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堆肥作为农业废弃物、有机生活垃圾等有机废弃物资源化利用的重要途径之一,应用前景十分广阔。滚筒式堆肥反应器作为一种处理有机废弃物的高效制肥设备,具有制肥周期短、结构简单以及运行成本低等优点,在好氧发酵制肥领域得到广泛应用[1-5]。通风搅拌系统作为堆肥反应器的核心部件,对堆肥过程及发酵产物质量有重要影响,好的通风搅拌系统可提高物料溶氧效率,提升堆体起温速率、避免发酵不彻底等问题。
通风搅拌系统主要由通风系统和搅拌装置组成。通风系统通常分为翻堆、被动通风和强制通风3类[6],在滚筒反应器的堆肥研究和实际工程中,强制通风方式应用最为广泛。强制通风是利用机械通风系统通过正压鼓风或负压抽风的方式对物料进行通风供氧,按通风形式可分为集中式和分布式两种。集中式通风采用端面进气和端面出气形式,存在通风不充分、能耗高等问题,分布式通风多采用轴向通风和周向通风方式,存在结构强度低等问题[1-3]。此外,在通风工艺参数(通风量、通风速率、通风频率等)设计方面,大多数研究没有充分考虑好氧发酵不同阶段对氧气量的需求差异,易导致氧气分布不均匀、水分脱除难等问题[7]。滚筒反应器搅拌装置主要用于对堆体进行翻转和协助充氧,促进氧气在堆体内部循环,加速发酵过程。抄板作为搅拌装置的关键部件,对堆体搅拌和充氧效果有重要影响,其结构、尺寸和排布设计与堆肥原料的密度、粘度等特性密切相关,但是,现有搅拌装置对物料的适应性不强,物料搅拌程度不够彻底且不易维修[8]。
为解决上述问题,本研究采用食物垃圾和梧桐叶混合堆肥,依托滚筒式堆肥反应器进行高效堆肥通风搅拌系统设计,该系统由分段式通风系统和组合式搅拌装置构成,实现堆肥过程分段通风,抄板角度、位置排布等可根据物料特性自由调整。通过离散元(DEM)和有限元(FEM)耦合仿真进行通风系统和搅拌装置设计,并通过堆肥滚筒性能试验验证该通风搅拌系统的可行性。
本研究依托的滚筒式堆肥反应器主要由滚筒筒体、通风搅拌系统、传动系统、监测系统、臭气处理装置等组成,如图1所示。堆肥滚筒工作时,物料由进料口添加进滚筒筒体,根据堆肥过程需要,滚筒做间歇性转动,在此过程中,物料在搅拌装置的作用下完成翻抛移动,并与空气充分接触。堆肥14 d后发酵完成,物料由出料口排至收集装置,同时,混合好的物料又可以同步添加,发酵产生的尾气(CH4、NH3和H2S等)由气泵排入臭气处理装置(活性炭、KDF多级吸附),经净化处理后排入空气[9]。
图1 滚筒式有机废弃物堆肥反应器三维图
Fig.1 3D model of organic waste rotary composting reactor
1.抽气泵 2.出料端盖 3.滚筒筒体 4.温度传感器 5.滚圈 6.进料端盖 7.风机 8.电控柜 9.滚轮 10.驱动电机 11.机架 12.臭气处理装置
监测系统主要用于采集堆体的温度和湿度数据,由温湿度传感器和数据监测平台组成,由于滚筒内同时存在发酵前、中、后期的物料,故在滚筒前(进料端)、中、后(出料端)段分别布置1组温湿度传感器,温度传感器选用K型热电偶,湿度传感器选用电容式。此外,考虑到堆肥过程中会有热量流失,滚筒采用双层结构,内层为钢板,外部为保温层[10-11]。同时,为便于后续取样,在滚筒前、中、后部筒壁上均设置有取样口,反应器主要技术参数如表1所示。
表1 堆肥反应器主要技术参数
Tab.1 Main technical parameters of composting reactor
