堆肥化系統(tǒng)及其應用特點

第五章堆肥化系統(tǒng)及其應用特點第一節(jié)堆肥化系統(tǒng)簡介國內外堆肥化已有悠久的歷史，因而形成了眾多的堆肥系統(tǒng)。早期的傳統(tǒng)堆肥化方式一般只是簡單地將原料堆放，并進行長時間的堆放，很少進行翻動和管理。這種傳統(tǒng)簡單的堆肥方式長期以來一直是我國廣闊農村普遍采用的堆肥方式。由于這種方式不能滿足好氧微生物的生長與繁殖，常常出現堆體溫度低，分解速度慢，堆肥產品質量低，易產生硫化氫以及其它低分子量的臭味物質的問題。隨著堆肥科學與技術的不斷進步，國外自20世紀50年代以來開發(fā)出各種各樣的現代化堆肥系統(tǒng)。這些系統(tǒng)具有機械化程度高、處理規(guī)模大、堆肥化速度快、無害化程度高、管理智能化等特點。目前在歐美等興旺國家的許多現代化堆肥工廠，完全實現了通風、溫度、濕度和其它堆肥環(huán)境因子的智能化化控制。堆肥化系統(tǒng)的分類方法較多，有人根據反響器類型、固體流向、反響器床層和空氣供應方式，將堆肥系統(tǒng)分為非反響堆系統(tǒng)(開放式)和反響堆系統(tǒng)(容器式或密閉式)兩大系統(tǒng)。各系統(tǒng)又有不同的類型。非反響堆系統(tǒng)(開放式)攪拌固體床(條形堆)自然通風攪拌床強制通風攪拌床靜態(tài)固體床強制通風(靜態(tài)通風堆)自然通氣(不通氣堆)反響堆系統(tǒng)(容器式或密閉式)垂直固體流攪拌固體床多膛式多層式、多艙或多區(qū)式筒倉床(固體反響堆)氣固逆流式氣固渦流式水平和傾斜固體流翻斗固體床(轉鼓式或轉窯式)分散氣流蜂窩式完全混合式攪拌固體床(攪拌箱或開放槽)圓形方形靜態(tài)固體床(隧道形)推動型傳送帶型非循環(huán)(堆肥箱)第二節(jié)幾種典型的堆肥化系統(tǒng)盡管國內外歷史上出現或目前沿用的堆肥化系統(tǒng)很多，但其中有3種類型被認為是典型的堆肥系統(tǒng)，它們分別是條形堆系統(tǒng)、靜態(tài)通風堆系統(tǒng)和反響器系統(tǒng)。一、條形堆系統(tǒng)這是全世界很早以前就普遍采用的最簡單的一種系統(tǒng)，無論是興旺國家，還是開展中國家，條形堆系統(tǒng)一直被廣泛采用。尤其是在地廣人稀、土地資源豐富的美國中西部地區(qū)和加拿大應用較多〔如圖5－1所示〕。條形堆是在露天或棚架下，將混合好的堆化化原料堆成條堆狀，在好氧條件下進行分解的一種堆肥化方式。條形堆式堆肥一次發(fā)酵周期為1~6個月。圖5－1條形堆系統(tǒng)實例條堆的斷面有梯形、寬梯形或三角形等(見圖5－2)。(a)梯形(b)寬梯形(c)三角形圖5－2條形堆的幾種形式條形堆建造由預處理、建堆、翻堆和貯存四個工序組成?！?〕場地對條形堆式系統(tǒng)來說，場地的建設非常重要。場地應留有供堆肥設備可在條堆之間移動的足夠大的空間?？紤]到操作方便、堆體形狀的維持以及周圍環(huán)境和滲漏問題，條形堆式堆肥的場地外表應滿足兩個要求：一是必須鞏固，場地外表材料常用瀝青或混凝土，其設計標準與公路相似；二是必須有坡度，便于水快速流走。當采用堅硬的材料〔如道路瀝青和混凝土〕時，場地外表坡度不小于1%；當采用不夠堅硬的材料〔如礫石和爐渣〕時，其坡度應不小于2%。雖然在理論上堆肥過程只存在少量的排水和滲濾液，但也應考慮異常情況下產生滲濾液使用的收集和排出系統(tǒng)，它至少包括排水溝和貯水池。