張茜　林將　何子俊　郭光星　江娟

(文華學(xué)院城市建設(shè)工程學(xué)部　武漢 430074)

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好氧堆肥反應(yīng)器設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究*

張茜林將何子俊郭光星江娟

(文華學(xué)院城市建設(shè)工程學(xué)部武漢 430074)

摘要設(shè)計(jì)了具有氣液固三相收集功能的強(qiáng)制通風(fēng)自動(dòng)攪拌好氧堆肥反應(yīng)器，并對(duì)其進(jìn)行了好氧堆肥性能試驗(yàn)，通過監(jiān)測(cè)溫度、pH、含水率、COD、BOD5、重金屬(Cu)、種子發(fā)芽率、熱值等指標(biāo)來判定堆肥效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，反應(yīng)器使堆肥周期大大縮短，COD、BOD5及生物毒性降低明顯，45 d后堆體基本腐熟且穩(wěn)定，堆體減量30%，堆肥效果良好。獨(dú)有的“耙形”攪拌有利于減少物料溫度、濕度和氧氣濃度的差異，加快了反應(yīng)進(jìn)程。底部二級(jí)過濾系統(tǒng)有利于改善滲濾液質(zhì)量，方便滲濾液的收集及回灌。該反應(yīng)器可為小型禽畜糞便堆肥反應(yīng)器的研發(fā)和推廣提供參考。

關(guān)鍵詞好氧堆肥反應(yīng)器耙形攪拌生化指標(biāo)滲濾液回灌

0引言

當(dāng)前，規(guī)?；B(yǎng)殖產(chǎn)生的大量畜禽糞便，給環(huán)境帶來了很大壓力。要實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展，改善生態(tài)環(huán)境，必須對(duì)畜禽糞便等廢棄物進(jìn)行有效的處理。堆肥化處理是國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的有機(jī)廢棄物資源化、無害化技術(shù)。好氧堆肥技術(shù)因其堆肥效率高，異味、臭氣少在實(shí)際應(yīng)用中越來越受重視。開發(fā)用于試驗(yàn)研究的好氧堆肥反應(yīng)器，對(duì)好氧堆肥技術(shù)的研究有重要意義。堆肥不僅是廢棄物資源化、減量化、無害化最便捷的方式，還可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有機(jī)肥料，而在實(shí)際垃圾處理過程中堆肥尚處于試驗(yàn)階段。目前，國(guó)內(nèi)外工廠化好氧堆肥反應(yīng)器裝備技術(shù)相對(duì)較為成熟，但因好氧堆肥過程是物理、化學(xué)、生物學(xué)耦合的復(fù)雜過程，科學(xué)基礎(chǔ)研究還要深入。然而，目前可用于模擬好氧堆肥的反應(yīng)器試驗(yàn)系統(tǒng)尚存在反應(yīng)器體積小、滲濾液收集困難等問題。本研究設(shè)計(jì)了間歇式強(qiáng)制通風(fēng)自動(dòng)化小型好氧堆肥反應(yīng)器，用該反應(yīng)器對(duì)牛糞進(jìn)行了溫度、pH、含水率、COD、BOD5、重金屬(Cu)、種子發(fā)芽率、熱值等多個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用該反應(yīng)器加快了堆肥進(jìn)程，有機(jī)物含量明顯下降，并檢測(cè)到微量重金屬銅。最后堆體腐熟可直接用于農(nóng)業(yè)施肥。

1好氧堆肥反應(yīng)設(shè)計(jì)

本反應(yīng)器主體為圓柱體反應(yīng)倉，頂部進(jìn)料采氣，中部設(shè)計(jì)為測(cè)溫口和肥料取樣口，由篩網(wǎng)及布?xì)獍鍖A柱體和圓錐底部隔開，底部設(shè)有強(qiáng)制供氧進(jìn)氣口和滲濾液收集閥門，最終達(dá)到固、液、氣三相收集。通過“耙形”攪拌器的翻拌和間歇鼓風(fēng)相結(jié)合促進(jìn)物料、水分、溫度的均質(zhì)化，縮短堆肥周期，提高肥效和有機(jī)肥量，同時(shí)降低滲濾液的污染物負(fù)荷。