参数数值滚筒体积/m30.55滚筒填充率/%60～75滚筒有效容积/m30.5滚筒转速/(r·min-1)0～5堆肥周期/d14日进料量/(m3·d-1)0～0.05
通风搅拌系统由通风系统和搅拌装置组成,如图2所示,该通风搅拌系统具有以下特点:采用分段通风技术,通过控制通气孔数量和通风管阶梯间隔以满足不同堆肥阶段通风需求,从而提升堆体充氧效果;搅拌装置由多组六棱长柱和抄板组合,抄板的数量、间距、倾角等可根据物料特性、堆肥不同阶段所需的搅拌要求进行拆装调整,维修方便。
图2 通风搅拌系统结构示意图
Fig.2 Aeration and mixing oxygen system structure
1.风机 2.机架 3.通风管 4.搅拌装置 5.滚筒筒体 6.臭气处理装置 7.抽气泵
在堆肥过程中,搅拌是一种特殊的通风方式,通过分子扩散和能量差驱动空气质量运动,从而为堆体供给足够的氧气。在搅拌过程中,抄板不仅能够协助物料均匀混合,还能够有效增大物料和氧气的接触机会、接触面积,有助于提高通风效率和充氧效果。但是,仅仅依靠抄板搅拌来为堆体供氧,堆肥效果通常较差,因此,本研究以通风系统为主,搅拌装置为辅进行滚筒反应器通风搅拌系统设计,通过理论计算和耦合仿真确定最佳的通风与搅拌工艺参数,以改善堆肥过程中堆体的溶氧效果,提高堆肥效率和产品质量。
2.1.1 通风系统结构设计
通风系统主要由进气管、通风管、风机、气泵等构成,通风管与滚筒端盖直接相连,端盖与机架焊接固定,滚筒与端盖之间为摩擦接触,因此,在滚筒转动过程中,通风管保持不动,始终处于水平位置(图2)。由于滚筒采用间歇式转动方式,在堆肥过程中,物料多处于静止状态,故采用堆体覆埋的轴向通风方式,为堆体提供充足氧气,实现高效溶氧。同时考虑到物料在滚筒搅拌装置的作用下会倾斜至滚筒一侧,致使部分通风管外露,为避免通风浪费,故在轴向通风的基础上,将通风管相对于滚筒中轴线位置降低一定高度,使堆体可始终埋覆通风管,为提升其耐腐性,通风管采用316号不锈钢材料,如图3所示。
图3 通风管三维图
Fig.3 3D model of aeration tube
1.进气端 2.通风主管 3.通风支管 4.旋转接头
2.1.2 通风系统参数设计
(1)通风量
通风量即堆肥需氧量,通常指堆肥过程中微生物活动和物料脱水所需通风量,其大小会直接影响堆体的温度变化,从而影响堆肥效果。
微生物活动所需通风量:根据已有研究基础,微生物分解包括升温期、高温期、降温期3个阶段[12-16]。有机质分解速率主要与发酵温度、物料含水率、堆体含氧量以及腔体的自由空域有关,含水率和氧浓度主要影响微生物的活性,一般认为物料含水率在60%时[17],微生物活性最高,氧含量不超过21%,腔体的自由空域主要影响堆体氧体积分数,一般取30%以上[15]。
以食物垃圾和梧桐叶混合堆肥为例(食物垃圾与梧桐叶按质量比3∶1混合),物料堆积密度采用定容积法测定约为480 kg/m3,根据前期研究基础,堆体的有机质质量分数经计算约为46.5%,当被氧化分解的有机质质量为MS时,理论通风量为3.82MS[18],考虑到通风量应满足最大理论值要求,故按高温发酵阶段计算通风量,计算公式为
QB=3.82ερVMOMVOM
(1)
式中 QB——有机质分解所需空气体积,m3
ε——滚筒填充率,取65%
ρ——物料堆积密度,取480 kg/m3
V——滚筒有效容积,取0.5 m3
MOM——物料有机质质量分数,取46.5%
VOM——有机质降解率,取35%[17]
经计算,整个堆肥过程中微生物分解有机质所需的通风量QB为96.99 m3。