重力排水溝的結構較簡單，常用的是地下排水管系統(tǒng)或具有格柵和檢查井的排水管系統(tǒng)。面積大于2×104〔2〕建堆堆肥物料經過分選和破碎等預處理步驟后就可進行建堆。建堆方法隨當地氣候條件、物料特性以及是否有污泥、糞便類添加物參加而異。如無添加物，就可直接進行建堆；如果有添加物參加，那么根據添加物的摻入和混合方式又可分為兩種形式：①采用一層垃圾一層添加物的方法建堆，其混合靠翻堆來完成；②垃圾和添加物從公共出口排出，邊混合邊建堆〔如圖5－3〕。圖5－3條形堆的建堆方式示意圖建堆的形狀主要取決于氣候條件以及翻堆設備的類型。在雨天多、降雪量大的地區(qū)宜采用便于遮雨的圓錐形或采用平頂長堆，平頂長堆的相比照外表積〔外層外表積與體積之比〕小于圓錐形，因此它的熱損失少，能使更多的物料處于高溫狀態(tài)。除此之外，建堆形狀的選擇還與所采用的通風方式有關。在建堆的尺寸方面，首先考慮發(fā)酵需要的條件，但也要考慮場地的有效使用面積。堆高大可減少占地，但堆高又受到物料結構強度和通風的限制。假設物料主要組成成分的結構強度好，承壓能力較好，在不會導致條堆傾塌和不會顯著影響物料的空隙容積的前提下，堆高可以相應增加，但隨之也會增加通風阻力，從而導致通風設備的出口風壓也相應地增加。且堆體過大，易在堆體中心發(fā)生厭氧發(fā)酵，產生強烈的臭味，影響周圍環(huán)境。典型的條形堆寬為4.5~7.5m，高為3~3.5m，長度不限。但最正確尺寸要根據氣候條件、翻堆設備、原料性質而確定?！?〕翻堆①翻堆方式翻堆是用人工或機械方法進行堆肥物料的翻轉和重堆。翻堆不僅能保證物料的好氧狀態(tài)，有利于有機物的均勻降解；而且還能使所有的物料在堆肥內部高溫區(qū)域停留一定時間，以滿足物料殺菌和無害化的需要。翻堆過程既可以在原地進行，又可將物料從原地移至附近或更遠的地方重堆。翻堆操作如圖5－4所示。圖5－4翻堆操作示意〔柴曉利等,2005〕②翻堆次數由于通風是翻堆的主要目的，因此翻堆次數取決于條堆中微生物的耗氧量，翻堆的頻率在堆肥初期應顯著高于堆肥后期。翻堆的頻率還受其他因素限制，如腐熟程度、翻堆設備類型、防止臭味產生、占地空間的需求及各種經濟因素的變化。一般當堆體溫度超過60℃時就應進行翻堆。當用稻草、谷殼、干草、干樹葉、木片或鋸屑作調節(jié)劑且與污泥形成的混合物的水分約為60%時，堆體建好后第3d進行翻堆，然后每隔1d翻一次堆，直至第4次，之后每隔4d或5d翻一次堆。在一些特殊情況下，如物料含水過高或物料被壓實時，也要通過翻堆來促進水分蒸發(fā)和物料松散。因此，設計和配置翻堆設備時，都應保證ld一次的翻堆能力。③翻堆設備國外最初用于翻堆的設備是推土機和前置式裝卸機〔圖5－5〕。推土機通過將堆肥物料攤開和重堆來進行翻堆作業(yè)，裝卸機那么首先將物料裝人料斗，然后在行進中將物料傾倒下來完成翻堆或布料。但這兩種方法會使物料受到一定程度的壓實，漸已淘汰。奧地利komptech、德國BACKUS等公司都是制造堆肥機械及固體廢棄物處理機械的專業(yè)公司，其銷售網絡分布世界各地，在我國上海和北京設有辦事處。翻堆設備的形式有跨式翻堆機〔如圖5－6和5－7〕、側式翻堆機〔圖5－8〕和斗式翻堆機〔圖5－9〕等類型。圖5－6所示為山東銀香偉業(yè)公司堆肥廠從德國BACKUS公司引進的自驅跨式翻堆機用于牛糞堆肥化生產的現場圖。