序批式好氧发酵一体化反应器的研制与验证

冯康; 赵立欣; 孟海波; 沈玉君; 周海宾; 程红胜; 王黎明

doi:10.12030/j.cjee.201803016

序批式好氧发酵一体化反应器的研制与验证

1.
黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319
2.
农业部规划设计研究院农村能源与环保研究所，农业部资源循环利用技术与模式重点实验室，北京100125
基金项目:
国家科技支撑计划课题(2015BAL04B03)

Development and verification of integrated reactor with sequencing batch aerobic fermentation

1.
College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China
2.
Key Laboratory of Technologies and Models for Cyclic Utilization from Agricultural Resources, Ministry of Agriculture,Institute of Energy and Environmental Protection, Chinese Academy of Agricultural Engineering, Beijing 100125, China
Fund Project:

摘要: 好氧堆肥是农村有机废弃物资源化利用、减少农村面源污染的有效途径之一，为解决农村固废堆肥的设备短缺的问题，设计了一种序批式好氧发酵一体化反应器，并开展了反应器堆肥验证实验。设备主要包括5个发酵单元、除臭系统、密闭箱体和自动控制系统，发酵仓采用“U”型结构，有效容积100 L，可提供最大25 L?min-1空气量，曝气精度0.1 L?min-1，翻抛轴转速7.2 r?min-1，采用离子除臭装置在密闭箱体内完成除臭过程。自控系统可实现5组发酵装置的自动控制和数据管理，通过不同含水率的物料进行好氧堆肥实验，进行物理、化学指标的综合评价，结果表明，该反应器一体化程度高，堆肥效果符合有机肥无害化标准，可实现序批式堆肥。该设备解决了传统堆肥连续性差、自动化程度低的问题，可为农业废弃物资源化利用提供技术支撑。
- 农村废弃物 /
- 一体化 /
- 好氧发酵 /
- 反应器
Abstract: Aerobic composting is one of the effective ways to recycle organic waste and reduce rural non-point source pollution in rural areas. However, it is a hortage of organic solid waste composting equipment. In this study, a sequential batch aerobic fermentation integrated reactor was designed and a reactor compost verification test was conducted, respectively. The equipment mainly includes five fermentation units, deodorization system, sealed box and automatic control system. The fermentation tank adopts a “U” type structure, and the effective volume is 100 L,which can provide a maximum air volume of 25 L?min-1 , aeration accuracy of 0.1 L?min-1，and the rotating shaft speed of 7.2 r?min-1, and the deodorization process is completed in an enclosed box using an ion deodorizing device. The automatic control and data management of five groups of fermentation device can be realized. The comprehensive physical and chemical evaluation of aerobic composting test is carried out through the materials with different moisture content. The results showed that the reactor with a high integration can realize the hamless production and sequencing batch aerobic fermentation, whose effect is considence with standard of organic fertilizers.The problems such as traditional poor continuity and low automation can be solved by using this equioment, which can provide technical support for the resource utilization of agricultural waste in villages and towns.
- rural waste /
- integrated /
- aerobic fermentation /
- reactor

近年来，农村经济社会的快速发展导致垃圾产量的逐年递增，由于农村地区垃圾管理制度与垃圾处理设备的普遍落后，我国农村污染占全国污染总量的1/3以上^[1]。农村垃圾主要由废弃秸秆、餐厨垃圾及畜禽粪污等有机废弃物组成，好氧堆肥是有机废弃物资源化、减量化与无害化处理的重要途径^[2]，经高温腐熟后的有机肥不仅有修复和改善土壤结构、增加土壤肥力的功效^[3]，还可有效减少农村面源污染、氮元素流失等，进一步提高农村有机废弃物利用水平^[4]。

