王濤

（1.機(jī)械科學(xué)研究總院環(huán)保技術(shù)與裝備研究所，北京 100044；2.機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044；3.機(jī)械工業(yè)有機(jī)固廢生物處理與資源化利用工程研究中心，北京 100044）

近年來，我國堆肥技術(shù)研究取得了長足進(jìn)步，尤其在市政污泥堆肥領(lǐng)域，以高溫好氧發(fā)酵技術(shù)與多層堆肥系統(tǒng)（SACT）為代表的先進(jìn)堆肥技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全封閉、全流程自動(dòng)化，在達(dá)到工藝目的的同時(shí)，滿足了大型集中處理項(xiàng)目環(huán)境與職業(yè)健康安全的要求。然而，針對中小型堆肥項(xiàng)目和其他具有季節(jié)性特點(diǎn)的有機(jī)固體廢物處理項(xiàng)目，SACT 技術(shù)由于投資較高、系統(tǒng)較復(fù)雜，推廣應(yīng)用存在局限性。

針對上述問題，機(jī)械科學(xué)研究總院科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目——“e-PTFE 膜覆蓋高溫好氧發(fā)酵成套技術(shù)研究”完成了包括工程設(shè)計(jì)規(guī)范編制在內(nèi)的中小型污泥堆肥處理系統(tǒng)的研究開發(fā)，并最終將這一系統(tǒng)命名為裝配式膜覆蓋堆肥技術(shù)（PMCT）[1]。

1 PMCT 技術(shù)

1.1 PMCT 的定義與系統(tǒng)組成

PMCT 是一種堆體通過裝配結(jié)構(gòu)在功能性覆蓋膜作用下進(jìn)行高溫好氧發(fā)酵的堆肥技術(shù)（見圖1）。

圖1 PMCT 系統(tǒng)示意圖

具體裝配步驟如下：1）放置擋墻支撐[2]就位；2）安裝除出料端以外的所有擋墻板；3）鋪設(shè)曝氣器；4）放置發(fā)酵中樞就位并安裝連接組件及電氣、控制線路；5）進(jìn)料；6）安裝出料端擋墻板；7）將功能性覆蓋膜[3]覆蓋至堆體上并按要求與擋墻支撐緊固為一體；8）控制發(fā)酵中樞聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“一鍵啟動(dòng)”。

1.2 PMCT 系統(tǒng)特征

首先，PMCT 本質(zhì)上屬于靜態(tài)條垛高溫好氧發(fā)酵工藝類別中的膜覆蓋堆肥工藝類型[4]，具有靜態(tài)條垛系統(tǒng)靈活、可靠的特性。其次，PMCT 通過裝配式結(jié)構(gòu)使之具有模塊式堆肥高效的特性。與傳統(tǒng)技術(shù)相比較，除裝配特性外PMCT 在工藝?yán)碚摲矫孢€具有以下三點(diǎn)創(chuàng)新。

1.2.1 增壓保溫環(huán)境的建立

PMCT 曝氣過程由于受到功能膜阻力的影響，堆體處于增壓環(huán)境狀態(tài)，一般高于大氣壓數(shù)百帕，這使得其較傳統(tǒng)堆肥系統(tǒng)擁有更優(yōu)的環(huán)境條件，可提高好氧發(fā)酵反應(yīng)速率。此外，PMCT 曝氣過程由于受功能膜阻力影響，膜與堆體間形成空氣層，可起到保溫作用，這一點(diǎn)對于冬季、高緯度地區(qū)具有特別重要的意義。

1.2.2 “夾心巧克力”堆體結(jié)構(gòu)

PMCT 運(yùn)行過程中，水分溢出后會在覆蓋膜內(nèi)壁凝結(jié)，一部分滴落至堆體表層，另一部分沿膜內(nèi)壁流至堆體底部。堆體設(shè)計(jì)成“夾心巧克力”結(jié)構(gòu)形式（見圖2），返料（出料篩分所得篩上物）鋪設(shè)在堆體最底層可以使布?xì)鈱痈泳鶆颍辉诙洋w表層再覆蓋一層返料，可以有效防止恒濕物料層凝結(jié)水對混合物料產(chǎn)生影響。

圖2 PMCT 堆體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.3 返料替代機(jī)械翻堆過程

傳統(tǒng)堆肥工藝返料工序的工藝目的是調(diào)解含水率與孔隙率，PMCT 系統(tǒng)除上述目的外，更重要的是對未腐熟的物料進(jìn)行二次發(fā)酵，相當(dāng)于將一次高效、徹底的翻堆過程融入靜態(tài)堆肥過程中?！案咝А斌w現(xiàn)在通過成品篩分過程可以準(zhǔn)確識別并篩選出大粒徑物料或物料內(nèi)部發(fā)酵不完全需要進(jìn)行二次發(fā)酵的物料；“徹底”體現(xiàn)在出料、篩分、混料（部分）、布料過程的攪拌作用比傳統(tǒng)翻堆機(jī)的效果要好。

