YDF-100固態(tài)生物反應(yīng)器的設(shè)計和運行

劉元月 李啟剛 郭凱熊 李啟建

摘 ?要：該文分析了堆肥反應(yīng)器的應(yīng)用基礎(chǔ)，設(shè)計了一種容積為100 m3的滾筒式固態(tài)生物反應(yīng)器。該固態(tài)生物反應(yīng)器采用無傾角水平放置，鏈條傳動，厚鋼板卷制滾圈等結(jié)構(gòu)，降低了制造難度和成本。該反應(yīng)器不僅比同類型的反應(yīng)器成本低，與筒倉式、塔式堆肥反應(yīng)器相比也有一定的優(yōu)點。該反應(yīng)器可日處理固體廢棄物10 t～20 t，處理生物質(zhì)氣化廢水1 t/d，年生產(chǎn)有機肥5 000 t。經(jīng)過運行一年，達(dá)到了設(shè)計要求，值得推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：固態(tài)反應(yīng)器;固體廢棄物處理;堆肥;好氧發(fā)酵;滾筒;氣化廢水處理

中圖分類號： X703 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 概述

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，固體廢棄物產(chǎn)生量在迅速增加，已經(jīng)成為污染環(huán)境、影響人們生活的社會問題。固體廢棄物組成中含大量有機物，它能提供給生物體碳源和能源，是進(jìn)行生物處理的物質(zhì)基礎(chǔ)。固態(tài)生物反應(yīng)器由高含量固體、低含水量的液體及適當(dāng)濃度的氣體組成微生物可正常繁殖的環(huán)境，通過生物反應(yīng)，不僅可以殺滅垃圾中的病原菌、蟲卵等，而且可以使垃圾中的有機物得到重新利用，如產(chǎn)生的堆肥在農(nóng)業(yè)種植方面具有非常重要的作用。

用于堆肥的反應(yīng)器類型有筒倉式堆肥反應(yīng)器、塔式堆肥反應(yīng)器、滾筒式堆肥反應(yīng)器、攪動箱式堆肥反應(yīng)器、圓形攪拌床堆肥反應(yīng)器以及隧道窯堆肥反應(yīng)器等[1]。滾筒式高溫好氧堆肥技術(shù)的機械化程度高，有利于供氧、傳質(zhì)、傳熱和微生物的生長繁殖，加快了有機物的降解速率，在進(jìn)料有機物含量50%～60%，含水率30%～50%，供氣充分的條件下，物料經(jīng)過1 d ～2 d 的一次發(fā)酵就能達(dá)到無害化和初步穩(wěn)定[2]。趙天濤認(rèn)為，臥式堆肥發(fā)酵滾筒結(jié)構(gòu)簡單，可以自動穩(wěn)定地供料、傳送，并且排出堆肥物。如果發(fā)酵全過程都在此裝置中完成，停留時間應(yīng)為2 d ～5 d [3]。武深樹認(rèn)為轉(zhuǎn)筒式堆肥發(fā)酵周期1.5 d ～2 d ，自動化程度較高，生產(chǎn)環(huán)境較好、發(fā)酵較快，脫水效果好，其缺點是前期投入高、一次性投資較大、運行費用較高[4]。塔式發(fā)酵節(jié)省空間，發(fā)酵效率高，但是設(shè)備造價及維護成本高，廉價、高效的發(fā)酵設(shè)備有待進(jìn)一步研發(fā)[5]。

該文設(shè)計一種固態(tài)生物反應(yīng)器，主要用于將豬糞、牛糞、雞糞、菇渣、藥渣、豆渣、污泥、木屑和統(tǒng)糠等固體廢棄物通過動態(tài)好氧發(fā)酵的生物反應(yīng)變成有機肥，反應(yīng)器設(shè)計處理量為10 t/d～20 t/d，年生產(chǎn)有機肥5 000 t。該設(shè)計采用滾筒式堆肥反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，以減小制造難度和成本。

1 固態(tài)生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 主體尺寸和型號

按物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時間3 d計算，反應(yīng)器應(yīng)能容納30 t～60 t物料，物料的堆積密度約為0.7 t/ m3，其體積為42.9 m3～85.7 m3。滾筒式堆肥反應(yīng)器的填充系數(shù)一般為0.6～0.8，按中值0.7計算，反應(yīng)器容積應(yīng)為61 m3～122 m3。該設(shè)計取反應(yīng)器容積為100 m3。考慮到公路的限高要求，滾筒直徑不宜過大，該反應(yīng)器直徑設(shè)計為2.5 m，按容積100 m3