容器式好氧堆肥具有腐熟周期短、物料发酵均匀、自动化程度高及二次污染少等优点被广泛研究与运用，因此，好氧堆肥设备具有较好的市场前景和较高的实用价值^[5]。目前，好氧堆肥设备种类繁多且装备技术较为成熟，运用较为广泛的主要有滚筒式反应器、仓式反应器和塔式反应器等，各类反应器性能各异，可适应不同规模、不同物料、不同工艺和不同自动化程度的堆肥要求^[6]，例如：滚筒式堆肥设备不仅能实现物料自动翻抛与曝气，还可以根据物料要求调节水分，但建设成本和主机耗能较高；塔式堆肥设备可采用分层发酵模式，利用重力翻板可实现物料翻抛，但是物料堆肥不均匀，存在板结现象，翻板无法实现彻底均匀化，推广困难；仓筒式反应器适用密度小、孔隙大的物料，设备结构较简单，多存在翻抛不彻底，易产生厌氧反应，废水废弃直接排放等缺点。

综合多种反应器特征和性能，本研究提出序批式一体化容器式堆肥工艺，并对关键参数做了深入分析，开发出可连续好氧堆肥的生产工艺及反应器，在此基础上进行了堆肥验证。该反应器具有搅拌曝气均匀、堆肥过程自动控制、操作简单、制造和运行成本低、二次污染少和连续性强等优点，可为农村生产生活有机废弃物肥料化利用提供一体化技术和装备支持。

1 工作原理与整机结构的设计

1.1 工作原理

好氧发酵一体化反应器主要通过对物料进行一次堆肥和腐熟控制，待单个发酵装置无害化完成后出料，再填入下一批新料，以实现反应器序批式运行，堆肥产生的臭气进行离子除臭处理，连接自控系统对各环节进行多元反馈和数据管理，整个堆肥过程均在密闭箱体内完成，工作原理如图1所示。

1）发酵装置是物料好氧堆肥的主要场所，通过曝气、搅拌等控制堆体内含氧量、水分、温度等参数，促进微生物降解转化有机物，达到灭菌、杀死虫卵和草籽的效果^[7]。

2）臭气处理系统通过离子除臭器，在高压电场作用下产生大量正、负氧离子，可在极短时间内氧化分解NH₃、H₂S和VOCs等有害气体，生成CO₂和H₂O等小分子，达到快速实现臭气处理的目的^[8]。

3）自控系统利用CPU编程实现无人监控、自我管理、运行等^[9]，通过预设程序实现不同阶段搅拌、曝气频率及时间调控、臭气处理频率、数据实时采集和管理，实现反应器节能、环保运行。

4）密闭箱体采用钢架结构并外覆保温材料，形成封闭状态，减少臭气逸出，提高除臭系统工作效率，同时降低反应器对环境要求，保证较低温度下堆肥正常进行。.

图1 一体化反应器工作原理及流程
Fig.1 Working principle and process of integrated reactor

1.2 整机结构

序批式好氧发酵一体化反应器包括发酵装置、除臭系统、自动控制系统和密闭工作箱4部分，结构如图2所示。

图2 反应器结构示意图
Fig.2 Schematic diagram of reactor structure

该反应器含5组发酵装置，每组均独立进行检测、反馈和物料的整进整出，根据有机固废的产量、发酵时间等，确定发酵装置的单个使用周期，相互配合完成发酵任务，实现反应器连续的一次堆肥工作。

除臭系统包括负压风机和离子除臭器，发酵过程中产生的臭气通过负压风机收集到离子除臭器内完成氧化分解。

自动控制系统通过编程调节发酵装置的搅拌和曝气频率、进行离子除臭及定时记录和处理堆体参数，形成历史数据库和历史曲线，记录各系统历史工作情况。

密闭箱体是完成整个发酵过程的主要场所。

1.3 关键部件设计

1.3.1 发酵仓体

发酵仓应具有优良的保温性，物料有效搅拌与曝气，发酵过程结束顺利出料。发酵仓表面积越小，堆体越有利于保温，在有效容积不变的前提下，尽量减小表面积，根据反应器物料处理量和工艺要求，发酵仓设计为无死角、有利于物料流动的“U”型结构（见图3），有效减小发酵仓表面积，方便曝气孔的分布及搅拌结构的布置。