PMCT 作為一種介于設(shè)備與設(shè)施之間的工業(yè)系統(tǒng)，盡管上述特點(diǎn)極大簡化了工程設(shè)計(jì)內(nèi)容，但仍需要進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。

2 PMCT 工程設(shè)計(jì)輸入

2.1 工藝條件輸入

假定待處理物料為可堆肥物料，即滿足有機(jī)質(zhì)以及氮磷鉀（NPK）復(fù)合肥（含氨、磷、鉀等的復(fù)合肥）等營養(yǎng)元素含量的基本要求且不具有生物毒性。在此基礎(chǔ)上，PMCT 系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)輸入條件如下。

2.1.1 堆體堆積密度

以污泥堆肥為例，堆體組成一般包括污泥（也稱生料）、輔料（也稱干料）、返混料（也稱熟料）。由于每個(gè)項(xiàng)目所處的環(huán)境條件與采用的輔料種類各不相同，因此混合配比也不盡相同。

設(shè)計(jì)前，應(yīng)進(jìn)行混合配比實(shí)驗(yàn)，混合后物料堆積密度一般不大于0.6t/m3，在此基礎(chǔ)上，還需根據(jù)自然氣候條件酌情修正。

2.1.2 堆體發(fā)酵周期

設(shè)計(jì)前，宜進(jìn)行設(shè)定運(yùn)行條件下的工藝實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，還需根據(jù)自然氣候條件酌情修正。不具備實(shí)驗(yàn)條件的項(xiàng)目，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)先行確定發(fā)酵周期。以污泥堆肥為例，發(fā)酵周期一般為21—28d。

2.2 場地條件輸入

場地條件輸入主要包括場地的位置、邊界，以及場地的承載力及平整度。

2.3 外圍條件輸入

外圍條件輸入主要包括道路、電力、給排水等專業(yè)外線條件。

3 PMCT 模塊設(shè)計(jì)選型方法

依據(jù)《堆肥用功能性覆蓋膜》（JB/T 13739—2019）的要求[5]，堆肥用功能性覆蓋膜常用的有3 種規(guī)格，如表1 所示。

表1 堆肥用功能性覆蓋膜常用規(guī)格

以10t/d 的FCMC-4000 系統(tǒng)為例，堆體設(shè)計(jì)過程如下：

參考類似土壤力學(xué)參數(shù)，堆體安息角按照30°設(shè)計(jì)，堆體頂部三角區(qū)域高（H2）：

擋墻高H1為1m（含超高h(yuǎn)=0.1m），最大堆高（H）：

堆體截面面積（S）：

覆蓋層、墊層厚度均取15cm，堆體有效截面面積（S有效）：

按照PMCT 標(biāo)準(zhǔn)模塊脫水污泥（含水率80%計(jì)）處理量為10t/（模塊·周期）計(jì)算，混合物料按照20t/（模塊·周期）估算，堆積密度目標(biāo)值約為0.6t/m3，則標(biāo)準(zhǔn)模塊體積為33.3m3?？紤]安全系數(shù)1.2，標(biāo)準(zhǔn)模塊有效長度約為12m。

其他規(guī)格系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 PMCT 膜與模塊的對應(yīng)關(guān)系

以污泥堆肥為例，按照28d 的處理周期計(jì)算，PMCT 系統(tǒng)處理能力對應(yīng)堆肥模塊尺寸與數(shù)量關(guān)系如表3 所示。

表3 不同處理規(guī)模PMCT 系統(tǒng)推薦配置

4 PMCT 工程設(shè)計(jì)規(guī)范

4.1 工藝設(shè)計(jì)

（1）采用膜覆蓋堆肥工藝，宜采用下列基本工藝流程：

1）混料—布料—發(fā)酵（曝氣）—出料；

2）混料—布料—一次發(fā)酵（曝氣）—翻堆—二次發(fā)酵（曝氣）—出料。

（2）當(dāng)處理目標(biāo)未經(jīng)過分選或未達(dá)到待堆肥物料要求時(shí)，在混料工序前增加分選、篩分工序。

（3）當(dāng)用戶對發(fā)酵產(chǎn)物有更高要求時(shí)，可增加制肥工序，并按需添加營養(yǎng)物質(zhì)。

（4）混料工序宜符合下列要求：

1）混料宜采用專用混料機(jī)或裝載機(jī)完成；

2）混合后物料含水率宜為50%—60%；

3）混合后物料平均堆積密度宜小于0.7t/m3；

4）混合后物料粒度應(yīng)盡量均勻。

（5）布料工序宜符合下列要求：

1）布料前應(yīng)在條垛位置鋪設(shè)曝氣穿孔管，宜采用高密度聚乙烯（HDPE）雙壁波紋管，管徑宜大于100mm；

2）布料宜采用裝載機(jī)或自卸載重汽車完成；

3）堆體應(yīng)按照兩層設(shè)計(jì)，底部5—10cm 鋪設(shè)干物料作為疏松布?xì)鈱?，在曝氣穿孔管周圍適當(dāng)增加鋪設(shè)厚度，以埋住管道為限；頂部鋪設(shè)混合后待發(fā)酵的物料；

