滚筒发酵实验设备设计及实验研究

(北京林业大学工学院，北京 100083)

随着我国城市化进程的加快，城市园林绿地面积不断扩大，园林废弃物的数量逐年增加，已成为城市固体废弃物的主要组成之一，给环境带来了巨大的压力。园林废弃物是指一系列的有机材料，包括落叶、树枝修剪物、草屑、灌木、杂草、种子和残花等[1]。如何合理有效地处理大量的园林废弃物已成为目前急需解决的问题。

迄今为止，我国大多数城市对于园林废弃物的处理方式仍主要采用卫生填埋、焚烧等传统处理方式，只有少数大城市在传统处理方式的基础上开展了堆肥等新型处理方式对园林废弃物进行处理。填埋与焚烧为主的处理方式成本相对较高，不仅浪费了国家的宝贵土地资源，造成了对环境的二次污染，还造成了园林废弃物这一良好生物质资源的浪费。园林废弃物含有大量的纤维素、木质素、半纤维素和有益营养元素等有机物，是好氧堆肥的良好原料，园林废弃物循环再利用将成为今后发展的必然趋势。

好氧堆肥是一种可持续、高质量的有机废物处理和处置技术，可减轻环境污染，最终产品适合用作肥料和土壤改良剂[2]。好氧堆肥还可以减少土壤中病原菌对植物的危害，为植物的生长提供必要的养分，改善土壤的理化性质[3]。

目前，国内外的好氧堆肥发酵处理设备基本为大型设备且存在一些问题：一是不能同时具备翻转、提供氧气等综合功能，堆肥时间较长且产品质量不佳；二是价格昂贵，运行成本较高；三是设备体积庞大，需要大量实验原料，不便于进行实验；四是对搅拌次数、搅拌时间及转速等实验参数设置不合理，影响实验效果[4]。

针对以上问题，设计了一台供实验使用的好氧堆肥滚筒发酵实验设备并进行实验，得到合理的基本实验参数。

1 滚筒发酵实验设备结构设计

好氧堆肥滚筒发酵实验设备主要由反应筒体、搅拌装置、转动和支撑装置及通气装置几部分组成。

1.1 反应筒体设计

反应筒体是进行堆肥实验的主要场所，也是实验设备的主体结构，涉及到进出料口、出气孔的布置，搅拌装置、曝气装置和温度传感器的安装等。从设计的科学性、使用的实用性与可靠性及制造成本等方面综合考虑，设计反应筒体外形为圆柱体，有效容积为70 L。

为保证反应筒体的强度和刚度，筒体使用304不锈钢无缝焊接制作。为避免受到腐蚀影响，增加筒体的使用寿命，对表面进行抛光处理。为增强筒体的保温效果，在筒体的内外层之间增加了20 mm的聚氨酯保温层。

1.2 搅拌装置设计

好氧堆肥是一个相对静态并且消耗氧气的过程，筒体内不同区域物料发酵进程的快慢不同将影响整体的实验速度。滚筒内的物料普遍黏性较高，流动性较低，输送性能差，在发酵过程中物料不能充分混合，影响发酵降解速率。为加强滚筒内物料的搅动，使筒内物料混合以及物料层中的供氧均匀，在筒内设置抄板[8]。

图1 筒体及抄板安装

1.3 转动和支承装置

由于滚筒的体积与质量都不是很大，本装置通过定位板将电机与滚筒底部相连，由电机直接带动滚筒旋转。根据实验的实际情况，滚筒及筒内物料可能达到的最大质量m=100 kg，筒体半径r=225 mm，最大转速5 r/min，启动时间为1 s。根据相关公式计算得到最大扭矩为1.4 N·m，选择J-8618HB1401型号步进电机。

滚筒筒体、传动机构及各种配套装置都集中安装在机架上，因此机架应具有较好的稳定性，较强的刚度及一定的可移动性。根据筒体的设计尺寸，设计机架的长为500 mm、宽为450 mm、高为400 mm，采用50 mm的Q235方钢焊接而成，利于承受弯、压、扭的组合变形[9]。

支承装置是滚筒反应器用以支承筒体质量、物料质量及其他载荷的重要结构装置。支承装置包括的主要部件有托轮、托轮轴、轴承、轴承支座等[10]。托轮除起支承作用外，同时担负辅助筒体转动的作用，避免筒体在转动中产生过大的变形。当筒体转动时托轮装置随之共同转动，可大幅度减小与筒体之间的直接摩擦，延长反应器的使用寿命。可根据相关标准对筒体的长径比要求来设计支承装置的档数[11]，本设备的内径D=450 mm<3 000 mm，长径比1.4<15.5。根据相关资料选取支承装置的档数为2，两托轮的中心与筒体截面中心连线间的夹角为60°，即托轮与滚圈中心线与垂直方向的夹角为30°。支承档数选择标准见表1，转动及支承装置如图2所示。

