基于Fluent 流場模擬的立式好氧堆肥反應器設計及試驗驗證

宋 楊，黃鵬程，袁興茂，劉 雙，王雅雅,5,6，郝建軍,5,6

（1.河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071001；2.張家口市鄉(xiāng)村振興促進中心，河北 張家口 075000；3.河北省農(nóng)業(yè)機械化研究所有限公司，河北 石家莊 050051；4.河北省畜牧總站，河北 石家莊 050035；5.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部肉蛋雞養(yǎng)殖設施工程重點實驗室，河北 保定 071001；6. 河北省畜禽養(yǎng)殖智能裝備與新農(nóng)源利用重點實驗室，河北 保定 071001）

近年來，隨著我國養(yǎng)殖業(yè)和食用菌栽培產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，相應地產(chǎn)生了大量的廢棄物。據(jù)統(tǒng)計，目前我國畜禽糞污產(chǎn)量約3.8×109t/年［1］，蘑菇廢料約500 萬t/年，但大多數(shù)未得到合理處置，造成了嚴重的環(huán)境污染和資源浪費［2］。香菇菌渣和雞糞的利用途徑主要有飼料化、肥料化等，其中好氧堆肥因其降解率高、操作簡單、成本低、效益高等優(yōu)點［3,4］，是目前采用最多的處理方法。目前，傳統(tǒng)的條垛式堆肥、槽式堆肥等存在占地面積大、處理時間長和腐殖化效率低等缺點［5］，反應器堆肥可以處理大量的廢棄物而不占用過多空間，封閉條件下，最大限度減少對環(huán)境的污染且能更好地控制溫度、通風等條件，使物料快速腐熟，縮短反應周期［6］，成為當前研究熱點。

目前，普遍采用的強制通風反應器可有效縮短堆肥周期，提高堆肥質量，但存在著發(fā)酵體積小，通氣量小等問題［13-18］。好氧堆肥原料性質、反應器形狀等差異，致使堆肥過程中腐熟度均一性差。針對上述問題，本文設計了有效容積為1 m3的立式好氧堆肥反應器，采用強制間歇式通風和攪拌使物料快速達到均一化腐熟效果，并通過堆肥試驗對反應器的性能進行驗證，為實際堆肥工程提供理論依據(jù)。

1 強制通風反應器設計

如圖1 所示。

圖1 立式好氧堆肥反應器示意圖(單位:mm)Fig.1 Structure of vertical aerobic compost bioreactor(Unit:mm)

反應器主要由罐體、進料口、攪拌裝置、出料口等組成，圓柱形罐體采用304 不銹鋼，外壁設置了中空保溫層。罐體頂部設有排氣口和保溫層注液口，側壁分別設有上、中、下3 個取樣口和3 個溫度傳感器，底部設有強制通風系統(tǒng)、滲濾液收集口和保溫層出水口。

1.1 發(fā)酵倉確定

在堆肥反應器設計中，堆肥裝置維持堆體溫度的必要條件為［7-8］：

式中，

Qin——堆肥物料的產(chǎn)熱量，kJ；

Qout,W——水分蒸發(fā)帶走的熱量，kJ；

Qout,E——散失在環(huán)境中的熱量，kJ；

Qout,S——堆肥物料升溫所需熱量，kJ；

Qout,A——通風供氧所需熱量，kJ，在堆肥過程中值較小，可忽略不計。

式中，

M0——堆料中的干基質，kg；

H0——堆肥發(fā)熱量，14.2×103kJ/kg；

ζ——原料中的有機質含量，0.5 g/g；

Δζ——有機質降解率，35 %。

式中，

H1——水分蒸發(fā)熱，2.44×103kJ/kg;；

w0——物料初始含水率；

w——堆肥結束時物料含水率；

Cpw——水比熱容，4.2 kJ/kg；

T0——物料的初始溫度，15 ℃。

式中，

T——堆肥過程中最高溫度，℃；

Te——環(huán)境溫度，℃。

式中，

u——傳熱系數(shù)，0.5 kJ/m2·℃；

S——總面積；

d——傳熱距離（50 mm 的保溫層）

假設堆肥物料初始含水率為65 %，堆肥結束時物料含水率為45 %；有機物質量比為0.5 g/g；有機質降解率為35 %；堆肥過程中堆體的最高溫度為65 ℃且保持3 d，環(huán)境溫度為15 ℃；堆肥固體比熱容為1.046～1.214 kJ/kg·℃［9］，選取1.05 kJ/kg·℃。