物料脱水所需通风量:在堆肥过程中,物料脱水所需通风量要比有机质分解所需通风量高很多,一般要求出料含水率降至30%以下,当物料初始含水率为60%时,1 kg干物料水分蒸发量为1.67 kg[19],即1 kg原始物料水分蒸发量为0.625 kg。考虑到在不同地区、不同季节堆肥,其外部环境不同,堆肥效果会略有差异,因此,本研究选取环境温度平均值(20℃)作为反应器外部温度,反应器内部温度取堆肥阶段堆体平均温度(50℃),进行物料脱水所需空气量计算,计算公式应满足[1,19]
(2)
式中 QW——物料脱水所需空气体积,m3
ρA——空气密度,取1.293 kg/m3
Mw——单位质量原始物料水分蒸发量,kg
ω1——50℃空气饱和湿度,取87.56 g/kg[19]
ω2——20℃反应器出气口饱和湿度,取14.89 g/kg[19]
φ1——20℃环境相对湿度,取100%[20]
φ2——50℃环境相对湿度,取75%[20]
经计算可得,物料在堆肥过程中脱水所需通风量为986.99 m3。
综上所述,在堆肥过程中,通风量Q应为有机质降解所需通风量和物料脱水所需通风量之和,即
Q=QW+QB
(3)
经计算,该通风搅拌系统在堆肥过程中的理论通风量为1 083.98 m3。
CJJ 52—2014《生活垃圾堆肥处理技术规范》提出,配有强制通风设施的机械翻堆动态堆肥,所推荐的最佳工艺风量为0.05～0.2 m3/min(以每立方米垃圾为基准计算)。结合反应器内物料体积为0.325 m3,堆肥周期为14 d可得,该通风搅拌系统在堆肥过程中通风量为327.6～1310.4 m3,说明该通风搅拌系统的理论通风量(1 083.98 m3)满足《生活垃圾堆肥处理技术规范》对通风量的设计要求。
(2)通风频率与通风速率
通风频率和通风速率是通风系统设计的关键参数,与堆肥所需的通风量密切相关,二者通常以理论通风量的最大值为设计依据。研究表明持续通风5～10 min可以维持堆体中O2浓度在17%以上,通风结束后的前10 min,堆体内氧气供应充足,微生物活力旺盛;10～20 min时,堆体内氧气浓度呈快速下降趋势,微生物活力下降;20～40 min时,堆体内氧气浓度逐渐降低并趋于平缓后,微生物活力受限[21-22]。因此,为了保证微生物活力,从而达到堆体控温效果,本研究选取间歇通风方式,通风周期为30 min,通风10 min,停止20 min。结合通风间歇时间和通风量大小,计算可得堆肥系统通风需求的理论通风速率为
(4)
式中 I——理论通风速率,m3/min
T——堆肥周期,d
由式(4)可知理论通风速率I为0.161 m3/min。风机选用最大通风量为0.3 m3/min的变频式气泵,通风精度可精确至0.001 m3,流量计量程0～0.3 m3/min,可满足精准监控通风速率要求。
(3)通气孔设计
通气孔倾角、直径和数量设计是解决通气孔堵塞问题的关键,而通气孔位置分布决定了通风管能否满足均匀布气要求。根据已有研究发现,斜向下45°开收敛型通气孔时,最易形成微小射流,可以有效防止因沉淀物积累导致的通气孔堵塞[23]。此外,当通气孔直径为3 mm,通气孔气流流速大于10 m/s时,通气孔可同时满足防堵和通风要求[24],故取通气孔倾角为45°,通气孔孔径为3 mm,通气孔气流流速取15 m/s,根据气流流速公式计算得出通气孔数量
(5)
式中 N——通风管上的通气孔总数
Vi——通气孔处气流速度,m/s
A——通气孔截面积,m2
代入已知条件计算得通气孔总数N为26个(向上取整)。
