機(jī)械強(qiáng)化快速好氧發(fā)酵反應(yīng)器研發(fā)探析

王龍

（北京中源創(chuàng)能工程技術(shù)有限公司，北京 100029）

1 設(shè)計需求分析

根據(jù)典型規(guī)模餐飲服務(wù)機(jī)構(gòu)，或我國典型行政區(qū)域單元，分別統(tǒng)計調(diào)研不同本技術(shù)預(yù)期場景下有機(jī)垃圾的產(chǎn)生規(guī)模如表1 所示。

表1 典型場景餐廚垃圾產(chǎn)生規(guī)模

根據(jù)上表所示，本研究主要針對不同場景下的餐廚或廚余垃圾處理。覆蓋的使用場景包括餐飲單位、農(nóng)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣市。處理規(guī)模從數(shù)百kg 至數(shù)十噸不等。因此，明確本研究的機(jī)械強(qiáng)化快速好氧發(fā)酵設(shè)備應(yīng)具有以下特點：

（1）穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行：保障有機(jī)垃圾即產(chǎn)即清，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)進(jìn)出料，物料在反應(yīng)器內(nèi)具有相對穩(wěn)定的停留時間，出料性質(zhì)保持穩(wěn)定，不隨進(jìn)料頻率產(chǎn)生波動。

（2）提高堆肥效率：能夠通過機(jī)械方式強(qiáng)化通風(fēng)、攪拌、輔熱等關(guān)鍵發(fā)酵工藝，根據(jù)發(fā)酵狀態(tài)及時調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，縮短堆肥周期。

（3）提升裝備化水平：全過程堆肥工藝實現(xiàn)成套設(shè)備化。設(shè)備主體及配套設(shè)備組成全面標(biāo)準(zhǔn)化。成套設(shè)備實現(xiàn)處理規(guī)模、處理對象系列化。

（4）優(yōu)化工業(yè)設(shè)計：通過自動化控制實現(xiàn)系統(tǒng)全自動運(yùn)行，通過優(yōu)化工業(yè)設(shè)計實現(xiàn)簡易化操作，降低對人員的依賴，擴(kuò)大系統(tǒng)應(yīng)用場景。

（5）降低運(yùn)行成本：通過反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)菌渣高效分離，在系統(tǒng)內(nèi)截留微生物，維持合理含水率水平，降低菌種及輔料的消耗。

因此，本研究將從反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式、反應(yīng)器容積、攪拌裝置、輔熱裝置、引風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計五大方面進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)化快速好氧發(fā)酵設(shè)備的研發(fā)。

2 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式

本研究設(shè)計固體物料分倉式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式，以多個串聯(lián)的完全混合反應(yīng)器模擬推流式反應(yīng)器。利用隔板沿長度方向?qū)⒎磻?yīng)器分為n 個獨立的發(fā)酵倉，同時，在中心攪拌軸沿長度方向分別設(shè)置攪拌槳葉。堆肥原料進(jìn)入堆肥反應(yīng)器后首先進(jìn)入1#發(fā)酵倉，在攪拌軸的作用下與1#發(fā)酵倉原有的物料混合均勻后，超出隔板高度部分進(jìn)入2#發(fā)酵倉，以此類推最終由第n 個發(fā)酵倉排出系統(tǒng)。每個獨立發(fā)酵倉可視為一個完全混合反應(yīng)器，n 個獨立發(fā)酵倉串聯(lián)后可趨近與理想的推流式反應(yīng)器。連續(xù)固體推流式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式如圖1。

圖1 連續(xù)固體推流式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式

3 反應(yīng)器容積設(shè)計

反應(yīng)器容積計算具體如下：

公式中，m0，原始有機(jī)垃圾重量，含水率為，取90%；m1，發(fā)酵倉進(jìn)料重量，預(yù)處理（分揀、破碎、脫水）減量化率為a，取40%；Y1，發(fā)酵倉進(jìn)料有機(jī)物含量，取0.9g/g（絕干物料），進(jìn)料含水率，取75%；ΔY1，有機(jī)質(zhì)降解率，取40%，發(fā)酵后物料含水率，取30%。T，發(fā)酵周期，設(shè)定為8d。ρ，物料容重，假設(shè)發(fā)酵前后不發(fā)生變化（1.0kg/m3）。

基于以上設(shè)計參數(shù)，反應(yīng)器容積與處理規(guī)模的關(guān)系為。而不同停留時間，則對應(yīng)不同處理規(guī)模的反應(yīng)器有效容積如圖2。

