堆肥反應(yīng)器運(yùn)行方式對內(nèi)部溫度場影響的表征

譚昊，陳晨，李文祥，孫佛芹，沈東升，龍於洋

（浙江工商大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，浙江省固體廢物處理與資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012）

我國是有機(jī)固體廢棄物產(chǎn)出量最大的國家，年產(chǎn)量高達(dá)60億t。有機(jī)固體廢棄物含有大量的有機(jī)碳、氮元素等營養(yǎng)物質(zhì)，具有巨大的應(yīng)用潛力[1]。堆肥技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的處理技術(shù)，能將有機(jī)固體廢棄物轉(zhuǎn)化為肥料[2]。其中，反應(yīng)器堆肥技術(shù)因具有自動化程度高、堆肥時間短和占地面積小的優(yōu)勢，得到了廣泛的關(guān)注。在堆肥過程中，溫度調(diào)節(jié)微生物對有機(jī)物的降解是影響堆肥進(jìn)程的關(guān)鍵因素[3]。過高的溫度（＞70 ℃）會抑制微生物的活動而使堆肥過程受限，過低的溫度（＜55 ℃）則無法有效滅活致病菌，達(dá)不到無害化處理的要求。已有相關(guān)研究通過分析堆肥過程的溫度變化，并將溫度作為堆肥腐熟的評價指標(biāo)[4-6]或?yàn)槎逊实臒峄厥蘸屠锰峁﹨⒖糩7]。然而，有關(guān)堆肥運(yùn)行策略對于堆肥反應(yīng)器內(nèi)溫度場的影響差異鮮有報道。探明不同運(yùn)行策略下堆肥反應(yīng)器內(nèi)溫度場的分布變化，對優(yōu)化反應(yīng)器堆肥條件和提高物料質(zhì)量具有非常重要的意義。

本研究設(shè)計(jì)了3 套結(jié)構(gòu)具有差異的堆肥反應(yīng)器，考察了不同運(yùn)行策略下反應(yīng)器內(nèi)空間各點(diǎn)的溫度，并結(jié)合數(shù)值模擬，探明不同運(yùn)行策略對反應(yīng)器內(nèi)部溫度場的影響，以期為有機(jī)固體廢棄物堆肥過程優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

供試裝置示意如圖1 所示，根據(jù)曝氣部位差異分為A 反應(yīng)器（底部曝氣）、B 反應(yīng)器（中心曝氣）和C反應(yīng)器（四周曝氣）。3套反應(yīng)器均為透明有機(jī)玻璃材質(zhì)，圓桶形（直徑30 cm、高47 cm），有效容積約30 L。各反應(yīng)器頂部均設(shè)有出氣孔，底部設(shè)有多孔板和滲濾液排放口。反應(yīng)器側(cè)壁縱向等距設(shè)有3個檢測口，每個檢測口處并排設(shè)有溫度檢測孔和氣體檢測孔。反應(yīng)器外部設(shè)置外筒體，內(nèi)外筒體夾層為熱水浴層。反應(yīng)器內(nèi)部裝有和中央控制器相連接的雙層槳葉攪拌器和溫度傳感器，可控制攪拌器的運(yùn)行并實(shí)時檢測和記錄溫度數(shù)據(jù)。曝氣速率通過氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)控，水浴溫度通過加熱棒和溫度傳感器共同調(diào)控。