考虑到堆肥滚筒为连续进出料,不同堆肥阶段通风量需求不同,堆肥初期堆体快速升温,对通风量需求最小,堆肥高温期堆体中的有机质大量降解,微生物需要充足的氧气来维持活性,堆肥降温期通风主要起脱水作用,通风量需求最大。故采用分段结构将通风管划分为3段,分别对应堆肥升温期(2 d)、高温期(5 d)和降温期(7 d)[1],通过控制阶梯间隔和阶梯上的通气孔数量实现堆肥不同阶段、堆体不同位置分阶通风,越靠近降温期阶梯间隔越小,通气孔数量越多(图4)。
图4 通风管结构简图
Fig.4 Aeration tube structure
结合上述要求,堆肥升温期、高温期和降温期应满足关系
N3>N2>N1
(6)
S1>S2>S3
(7)
式中 N1——升温期阶梯通气孔数量
N2——高温期阶梯通气孔数量
N3——降温期阶梯通气孔数量
S1——升温期阶梯间距离,mm
S2——高温期阶梯间距离,mm
S3——降温期阶梯间距离,mm
结合式(5)～(7)可得,堆肥升温期、高温期、降温期分别对应1、2、3根阶梯,每根阶梯上应均匀排布4.3个通气孔,但考虑到气流在管道中的流动会有一定的损耗,具体表现为越靠近滚筒出料端,气体流速越低,且通气孔数量必须为整数。因此,将堆肥升温期通风支管上的通气孔数量调整为3个,N1=3;堆肥高温期各通风支管上的通气孔数量设计为4个,N2=8;堆肥降温期各通风支管上的通气孔数量调整为5个,N3=15。其中升温期通风速率V1=0.019 m3/min,高温期通风速率V2=0.050 m3/min,降温期通风速率V3=0.093 m3/min。
2.1.3 通风系统仿真设计
根据上述理论计算结果,在实际堆肥过程中,由于物料黏度较高,通风管作为直接接触部件易发生应力集中,为得出通风管的应力分布及变形情况,为加工与应用提供参考,基于EDEM、ANSYS软件对通风管进行静应力分析。首先利用EDEM 2020进行堆肥过程模拟和后处理分析,获取模型受到的最大载荷及产生最大载荷时刻,再通过ANSYS建立通风管有限元模型,网格单元尺寸定义为2 mm,模型的约束和载荷由EDEM导出后再导入ANSYS软件,最后求解得出通风管应力、形变云图和安全系数图,如图5所示。
图5 通风系统应力、形变量、安全系数仿真图
Fig.5 Stress, deformation and safety factor simulation of aeration system
由图5a可知,应力集中在通风管两端,最大应力出现在管道交接处,应力为13.064 MPa,查阅《机械设计手册》可知[25],316号不锈钢屈服强度大于等于205 MPa,说明通风管结构强度满足设计要求。由图5b可知,整个通风管结构的形变主要发生在通风管左侧,最大形变量为0.038 126 mm,这与滚筒转动方向有关,由于滚筒采用顺时针转动,随着滚筒转动,物料大多累积在滚筒左侧,从而对通风管左侧部分产生较大的压力,使得形变量略高于右侧部分。安全系数是评定设计性能的关键参数,一般来说,标准工程规定安全系数应大于1,图5c表明该通风管结构满足强度要求,可实现通风系统长期稳定工作。
2.2.1 抄板设计
在滚筒转动过程中,抄板会将筒内堆体抄起,增大物料和氧气的接触面积,抄板形状、尺寸以及与滚筒中轴线之间的夹角都会对搅拌效果产生影响[26]。目前,滚筒设备中常用的抄板形状有直板式、直角弯板式、半圆式、弧圆组合式、变截面式5种[26-27]。直板式抄板的形状为矩形,抄板结构简单,加工较易,但物料抛起时间较短,搅拌效果稍差。直角弯板式、半圆式、弧圆组合式和变截面式抄板由于顶部折弯的设计使物料被抛起的时间变长,因此搅拌效果较好,但是加工难度和成本都比直板式抄板高[28-29],抄板的折弯部分还易藏垢物料,引起部分物料发生厌氧发酵,产生恶臭。