則由式（1）～（6）得出S/M0＜0.52。

若堆肥反應器直徑為1 100 mm、高為1 350 mm，S/M0=0.003 ＜0.52 滿足保溫條件。

因此，反應器的有效容積約為1 m3，罐體圓柱形結構，高徑比為設為1.2［10］，高H為1 350 mm，內(nèi)徑D為1 100 mm，反應器外壁設置50 mm 的中空保溫層。S/M0=0.003 ＜0.52，符合維持反應器內(nèi)部的溫度條件。

在罐體底部安裝10 mm 厚的滲濾液層以防堆肥過程有滲濾液流出；為研究堆肥過程中堆料腐熟度的均一性，根據(jù)反應器的高度與所裝物料的體積，在距離反應器底部300 mm 處設置3 個間距為400 mm、直徑為60 mm 的取樣口；在距離反應器底部350 mm處裝有3 個間距為300 mm 的溫度傳感器。

1.2 攪拌系統(tǒng)確定

攪拌裝置在堆肥反應器中可增加物料與空氣的接觸面積，使物料混合更加均勻。本文選用黏度適應范圍大、結構簡單、成本低的3 層槳式攪拌器（圖2）。

圖2 攪拌裝置結構示意圖Fig.2 Structure of agitator unit

攪拌槳葉直徑d與發(fā)酵罐內(nèi)徑D之比d/D為0.35 ～0.80，取0.77；槳葉寬度b與槳葉直徑d之比b/d為0.1 ～0.25，取0.12［11］，確定攪拌葉片直徑為850 mm，葉片寬度為100 mm，葉片厚度δ為10 mm，葉片中間200 mm 處至末端400 mm 處傾斜角度為45°，攪拌軸直徑為50 mm。為避免攪拌葉片在工作過程中與溫度傳感器發(fā)生碰撞，將底層葉片安裝在距離發(fā)酵罐底部30 mm 處，葉片間距為300 mm。攪拌速率設置為20 r/min，每24 h 攪拌1 次，1 min/次。

1.3 通風系統(tǒng)確定

1.3.1 通風量的確定 在堆肥過程中，通風量對物料的降解率和溫度有很大的影響。通風量不足會導致物料發(fā)生厭氧反應，而通風量過大會帶走物料本身熱量使其溫度下降起不到殺害病蟲菌的作用［12-14］。堆肥過程中失去水的質量MW=51.25 kg［15-16］，該試驗采用間歇式通風，通風30 min，停止30 min，堆肥周期為50 d，累計通風時間為25 d，因此，堆肥過程中每天損失水的質量為2.05 kg，根據(jù)公式［17］

式中，

Q水——堆肥過程中去除水分所需的通風量；

γ——風機泄露系數(shù)，0.18；

ρ55——55℃飽和空氣密度，1.013 kg/m3；

ρ20——20℃飽和空氣密度，1.195 kg/m3；

κ55——55℃飽和空氣含濕量，114 g/kg；

κ20——20℃飽和空氣含濕量，14.7 g/kg。

計算可得，堆肥過程中去除水分所需的通風量Q水=1.26 m3/h。

堆肥過程中微生物所需要的通風量計算：

式中，

Q微——堆肥過程中微生物所需通風量；

q——1 m3堆體所需通風量，0.1 m3/m3；

ε——發(fā)酵倉物料填充率，0.8；

V——發(fā)酵倉體積，1 m3；

γ——風機泄露系數(shù)，0.18。

計算得堆肥過程中微生物所需的通風量Q微=5.67 m3/h。

因Q水+Q微=6.93 m3/h，為保證堆肥結束時堆體腐熟度的質量，因此反應器的風機風量應大于6.93 m3/h。本文采用強制間歇通風方式，通風頻率為通風30 min/次；通風速率根據(jù)文獻［18］可知，減少雞糞堆肥時有害氣體排放的通風速率為0.1 m3/(min·m-3)，綜合考慮，本文試驗通風速率設置為0.067 m3/(min·m-3)。