圖1 堆肥反應(yīng)器示意Fig.1 Schematic diagram of composting reactors

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究分別在堆肥反應(yīng)器空載和添加模擬物料的負(fù)載條件下進(jìn)行。空反應(yīng)器條件下分別考察外環(huán)境溫度（30～60 ℃）、攪拌速率（30 r/min）、曝氣速率（0～1.25 m3/h）3個因素對堆肥反應(yīng)器內(nèi)部溫度場分布的影響，具體包括10個處理組。在負(fù)載試驗(yàn)中，為了充分反映溫度場的實(shí)際分布，選用惰性材料以規(guī)避其自身發(fā)酵產(chǎn)熱對溫度場的影響。具體操作為將粒徑0.8～1.5 cm 的陶粒和低密度海綿以質(zhì)量比9.5∶1.0 混合，加水使混合物料含水率達(dá)到50%，隨后加入堆肥反應(yīng)器，并在反應(yīng)器空載試驗(yàn)的基礎(chǔ)上分別考察外環(huán)境溫度（60 ℃）、攪拌速率（30 r/min）、曝氣速率（0～1.00 m3/h）對堆肥反應(yīng)器內(nèi)部溫度場分布的影響，具體包括6個處理組。其中，外環(huán)境溫度通過水浴溫度進(jìn)行模擬。試驗(yàn)過程中，在各反應(yīng)器側(cè)壁縱向上、中、下3 個探測口分別采用PT-100熱電偶式溫度傳感器（鄭州今科教學(xué)儀器有限公司）檢測反應(yīng)器內(nèi)的溫度分布，包括傳感器探頭伸入2～25 cm、伸入角度分別為0o和20o等情景，每個試驗(yàn)因素下單個反應(yīng)器共設(shè)置溫度檢測點(diǎn)位64個。

1.3 分析方法

對試驗(yàn)過程中獲取的反應(yīng)器內(nèi)固定空間點(diǎn)溫度分布，采用Surfer 15軟件進(jìn)行差值模擬以獲取溫度場特征，并采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 外環(huán)境溫度對反應(yīng)器內(nèi)部溫度場的影響

在堆肥過程中，外環(huán)境溫度是影響堆肥能否順利啟動并成功推進(jìn)的關(guān)鍵因素之一，過低的環(huán)境溫度會抑制微生物的活動，從而導(dǎo)致物料無法成功完成堆肥過程[8]。本研究中，不同外環(huán)境溫度下3套反應(yīng)器內(nèi)部縱、剖面溫度場分布如圖2～3所示。

圖2 外環(huán)境溫度對堆肥反應(yīng)器內(nèi)部縱面溫度場的影響Fig.2 Influence of the ambient temperature on the longitudinal temperature field inside the composting reactors

圖3 外環(huán)境溫度對堆肥反應(yīng)器內(nèi)部剖面溫度場的影響Fig.3 Influence of the ambient temperature on the profile temperature field inside the composting reactors

從縱面溫度場（圖2）來看，反應(yīng)器內(nèi)部溫度場最值差異會隨著外環(huán)境溫度的升高而增加。例如，從A 反應(yīng)器來看，隨著外環(huán)境溫度從30 ℃提升至60 ℃，反應(yīng)器內(nèi)部溫度場最值差異從2.6 ℃提升至20.0 ℃，差值提高了近7倍。然而，在B和C反應(yīng)器中觀察到了不同的現(xiàn)象，當(dāng)外環(huán)境溫度從30 ℃提升至60 ℃時，B和C反應(yīng)器內(nèi)部溫度場最值差異分別從4.2、4.0 ℃提升至12.5、12.0 ℃，這2 個反應(yīng)器溫度場最值差異較小。由此可見，A反應(yīng)器比B、C反應(yīng)器更易造成內(nèi)部溫度場差異，這可能和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)差異有關(guān)。

從剖面溫度場（圖3）來看，反應(yīng)器內(nèi)部溫度場的最值差異會隨著外環(huán)境溫度的升高而增加，這和縱面溫度場得出的結(jié)論一致。值得注意的是，比較各個反應(yīng)器的縱面和剖面增加的溫度最值差異值，發(fā)現(xiàn)A 反應(yīng)器剖面差異值下降了7.0～11.0 ℃，而B、C 反應(yīng)器基本無變化。由反應(yīng)器縱面和剖面的溫度場圖（圖2～3）可知，靠近檢測口處的溫度普遍偏低，這一結(jié)果是由于檢測口未被熱水浴層包裹，導(dǎo)致熱損失增加。此外，越靠近熱水浴的區(qū)域溫度越高，因而溫度呈現(xiàn)中心低、四周高的趨勢。SPSS分析結(jié)果表明，各溫度下反應(yīng)器的各層差值差異不顯著（P＞0.05），說明在任何溫度條件下，各反應(yīng)器的溫度場都可以認(rèn)為是均勻分布的。綜上所述，外環(huán)境溫度越高對反應(yīng)器內(nèi)溫度場的影響越大。