4）布料后宜采用裝載機(jī)整垛，條垛整體斷面應(yīng)為底邊長4m、高2m 的等腰三角形或等腰梯形。

（6）發(fā)酵（曝氣）工序宜符合下列要求：

1）發(fā)酵（曝氣）周期宜為14—42d；

2）曝氣風(fēng)機(jī)宜采用高壓離心通風(fēng)機(jī)，全壓不低于4000Pa；

3）曝氣強(qiáng)度宜為3—5m3/m3；

4）曝氣時(shí)間應(yīng)根據(jù)氣候條件和儀表反饋實(shí)時(shí)調(diào)整。

（7）翻堆工序宜符合下列要求：

1）一次發(fā)酵與二次發(fā)酵之間，采用專用翻堆設(shè)備或裝載機(jī)進(jìn)行翻堆操作，以優(yōu)化堆體空隙結(jié)構(gòu)；

2）先將覆蓋膜收卷，再進(jìn)行翻堆，翻堆完成后再將覆蓋膜鋪蓋，翻堆后堆垛形狀和位置應(yīng)盡可能保持原樣。

（8）出料工序宜符合下列要求：

1）通過人工或卷膜機(jī)收卷覆蓋膜；

2）通過裝載機(jī)將發(fā)酵產(chǎn)物鏟至指定區(qū)域或車輛貨箱。

4.2 其他設(shè)計(jì)

（1）發(fā)酵區(qū)設(shè)計(jì)：

1）發(fā)酵區(qū)采用硬化地面，并且沿條垛中軸垂直方向設(shè)置1%的坡度以利于水分排出；

2）發(fā)酵區(qū)設(shè)置條垛的數(shù)量及條垛與覆蓋膜的尺寸參考表3 要求折算；

3）采用人工鋪膜與收膜的工程，條垛間距宜為1m；采用機(jī)械鋪膜與收膜的工程，條垛間距應(yīng)符合卷膜機(jī)使用要求；

4）覆蓋膜的固定宜采用沙袋或水管方式，在采用水管方式時(shí)，在場地內(nèi)應(yīng)考慮配套相應(yīng)的給排水系統(tǒng)。

（2）混料區(qū)設(shè)計(jì)應(yīng)符合混料機(jī)或裝載機(jī)工作場地空間要求，而且儲存空間應(yīng)滿足不少于1d 物料的周轉(zhuǎn)量。

（3）物流通道設(shè)計(jì)應(yīng)考慮裝載機(jī)、自卸載重車等物流車輛的載重量、寬度、高度及轉(zhuǎn)彎半徑等要求。

5 PMCT 堆肥工程設(shè)計(jì)實(shí)例

華北地區(qū)某糞便堆肥項(xiàng)目，處理規(guī)模為60t/d（含水率90%），先通過預(yù)處理工序脫水至含水率80%，質(zhì)量減至30t/d，之后添加輔料（花生殼，含水率15%），添加比例為10%，根據(jù)物料平衡計(jì)算（見圖3），每日待發(fā)酵混合物料量為56t。

圖3 華北地區(qū)某糞便堆肥項(xiàng)目工藝流程圖

根據(jù)物料配比實(shí)驗(yàn)，混合物料堆積密度為0.6t/m3，總體積為93.33m3。

11—12 月進(jìn)行的工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)論證明，堆肥周期為21d 可滿足物料升溫及含水率要求。

最終選擇FCMC-4000 模塊63 組，并輔助配套設(shè)備。

運(yùn)行工藝采用：混料—布料—一次發(fā)酵（曝氣）—翻堆—二次發(fā)酵（曝氣）—出料。

項(xiàng)目總占地面積6132m2，其中發(fā)酵區(qū)面積為3629m2。

總裝機(jī)功率為290kW。

定員為8 人。

項(xiàng)目投資估算如表4 所示。

表4 華北地區(qū)某糞便堆肥項(xiàng)目工程投資估算

6 結(jié)語

PMCT 是一項(xiàng)由中國自主研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的堆肥技術(shù)[6]，具有獨(dú)特的裝配化特性，使其在設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行過程中有可能實(shí)現(xiàn)高度標(biāo)準(zhǔn)化流程，進(jìn)一步提升了堆肥項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，高度靈活化的設(shè)計(jì)使其更適用于中小規(guī)模有機(jī)固體廢物堆肥處理項(xiàng)目。