崔 勇 ， 翟旭軍， 花成巍， 朱 永， 高瑩瑩 ，王 琪

(1.江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院， 江蘇 泰州 225300； 2.江蘇康泰環(huán)保股份有限公司， 江蘇 泰州 225300)

我國是畜牧業(yè)大國，畜禽養(yǎng)殖的規(guī)模不斷擴(kuò)大，畜禽糞便、污水等養(yǎng)殖廢棄物的產(chǎn)生量也迅速增加，農(nóng)業(yè)面源污染在COD里面90%以上的都是畜禽糞污[1]。然而，畜禽糞便中含有大量的有機(jī)物和豐富的氮、磷、鉀等物質(zhì)，是農(nóng)業(yè)種植可持續(xù)發(fā)展的寶貴資源[2]。固液分離是畜禽糞污的預(yù)處理工藝之一，通過采取物理或化學(xué)的方法，將糞污中的液體剝離，固液分離后固體部分能方便運離養(yǎng)殖場，制成有機(jī)肥或動物飼料，對畜禽糞污進(jìn)行開發(fā)利用的同時也減少了養(yǎng)殖污染。

1 畜禽糞污深度脫水工藝及總方案

1.1 深度脫水系統(tǒng)設(shè)計的目的和功用

畜禽糞污脫水工藝和措施主要包括離心脫水、螺旋脫水、帶式壓濾脫水、干化脫水、生物脫水等[3]。各種脫水工藝和措施都有相應(yīng)的特點(見表1)，可根據(jù)畜禽糞污的種類和應(yīng)用場合進(jìn)行選擇。其中，離心脫水、螺旋脫水、帶式壓濾脫水等機(jī)械設(shè)備脫水方式由于自動化程度好、操作簡單、效率高，目前被作為畜禽糞污脫水的主要方式。但單個種類的脫水設(shè)備的使用仍然存在著脫水后含水率高，如LJG-1型螺旋固液分離機(jī)，脫水后含水率為65%～73%[3]，XY型固液分離機(jī)對含水率80%以上的豬糞脫水后，含水率低于60%[4]。同時單個的脫水設(shè)備可進(jìn)行脫水的畜禽糞污種類單一，造成綜合農(nóng)場或養(yǎng)殖場在進(jìn)行糞污脫水處理時需要購買不同品種的脫水設(shè)備，或脫水后要進(jìn)一步干化處理，增加了設(shè)備和人工成本，不適合規(guī)模化綜合養(yǎng)殖場的糞污處理使用。

表1 畜禽糞污脫水工藝特點對比

筆者設(shè)計一種畜禽糞污深度脫水工藝及系統(tǒng)，處理技術(shù)包括初次脫水和深度脫水，綜合疊螺脫水機(jī)、帶式污泥深度脫水機(jī)兩種脫水設(shè)備的特點，使得連續(xù)脫水后水去除率高至40%以上，并適用于多種畜禽糞污的脫水處理。

1.2 深度脫水工藝流程

帶式畜禽糞污脫水機(jī)的優(yōu)點是糞污處理量比較大，含水率低，缺點是容易堵塞[5]，特別是含纖維素較高的牛糞，更易造成堵塞，對設(shè)備磨損大。疊螺脫水機(jī)優(yōu)點是不易堵塞，可處理的畜禽糞污種類較多。因此在工藝處理上，可以先使用疊螺脫水機(jī)進(jìn)行初次脫水，再經(jīng)帶式脫水機(jī)深度脫水，具體工藝流程如圖1。

圖1 畜禽糞污深度脫水工藝流程

需要脫水處理的糞污先經(jīng)絮凝沉淀，通過高壓泵送至疊螺脫水設(shè)備，通過糞污重力濃縮及背壓板擠壓進(jìn)行初次脫水，后經(jīng)糞污改性輸送機(jī)傳送至帶式污泥深度脫水機(jī)，帶式深度脫水機(jī)采用上下兩條夾緊的濾帶，濾帶夾帶著畜禽糞污經(jīng)過一系列規(guī)律排列的壓輥，通過壓榨擠壓水分，從而獲得含固率較高的泥餅，實現(xiàn)深度脫水。脫水后可根據(jù)需求進(jìn)一步干化或資源化處理。