此外,考虑到滚筒式堆肥反应器的转速较慢,不同形状的抄板对筒内物料的抛撒幅度影响很小[5],因此,本研究选用直板式抄板,抄板的尺寸根据使用环境确定。当抄板高度为发酵滚筒直径的1/10时,搅拌及移料效果较好[10-11],结合滚筒反应器直径(D=600 mm),设计抄板高度H为60 mm。同时,为保证抄板在堆肥过程中的强度和使用寿命,抄板长度L设计为L=2H=120 mm,加工材料选用厚度δ为3 mm的45号钢板,结构设计如图6所示。
图6 抄板三维图
Fig.6 3D model of flight
抄板与滚筒中轴线之间的夹角为抄板倾角,倾角会影响物料的搅拌、移动效果,当抄板倾角θ为45°时,物料搅拌效果最好[5]。此外,由于不同堆肥阶段搅拌要求不同,故本研究对抄板进行了可拆卸设计,从而实现组合式搅拌。
2.2.2 主体结构设计
滚筒搅拌装置由绕滚筒中轴线均布的6根六棱柱和呈螺旋分布的多组抄板构成,如图7a所示。其中,筒内物料移动速度与抄板组螺距有关,参照《农业机械设计手册》,螺距S与滚筒直径D满足公式[30-31]
图7 堆肥滚筒螺旋结构简图
Fig.7 Composting drum spiral structure
1.抄板 2.六棱长柱 3.堆肥滚筒
S=0.8D
(8)
结合滚筒直径D,设计螺旋结构的螺距S=480 mm。考虑到滚筒长度仅为1 800 mm,故在出料口位置布置一圈阻料抄板,用于降低物料向出料端推进的速度,使物料能够均匀且充分的腐熟,同时匹配每日出料量需求(0.05 m3/d)。如图7b所示,当阻料抄板与滚筒轴线呈135°夹角时,阻料效果较好[1,5]。
由于滚筒在实际运转过程中,物料对搅拌装置有一定冲击作用,因此,本研究利用DEM-FEM耦合仿真对搅拌装置进行静力学分析,其应力云图、形变量云图和安全系数图如图8所示。
图8 搅拌系统应力、形变量、安全系数仿真图
Fig.8 Stress, deformation and safety factor simulation of stirring system
由图8a可知,应力主要集中在靠近进料端的抄板上,最大应力为190.31 MPa,出现在抄板与搅拌轴的连接处,符合强度要求(抄板屈服强度约为355 MPa(45号钢)[25]),同时由图8b可知,整个搅拌装置形变量均较小,只在抄板的悬臂远端有形变发生,其形变量仅为0.334 17 mm,同时由图8c可知,本结构最小安全系数为1.313 6,大于1,说明该结构符合设计要求。
为检验滚筒堆肥反应器性能及堆肥效果是否满足实际应用要求,以食物垃圾和梧桐叶为原料开展堆肥试验,食物垃圾取自南京农业大学浦口校区学生食堂,梧桐叶于南京农业大学校园内收集,所有物料经粉碎处理后尺寸为20 mm,堆肥反应器实物图如图9所示。
图9 滚筒式堆肥反应器实物图
Fig.9 Actual rotary composting reactor
堆肥处理时,将食物垃圾和梧桐叶按质量比3∶1均匀混合,总质量约为180 kg,调节其含水率为60%,控制滚筒填充率为65%。由于本试验的重点是验证通风搅拌系统的合理性以及该系统对堆肥效果的影响,因此,试验采取单批次投入物料,通过比较不同发酵阶段,滚筒前、中、后段堆体理化性质,来评价所采用的分段通风技术优势,单一物料与混合原料理化参数见表2[32-33]。
表2 堆肥物料基本理化参数