2.2 曝氣對反應(yīng)器溫度場的影響

曝氣裝置作為反應(yīng)器的核心部分，對堆肥過程有著極大的影響。曝氣裝置的調(diào)控主要有調(diào)控曝氣速率和曝氣部位2種方式。過低的曝氣速率會導(dǎo)致物料中氧氣含量降低進(jìn)而產(chǎn)生厭氧區(qū)域，從而抑制微生物活動和限制堆肥進(jìn)程[9]；過高的曝氣速率會加大堆肥中的熱量損失，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)高溫殺菌過程[10]。對于曝氣部位的調(diào)控，現(xiàn)有研究主要是對底部曝氣的報道[11-14]，而對中心曝氣和四周曝氣的方式鮮有報道。所以，優(yōu)化曝氣速率和選擇曝氣部位對于反應(yīng)器堆肥具有極大的意義。

本試驗(yàn)將外環(huán)境溫度控制在60 ℃，曝氣速率分別設(shè)置為0.25、0.50、0.75、1.00、1.25 m3/h，得到的溫度場縱面和剖面如圖4～5所示。從縱面溫度場（圖4）來看，與環(huán)境溫度為60 ℃的縱面溫度場（圖2）相比，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行曝氣裝置會導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)的溫度下降，A、B、C反應(yīng)器溫度場最大等值線分別下降9.0、3.5、1.0 ℃。說明曝氣裝置的運(yùn)行對A 反應(yīng)器的溫度場影響最顯著。但是，對各曝氣速率下反應(yīng)器內(nèi)部溫度場的溫度差值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器內(nèi)的溫度損失不一定會隨著曝氣速率的提高而增加，反而存在曝氣速率的提高使反應(yīng)器溫度場等值線最大值下降值減少的情況，這一現(xiàn)象在B、C反應(yīng)器中更為明顯。這可能是中心曝氣和四周曝氣的方式導(dǎo)致氣體在反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生熱對流作用，從而減少了反應(yīng)器內(nèi)溫度的損失。

圖4 曝氣速率對堆肥反應(yīng)器內(nèi)部縱面溫度場的影響Fig.4 Influence of the aeration rate on the longitudinal temperature field inside the composting reactors

從剖面溫度場（圖5）來看，隨著曝氣速率的增加，反應(yīng)器內(nèi)部溫度場50 ℃以上區(qū)域總體積占比發(fā)生明顯變化。從A 反應(yīng)器來看，反應(yīng)器上層、中層和下層50 ℃以上區(qū)域總體積占比的最大下降率分別為51.16%、34.66%和62.30%；B反應(yīng)器上層、中層和下層50 ℃以上區(qū)域總體積占比的最大下降率分別為24.62%、41.03%和70.79%。結(jié)果表明，反應(yīng)器下層比上層和中層的50 ℃溫度體積占比下降更顯著。而C反應(yīng)器和A、B反應(yīng)器不同，C反應(yīng)器50 ℃以上的體積占比都呈上升的趨勢，反應(yīng)器上層、中層和下層的50 ℃溫度體積占比上升率分別是13.92%、20.12%和12.88%，這可能是曝氣部位設(shè)置的差異造成的。上述結(jié)果表明，反應(yīng)器下層是反應(yīng)器溫度場受曝氣速率影響最大的區(qū)域，并且使用四周曝氣的策略可以讓反應(yīng)器獲得更均勻的溫度場，這對于有機(jī)固體廢物的堆肥是有利的。對反應(yīng)器溫度最值差異進(jìn)行顯著性分析，可以發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器的各層差值差異不顯著（P＞0.05），說明在曝氣條件下各反應(yīng)器溫度場和外環(huán)境溫度條件一樣呈均勻分布。比較A、B、C 反應(yīng)器各層50 ℃以上的溫度體積占比，發(fā)現(xiàn)在曝氣速率為0.75 m3/h 時，A、B、C 反應(yīng)器上、中、下3 層區(qū)域溫度體積占比更接近，表明反應(yīng)器內(nèi)部溫度場分布更均勻。在曝氣速率為0.75 m3/h時，A、B、C 反應(yīng)器50 ℃以上區(qū)域體積占比依次為C 反應(yīng)器（86.74%）＞B 反應(yīng)器（69.42%）＞A 反應(yīng)器（47.10%），這一結(jié)果證明了改變曝氣位置有利于反應(yīng)器溫度場均勻分布的結(jié)論。綜上所述，可以得出0.75 m3/h 的曝氣速率和四周曝氣的方式更有利于溫度場的均勻分布。