2 畜禽糞污深度脫水系統(tǒng)設(shè)計

畜禽糞污深度脫水系統(tǒng)主要集成了疊螺初次脫水機(jī)和帶式深度脫水機(jī)兩種主要脫水設(shè)備，系統(tǒng)的電氣控制部分集成一體，糞污脫水過程連續(xù)進(jìn)行，脫水設(shè)備轉(zhuǎn)換過程不需人工操作。

畜禽糞污絮凝沉淀后進(jìn)入疊螺脫水機(jī)進(jìn)行初步脫水，實現(xiàn)水去除率達(dá)到20%，初步脫水后進(jìn)入改性輸送機(jī)，后經(jīng)化學(xué)調(diào)質(zhì)，使其中的間隙水和部分結(jié)合水釋放出來，減少比阻和惡臭，再輸送到帶式深度脫水機(jī)進(jìn)行深度脫水，最終實現(xiàn)水去除率達(dá)至40%或以上。

2.1 疊螺初次脫水機(jī)

疊螺初次脫水機(jī)包含絮凝箱、疊螺脫水主體、集液槽等部件。疊螺脫水主體由變徑螺旋軸、動環(huán)、定環(huán)、不等距旋片、背壓板、電機(jī)組成。畜禽糞污與絮凝劑在絮凝箱中經(jīng)攪拌形成釩花狀，自動流入疊螺脫水主體，在電機(jī)的帶動下，變徑螺旋軸旋轉(zhuǎn)運動，帶動畜禽糞污前進(jìn)，由于容積逐漸減小，在背壓板擠壓的作用下，糞污實現(xiàn)脫水，水液經(jīng)由動定環(huán)之間的間隙流出[6]。由于螺旋軸轉(zhuǎn)動過程中，動環(huán)也隨之轉(zhuǎn)動，形成運轉(zhuǎn)過程中的連續(xù)清洗，減少了堵塞(見圖2)。

圖2 疊螺初次脫水機(jī)

2.2 帶式深度脫水機(jī)

帶式深度脫水機(jī)主要由布料器、壓輥、濾帶、糾偏和張緊裝置、沖洗裝置、電機(jī)等組成。脫水的工藝流程為三步：重力脫水、楔形脫水、S形擠壓脫水(見圖3)。

1.重力脫水區(qū)； 2.楔形脫水區(qū)； 3.S形擠壓脫水區(qū)圖3 帶式深度脫水工藝流程

重力脫水區(qū)是一段平直的濾帶，脫水區(qū)距離較長，微向上翹起3°～5°，經(jīng)布料器均勻分布的畜禽糞污在濾帶的帶動下向前移動，其中大部分自由水在重力脫水區(qū)利用自身的重力穿過濾帶流走，畜禽糞污處于不可流動的狀態(tài)。

楔形脫水區(qū)上下濾帶在壓輥的作用下夾角逐漸減小，直至重合，脫水區(qū)距離較短，糞污在上下濾帶的擠壓下失去一部分水分。該段脫水兼有重力脫水和壓榨脫水雙重功能，處于重力脫水轉(zhuǎn)向S形擠壓脫水的過渡階段[7]。

S形擠壓脫水區(qū)中濾帶經(jīng)過輥徑不同的壓輥，在濾帶本身的張力作用下，形成對糞污污泥產(chǎn)生的剪切力和壓榨力，污泥被深度脫水。S形脫水區(qū)布置多個壓輥，壓輥的直徑逐步遞減，對糞污污泥所產(chǎn)生的壓榨力逐步增大，最終得到深度脫水后含水率較低的泥餅。

2.2.1 糾偏裝置的設(shè)計

由于糞污污泥在濾帶上分布不均以及設(shè)備制造過程中的合理誤差等因素，在濾帶運行過程中，常會出現(xiàn)各處的張緊力不均勻，產(chǎn)生跑偏的現(xiàn)象。跑偏會使得濾帶的邊緣產(chǎn)生磨損，降低濾帶和設(shè)備的使用壽命，因此，需要設(shè)置糾偏裝置，在濾帶產(chǎn)生跑偏時，及時將濾帶調(diào)整到居中位置。