計算，長度為20.37 m，取整為21 m。該固態(tài)生物反應(yīng)器型號按公司名稱陽東、反應(yīng)器（或發(fā)酵器）拼音首字母和容積100 m3定為YDF-100。

1.2 滾筒斜度和支座數(shù)

該固態(tài)生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參照回轉(zhuǎn)窯設(shè)計?；剞D(zhuǎn)窯的斜度一般為2%～5%，考慮到有色冶金回轉(zhuǎn)窯爐料在窯內(nèi)的停留時間僅為1 h～3 h，該生物反應(yīng)器物料停留時間為3 d～4 d，時間大大延長，因此將滾筒設(shè)計為水平，即斜度為0。因該滾筒的填充系數(shù)為0.6～0.8，遠(yuǎn)大于有色冶金回轉(zhuǎn)窯0.04～0.1，該滾筒的物料在進(jìn)料和出料過程中會自然形成一定的斜度，這樣會保證物料會在進(jìn)料端不斷向出料端移動。將滾筒設(shè)計為水平放置，不僅使制作和安裝更為簡單，也使進(jìn)出料端的密封難度減小，并且使?jié)L筒的軸向竄動力減少，因此減少了擋輪裝置的制作調(diào)試成本。

該滾筒的長徑比為21/2.5=8.4<15.5，因此支座數(shù)（即托輪對數(shù)）為2。

1.3 傳動方式

回轉(zhuǎn)窯的傳動方式一般為齒輪傳動，但是大齒輪的制造成本高、制造周期長、安裝精度要求高。鏈輪傳動有4個優(yōu)點。1）結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、安裝和維修方便。2）有較好的緩沖和吸振能力，適用范圍廣。3）鏈輪齒多齒同時受力，單齒受力較小，強度較高。4）成本較低，具有較好的經(jīng)濟性。在經(jīng)過直徑1.9 m、長6 m發(fā)酵滾筒的實踐驗證[6]后，該設(shè)計采用鏈條傳動并對相關(guān)部件進(jìn)行了放大設(shè)計。

1.4 滾圈

滾圈或稱輪帶，將筒體等回轉(zhuǎn)部件的質(zhì)量重力傳給托輪及支承裝置，同時可增強筒體截面的剛度?；剞D(zhuǎn)窯的滾圈一般為鑄鋼件，制造周期長，一般廠家不能生產(chǎn)?？紤]到該反應(yīng)器的溫度較低（小于100 ℃），而且沒有窯襯，不存在滾筒轉(zhuǎn)動時窯磚掉落的問題。該反應(yīng)器的滾圈采用厚鋼板卷制加工，降低了生產(chǎn)難度和成本。

1.5 轉(zhuǎn)速

通過對已有的直徑1.9 m、長6 m滾筒反應(yīng)器的運行實踐，認(rèn)為該滾筒反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速在0.1轉(zhuǎn)/min～0.5轉(zhuǎn)/min比較合適。轉(zhuǎn)速過高會增加傳動功率，增加磨擦損耗，增大故障概率，減少設(shè)備壽命。轉(zhuǎn)速過慢會減慢物料運行速度，引起進(jìn)料口堵塞，降低產(chǎn)能。

1.6 傳動功率

滾筒的傳動功率按理論計算比較復(fù)雜?？梢园凑找韵陆?jīng)驗公式計算：

N=0.052D2.5nL ?（kW）

式中：N為傳動功率（kW） ，D為滾筒直徑（m） ，n為轉(zhuǎn)速（rpm） ，L為滾筒長度（m） 。

該設(shè)計中D=2.5，n=0.5，L=21。計算得N=5.40 kW。電機選型時應(yīng)留有一定的富余量，該設(shè)計電機功率取11 kW。

1.7 外保溫

該反應(yīng)器不設(shè)置外加熱裝置，反應(yīng)器的溫度升高由微生物活動產(chǎn)生。由于供氧和排濕的需要，風(fēng)機排風(fēng)會引起反應(yīng)器內(nèi)熱量的損失。為了保證反應(yīng)器內(nèi)合適的溫度（55 ℃～70 ℃），反應(yīng)器外表面覆蓋了50 mm厚的保溫棉層。