图3 发酵装置示意图
Fig.3 Schematic diagram of fermenting device

根据席北斗等^[10]对翻转式堆肥反应装置设计，发酵仓设计应满足以下条件（式（1））：

$Q_{in} > Q_{out . W} + Q_{out . E} + Q_{out . S} + Q_{out . A}$

（1）

式中：Q_in为堆肥物料的产热量；Q_out.W为水分蒸发带走的热量；Q_out.E为散失在环境中的热量；Q_out.S为堆肥物料升温所需的热量；Q_out.A为加热空气所需的热量。

发酵装置为间歇式好氧堆肥工艺，根据公式（2）计算发酵仓体积^[11]。

$\frac{mTA}{ρ} = {(\frac{D}{2})}^{2} π LB$

（2）

式中：m为进料的重量，kg；T为堆肥的周期，d；ρ为物料密度，一般取500~700 kg∙m⁻³；A为堆肥进程中体积收缩率；B为堆肥物料填充率，一般为65%~85%；D为发酵仓筒体的直径，mm；L为发酵仓体的高度，mm。

设定进料量m=60 kg，发酵周期15 d，取A=1，B=65%，ρ=700 kg∙m⁻³，计算“U”型仓半圆内径450 mm，矩形发酵仓部分长×宽×高=500 mm×450 mm×270 mm，总有效容积100 L。该发酵仓体为卧式结构，热量散失的主要方式为热传导，即仓内热量通过仓体与环境进行热量交换，根据堆肥规模，直径小于2.25 m需要采取保温措施^[12]，经计算，“U”型仓采用双层304不锈钢结构，夹层填充50 mm保温岩棉，“U”型发酵仓中部均布3个不同长度温度探测点，仓体内布置搅拌结构，仓体外壁均布曝气孔，进料口与出料口保证密封性，以提高系统供气能力。

1.3.2 曝气系统

空气量的控制是维持好氧堆肥正常进行的必要条件。如果堆体与氧气接触不够充分，将导致好氧发酵的微生物活性被抑制，同时，物料在发酵过程中产生的大量水蒸气，需要通过强制曝气排出发酵仓，以最大通风量作为计算依据，包括微生物需氧量和排水需气量^[13]。

微生物需氧量根据堆体供氧量化学方程式模型^[14]进行分析计算：

$C_{6} H_{12} O_{6} + 6 O_{2} = 6 {CO}_{2} + 6 H_{2} O$

（3）

计算可得，干物料为1 kg时,氧化的有机质为0.125 kg，则微生物需空气量为480 L，按照初始物料含水率65%计算，分解1 kg物料的空气需求量为168 L，设物料密度为700 kg∙m⁻³时，发酵仓按75%有效使用率填料，填料量为53.2 kg，总通风量为8 938 L空气，采用间歇式曝气模式，累计通风时间为15 d，计算时段通风量Q₁ = 0.41 L∙min⁻¹。

排水需气量根据单位质量干物质水分蒸发量公式^[15]进行计算：

$M_{s} = \frac{1 - S_{e}}{S_{e}} - \frac{1 - V_{e}}{1 - V_{r}} \frac{1 - S_{r}}{S_{r}}$

（4）

式中：M_s为单位质量干物质水分蒸发量；S_e为最终物料含水率；V_e为最终物料挥发度；V_r为初始物料挥发度；S_r为初始物料含水率。

按照初始物料含水率65%、腐熟完成后含水率为30%，初始挥发度与最终挥发度一致，计算得，1 kg干物料的水分蒸发量为1.79 kg，假设进入仓体的空气全部为20 ℃的饱和空气，出口处为60 ℃的饱和空气，为去除堆体中总33.32 kg多余水分，根据通风量公式^[16]计算为：