圖5 曝氣速率對堆肥反應(yīng)器內(nèi)部剖面溫度場的影響Fig.5 Influence of the aeration rate on the profile temperature field inside the composting reactors

2.3 攪拌對反應(yīng)器溫度場的影響

機(jī)械裝置在堆肥過程中屬于輔助措施，攪拌裝置的運(yùn)行有利于物料混合均勻[15]，并改善堆體的通風(fēng)空間，增加其氧氣含量[16]。本試驗(yàn)為了滿足堆肥55 ℃以上的溫度需求，將外環(huán)境溫度設(shè)置為60 ℃，并在曝氣速率0.25 m3/h的基礎(chǔ)上運(yùn)行攪拌裝置。圖6～7分別為運(yùn)行攪拌裝置下反應(yīng)器溫度場的縱面圖和剖面圖。從縱面溫度場（圖6）來看，隨著攪拌裝置的運(yùn)行，反應(yīng)器內(nèi)部溫度場最值差異增加，A、B、C反應(yīng)器溫度場最值分別增加了2.5、0.5和4.0 ℃。從剖面溫度場（圖7）來看，A、B、C 反應(yīng)器溫度場最值分別增加了1.0～2.5、0.5～1.0 和0～4.0 ℃，這和縱面圖的結(jié)果較為一致。而與無攪拌時50 ℃以上區(qū)域的體積占比相比，A反應(yīng)器下層50 ℃以上區(qū)域的體積占比增加17.30%，B 反應(yīng)器上層和中層分別增加0.56%和22.21%，而C 反應(yīng)器的上層減少10.69%。與此同時，A反應(yīng)器的上層和中層50 ℃以上體積占比分別減少8.21%和1.29%，B 反應(yīng)器下層減少18.15%，C 反應(yīng)器中層和下層分別增加0.54%和6.04%。說明當(dāng)攪拌裝置運(yùn)行時，A反應(yīng)器的上層和中層的熱量會流向下層，B 反應(yīng)器下層的熱量會流向上層和中層，C 反應(yīng)器上層的熱量會流向中層和下層。綜上所述，運(yùn)行攪拌裝置會對反應(yīng)器溫度場分布產(chǎn)生影響，反應(yīng)器內(nèi)溫度場分布在攪拌的作用下更加均勻，并且不同的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)受影響程度也存在差異。SPSS分析發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器的各層差值差異不顯著（P＞0.05），說明在攪拌條件下各反應(yīng)器溫度場也可認(rèn)為是均勻分布的，這與外環(huán)境溫度與曝氣條件下各反應(yīng)器溫度場均勻分布的結(jié)論一致。

圖6 攪拌對堆肥反應(yīng)器內(nèi)部縱面溫度場的影響Fig.6 Influence of stirring on the longitudinal temperature field inside the composting reactors

圖7 攪拌對堆肥反應(yīng)器內(nèi)部剖面溫度場的影響Fig.7 Influence of stirring on the profile temperature field inside the composting reactors