堆肥反應(yīng)器直徑500 mm，有效高度700 mm，圓錐底高100 mm，設(shè)有功率為1.1 kW的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器(32 r/min)、功率為1.0 kW的鼓風(fēng)機(jī)、攪拌器、布?xì)獍?開孔率85%)、篩網(wǎng)(孔徑180 μm)等，具體設(shè)計(jì)如圖1。

圖1　好氧堆肥反應(yīng)器示意圖

試驗(yàn)所用牛糞、鋸末分別從養(yǎng)殖場(chǎng)和木材加工廠收集而來。 本次試驗(yàn)做2組平行樣。一號(hào)樣采用好氧堆肥反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，二號(hào)樣采用塑料圓桶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以鋸末為調(diào)理劑，調(diào)節(jié)堆肥物料使C/N在26～35之間，加入去離子水使含水率保持在65%左右。一號(hào)樣收集到的滲濾液由進(jìn)料口回灌[1]。試驗(yàn)前期對(duì)肥料每天攪拌1 h，鼓風(fēng)30 min，中期隔天攪拌，后期可停止攪拌，適當(dāng)鼓風(fēng)。

2測(cè)定項(xiàng)目與方法

(1)溫度。每天早上9：00、下午4：00采用筆式溫度計(jì)從反應(yīng)器測(cè)溫口進(jìn)行溫度檢測(cè)。

(2)pH值。每3天從反應(yīng)器底部用錐形瓶收集10 mL滲濾液，用pH測(cè)試筆測(cè)取pH值。

(3)含水率。由反應(yīng)器中部采樣口取適量牛糞于托盤中，稱重并記錄。將托盤放入75 ℃烘箱中24 h后取出冷卻稱重并記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算含水率。

(4)重金屬(銅)。配制銅標(biāo)準(zhǔn)液0.2，0.6，1.0，1.4，2.0 μg/m，以蒸餾水為空白樣，用空氣—乙炔原子吸收光譜儀讀取對(duì)應(yīng)吸光度。以銅標(biāo)準(zhǔn)液系列濃度為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，讀取待測(cè)液吸光度即可求出其中銅的濃度。

(5)COD測(cè)定。依次加入樣品+硫酸銀+硫酸汞+重鉻酸鉀，在105 ℃下消解30 min，冷卻后將COD管插入反應(yīng)器中利用哈希分光光度計(jì)直接讀取結(jié)果。

(6)BOD5測(cè)定。使用哈希BODTRAK-Ⅱ儀測(cè)試生物需氧量(BOD5)。預(yù)估樣品BOD5濃度采用量程0～700 mL，向樣品瓶分別加入95 mL空白樣和待測(cè)樣品，依次各加入營(yíng)養(yǎng)緩沖鹽膠囊、一個(gè)攪拌子，向橡膠套內(nèi)加入NaOH。將樣品瓶置于攪拌臺(tái)上，在培養(yǎng)箱內(nèi)于20 ℃±1 ℃條件下培養(yǎng)5 d。

(7)堆肥腐熟度檢測(cè)。生物法：堆肥浸提液鮮樣與蒸餾水按體積比1∶10振蕩30 min，離心(5 000 r/min)過濾后取上清液備用。培養(yǎng)皿中放入D=9 mm濾紙一張，滅菌后均勻撒入15顆浸泡后的玉米種子，注入10 mL的漚肥產(chǎn)物稀釋物，塞入濕棉花，在28 ℃下培養(yǎng)1周，統(tǒng)計(jì)根長(zhǎng)和發(fā)芽率，發(fā)芽指數(shù)GI用式(1)計(jì)算：

(1)

式中，Gt為浸種后t日的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽日數(shù)。

化學(xué)法：在滴加有滲濾液的濾紙上分別先后滴加7滴奈氏試劑和格氏試劑，觀察顏色變化并判斷腐熟程度。

(8)熱值。取少量牛糞于培養(yǎng)皿中放入105 ℃烘箱中4 h后取出，稱重1 g使用全自動(dòng)熱量計(jì)(WZR-1TCⅡ)進(jìn)行熱值測(cè)定。