圖5－5用于翻堆的前置式裝卸機實物圖圖5－6大型自驅跨式翻堆機實物圖圖5－7小型自驅跨式翻堆機實物圖圖5－8小型自驅側式翻堆機實物圖圖5－9斗式翻堆機實物圖條形堆系統(tǒng)的優(yōu)點：(1)所需設備簡單，投資本錢較低；(2)翻堆時能加快水分的散失，使堆肥產品易于枯燥；(3)所添加的填充劑易于篩分和回收；(4)堆腐時間較長，產品的穩(wěn)定性較好。條形堆系統(tǒng)的缺點：(1)占地面積大；(2)堆制周期長；(3)需要翻堆以保持有氧狀態(tài)，因此，需要大量的勞力和翻堆機械；(5)翻堆時有臭味散發(fā)，特別是堆制沒有完全穩(wěn)定化的生活污泥時，這種污染情況更為嚴重，常常影響公眾與堆肥廠的關系。二、靜態(tài)通風堆系統(tǒng)靜態(tài)通風堆系統(tǒng)是條形堆的改良形式，在興旺國家普遍使用，例如，目前世界上最大的污泥堆肥廠－美國污泥處理中心(SPDC)，就是采用靜態(tài)通風堆系統(tǒng)的。它主要用于濕基質的堆肥，中間可采用膨脹材料在堆中形成孔隙。圖5－10為用于庭院廢棄物堆肥的靜態(tài)通風堆系統(tǒng)示意圖。圖5－10用于庭院廢物堆肥的靜態(tài)通風垛系統(tǒng)示意〔柴曉利等,2005〕1－堵頭;2－覆蓋層;3－樹葉;4－鼓風箱;5－多孔填充料;6－PVC穿孔管靜態(tài)通風堆系統(tǒng)與條形堆系統(tǒng)的不同之處在于：(1)堆肥過程中不進行物料的翻堆；(2)通過鼓風機通風使堆體保持好氧狀態(tài)。靜態(tài)通風堆系統(tǒng)的通氣系統(tǒng)包括一系列管路，這些管路位于堆體下部，與鼓風機或真空泵連接。在這些管路上鋪一層木屑或者其他填充料，可以使通氣到達均勻,然后在這層填充料上堆放堆肥物料構成堆體，在最外層覆蓋上過篩或未過篩的堆肥產品進行隔熱保溫。加拿大和美國等還使用一種堆肥覆蓋纖維布〔Compostex?〕〔如圖5－11〕。使用堆肥覆蓋纖維布，既能保證堆體氧氣和二氧化碳通暢交換，又能促使過多水分蒸散。在雨天有阻水作用，可防止營養(yǎng)成分損失，在干熱天氣又能保證堆體水分過多散發(fā)。圖5－11一種用于堆肥的覆蓋纖維布靜態(tài)通風堆體一般在瀝青或水泥地面上進行，以防止?jié)B濾液對土壤的污染或對地面的腐蝕，并使堆體保濕、絕熱、防止熱量損失、防蠅并過濾氨氣和其他可能在堆體內產生的臭氣。靜態(tài)通風堆系統(tǒng)中，關鍵是通氣系統(tǒng)，包括鼓風機和通氣管路。通氣管路可以是固定式的，也可以是移動式的；管路材料可以是可重復使用的，也可以是可降解的。在固定式通氣系統(tǒng)中，通氣管路放入水泥溝槽中或者平鋪在水泥地面上，上鋪木屑等填充料形成多空氣流通路徑的效果。還有一些固定式通氣系統(tǒng)完全靠水泥溝槽充當通氣管路。水泥溝槽必須能支撐住上面堆料的壓力。移動式通氣系統(tǒng)主要由簡單的管道直接放在地面上構成。移動式系統(tǒng)的優(yōu)點是：本錢低，設計靈活，易于調整。它比固定式系統(tǒng)使用得更普遍。通風方式可采取正壓鼓風或負壓抽風，也可用由正壓鼓風與負壓抽風組成的混合通風。正壓鼓風就是用鼓風機將空氣鼓入堆肥物料中，而負壓抽風那么是將堆肥物料中的潮濕高溫氣體用風機抽出。正壓鼓風的特點是輸人空氣均勻，有利于物料中氣孔的形成，使物料保持蓬松，輸氣管不易堵塞；能有效地散熱和去除水分，其效率比負壓抽風高1/3。