$\begin{array}{l} Q_{2} & = \frac{m_{p} (1 + λ) \times 10^{3}}{24 (ρ_{60} K_{60} - ρ_{20} \cdot K_{20})} = 9.93 L \cdot \min^{- 1} \end{array}$

（5）

式中：Q₂为去除物料中水分所需的通风量，L∙min⁻¹；ρ₂₀为20 ℃下饱和空气密度，kg∙m⁻³，取ρ₂₀=1.195 kg∙m⁻³；ρ₆₀为60 ℃下饱和空气密度，kg∙m⁻³，取ρ₆₀=0.981 kg∙m⁻³；K₂₀为20 ℃下饱和空气含湿量，g∙kg⁻¹干空气，K₂₀=14.7 g∙kg⁻¹；K₆₀为60 ℃下饱和空气含湿量，g∙kg⁻¹干空气，K₆₀=152 g∙kg⁻¹；λ为风机漏气系数，λ=0.15。

曝气压力是好氧堆肥供气性能优良的保证，要使气流克服通风管道阻力，到达堆体的绝大部位，因此风机风压^[17]可由式（6）确定：

$Δ p = Δ p_{y} + Δ p_{j} + Δ p_{v}$

（6）

式中：∆p为压力损失，Pa；∆p_y为沿程阻力，Pa；∆p_j为局部阻力，Pa；∆p_v为堆体压力降，Pa。

曝气沿程阻力和局部阻力的计算应选择供气系统中最不利的环路等，选择气流路径最长的路径计算:

$Δ p = \sum_{i} R_{m i} l_{i} + p_{d i} ξ_{i} + 1 000 H$

（7）

式中：i为不同环路，取i=1、2、3……；l_i为最不利环路中曝气管长度，m，取l_i=0.7 m；R_mi为曝气管单位长度摩擦阻力，Pa∙m⁻¹，取R_mi=0.23 Pa∙m⁻¹；ξ_i为曝气管中弯头、变径管等局部阻力系数，取ξ_i=0.7；p_di为经过弯头、变径处气体动压，Pa，取p_di=0.38 Pa；H为堆体高度，m，取H=0.675 m。

根据微生物需氧量Q₁和排水需气量Q₂计算结果，曝气系统的供气量应不低于Q₁+Q₂=10.34 L∙min⁻¹，该系统设定为间歇通风模式，计算得∆p=675 Pa，采用最大曝气量60 L∙min⁻¹电磁式空气泵，曝气压力为0.03 MPa≥675 Pa，气体流量计选用范围0~25 L∙min⁻¹，精度为0.1 L∙min⁻¹，可满足堆体内空气的精确控制。

1.3.3 翻抛结构

物料在腐熟过程中，菌群反应活力不同、物料分布不均匀，堆体内氧气、温度分布差异大。搅拌机构可增大发酵仓内堆体流动性，使物料趋于均一化。本结构根据堆肥物料流动性差、黏度高的特征，采用桨叶式搅拌，如图4所示，桨叶垂直紧定在主轴上，并与轴线有一定夹角，桨叶顶端固定有搅拌片，主轴旋转时，桨叶及搅拌片随之在容器中带动周围物料搅动，可有效覆盖整个发酵仓，较彻底地搅拌仓体内堆肥物料，该结构相对简单，径向搅拌能力强，易于维护和更换，但轴向混合功能较弱。

图4 翻抛结构示意图
Fig.4 Schematic diagram of flip structure

1.3.4 除臭系统

处理好氧堆肥产生的臭气，本设备采用末端控制的途径。该设备工作环境密闭，待处理空间约24 m³，5组发酵系统同时工作时，会产生大量含氮和硫元素的臭气，因此，采用离子除臭方式更为高效、合理，选用XR系列离子除臭器装置，该除臭装置主要包含离子除臭器和负压风机2个部分，适用10 m²左右面积的工作空间，空气净化量300 m³∙h⁻¹，可满足该堆肥过程所产臭气的有效去除及工作箱内外空气的流通与平衡。