3結(jié)果與分析

3.1堆肥過程中溫度變化

肥料中的有機(jī)質(zhì)被微生物分解，釋放出熱量，使得堆體溫度不斷上升。當(dāng)大部分有機(jī)物分解完后，微生物活動(dòng)減弱，溫度逐漸下降，腐殖質(zhì)不斷積累，堆肥進(jìn)入腐熟階段，如圖2。實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境平均溫度為27 ℃，堆體升溫緩慢，1號(hào)樣第14天達(dá)到最高溫度42.2 ℃，屬中溫堆肥，并在40 ℃以上持續(xù)約5 d，基本滿足堆肥的衛(wèi)生要求，第50天肥料接近室溫，可認(rèn)為堆體腐熟。而二號(hào)樣第20天達(dá)到最高溫度，第50天未達(dá)到腐熟。

圖2堆體溫度變化

3.2堆肥過程中pH的變化

一號(hào)樣前4天因有機(jī)酸的產(chǎn)生pH值下降至6.5左右呈酸性，經(jīng)高溫階段有機(jī)酸降解伴有氨的產(chǎn)生使pH值回升至最高為8.41，降溫初期氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸根使pH值下降，最終pH值基本介于7.5～8.0之間表現(xiàn)為弱堿性，符合無害化處理要求。二號(hào)樣pH值的變化趨勢(shì)同反應(yīng)器中，如圖3。

圖3堆體pH變化

3.3堆肥過程中含水率的變化

堆肥過程中含水率的變化如圖4所示，含水率在配料前較低，降解過程中含水率由最初的70.3%上升至80.3%，含水率75%～80%認(rèn)為是本次實(shí)驗(yàn)的最佳含水量。水分是直接影響發(fā)酵速度和腐熟程度的關(guān)鍵因素之一，所以本實(shí)驗(yàn)的成功對(duì)含水率的大小調(diào)節(jié)具有實(shí)驗(yàn)教學(xué)及工程指導(dǎo)意義。

圖4堆體含水率變化

3.4滲濾液中COD、BOD5的變化

起初有機(jī)物未進(jìn)入滲濾液中，后有機(jī)物溶入滲濾液使COD上升，一號(hào)樣和二號(hào)樣中COD含量分別高達(dá)1 580 mg/L和1 563 mg/L，翻拌鼓風(fēng)使堆體各層物料均質(zhì)化，微生物活動(dòng)較強(qiáng)消耗有機(jī)物，加上滲濾液回灌使一號(hào)樣中COD、BOD5去除率達(dá)63%和66%，生物降解徹底。BOD5與COD的比值在0.40～0.45之間，如圖5和圖6。說明禽畜糞便有較好的可生化性，堆肥后期有機(jī)物含量基本不變。

3.5堆體中重金屬銅的檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)測(cè)得一號(hào)樣、二號(hào)樣銅含量分別為0.103 g/mL和0.147 g/mL,表明牛糞中含有微量重金屬銅，其來源可能是飼料或污染土壤，Cu、Zn添加到飼料中可作為生長(zhǎng)促進(jìn)劑，其中Cu的積累量較高[2]。降低重金屬對(duì)環(huán)境造成的污染風(fēng)險(xiǎn)成為亟待解決的問題。

3.6堆體腐熟判斷

生物法：從表1中看出反應(yīng)器和塑料桶中發(fā)芽指數(shù)分別為75%(>50%)和48%，可以認(rèn)為一號(hào)樣已經(jīng)腐熟，二號(hào)樣接近腐熟。