負壓抽風易使物料壓實過緊。通風的控制方式可以有多種，一般常用溫度或時間控制。通過在堆體中安裝溫度反響系統(tǒng)，堆體內部溫度超過60℃時，鼓風機自動開始工作，排出堆料熱量和水蒸氣，使堆體冷卻下來。鼓風機也可以定時控制，每隔15～20min〔具體時間根據實際情況確定〕通風供氧。為保證殺滅病原體，靜態(tài)通風垛堆肥溫度必須保持在55℃左右并至少持續(xù)7d。為減小通風阻力，強制通風方式對堆肥物料的特性有較為嚴格的要求，具體如下。①物料呈粒狀，松散狀。②顆粒尺寸應均勻。當堆肥原料為農業(yè)秸稈時，應先將秸稈切碎成1～5cm的長度，其中以1～2cm最為適宜。③物料含水率應控制在55%左右，以防止水分過多而引起的物料空隙容積減少甚至壓實。假設通風方式使用翻堆與強制通風結合的方式，那么成為強制通風條堆系統(tǒng)。其操作除了定期翻堆外，其余與靜態(tài)通風條堆系統(tǒng)相似。靜態(tài)通風堆系統(tǒng)的優(yōu)點：(1)相對于條形堆系統(tǒng)，溫度及通氣條件得到更好地控制；(2)產品穩(wěn)定性好，能更有效地殺滅病原菌及控制臭味；(3)堆腐時間相對較短，一般為2~3周；(4)由于堆腐期相對較短、填充料的用量少、占地相對較少；(5)耗能較少的能量。靜態(tài)通風堆系統(tǒng)的缺點：(1)堆肥易受氣候條件的影響，常需要加蓋棚頂，這樣會增加投資本錢；(2)堆體高度至關重要，如果過高會影響通氣，誘導厭氧呼吸條件。三、槽式堆肥系統(tǒng)槽式堆肥系統(tǒng)，是目前國內較流行的一種堆肥系統(tǒng)，它是將待發(fā)酵物料按照一定的堆積高度放在一條或多條發(fā)酵槽內。在堆肥化過程中根據物料腐熟程度與堆肥溫度的變化每隔一定時期，通過用翻堆設備對槽內的物料進行翻動，讓物料在翻動的過程中能更好地與空氣接觸，并帶走大量的水分，降低物料的溫度與濕度。圖5－12所示為一槽式堆肥系統(tǒng)。槽式堆肥系統(tǒng)由四局部組成：槽體裝置、翻堆設備、翻堆機轉運設備、布料及出料設備。槽體裝置是用來存放堆肥物料的場所，可以做成槽子式的也可以做成地坑式的。槽子式的出料方便，應用十分廣泛；地坑式的由于出料不方便、水位低的地區(qū)還要考慮防水，所以實際應用很少。圖5－12槽式堆肥系統(tǒng)實例翻堆設備是槽式堆肥系統(tǒng)的核心設備，它既要保證物料翻動得徹底、均勻，又要保證在翻堆過程中可以給物料供氧，提高堆肥質量，縮短發(fā)酵周期。國外已開發(fā)出許多適于槽式堆肥系統(tǒng)的固定翻堆機〔如圖5－13和5－14〕。圖5－13適用于槽式堆肥系統(tǒng)的大型固定式翻堆機實物圖圖5－14適用于槽式堆肥系統(tǒng)的鏟式翻堆機示意圖近幾年來，國內的翻堆設備得到了大力的開展和應用，以湖北省荊門市萬泰機械為代表的有機肥設備生產廠家，投入了大量的人力、物力對翻堆的設備進行了研究和改良，現已日趨完善。該公司現在生產的翻堆設備不僅可以滿足翻堆徹底、均勻的需要，在此根底上還增加了可選配的充氧裝置、加水裝置、薄膜覆蓋裝置、進出料裝置等多種輔助設施，可以滿足不同氣候、不同地區(qū)、不同物料的發(fā)酵要求，現已在生活垃圾、活性淤泥、食品廠下腳料、果渣、畜禽糞便等多種有機廢棄物處理方面得到了廣泛應用。