1.4 技术参数与性能指标

根据堆肥反应器生产与堆肥工艺要求，序批式好氧发酵一体化反应器主要技术参数及性能指标设计如表1所示。

表1 主要技术参数
Table 1 Main technical parameters

表1 主要技术参数
**Table 1** Main technical parameters
总长/mm	总宽/mm	总高/mm	空气泵功率/（kW∙h⁻¹）	搅拌电机功率 /（kW∙h⁻¹）	单个容积/L	搅拌轴转速/（r∙min⁻¹）	空气泵流量/（L∙min⁻¹）	配套总功率/kW
6 000	2 100	2 100	0.37	0.385	100	7.2	60	3.985

2 堆肥实验

2.1 实验设计

原料采用河北省邢台县前南峪村有机垃圾，该村已建立完善的垃圾收储制度，便于垃圾收集利用。

堆肥前，将玉米秸秆切碎至1.5 cm左右充当调理剂，按鸡粪：玉米秸秆质量比按42 kg:7 kg均匀混合，调节含水率至65%左右，碳氮比25:1左右。混合物料及各原料的总有机碳质量分数（TOC）、总氮质量分数( TN)、碳氮比( C/N) 、含水率( MC) 、挥发性固体质量分数( VS)及物料pH等基本理化特性见表2。

表2 物料基本理化特性
Table 2 Basic physical and chemical properties of materials

表2 物料基本理化特性
**Table 2** Basic physical and chemical properties of materials
物料	TOC/%	TN/%	C/N/%	MC/%	VS/%	pH
玉米秸秆	42.53	0.76	55.92	6.33	84.15	7.116
鸡粪	28.16	2.31	13.09	75.3	62.71	7.93
混合物料	33.76	1.59	21.23	65.45	74.82	7.81

堆肥过程采用间歇翻抛及间歇曝气（曝气18 min∙h⁻¹，每24h翻抛1 min），物料腐熟评价指标选用温度、含水率、EC、pH、挥发性固体质量分数、碳氮比以及种子发芽指数，综合各指标对设备进行评价。

2.2 实验结果与讨论

2.2.1 物料感官特征

堆肥初期，混合物料为浅黄色松散态且臭味浓烈，经15 d堆肥腐熟后，堆体物料呈深褐色松散状，刺激性气味不明显，物料表面分布有白色丝状物。

2.2.2 堆体温度

堆体的温度变化规律，可间接反应物料中菌群活动的强弱与物料腐熟所属的阶段。物料中的有机物在微生物参与下，发生不同程度的新陈代谢，分解成CO₂和H₂O，同时释放热量促进堆体升温。堆肥初期环境温度较低，约9 ℃左右，但密闭箱体内温度随堆肥阶段变化较大。如图5所示，由于初始环境温度较低，堆体升温较慢，但从第2天开始，升温速率显著提高，第3天堆体温度可达50 ℃左右，且55 ℃及以上高温期开始稳定并保持5 d左右，可达到有机肥的无害化标准（GB 7959-2012）。

图5 堆肥温度随时间的变化
Fig.5 Change of temperature of composting with time

2.2.3 有机质质量分数

许多研究证明，有机肥中的有机质几乎都是挥发性固体，因此，可根据挥发性固体量推算有机质比例。有机质代表物料中利于微生物分解和转化的不稳定有机质，当物料中的有机质含量较高，菌类等微生物具有大量的可利用能源，有效促进堆体升温，随着堆肥过程的进行，有机质含量逐步降低，堆体温度也会下降，腐殖质含量随之增加^[18]，根据我国有机肥标准（NY 525-2012）规定，有机肥中有机质质量分数＞45%^[19]。如图6所示，物料初始挥发性固体约72.82%，随着堆肥过程的进行，物料中的有机质含量降解率持续升高，经15 d堆制后的物料有机质质量分数约62%，经一次堆肥后，有机质降低约102.8 g∙kg⁻¹，物料二次堆肥时有机质降解率会有所降低，因此，腐熟后的物料有机质符合标准。