圖5滲濾液COD變化

圖6　滲濾液BOD5變化

化學(xué)法：腐熟的堆體含有硝酸鹽和很少的氨氮，滴加奈氏試劑呈黃色或黃褐色表示有氨的存在，滴加格式試劑呈紅色表示有亞硝酸鹽的存在。一號(hào)樣濾紙一半呈紅色，一半觀察得到透明黃色，說明堆體已經(jīng)腐熟。二號(hào)樣濾紙一半呈紅色，一半呈黃褐色，說明是腐熟堆體和未腐熟堆體的混合物。

3.7熱值

堆體熱值反映了牛糞混合物的燃燒性能及其燃燒性能的好壞。試驗(yàn)測(cè)得1號(hào)樣熱值初期平均溫度為25.1 ℃，主期平均溫度為26.1 ℃，末期平均溫度為26.3 ℃，高位發(fā)熱量為1 3188.82 J/g；2號(hào)樣熱值初期平均溫度為22.8 ℃，主期平均溫度為23.6 ℃，末期平均溫度為23.7 ℃，高位發(fā)熱量為8 712.15 J/g。4結(jié)語

(1)該反應(yīng)器在強(qiáng)制通風(fēng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了“耙形”攪拌器，更有利于好氧堆肥的進(jìn)程；布?xì)獍搴秃Y網(wǎng)二級(jí)過濾，降低了滲濾液的處理難度；實(shí)現(xiàn)了真正意義上的固液氣三相收集。

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，反應(yīng)器堆肥效果優(yōu)于自然堆肥效果。該好氧堆肥反應(yīng)器中堆體在第14天已腐熟，堆肥周期縮短，堆肥后COD、BOD5含量達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，溫度、pH的變化均符合衛(wèi)生要求。

(3)堆肥過程中除臭效果明顯，堆體減量30%，堆肥產(chǎn)品可作為農(nóng)業(yè)肥料，實(shí)現(xiàn)了無害化、減量化和資源化。

(4)該反應(yīng)器后期還可設(shè)計(jì)循環(huán)泵進(jìn)行滲濾液自動(dòng)回灌、動(dòng)力裝置選擇速度智能化，根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)理化環(huán)境調(diào)節(jié)滲濾液循環(huán)量和攪拌器轉(zhuǎn)速。

參考文獻(xiàn)

[1]江娟，謝文剛，劉婷，等.生物反應(yīng)器滲濾液回灌中加入堿度的影響分析[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009(9)：43-46.

[2]黃玉溢，陳桂芬，劉斌，等.禽畜糞便中重金屬含量、形態(tài)及轉(zhuǎn)化的研究進(jìn)展[J].廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，41(8)：807-809.

職業(yè)安全與健康

Design of Aerobic Composting Reactor and Its Experimental Research

ZHANG XiLIN JiangHE ZijunGUO GuangxingJIANG Juan

(UrbanConstructionEngineeringDept，WenhuaUniversityWuhan430074)

AbstractBased on researches, the forced ventilation automatic mixing aerobic composting reactor is designed, which has the function of three phase collection and the aerobic composting property is tested. Some indexes are monitored, such as temperature, pH, moisture content, COD, BOD5, heavy metals (Cu), seed germination rate, calorific value indicators and so on. Experimental results show that the reaction makes composting cycle shortened, COD, BOD5 and toxicity significantly reduced, after 45 days the pile is substantially decomposed and stable, with 30% of pile body reduction, so the composting is better. Unique “rake” stirring helps to reduce the differences in material temperature, humidity and oxygen concentration and accelerate the process of the reaction. The secondary filtration system at the bottom is conducive to improve the quality of leachate, the leachate collection and back filling more convenient. The reactor can provide references for the research and promotion of small livestock manure composting reactor.

Key Wordsaerobic composting reactorrake type mixingbiochemical indicatorsleachate recirculation

(收稿日期：2015-10-21)

通訊作者江娟，女，1958年生，高級(jí)工程師，主要從事固體廢棄物的研究工作。

作者簡(jiǎn)介張茜，女，1993年生，本科，主要研究方向?yàn)楣腆w廢棄物的研究。

*基金項(xiàng)目：湖北省省級(jí)戰(zhàn)略新興(支柱)產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃--環(huán)境工程(90900760102)，湖北省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201513262016)。