4 攪拌裝置設(shè)計

攪拌裝置設(shè)計包括攪拌槳葉、攪拌軸，以及攪拌電機(jī)及減速機(jī)的選型與設(shè)計。設(shè)計應(yīng)基于反應(yīng)器結(jié)構(gòu)類型與容積設(shè)計結(jié)果，確定攪拌槳葉形式以及攪拌直徑，基于工藝要求設(shè)定轉(zhuǎn)速后經(jīng)計算得出電動機(jī)功率，并以此為基礎(chǔ)確定減速機(jī)規(guī)格，最后，按照減速機(jī)的輸出軸頭和攪拌軸系支承方式選擇相同型號規(guī)格的機(jī)架、聯(lián)軸器、軸封形式（圖3）。

圖2 不同停留時間條件下不同處理規(guī)模的反應(yīng)器有效容積

圖3 反應(yīng)器攪拌裝置設(shè)計

經(jīng)過以上分析計算，本研究開發(fā)的機(jī)械強(qiáng)化快速好氧發(fā)酵反應(yīng)器采用長實心軸、一體設(shè)計，選擇槳式攪拌器形式，設(shè)定轉(zhuǎn)速為10r/min，通過合理設(shè)定軸壁厚，要求滿足剛度要求，最終不同規(guī)格攪拌器系統(tǒng)選型。

5 輔熱裝置設(shè)計

國內(nèi)外常見的堆肥反應(yīng)器，主要集中在如何實現(xiàn)堆肥過程的機(jī)械化，如實現(xiàn)自動化機(jī)械進(jìn)出料，自動鼓風(fēng)曝氣供氧，以滾筒為代表的水平流反應(yīng)器強(qiáng)化了攪拌翻堆過程。但普遍對堆肥過程溫度、菌種、輔料這幾項指標(biāo)的優(yōu)化考慮不足。如前所述，溫度可以直接影響反應(yīng)速率，產(chǎn)物性質(zhì)，減量化效果等。因此，通過合理設(shè)計，實現(xiàn)堆肥溫度可控可調(diào)，同時考慮節(jié)能降耗，是機(jī)械強(qiáng)化快速堆肥反應(yīng)器的重要研究內(nèi)容之一。反應(yīng)器輔熱裝置設(shè)計圖如圖4。

圖4 反應(yīng)器輔熱裝置設(shè)計

本反應(yīng)器設(shè)計為分倉推流式反應(yīng)器，堆肥物料在密閉反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)完成堆肥過程。輻射系統(tǒng)的設(shè)計必須結(jié)合堆肥過程的熱平衡。

（1）堆肥反應(yīng)器內(nèi)維持堆體正常發(fā)酵所需的最低熱量計算公式如式（2）：

公式中：Qmax為反應(yīng)器內(nèi)物料發(fā)酵可對外釋放的熱量，kJ/kg；QW為水分蒸發(fā)帶走的熱量，kJ/kg；QE為損失在反應(yīng)器周邊環(huán)境的熱量，kJ/kg；QS為堆肥原料升溫所需的熱量，kJ/kg；QG為引風(fēng)帶走的熱量，kJ/kg。

（2）物料發(fā)酵堆肥釋放熱量

根據(jù)文獻(xiàn)資料，結(jié)合碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪，根據(jù)垃圾成分統(tǒng)計有機(jī)物發(fā)熱量為17.6MJ/kg。即：

（3）堆料升溫所需熱量

公式中：Cp.g為物料比熱，1.05kJ/kg·℃；Cp.w為水的比熱，4.18kJ/kg·℃；T 為預(yù)期堆體的穩(wěn)定溫度，℃，設(shè)定為55℃；Ta為原料的初始溫度，℃，設(shè)定為20℃。

（4）水分蒸發(fā)所需熱量

公式中：hw為水分蒸發(fā)熱，kJ/kg·℃。

（5）引風(fēng)帶走熱量

公式中：G0為引風(fēng)量；Ca為氣體比熱，1.4kJ/m3·℃。

從文獻(xiàn)獲知，通風(fēng)供氧造成的熱量損失主要是水蒸氣蒸發(fā)所帶走的熱量，且由于發(fā)酵反應(yīng)器頂部空間很小，空氣自身升溫需要的熱量可以忽略不計。但考慮到本研究所開發(fā)的設(shè)備為強(qiáng)制高頻通風(fēng)，按照1000m3/次，每天通風(fēng)3 次，計算通風(fēng)量帶走的熱量，計算結(jié)果QG=1.47×105kJ。