1.3.2 通風裝置的設計 反應器的布氣裝置結構如圖3 所示。

圖3 通氣篩結構示意圖Fig.3 Structure of Ventilating screen

設置在發(fā)酵罐底部，距離發(fā)酵罐底板50 mm 處設有進氣口，連接的進氣管內(nèi)徑為10 mm，鋪設曝氣管內(nèi)徑為16 mm；在距離底板100 mm 處設有孔徑為10 mm的通氣篩，起到擴大集氣面積，出氣均勻的作用。

2 基于Fluent 攪拌裝置的流場分析

2.1 模型的建立與網(wǎng)格的劃分

發(fā)酵罐主體的三維模型采用SolidWorks 軟件完成，將三維模型導入Mesh，對罐體進行布爾運算計算出攪拌區(qū)域，采用滑移網(wǎng)格法設置旋轉區(qū)域和固定區(qū)域模擬攪拌葉片在罐體中的攪拌運動。模型采用適應性強的非結構化四面體網(wǎng)格，分為固定區(qū)域和旋轉區(qū)域兩部分計算，并對旋轉葉片表面的網(wǎng)格進行加密，壁面設置5 層膨脹層。兩部分網(wǎng)格總數(shù)為290 萬左右，平均單元網(wǎng)格質量為0.81 左右。

2.2 邊界條件的設置及初始參數(shù)確定

反應器壁面設置為無滑動邊界界面，攪拌軸和攪拌葉片設置動區(qū)域，壁面設置為靜區(qū)域，靜區(qū)域保持相對靜止，轉動區(qū)域和相對靜止區(qū)域的交界面設置為Interface 面。立式好氧堆肥反應器，轉速通常為20 ～60 r/min［19］，考慮到本研究發(fā)酵罐體積稍大且轉速太快會造成過量菌體被剪切而影響發(fā)酵，所以該發(fā)酵罐的轉速設置為20 r/min，轉動方向為順時針。沿y軸負方向設置重力加速度g=9.8 m/s2，物料的黏度設定為32.5 Pa·s，密度為1 400 kg/m3［20］。

2.3 計算結果分析

yoz面上的速度云圖如圖4 所示，由圖可知整個攪拌區(qū)域內(nèi)的速度分布較為均勻，速度由攪拌中心向外呈逐漸升高的趨勢，最大速度出現(xiàn)在槳葉末端處及其周圍。

yoz面上的速度矢量圖如圖5 所示，由圖可知物料在攪拌葉片靠近攪拌軸區(qū)域及攪拌中心處向發(fā)酵罐底部方向運動，而在葉片傾斜45°處產(chǎn)生了逆向軸向運動，使物料在整個攪拌區(qū)域中有規(guī)律地循環(huán)運動。由圖4 可得，轉動速度增大，流場速度也相應地變大，與實際情況相符合。

圖4 速度分布云圖Fig.4 Velocity contour

圖5 速度矢量圖Fig.5 Velocity vector

壓力分布圖如圖6 可以看出，由攪拌中心向攪拌葉片的末端壓力逐漸增大，靠近反應器內(nèi)壁處壓力最大。在攪拌作用下，物料對反應器內(nèi)壁具有沖擊作用，與物料實際流動和分布狀態(tài)一致。壓力分布與流速分布變化趨勢一致，即隨著速度的逐漸增加，壓力逐漸增大。