Tab.2 Physical and chemical parameters of compost materials
参数食物垃圾梧桐叶混合物料含水率/%81.408.1062.12碳氮比/(g·kg-1)5.6941.012.40容重/(kg·m-3)104510480pH值8.245.376.60
根据已有研究经验并结合文献[1],滚筒转速取3 r/min,搅拌频率为2次/d,每次转动一圈,试验周期共14 d,通风速率为0.161 m3/min,通风频率为30 min/次,通风时间为10 min/次。
试验开始后,每天从堆肥滚筒前、中、后段的温度传感器读取堆体温度并取出100 g样品,混合均匀后置于-5℃冷藏室保存备用,用于后续pH值、含水率和种子发芽指数(GI)测定,其中含水率采用GB/T 8576—2010进行测定,pH值和种子发芽指数采用NY/T 525—2021进行测定。
此外,为探究该滚筒反应器的经济性,通过计算堆肥过程中的能源消耗费用和人工费用,开展滚筒反应器堆肥运行成本分析。
3.2.1 堆肥过程中堆体温度
堆肥过程中堆体温度随时间变化曲线如图10所示。滚筒前、中、后段物料在堆肥初期均稳定升温,在堆肥3 d时达到50℃以上,其中滚筒前段和中段物料在堆肥6 d时达到高温峰值67.89℃和67.85℃,滚筒后段物料在堆肥5 d时达到高温峰值69.56℃。高温期持续高温能充分杀灭病虫卵等有害物质,试验堆体温度在50℃以上维持了6 d,符合堆肥无害化处理要求。相比于其他反应器堆肥[2,26,34],应用该通风搅拌系统的堆肥反应器,起温速率更快,在堆肥5 d时,堆体温度即达到高温峰值,可有效缩短堆肥时间。
图10 堆肥过程中堆体温度变化曲线
Fig.10 Temperature changes curves during composting
3.2.2 堆肥过程中堆体含水率
堆肥过程中堆体含水率随时间变化曲线如图11所示。在整个堆肥期间,滚筒内堆体含水率逐渐下降,其中升温期(72 h)堆体含水率下降较慢,基本维持在55%以上;高温期堆体含水率开始快速下降,其含水率变化规律如下:高温期1～4 d(72 h),滚筒内堆体水分逐渐减少,滚筒前段堆体含水率降低速度相对较慢,滚筒中、后段堆体含水率降低至40%左右;高温期4～5 d(24 h),堆体含水率上升,这是由于滚筒具有良好的保温性,随着温度的不断上升,有机质的降解以及水分子的热胀,导致腔体内水分子含量急剧增加,水汽未能及时排出而回流堆体,致使堆体含水率上升;高温期5～7 d(48 h),堆体含水率恢复正常下降趋势;降温期1～2 d(24 h),堆体含水率又出现了小幅上升,这是因为滚筒密封性好,温度降低后,滚筒内的水蒸气遇到滚筒内壁冷凝滴落,导致堆体含水率出现小幅提高;降温期2～5 d(72 h),随着堆肥试验的进行,堆体含水率开始逐步降低并趋于稳定;降温期的最后1 d(24 h),筒前、中、后段堆体含水率分别降低至32.11%、27.21%和33.5%,与已有的研究相比(出料含水率一般高于40%)[32-33],物料去水效果更为理想,有利于实现餐厨垃圾快速减量化处理。
图11 堆肥过程中堆体含水率变化曲线
Fig.11 Water content changes curves during composting
3.2.3 堆肥过程中堆体pH值