（6）散失到周圍環(huán)境的熱量如公式（14）：

公式中：S 為散熱面積；HRT 為設(shè)計停留時間，本設(shè)計選擇8d，192h；K 為傳熱系數(shù)，不銹鋼K 值為1.5W/（m2·K）；

T內(nèi)、T外為反應(yīng)器內(nèi)外的環(huán)境熱力學(xué)溫度，K。

計算散失到周圍環(huán)境的熱量：QE=3.63×104×SkJ

由計算結(jié)果可知，在不考慮外保溫的情況下，熱量散失過大。因此，在設(shè)計強(qiáng)化堆肥反應(yīng)器時必須設(shè)計保溫層。本研究采用聚氨酯做保溫材料，K 值為0.027W/（m2.K），重新計算熱量散失如下：QE=65.34×SkJ

（7）機(jī)械強(qiáng)化快速堆肥裝置所需的總熱量

圖5 不同規(guī)模垃圾堆肥過程所需熱量及各部分熱量需求占比

從圖5 可以看出，發(fā)酵過程熱量需求主要來自水分?jǐn)y帶走的熱量，其次，是引風(fēng)攜帶。物料升溫所需的熱量較少，不足總熱量需求的2%。由于在反應(yīng)器表面增加了保溫措施，故表面散熱大幅降低基本可忽略不計。但總體而言，在任何規(guī)模條件下，機(jī)械堆肥總需熱與總放熱難以達(dá)到自持平衡，需要輔助加熱系統(tǒng)提供額外熱量。

6 引風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

為了避免通風(fēng)系統(tǒng)堵塞與頻繁維修，本研究設(shè)計引風(fēng)+攪拌協(xié)同系統(tǒng)作為堆肥的主要供氧方式。引風(fēng)系統(tǒng)與攪拌系統(tǒng)聯(lián)動，在物料翻堆的同時，利用引風(fēng)系統(tǒng)將堆體中釋放的水蒸氣與CO2排出反應(yīng)器外，同時，攪拌過程中從進(jìn)風(fēng)口補(bǔ)充的干燥空氣與物料充分混合，作為下一靜止周期堆肥微生物反應(yīng)的氧氣來源。每一個引風(fēng)周期過后，堆體物料的溫度同期下降至較低水平。因此，引風(fēng)系統(tǒng)的作用為供氧與冷卻物料。反應(yīng)器引風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計如圖6。

圖6 反應(yīng)器引風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

引風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計需考慮有機(jī)質(zhì)降解所需的氧氣，堆體中水分蒸發(fā)、散熱冷卻需要的通風(fēng)量。

（1）有機(jī)物分解需要的氧氣量。

堆肥過程有機(jī)物的分解需要消耗一定量的氧氣，計算公式如公式（9）；

式中：q 為通氣量，m3/h；z0為進(jìn)氣中氧氣濃度，取值0.209；z為排期中氧氣濃度，取值0.15；Morganic為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量，kg；av為分解單位堆料需要的氧氣量，取0.89m3/kg；s 為堆肥裝置內(nèi)總質(zhì)量。

連續(xù)式堆肥需要的氧氣量是動態(tài)變化的，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)底物充足、微生物量最大、活性最強(qiáng)時，有機(jī)物降解速率最快，對氧氣的需求也最大。機(jī)械強(qiáng)化快速堆肥系統(tǒng)的通風(fēng)量應(yīng)不小于有機(jī)物分解過程需要的最大氧氣量。分析可知，當(dāng)有機(jī)物降解速率最大時，需要的氧氣量也最大，降解速率最大的計算如公式（10）：

公式中：μ為微生物最大比增殖速率，取值0.1；s0取值0.3；km為反應(yīng)系數(shù)，其計算如公式（11）：

則單位質(zhì)量有機(jī)物分解最大需氧量(Os)為

設(shè)定日處理1t 有機(jī)垃圾，進(jìn)入發(fā)酵倉體被降解最大需氧量為mO2=0.792m3/h。

（2）帶走水蒸氣所需的風(fēng)量

堆肥過程水蒸氣主要來源于三個方面：原料堆肥過程中水分的蒸發(fā)、輔料中攜帶水分的蒸發(fā)、有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生的水蒸氣。由于本研究開發(fā)的機(jī)械強(qiáng)化快速堆肥反應(yīng)器不采用輔料，因此，輔料中水分的散發(fā)可以省去。

針對堆肥過程有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生的水。取m1kg 原料為基準(zhǔn)進(jìn)行計算，其中原料有機(jī)物中易降解成分可用葡萄糖代表，其氧化反應(yīng)公式如式（13）：

由公式計算得知，每降解1kg 有機(jī)物產(chǎn)生0.93kg 水。以原料為m1kg 計算，原料含的有機(jī)質(zhì)為0.225m1kg，發(fā)酵過程有機(jī)質(zhì)降解掉0.09m1kg，該過程產(chǎn)生0.0838m1kg 水。由于輸入氧氣與輸出二氧化碳基本持平，基于物質(zhì)平衡得知：

