)2~3 h，檢測堆體溫度上升至55℃后停止，按控制程序持續(xù)曝氣和通風(fēng)換氣，維持堆體70±5℃高溫發(fā)酵區(qū)間。堆體經(jīng)過短暫升溫期后進(jìn)入55~75℃高溫期發(fā)酵，45 h后取樣檢測。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

樣品按NY525-2012的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行理化指標(biāo)分析如表2。

表2 發(fā)酵樣品理化指標(biāo)表%

從表2可以看出，經(jīng)過48 h發(fā)酵后含水率大幅下降，有機(jī)質(zhì)含量略有下降，同時(shí)總養(yǎng)分較原料略有下降。持續(xù)的高溫期將糞大腸桿菌、寄生蟲卵和其他病原微生物殺死，達(dá)到了無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求。

發(fā)芽指數(shù)可作為腐熟度的量化指標(biāo)，發(fā)芽試驗(yàn)是測定植物毒性物質(zhì)最直接快速的方法之一，一般認(rèn)為用于農(nóng)業(yè)用途種子發(fā)芽率應(yīng)不低于80%，本研究市政污泥經(jīng)快速高溫發(fā)酵后，有機(jī)肥樣品發(fā)芽率在80%~92%，平均值84.1%，完全腐熟。

4 討論與結(jié)論

與傳統(tǒng)好氧發(fā)酵堆肥周期需要經(jīng)歷約15~21 d的升溫、高溫、降溫和腐熟4個(gè)階段不同，采用滾筒作為有機(jī)廢棄物的反應(yīng)容器，添加篩選的嗜熱微生物菌群，堆體可快速進(jìn)入高溫階段發(fā)酵，加快對半纖維素、纖維素、蛋白等復(fù)雜大分子有機(jī)物的降解，48 h快速完成發(fā)酵腐熟。

滾筒內(nèi)發(fā)酵階溫度維持70±5℃，快速殺死病原微生物，縮短發(fā)酵時(shí)間快速腐熟，同時(shí)減少堆肥過程中的有機(jī)質(zhì)和氮素等養(yǎng)分損失，穩(wěn)定產(chǎn)品品質(zhì)。

滾筒式有機(jī)廢棄物反應(yīng)器不僅可以充分混合原料、輔料和菌種，還能智能調(diào)節(jié)發(fā)酵溫度、氧氣濃度、換氣速度等參數(shù)控制發(fā)酵過程，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)廢棄物的無害化、減量化、資源化處理。

本研究選取較難發(fā)酵的市政污泥和谷殼作為材料，通過篩選的嗜熱微生物菌群和開發(fā)滾筒式有機(jī)廢棄物反應(yīng)器進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了快速高溫發(fā)酵形成有機(jī)肥，為資源化處理分散式有機(jī)垃圾提供了新的思路。

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