堆肥过程中堆体pH值随时间变化曲线如图12所示。随着好氧发酵的进行,堆体的pH值呈上升趋势,升温期堆体pH值在6.5～7.6之间,大多呈现弱酸或中性。随着堆肥进入高温期,堆体的pH值有一个明显的下降,这是由于温度逐渐升高,产酸微生物(欧陆森氏菌属、乳杆菌属、梭菌属)快速繁殖导致有机酸积累,致使pH值下降[35]。随着好氧发酵的不断进行,物料不断被微生物分解,有机酸和蛋白质被分解,pH值逐渐升高,降温期堆体pH值逐渐上升至8.0以上,呈现弱碱性,符合堆肥腐熟国标要求。由pH值曲线可知,不同发酵区间的理化参数差异性并不显著,说明该反应器稳定性良好,相比于其他反应器堆肥[26,34],堆体pH值上升更快,在堆肥的第8天即呈现弱碱性,发酵周期预计可缩短7 d。
图12 堆肥过程中堆体pH值变化曲线
Fig.12 pH value changes curves during composting
3.2.4 种子发芽指数测定
种子发芽指数(GI)是判断植物毒性和好氧堆肥腐熟度的一种简单有效的方法,国标规定种子发芽指数大于70%时可认为堆体没有毒性且已腐熟。种子发芽指数试验结果如图13所示,随着好氧发酵的进行,种子发芽指数不断上升,堆肥14 d时,滚筒前、中、后段种子发芽指数分别达到97.5%、93.6%和131.4%。与文献[1,34]相比,本试验的物料腐熟速度更快,在堆肥的第8天即满足堆肥腐熟要求(NY/T 525—2021)(GI大于等于70%),种子发芽指数(物料腐熟度)最高可提升40%。
图13 种子发芽指数试验结果
Fig.13 Seed germination index (GI) test results
3.2.5 运行成本分析
滚筒反应器堆肥运行成本主要由能源消耗费用和人工费用组成,其中能源消耗费用包括驱动电机、风机、抽气泵电能消耗,人工费用主要用于进出物料和保障设备正常运行。
滚筒反应器理论运行成本计算公式为[36]
(9)
式中 YM——堆肥所需人工单价,取25元/t
Pi——反应器各电器设备运行功率,kW
Ti——电器设备日运行时间,h
YE——用电单价,取0.56元/(kW·h)
C——反应器运行成本,元/t
结合滚筒反应器运行参数(滚筒有效容积、物料容重、滚筒填充率、电机功率、搅拌时间、通风时间),其中驱动电机、风机和抽气泵运行功率分别为550、60、40 W,驱动电机日运行时间(搅拌时间)为0.011 h,风机和抽气泵日运行时间(通风时间)均为8 h,代入公式(9)计算可得,滚筒反应器堆肥运行成本C为65.51元/t。与已有堆肥反应器堆肥运行成本相比[36],当堆肥周期相同时,该滚筒反应器堆肥运行成本更低。
(1)设计了一套适用于滚筒反应器的高效堆肥通风搅拌系统,可有效提高物料溶氧效率,提升堆体起温速率,避免发酵不彻底等问题。
(2)通过DEM耦合FEM的方法,采集物料发酵过程中粘度最大时的物理参数作为输入,对通风系统和搅拌装置进行可靠性分析,结果显示,通风系统最大应力出现在通风管上,为13.064 MPa,最大形变量为0.038 126 mm,搅拌装置最大应力出现在抄板上,为190.31 MPa,最大形变量为0.344 17 mm,均在允许范围之内,设计合理。通风系统和搅拌装置均满足强度要求,该系统硬件安全可靠。
(3)滚筒反应器性能试验结果表明,采用该通风搅拌系统进行食物垃圾和梧桐叶混合堆肥,堆体温度持续高于50℃的时间维持在6 d以上,堆肥结束时含水率下降到30%以下,pH值上升至8.0以上,种子发芽指数最高可达131.4%,反应器堆肥运行成本为65.51元/t。因此,采用该通风搅拌系统可有效改善堆肥质量,实现高效堆肥。
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