圖6 壓力分布云圖Fig.6 Pressure contour

3 堆肥反應器試驗驗證與結果分析

3.1 試驗設計

試驗以鮮雞糞和香菇菌渣為原料按濕重比4∶1均勻混合進行堆肥，碳氮比為20.30，含水率調(diào)節(jié)為61 %，鮮雞糞取自保定市清苑區(qū)西洪義村某養(yǎng)雞廠，香菇菌渣取自保定市阜平縣水磨村某香菇種植基地，并將其粉碎至1 ～2 cm，香菇菌渣、雞糞和初始物料的初始理化性質如表1 所示。堆肥過程中采用強制間歇式通風和攪拌，通氣頻率為30 min/次，攪拌頻率為每24 h 攪拌1 次，1 min/次。發(fā)酵過程中每天分別測定堆體O2濃度和上、中、下3 層堆體溫度。在堆肥的第0、1、3、5、7、9、11、13、15、23、28、38 和50 天進行取樣，每層取樣品200 g，用于測定種子發(fā)芽指數(shù)（GI）等理化指標衡量發(fā)酵罐性能以及堆肥腐熟度。GI根據(jù)公式（9）計算。

表1 初始物料理化指標Table 1 Physical and chemical index of raw material

式中，

RGI——種子發(fā)芽指數(shù)；

A1——發(fā)芽率；

A2——堆肥浸提液培養(yǎng)種子的根長；

B1——蒸餾水培養(yǎng)種子的發(fā)芽率；

B2——堆肥浸提液培養(yǎng)種子的根長。

3.2 結果分析

3.2.1 溫度的變化 堆體上、中、下3 層的溫度變化如圖7 所示。

圖7 堆肥過程中溫度變化曲線Fig. 7 Curve of temperature during composting

3 層溫度均在第3 天后迅速上升，中層堆體溫度在第4 天最先達到55 ℃以上且維持20 d；堆體上層溫度在第7 天達到55 ℃以上且維持14 d ；堆體下層溫度在第8 天達到55 ℃以上且維持6 d，這與該反應器通風系統(tǒng)在底部，下層散熱較快有關；整個堆肥過程中，上、中、下3 層堆體的最高溫度分別為59.4 ℃、61.0 ℃和58.9 ℃，高溫期均持續(xù)3 d 以上，符合相關無害化標準規(guī)定［21］。另外，堆肥過程中3 層堆體的溫度均無顯著差別（P＞0.05）。

3.2.2 O2濃度的變化 O2濃度變化如圖8 所示，在堆肥前9 d，微生物快速繁殖消耗O2，使堆體O2濃度呈下降趨勢，同時釋放出大量熱量，這與堆肥前7 d溫度快速上升至高溫期相一致（圖7），在第8 天降至最低，為13.1 %，下降幅度為5.7 %，這是由于進入高溫期以后，部分微生物的生長受到高溫抑制而反應緩慢。而后O2濃度逐漸上升，直至堆肥結束O2濃度維持在20 %左右。整個堆肥過程中，堆體O2濃度均維持在10 %以上，滿足好氧堆肥的供氧需求［22］。

圖8 堆體氧含量的變化曲線Fig.8 Curve of oxygen content during composting

3.2.3GI的變化GI可以直觀地評估堆體毒性和腐熟度［23］。研究表明種子發(fā)芽指數(shù)GI≥80 %時，堆體達到腐熟指標［24］。由圖9 可知，GI呈逐漸升高的趨勢，在堆肥前期GI較低，第0 天是22.22 %，隨著堆肥的進行GI逐漸升高，第23 天后均達到80 %以上，堆肥結束時分別為112.03 %、112.03 %和109.46 %，即本試驗上、中、下3 層堆體均完全腐熟，且3 層無顯著差異（P＞0.05）。

圖9 堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)變化曲線Fig.9 Curve of GI during composting

4 結論

（1）研制了容積為1 m3、3 層槳式攪拌葉片且末端傾斜45°的立式好氧堆肥反應器，F(xiàn)luent 對內(nèi)設攪拌裝置進行流場模擬證實物料逆向軸向循環(huán)運動，可保持物料均一化，為實際堆肥工程的攪拌裝置提供參考。

（2）以香菇菌渣和鮮雞糞為原料的反應器堆肥性能試驗驗證，堆體上、中、下3 層的溫度、GI均無顯著差異（P＞0.05），且達到腐熟標準，O2含量均在10 %以上，堆體處于好氧狀態(tài)。證明該反應器可使堆體內(nèi)部達到均一化腐熟的效果，為其在實際堆肥工程的應用提供理論依據(jù)。