2.4 負(fù)載條件下反應(yīng)器內(nèi)部溫度場的特征

為了驗(yàn)證空載試驗(yàn)結(jié)果，本研究進(jìn)一步考察了負(fù)載狀態(tài)下的反應(yīng)器內(nèi)部溫度場分布特征。如圖8所示：隨著曝氣裝置的運(yùn)行和曝氣速率的上升，不同反應(yīng)器內(nèi)部溫度場最值差異會產(chǎn)生不同的變化趨勢。A和C反應(yīng)器內(nèi)部溫度場最值差異呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，而B 反應(yīng)器溫度場最值差異呈現(xiàn)先增加后減少再增加的趨勢。在曝氣速率1.00 m3/h條件下，A 反應(yīng)器內(nèi)部溫度場最值差異最小，為10.5 ℃；在曝氣速率0.75 m3/h條件下，B反應(yīng)器內(nèi)部溫度場最值差異最小，為12.0 ℃；在曝氣速率0.25 m3/h條件下，C反應(yīng)器內(nèi)部溫度場最值差異最小，為6.0 ℃。而運(yùn)行攪拌裝置對于B 和C 反應(yīng)器溫度場均勻分布是有利的，使其溫度差值分別下降了12.8和0.8 ℃。

圖8 負(fù)載模擬物料下堆肥反應(yīng)器內(nèi)部縱面溫度場Fig.8 Internal longitudinal temperature field of the composting reactors under loading simulated materials

從反應(yīng)器剖面溫度場（圖9）來看，相比于其他曝氣速率，在曝氣速率為0.75 m3/h條件下，A、B和C反應(yīng)器上、中、下層內(nèi)部溫度場最值差異最小。但是，運(yùn)行曝氣速率的增加會使B 和C 反應(yīng)器內(nèi)部溫度場最值差異變大，尤其是B 反應(yīng)器的變化最為明顯，最大溫度差值達(dá)到10.5 ℃。而A反應(yīng)器內(nèi)部溫度場最值差異顯著下降，表明在曝氣裝置的運(yùn)行下，會促進(jìn)A反應(yīng)器溫度場分布均勻。在運(yùn)行攪拌裝置下，A、B和C反應(yīng)器各層溫度場最值差異分別下降4.5、12.0和7.8 ℃。值得一提的是，不同曝氣方式對反應(yīng)器內(nèi)部溫度場的影響都不相同。例如：從B 反應(yīng)器（中心曝氣）來看，靠近中心曝氣位置的溫度場顯著低于周圍。通常，當(dāng)堆肥過程進(jìn)入高溫期時，會存在中心溫度過高的情況，所以通過中心曝氣可快速降低堆肥中心溫度。四周曝氣方式能夠讓整個堆肥溫度場分布更加均勻，可用于升溫階段，從而減少物料進(jìn)入高溫期的時間差異性。底部曝氣的方式則會導(dǎo)致底部位置溫度場低于其他部位，可以和中心曝氣方式聯(lián)用，將內(nèi)部溫度更好地調(diào)控在較優(yōu)的數(shù)值。進(jìn)一步通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器的各層差值差異不顯著（P＞0.05），說明在負(fù)載模擬物料條件下各反應(yīng)器溫度場是均勻分布的，這與空載試驗(yàn)結(jié)論一致。

圖9 負(fù)載模擬物料下堆肥反應(yīng)器內(nèi)部剖面溫度場Fig.9 Internal profile temperature field of the composting reactors under loading simulated materials

3 結(jié)論

1）堆肥反應(yīng)器的四周曝氣方式與底部曝氣、中心曝氣比較，前者不僅減少了反應(yīng)器內(nèi)部溫度損失，而且可提高50 ℃以上反應(yīng)器體積占比，提升反應(yīng)器內(nèi)部溫度場的均勻性。該優(yōu)勢在反應(yīng)器負(fù)載狀態(tài)下得到進(jìn)一步驗(yàn)證，四周曝氣方式更有助于反應(yīng)器溫度場均勻分布。

2）曝氣和攪拌均有利于反應(yīng)器溫度場分布均勻，尤其是曝氣速率對溫度場的影響非常明顯。0.75 m3/h的最佳曝氣速率條件可使不同曝氣位置情景下反應(yīng)器內(nèi)部溫度場得到優(yōu)化。