图6 有机质质量分数随时间的变化
Fig.6 Changes in mass fraction of organic matter with time

2.2.4 pH与EC

研究表明，好氧堆肥适宜pH在6~9之间^[20]。如图7所示，初始物料pH为7.8，随着反应的进行，微生物新陈代谢旺盛，产生大量有机酸等中间产物，pH降低至7.5左右，但随着堆肥过程中有机酸等进一步降解以及NH₃产量不断增加，堆体的pH快速升高至8左右，随着高温腐熟的进行，堆体的pH呈上升趋势，最终稳定在8.5左右。

图7 堆体pH随时间的变化
Fig.7 Change of pH of heap with time

堆体中EC值反映了物料浸提液中盐离子含量，可反映出堆肥物料对种子的毒害性，可作为判断物料腐熟度的一个必要条件，一般当物料EC值小于4.0 mS∙cm⁻¹时，对种子无毒害作用。如图8所示，堆体初始EC值为3.8 mS∙cm⁻¹，由于堆体中大分子的水解导致EC值提高至4.25左右，但随着高温期的持续，堆体的pH逐步提高，导致堆体中的盐离子含量因沉淀而逐渐降低，经15 d的一次堆肥后，堆体的EC值降低至3 mS∙cm⁻¹以下，对种子无毒害作用。

图8 堆体EC值随时间的变化
Fig.8 Change of EC value of heap with time

2.2.5 含水率

堆肥中的水分不仅可维持微生物新陈代谢，还可通过蒸发调节堆体温度，是好氧堆肥能否正常进行的关键因素之一，根据《生物有机肥》（NY 525-2012）规定，堆肥成品含水率应低于35%。如图9所示，物料初始含水率为65%，在堆肥初期含水率有所提高，但随着堆肥阶段的进行，水分一部分被微生物利用，另一部分随水蒸气大量蒸发，结果显示，最终物料含水率降至42.27%，反应器满足堆肥过程的水分调节，经二次堆腐后可降低至35%以下，该反应器水分散失能力较好。

图9 堆体MC随时间的变化
Fig.9 Change of MC of heap with time

2.2.6 种子发芽指数

种子发芽指数可判断有机肥对种子的毒害作用，种子发芽指数高于50%，有机肥对种子基本无毒害作用，发芽指数高于85%，有机肥对种子完全无毒害。如图10所示，原料的种子发芽指数为2%左右，堆肥过程中，物料的种子发芽指数呈上升趋势，经15 d堆肥后，物料的种子发芽指数为60.23%，对种子基本无毒，但还未达到完全无毒害，需进行二次堆肥。

图10 种子发芽指数随时间的变化
Fig.10 Change of seed germination index with time

3 结论

1) 设计的序批式好氧发酵一体化反应器，通过每日进料、整进整出实现了5组发酵装置序批式工作，保证堆肥连续进行，自动控制系统可实现自动记录、数据管理等多元反馈，实现发酵过程自动控制。

2) 反应器各项功能满足设计要求，曝气系统满足堆体对通风压力和风量要求，搅拌装置提高物料通气效率，除臭系统有效减少臭气的排放，仓体保温效果良好，设备运行稳定性良好，无害化周期短。

3) 采用本反应器堆肥，物料经15 d发酵，pH、EC分别为8.5和3 mS∙cm⁻¹，堆体2~4 d可达高温期，腐熟种子发芽率在60%以上，对种子基本无毒害，蛔虫卵死亡率100%，15 d基本达到有机肥无害化要求。

4) 反应器作为序批式好氧发酵的中试设备，本实验仅做了鸡粪、玉米秸秆的堆肥实验，由于有机废弃物种类众多，还需补充其他类型物料进行实验，以更全面地验证反应器堆肥效果。

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