翻堆機轉運設備是將翻堆機從一個槽子轉運到另一個槽子的輔助設備，通過這種裝置，可以實現一機多槽，一機多用，大大降低了對設備的投資。布料及出料設備是進料及出料的輔助設備。其形式有多種，有專門的布料機械、出料機械，用來進行自動布料和出料，也可以借助工程車及運輸設備進行布料和出料，規(guī)模不大時還可以直接用人工進行布料和出料。槽式堆肥系統(tǒng)的投資少、產量高〔可以實現年產10萬噸、20萬噸甚至更高產量的有機物料的堆肥化工程〕、堆肥化程度均勻、周期短，堆肥化過程中可以帶走大量的水分。其缺點是占地面積大。四、反響器堆肥系統(tǒng)反響器堆肥系統(tǒng)是將物料在局部或全部封閉的發(fā)酵裝置〔如發(fā)酵倉、發(fā)酵塔等〕內，通過控制通氣和水分條件，使物料進行生物降解和轉化。反響器堆肥系統(tǒng)與條形堆系統(tǒng)的根本區(qū)別是：該系統(tǒng)在一個或幾個容器內進行，是高度機械化和自動化操作。堆肥整個工藝包括通風、溫度控制、水分控制、無害化控制、堆肥的腐熟等幾個方面。反響器堆肥系統(tǒng)的優(yōu)點：(1)堆肥設備占地面積??；(2)能夠進行很好的過程控制(水、氣、溫度)；(3)堆肥過程不會受氣候條件的影響；(4)能夠對廢氣進行統(tǒng)一的收集處理，防止了環(huán)境的二次污染，同時也解決了臭味問題；(5)可以對熱量進行回收利用。反響器堆肥系統(tǒng)的缺點：(1)投資和運行本錢很高。包括堆肥設備的投資(設計、制造)，運行費用及維護費用；(2)堆肥周期較短，堆肥產品會有潛在的不穩(wěn)定性；(3)完全依賴專門的機械設備，一旦設備出現問題，堆肥過程即受影響。反響器系統(tǒng)在興旺國家的使用較普遍。反響器堆肥系統(tǒng)的種類很多，大體可分為：立式多層堆肥系統(tǒng)、臥式滾筒堆肥反響器、筒倉式堆肥系統(tǒng)、箱式堆肥系統(tǒng)等。1、立式多層堆肥系統(tǒng)本系統(tǒng)也稱直落式發(fā)酵塔。發(fā)酵塔呈塔形，其內外層均由水泥或鋼板制成〔圖5－15〕。立式多層堆肥系統(tǒng)的工作原理如圖5－16所示。當物料經混合攪拌后從發(fā)酵塔的底部經提升裝置提到發(fā)酵塔的頂部，通過機械均勻地布到發(fā)酵塔的頂層。按照設定的翻轉周期與發(fā)酵溫度變化，各層翻板按照一定的程序翻開，發(fā)酵塔上各層物料因重力作用從上一層依次落入到下一層翻板上。經過一個發(fā)酵周期后，發(fā)酵成熟的物料從頂層最終落到發(fā)酵塔底部的輸送裝置上運至需要地點。在發(fā)酵過程中可以增加一些輔助裝置對整個塔體進行加溫、通風。塔式發(fā)酵占地面積小、結構緊湊、自動化程度高、環(huán)境污染小，可以很方便地實現自動化上料和自動化出料。其缺點是產量低〔單組發(fā)酵塔的是年產量最高為4000t〕、設備投資大、耗用鋼材多，翻動裝置全部采用液壓傳動，設備維護費用相對而言較高，同時也不方便對翻板進行維修，所以往往用于年產量不超過1萬t的小型堆肥廠。圖5－15立式多層堆肥系統(tǒng)實物圖圖5－16立式多層堆肥系統(tǒng)的工作原理〔李季等,2005〕2、臥式滾筒堆肥反響器它是一個使用水平滾筒來混合、通風以及排出堆肥的堆肥系統(tǒng)〔圖5－17，圖5－18〕。滾筒架在大的支座上，并且通過一個機械傳動裝置來翻動。在滾筒中堆肥過其外形和結構類似于筒式烘干機。