表1支承档数选择标准

支承档数234567LDD≤3 m<15.515.5～22.522.5～32———3 m≤D≤4.5 m<1313.5～1818～2525～3534～4241～48D>4.5 m————32～3835～40

图2 转动及支承装置

1.4 通气装置

好氧堆肥通风供氧方式分为被动通风、自然通风和强制通风三种方式，强制通风是借助机械搅拌装置定期、定量地向滚筒内通入充足的空气[12]。为使滚筒内物料与氧气充分接触，通气管布置在滚筒底部，气管上设有通气孔，从进气端开始由疏到密排布，以保证通气均匀，这种通气方式可以使空气缓缓地从物料底部充满至整个滚筒内，保证空气与物料的充分接触，新鲜空气由鼓风机从通气管通入筒内。

随着实验的进行，滚筒内会产生废气，滚筒发酵实验设备必须设置相应的排气装置将发酵产生的生物气体及时导出，为避免滚筒内填充率为60%以上时排气口堵塞，将排气口设置在端盖上方，使其始终保持在物料上方，并配有可关闭胶塞。为安装及实验方便，将通气管安装在端盖上。

滚筒发酵实验设备模型、滚筒发酵实验设备及抄板安装分别如图3、图4、图5所示。

图3 滚筒发酵实验设备模型

图4 滚筒发酵实验设备安装

图5 抄板安装

2 性能实验与结果分析

2.1 实验方法

以园林废弃物为原料，通过与少量猪粪混合至初始原料含水率为70%，碳氮比为20，控制滚筒填充率为65%，通气频率为5 min/120 min。为了研究翻转转速、单次搅拌时间以及每日搅拌次数这3个参数对好氧堆肥效果的影响，设置每个因素皆有两个水平，见表2，为全面观察需要进行6组实验。

表2因素的水平设置

因素水平1水平2每天搅拌次数/次12单次时间/min25搅拌转速/r·min-123

为简化实验，利用正交表L4(23)进行正交实验设计，则只需要进行4组实验就可以综合观察，具体设置见表3。本实验需要设置4个实验设备进行同时发酵，并根据各自不同的参数设置进行搅拌，全程记录各个实验设备的温度数据，通过观察实验设备发酵过程中的温度变化进行对比分析。

表3实验参数设置

编号搅拌次数单次时间搅拌转速1水平1水平1水平12水平1水平2水平23水平2水平1水平24水平2水平2水平1

2.2 实验结果与分析

根据4个实验设备发酵过程中温度数据绘制的物料温度曲线如图6所示。

图6 物料温度曲线

在相同的好氧发酵时间内，物料所能达到的最高温度与初始温度的差值就是物料的温升，其是物料好氧发酵产生大量生化反应热的直接结果，温升反应了实验设备内好氧堆肥的效果，而且温度超过50 ℃能否保持5～7天，是杀灭堆料中所含致病微生物和虫卵、保证堆肥卫生指标合格和堆肥腐熟的重要条件[13-15]。本实验选用物料的温升作为实验指标，使用极差分析法对实验结果进行分析。实验分析结果见表4。

表4实验分析结果

A搅拌次数B单次时间C搅拌转速温升/℃1水平1水平1水平121.92水平1水平2水平224.83水平2水平1水平228.24水平2水平2水平122.2K146.750.144.1K250.44753k123.3525.0522.05k225.223.526.5极差R1.851.554.45主次顺序C>A>B优水平A2B1C2优组合A2B1C2

三个因素的优化水平组合A2B1C2为本实验的最优水平组合，即当搅拌次数设置为每日2次、单次搅拌时间设置为2 min、搅拌转速设置为3 r/min时，实验设备中的物料好氧发酵能获得最优温升效果。

3 小结

设计了一种滚筒发酵实验设备，该设备的有效容积为100 L，采用螺旋型抄板及强制曝气的通气方式，实现了园林废弃物的快速腐熟。获得了好氧发酵实验设备的较优参数，即搅拌次数为每日2次、单次搅拌时间为2 min、搅拌转速为3r/min。由实验结果得出，堆体温度维持50 ℃以上的时间大于7天，满足好氧发酵原料的腐熟要求，实验效果良好。