糾偏裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，當(dāng)濾帶發(fā)生跑偏時，觸碰到左右兩側(cè)其中一個限位開關(guān)，限位開關(guān)發(fā)出觸發(fā)信號給該側(cè)調(diào)偏缸，調(diào)偏缸氣缸沿箭頭方向伸出，帶動調(diào)偏輥一端滑塊移動，使調(diào)偏輥產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，調(diào)偏輥與濾帶的夾角產(chǎn)生變化，使得其與濾帶左右兩側(cè)產(chǎn)生不同的摩擦力，推動濾帶向另一側(cè)滑動，實現(xiàn)糾偏。

1.調(diào)偏缸； 2.調(diào)偏輥； 3.限位開關(guān)(右)； 4.限位開關(guān)(左)； 5.調(diào)偏缸圖4 糾偏裝置結(jié)構(gòu)

圖5 清洗裝置

圖6 卸泥裝置

2.2.2 清洗裝置的設(shè)計

糞污在濾帶中進(jìn)行壓榨脫水后，殘留的細(xì)小殘渣會嵌在濾帶中，影響脫水機(jī)的連續(xù)工作和后續(xù)的脫水效果，因此需設(shè)置清洗裝置對濾帶進(jìn)行清洗以保證脫水機(jī)連續(xù)、高效工作。清洗裝置由水管、噴嘴、手動閥、水泵、電機(jī)等組成，清洗濾帶的水壓一般大于0.35 Mpa，單側(cè)噴嘴所形成的濾帶沖洗帶寬度為80～90 mm[7]。圖5為脫水機(jī)中的清洗裝置，清洗后的廢水從脫水機(jī)下方的水槽出水口流出。

2.2.3 卸泥裝置的設(shè)計

經(jīng)過脫水后的糞污會形成泥餅，但仍具有一定的粘性，要將泥餅從濾帶上卸下排出，需要設(shè)置卸泥裝置。設(shè)備采用的上下兩塊橫置刮片，與濾帶寬度一致，固定于出料口處，如圖6。隨著濾帶的滾動，泥餅被刮片剝離。

2.2.4 主要零部件的計算和選擇

2.2.4.1 濾帶的材質(zhì)和寬度

濾帶是帶式深度脫水機(jī)的關(guān)鍵部件，應(yīng)具備較好的強(qiáng)度、拉伸抗力、化學(xué)穩(wěn)定性和相適應(yīng)的過濾性能，設(shè)備選用的濾帶為聚酯纖維材質(zhì)，采用雙層鍛織，上層結(jié)構(gòu)緊密、絲徑細(xì)，下層絲徑粗、強(qiáng)度較高，在增強(qiáng)過濾性能同時對糞污泥餅具有一定的攔截作用。

濾帶的寬度按照公式(1)進(jìn)行計算。

(1)

式中：b為濾帶的有效寬度；M為生產(chǎn)能力；v為濾帶速度；h為濾餅厚度；c為濾餅中干物料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；p為濾餅的容重[8]。

課題開發(fā)的脫水機(jī)帶寬為1500 mm，脫水機(jī)的寬度約為1670 mm。

2.2.4.2 電機(jī)的選擇

由于糞污的種類和含水率的變化，濾帶的張力在運行中不固定，導(dǎo)致壓輥受力也不穩(wěn)定，因此帶式污泥脫水機(jī)采用變頻調(diào)速電動機(jī)。根據(jù)設(shè)備的工作環(huán)境，電機(jī)的防護(hù)等級選擇為IP55。電機(jī)選用型號為Y112M/4，額定功率4 kW，轉(zhuǎn)速1445 r·min-1。

2.3 電氣控制裝置的設(shè)計

電氣控制裝置需實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的操作和調(diào)整進(jìn)行控制，包含疊螺初次脫水機(jī)、糞污改性輸送機(jī)、帶式深度脫水機(jī)、輸送帶等設(shè)備的集成控制和監(jiān)測。如圖7，整個控制系統(tǒng)集中在一個控制柜中，由于工作環(huán)境潮濕，控制柜和導(dǎo)線作防腐處理，控制柜采用IP65防護(hù)等級，電氣控制部分、糾偏和張緊裝置的氣動控制部分采用24 V低壓電源。整個系統(tǒng)的聯(lián)動運行、停止、故障報警、電機(jī)的驅(qū)動調(diào)節(jié)等由PLC主工作站控制，設(shè)備工況信息傳送至儀表和顯示屏。