計算結(jié)果說明，發(fā)酵過程產(chǎn)生的水約占系統(tǒng)水蒸氣總排出量的10.88%。綜上帶走水蒸氣所需的風(fēng)量可由公式（16）計算：

公式中：mH2O為發(fā)酵過程排放的水總重量；mH2O.evap為發(fā)酵過程蒸發(fā)的游離水總重量；mH2O.deg為發(fā)酵過程降解有機(jī)物產(chǎn)生的水重量；H0-H1為排氣管中氣體與進(jìn)風(fēng)口氣體的濕度差，取值0.5；ρ0為空氣密度，取值1.2g/L。

所以，每克有機(jī)垃圾進(jìn)行堆肥，帶走水蒸氣所需的通風(fēng)量為0.15L 空氣。每t 垃圾所需的通風(fēng)量為150m3。

（3）冷卻所需的風(fēng)量

冷卻或散熱所需的風(fēng)量需根據(jù)熱量平衡計算，可以參考本文第5 節(jié)的計算過程。堆肥過程中去除水分和散熱所需的通風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于供氧所需的通風(fēng)量，由于堆肥系統(tǒng)設(shè)計保溫效果受各種外界環(huán)境的影響，一般變化較大。

為了簡化計算過程，本研究選擇固定常數(shù)（5：1）計算冷卻所需風(fēng)量

（4）所需總風(fēng)量。

根據(jù)通風(fēng)的三個作用，計算得知堆肥所需的最小通風(fēng)量如式（18）：

以日處理1t 有機(jī)垃圾為例，計算得知，所需最小通風(fēng)量154m3/d。

7 結(jié)語

本研究基于小試與好氧發(fā)酵技術(shù)關(guān)鍵影響因素，確定了反應(yīng)器的設(shè)計需求，計算確定了不同規(guī)模反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式、容積、攪拌、輔熱以及引風(fēng)系統(tǒng)。取得的主要結(jié)論如下：

（1）針對國內(nèi)外好氧堆肥設(shè)備的共性問題，提出具備穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行及高效微生物體系的設(shè)備設(shè)計需求。通過優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式，縮短堆肥停留時間，降低反應(yīng)器容積。結(jié)合機(jī)械強(qiáng)化需求，分別開發(fā)攪拌裝置、輔熱裝置及通風(fēng)裝置。

（2）對比廣泛應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域的完全混合反應(yīng)器與推流式反應(yīng)器，為實現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)固體物料連續(xù)進(jìn)出料，采用多級串聯(lián)完全混合模擬推流式反應(yīng)的設(shè)計思路，開發(fā)了固體物料分倉式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)菌渣高效分離，在系統(tǒng)內(nèi)截留微生物、維持反應(yīng)器合理含水率水平，降低菌種及輔料消耗。

（3）基于物料平衡確定反應(yīng)器容積，在初始有機(jī)物含量為90%，有機(jī)質(zhì)降解率為40%的條件下，分別計算了不同規(guī)模、不同停留時間的反應(yīng)器有效容積。停留時間為8d 時，日處1t 有機(jī)垃圾反應(yīng)器有效容積不應(yīng)小于1.96m3。

（4）基于好氧發(fā)酵過程熱量平衡，分別計算物料發(fā)酵可對外釋放的熱量、原料升溫需要的熱量、反應(yīng)器表面積散失的熱量，以及水分及引風(fēng)帶走的熱量，得知在充分設(shè)計并優(yōu)化保溫系統(tǒng)的前提下，發(fā)酵熱量需求主要來自水分及引風(fēng)攜帶的熱量，僅靠發(fā)酵自身產(chǎn)熱量不足以維持機(jī)械強(qiáng)化快速發(fā)酵系統(tǒng)的基本需求。需要輔助加熱系統(tǒng)提供額外熱量，補(bǔ)充熱量需求約為200m0kJ。

（5）為避免通風(fēng)系統(tǒng)堵塞與頻繁維修，設(shè)計聯(lián)動攪拌的引風(fēng)系統(tǒng)作為反應(yīng)器的主要供氧方式。引風(fēng)規(guī)模的確定需分別計算有機(jī)質(zhì)降解所需的氧氣，堆體中水分蒸發(fā)、散熱冷卻需要的通風(fēng)量等。結(jié)果表明，通風(fēng)需求分別為堆體冷卻、水分釋放以及有機(jī)物降解。日處理1t 有機(jī)垃圾所需最小通風(fēng)量154m3/d。