設備內部設有揚料板及螺旋導料板，筒體轉動時可以讓物料揚起和沿筒體軸向方向移動。發(fā)酵筒體設有加熱裝置、溫控裝置及抽風系統(tǒng)。發(fā)酵時將物料一次性參加到發(fā)酵滾筒內，發(fā)酵過程中適時開啟滾筒正轉和反轉，物料在發(fā)酵筒內被揚起，并順著旋轉方向沿筒體向下或向上運動。發(fā)酵周期結束后，沿出料方向轉動筒體，物料從筒體內排除。在發(fā)酵過程中根據發(fā)酵工藝需要可以適時地對筒體內的物料進行升溫，也可以通過管道將發(fā)酵過程中產生的廢氣抽走，集中進行除臭處理，發(fā)酵過程中產生出來的廢水也可以進行回收和再利用。滾筒可分為合體式滾筒或分體式滾筒。合體式滾筒使所有堆料按照其裝人滾筒時的次序運動，滾筒旋轉的速度和旋轉時滾筒中軸線的傾斜度決定了堆肥的停留時間。分體式滾筒的管理要比合體式滾筒方便。分體式滾筒分為兩或三個倉，每個倉包括一個裝有一個移動門的移動箱。每天堆肥結束后，滾筒排放端的移動門被翻開，隔倉并被清空，其他隔倉隨后開放并相繼移動，一批新堆料被裝人第一個隔倉。每個移動門都有一個基座以成功實現批次接種微生物。堆肥產品可由排放端直接輸送到分選機，分選機去除大顆粒物質，大顆粒物質被送回到滾筒中進一步堆肥處理。圖5－17臥式滾筒堆肥反響器實物圖圖5－18臥式滾筒堆肥反響器工藝〔李季等,2005〕筒式發(fā)酵的優(yōu)點是周期短、污染小、可以很方便地實現自動化作業(yè)，缺點是單臺滾筒式發(fā)酵機一次性投料一般不超過60t，設備造價高。對于小型滾筒式堆肥系統(tǒng)而言，滾筒可由舊設備〔如混凝土攪拌機、飼料混合機以及舊的水泥窯〕等改造而成，盡管沒有商業(yè)設備那么高級，但是其功能〔混合、通風以及使堆肥過程迅速開始〕仍然相同。3、筒倉式堆肥系統(tǒng)該堆肥系統(tǒng)技術類似于一種從底部卸出堆肥的筒倉。這種反響器不分層，堆料處于靜態(tài)，物料的移動和攪拌靠槽內螺旋桿的運動進行，空氣從槽下部強制送入。立式結構的物料層高，熟化后集中排出。由于堆料自重的原因，易發(fā)生壓實現象，會使局部物料處于厭氧狀態(tài)，因此該裝置多用于二次發(fā)酵工藝，在國外得到廣泛應用〔見圖5－19〕。圖5－19筒倉式堆肥系統(tǒng)實物圖為了克服靜態(tài)筒倉式堆肥系統(tǒng)的缺點，人們開發(fā)了動態(tài)筒倉式堆肥系統(tǒng)，見圖5－20。堆料從發(fā)酵筒上部加人，用一種固定在橋架上、與橋架一起旋轉的螺旋管式攪拌裝置進行移送、翻動，使堆料不斷由四周向中心移動，物料由四周移向中心為所設定的發(fā)酵時間，最后由中心出料口排出。螺旋管既自轉又隨架橋公轉，堆料不會壓實，供氧均勻，發(fā)酵效果好。圖5－20動態(tài)筒倉式堆肥系統(tǒng)結構圖4、箱式堆肥系統(tǒng)外形像集裝箱。其堆肥化原理類似于筒倉式堆肥方式。按照處理的規(guī)模和技術復雜程度，可將箱式堆肥系統(tǒng)分為大型箱式堆肥系統(tǒng)和小型箱式堆肥系統(tǒng)兩類。大型箱式堆肥系統(tǒng)通常帶有水平流動的、強制通風和機械攪動裝置〔圖5－21〕。圖5－21大型箱式堆肥系統(tǒng)實物圖小型箱式堆肥反響器，又稱堆肥箱〔圖5－22〕，是由一組無底、無蓋的箱子組成，每個箱子大小為50×50×100cm。在冬季使用時，箱外體以厚度為100mm的巖棉板包被用于隔熱。箱子高