圖7 脫水系統(tǒng)電氣控制柜

3 研究實例

課題組及合作單位在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上對畜禽糞污深度脫水系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)和試制，并進(jìn)行了脫水效果試驗。

3.1 原料參數(shù)

試驗采用江蘇某種豬公司豬場的豬糞，選取了3個豬舍中豬糞樣本，pH值為6.3左右，含水率在85%左右，具體樣本參數(shù)見表2。

表2 樣本各項指標(biāo)參數(shù)

表3 深度脫水系統(tǒng)運行主要技術(shù)參數(shù)

3.2 深度脫水系統(tǒng)構(gòu)建

深度脫水系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)和設(shè)定參數(shù)見表3。系統(tǒng)含水率的設(shè)計指標(biāo)為疊螺脫水機(jī)出口為65%～70%，帶式脫水機(jī)出口(系統(tǒng)出口)為45%～50%，脫水處理后CODcr濃度值降到5000 mg·L-1以下，系統(tǒng)處理量設(shè)計指標(biāo)為1.2 t·h-1。

圖8 試驗用水分測定儀

3.3 分析方法

畜禽糞污測定試驗在系統(tǒng)進(jìn)口、疊螺脫水機(jī)出口、系統(tǒng)出口三處采樣測定了含水率，在系統(tǒng)進(jìn)口、系統(tǒng)出口兩處采樣測定了CODcr濃度值。試驗選用絮凝劑和改性材料分別為PAM和CaO,脫水后含水率采用水分測定儀進(jìn)行測定，CODcr測定采用重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)法[9]，檢測采用的主要儀器有：KW-301A型水分測定儀(見圖8)、電子天平、全玻璃回流裝置，HT-9012A型CODcr恒溫加熱器(見圖9)，酸式滴定管，錐形瓶，移液管，容量瓶等。

3.4 結(jié)果分析

表4為系統(tǒng)設(shè)備豬場糞污脫水效果測定結(jié)果。

圖9 CODcr恒溫加熱器

豬糞樣本含水率/%CODCr/(mg·L-1)處理能力系統(tǒng)進(jìn)口疊螺脫水機(jī)出口系統(tǒng)出口系統(tǒng)進(jìn)口系統(tǒng)出口(t·h-1)184.6566.1546.851788041481.32283.3765.6747.571975044321.29387.3367.1347.932087145081.37

通過試驗，得出該脫水系統(tǒng)及工藝處理方式可實現(xiàn)豬糞脫水后的含水率平均值為47.45%，CODCr的濃度平均值為4363 mg·L-1，去除率平均值77.63%，處理能力為1.33 t·h-1。脫水處理后含水率，CODCr濃度和處理能力達(dá)到設(shè)計要求。

3.5 設(shè)備運行結(jié)果

(1)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、能實現(xiàn)24 h無人值守連續(xù)運行；

(2)控制柜操作簡便，系統(tǒng)參數(shù)顯示正常；

(3)清洗裝置清洗濾帶時增加了廢水量和處理量，下一步可考慮氣動吹洗的應(yīng)用開發(fā)。

4 總結(jié)

規(guī)?；B(yǎng)殖場糞污的處理中，固液分離，實現(xiàn)畜禽糞污的脫水是至關(guān)重要的[10]，該深度脫水工藝及系統(tǒng)的設(shè)計集成了疊螺和帶式兩種脫水機(jī)的優(yōu)勢，實現(xiàn)了畜禽糞污脫水后含水率低的目標(biāo)值，脫水后糞污的固體和液體部分分別可制成有機(jī)肥和制備沼氣[11]，保護(hù)環(huán)境的同時，實現(xiàn)資源化利用。適用于綜合農(nóng)場或養(yǎng)殖場進(jìn)行畜禽糞污脫水處理。