1.8 進(jìn)出料

該反應(yīng)器滾筒兩端分別設(shè)置固定部，分別用于進(jìn)、出料。進(jìn)料口位于前固定部頂端，以便于將滾筒加滿料。出料口位于后固定端下部，出料口設(shè)置電動出料門。不需出料時，關(guān)閉出料門，內(nèi)部物料就不會泄漏?？刂瞥隽祥T的開關(guān)時間就可以控制物料在反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)時間。

1.9 進(jìn)排氣

該反應(yīng)器主要設(shè)計為固體有機物的好氧發(fā)酵反應(yīng)，需要通入一定的氧氣并排出反應(yīng)廢氣。因此，在后固定端上部設(shè)置了出氣孔并安裝了引風(fēng)機，而進(jìn)料口又起了進(jìn)風(fēng)口的作用。反應(yīng)廢氣中主要含有二氧化碳、水蒸氣和氨氣等，一般需要收集并另行處理。由于排濕所需的風(fēng)量遠(yuǎn)大于好氧反應(yīng)需要的風(fēng)量，該反應(yīng)器沒有設(shè)置測氧儀器。為了了解反應(yīng)器內(nèi)各部分的反應(yīng)溫度，在滾筒上安裝了多個溫度計。圖1為YDF-100固態(tài)生物反應(yīng)器實物圖。

2 固態(tài)生物反應(yīng)器的運行

YDF-100固態(tài)生物反應(yīng)器制作后經(jīng)過了一年的運行，設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，產(chǎn)能達(dá)到設(shè)計要求。

對運行功率進(jìn)行實測，該反應(yīng)器傳動功率約為5 kW，證明以上功率計算經(jīng)驗公式符合實際。

該反應(yīng)器冬天運轉(zhuǎn)時溫度一般為60 ℃，夏天運轉(zhuǎn)時溫度一般為70 ℃。調(diào)節(jié)排濕風(fēng)機的開啟時間可將溫度調(diào)節(jié)到設(shè)定溫度，也可以將夏天的產(chǎn)能適當(dāng)提高。

該反應(yīng)器采用變頻器調(diào)節(jié)滾筒運轉(zhuǎn)速度，進(jìn)料時加大頻率可以加大進(jìn)料量、防止進(jìn)料口堵塞，平時則降低頻率以減小能耗，有利于延長設(shè)備壽命。

該反應(yīng)器因為滾筒水平放置，滾筒軸向竄動力很小，設(shè)備運轉(zhuǎn)穩(wěn)定。有時，因為托輪安裝不正常產(chǎn)生軸向竄動，調(diào)節(jié)托輪即能解決。

利用該反應(yīng)器進(jìn)行了生物質(zhì)氣化廢水處理的實驗。生物質(zhì)氣化廢水來源于生物質(zhì)可燃?xì)獾膬艋^程，采用活性污泥法或SBR法等，很難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[7]。每天將約1 t生物質(zhì)氣化廢水加入以菇渣為主的堆肥原料中，調(diào)節(jié)水分到50%～60%，按說明加入某種發(fā)酵菌種，生產(chǎn)的有機肥質(zhì)量完全合格。與加入自來水的物料反應(yīng)做對照，反應(yīng)溫度沒有明顯降低，排出的水汽成分沒有明顯差異。經(jīng)實驗驗證，該反應(yīng)器使用生物質(zhì)氣化廢水排出水氣的冷凝水有促進(jìn)植物生長的作用，可以進(jìn)一步開發(fā)為液面肥。

3 結(jié)論

YDF-100固態(tài)生物反應(yīng)器的設(shè)計采用滾筒水平放置和鏈條傳動等方法優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，降低了制造難度和成本。顯而易見，該反應(yīng)器比同類型的反應(yīng)器成本低。該反應(yīng)器引風(fēng)機抽風(fēng)時氣流在料面上通過，氣流阻力小，物料由于滾筒的旋轉(zhuǎn)處于不斷的運動中，反應(yīng)均勻、快速。而筒倉式、塔式反應(yīng)器氣流在料堆中通過，通風(fēng)阻力大，并且物料難免有攪拌不均勻的現(xiàn)象?？梢哉J(rèn)為，該反應(yīng)器具有反應(yīng)時間短、均勻性好、制造成本低、運行成本低、產(chǎn)能大的優(yōu)點。該固態(tài)生物反應(yīng)器不僅能處理多種固態(tài)廢棄物，也能處理一定量的有機廢水，產(chǎn)生農(nóng)林業(yè)需要的有機肥，具有很大的推廣價值和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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