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(xué) 機電工程學(xué)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(fēng)等條件，使物料快速腐熟，縮短反應(yīng)周期［6］，成為當(dāng)前研究熱點。

目前，普遍采用的強制通風(fēng)反應(yīng)器可有效縮短堆肥周期，提高堆肥質(zhì)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(zhì)、反應(yīng)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(shè)計了有效容積為1 m3的立式好氧堆肥反應(yīng)器，采用強制間歇式通風(fēng)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(yīng)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(fēng)反應(yīng)器設(shè)計

如圖1 所示。

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

反應(yīng)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(shè)置了中空保溫層。罐體頂部設(shè)有排氣口和保溫層注液口，側(cè)壁分別設(shè)有上、中、下3 個取樣口和3 個溫度傳感器，底部設(shè)有強制通風(fēng)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(yīng)器設(shè)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(fēng)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(zhì)，kg；

H0——堆肥發(fā)熱量，14.2×103kJ/kg；

ζ——原料中的有機質(zhì)含量，0.5 g/g；

Δζ——有機質(zhì)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(jié)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(shè)堆肥物料初始含水率為65 %，堆肥結(jié)束時物料含水率為45 %；有機物質(zhì)量比為0.5 g/g；有機質(zhì)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(yīng)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(yīng)器的有效容積約為1 m3，罐體圓柱形結(jié)構(gòu)，高徑比為設(shè)為1.2［10］，高H為1 350 mm，內(nèi)徑D為1 100 mm，反應(yīng)器外壁設(shè)置50 mm 的中空保溫層。S/M0=0.003 ＜0.52，符合維持反應(yīng)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(yīng)器的高度與所裝物料的體積，在距離反應(yīng)器底部300 mm 處設(shè)置3 個間距為400 mm、直徑為60 mm 的取樣口；在距離反應(yīng)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(yīng)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(yīng)范圍大、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的3 層槳式攪拌器（圖2）。

圖2 攪拌裝置結(jié)構(gòu)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(shè)置為20 r/min，每24 h 攪拌1 次，1 min/次。

1.3 通風(fēng)系統(tǒng)確定

1.3.1 通風(fēng)量的確定 在堆肥過程中，通風(fēng)量對物料的降解率和溫度有很大的影響。通風(fēng)量不足會導(dǎo)致物料發(fā)生厭氧反應(yīng)，而通風(fēng)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(zhì)量MW=51.25 kg［15-16］，該試驗采用間歇式通風(fēng)，通風(fēng)30 min，停止30 min，堆肥周期為50 d，累計通風(fēng)時間為25 d，因此，堆肥過程中每天損失水的質(zhì)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(fēng)量；

γ——風(fēng)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(fēng)量Q水=1.26 m3/h。

堆肥過程中微生物所需要的通風(fēng)量計算：

式中，

Q微——堆肥過程中微生物所需通風(fēng)量；

q——1 m3堆體所需通風(fēng)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(fēng)機泄露系數(shù)，0.18。

計算得堆肥過程中微生物所需的通風(fēng)量Q微=5.67 m3/h。

因Q水+Q微=6.93 m3/h，為保證堆肥結(jié)束時堆體腐熟度的質(zhì)量，因此反應(yīng)器的風(fēng)機風(fēng)量應(yīng)大于6.93 m3/h。本文采用強制間歇通風(fēng)方式，通風(fēng)頻率為通風(fēng)30 min/次；通風(fēng)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(fēng)速率為0.1 m3/(min·m-3)，綜合考慮，本文試驗通風(fēng)速率設(shè)置為0.067 m3/(min·m-3)。

1.3.2 通風(fēng)裝置的設(shè)計 反應(yīng)器的布氣裝置結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 通氣篩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of Ventilating screen

設(shè)置在發(fā)酵罐底部，距離發(fā)酵罐底板50 mm 處設(shè)有進氣口，連接的進氣管內(nèi)徑為10 mm，鋪設(shè)曝氣管內(nèi)徑為16 mm；在距離底板100 mm 處設(shè)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(dǎo)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(shè)置旋轉(zhuǎn)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(yīng)性強的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，分為固定區(qū)域和旋轉(zhuǎn)區(qū)域兩部分計算，并對旋轉(zhuǎn)葉片表面的網(wǎng)格進行加密，壁面設(shè)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(zhì)量為0.81 左右。

2.2 邊界條件的設(shè)置及初始參數(shù)確定

反應(yīng)器壁面設(shè)置為無滑動邊界界面，攪拌軸和攪拌葉片設(shè)置動區(qū)域，壁面設(shè)置為靜區(qū)域，靜區(qū)域保持相對靜止，轉(zhuǎn)動區(qū)域和相對靜止區(qū)域的交界面設(shè)置為Interface 面。立式好氧堆肥反應(yīng)器，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速設(shè)置為20 r/min，轉(zhuǎn)動方向為順時針。沿y軸負方向設(shè)置重力加速度g=9.8 m/s2，物料的黏度設(shè)定為32.5 Pa·s，密度為1 400 kg/m3［20］。

2.3 計算結(jié)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(zhuǎn)動速度增大，流場速度也相應(yīng)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(yīng)器內(nèi)壁處壓力最大。在攪拌作用下，物料對反應(yīng)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(yīng)器試驗驗證與結(jié)果分析

3.1 試驗設(shè)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(zhì)如表1 所示。堆肥過程中采用強制間歇式通風(fēng)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(biāo)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(biāo)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(jié)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(yīng)器通風(fēng)系統(tǒng)在底部，下層散熱較快有關(guān)；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(guān)無害化標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)緩慢。而后O2濃度逐漸上升，直至堆肥結(jié)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(biāo)［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(jié)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(jié)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(yīng)器，F(xiàn)luent 對內(nèi)設(shè)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，O2含量均在10 %以上，堆體處于好氧狀態(tài)。證明該反應(yīng)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(yīng)用提供理論依據(jù)。