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小型好氧堆肥实验系统构建及其在环境工程教学中的应用*

2020-03-31吴正阳刘彦君卜庆伟王春荣

广州化工 2020年5期
关键词:环境工程含水率有机

徐 恒,吴正阳,刘彦君,卜庆伟,王春荣

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083)

好氧堆肥是一种利用生物化学过程将有机固体废物转化为有机肥料的典型固体废物处理技术,能同步实现有机固体废物无害化处理与资源化利用,为破除“垃圾围城”问题和建设“无废城市”提供了一种有效技术手段。一直以来,好氧堆肥技术在环境工程专业本科教学、科学研究和实际应用中都得到了广泛的关注[1-4]。

由于环境工程专业具有很强的工程性和应用性,因此,持续改善实践教学条件和强化培养学生的实践能力是环境工程专业课程教学的基本要求。好氧堆肥实验通常作为环境工程专业的标配实验内容之一,对于帮助学生理解并掌握好氧堆肥技术要点具有重要作用。然而,好氧堆肥过程中的高温阶段需要依靠物料好氧分解产生的热量来维持,使得好氧堆肥实验装置的容积通常较大,以容纳足够的物料和产生足够的热量,这导致实验装置制作与运行成本偏高、占地大、供学生使用的台套数偏少,甚至将好氧堆肥实验作为演示性实验进行教学。

针对该问题,本文自主设计了一套小型好氧堆肥实验系统,一方面可以解决因物料量小导致的产热不足和反应周期长的问题,另一方面,可在同样实验台面积和制作成本条件下,增加实验装置台套数,进而提高学生的参与度和积极性,最终达到改善实验教学效果的目的。

1 实验原理及目的

好氧堆肥是指利用好氧微生物代谢过程,通过控制堆肥系统的通风供氧、堆料含水率和温度等因素,促进固体废物中可降解有机物转化为稳定腐殖质的生物化学过程[5-6]。如图1所示,在堆肥过程中,主要存在氧化分解和生物合成两个过程,其反应式分别为:(1)CaHbOcNd+(a+0.25b-0.5c-0.75d)O2→aCO2+(0.5b-1.5d)H2O+dNH3+能量;(2)nCxHyOz+NH3+(nx+0.25ny-0.5nz-5x)O2+能量→ C5H7NO2+(nx-5)CO2+(0.5ny-2)H2O。微生物不仅以固体废物中的可降解有机物为养料,将其分解为简单无机物,获取能量和释放热量,而且将部分有机物转化为新的细胞物质,实现自身繁殖。完整的好氧堆肥过程包括起始阶段、高温阶段和熟化阶段[1,5]。其中,高温阶段一般要求堆体温度维持在45 ℃以上,此时能实现有机物的高效分解,对于整个好氧堆肥过程至关重要。

图1 好氧堆肥原理示意图

通过本实验学习,学生可以了解好氧堆肥过程的影响因素和运行操作方法,便于掌握好氧堆肥过程的基本原理。

2 实验系统构建

图2给出了好氧堆肥装置的结构示意图。如图2所示,堆肥装置为圆柱体形状,直径为160 mm,高度260 mm,主要由气室(高度50 mm)、多孔板(孔径6 mm)、物料堆肥区(有效容积约2.5 L)和水浴夹套(厚度15 mm)组成。其中,水浴夹套的进出口通过蠕动泵和恒温水浴锅相连,可实现对物料堆肥区的恒温控制。多孔板用于及时排出物料的渗滤液。气泵与图2中的进气口连接,对物料物料区供氧,气室主要用于提高布气均匀性和收集滤液。

图2 好氧堆肥实验装置结构示意图

表1 好氧堆肥实验系统组成单元与配套使用物品

表1给出了与有机固废好氧堆肥装置配套使用的主要物品,包括微型气泵、蠕动泵、水浴锅以及用于实验配料的物品与样品含水率测定的设备。其中,含水率测定采用重量法,具体操作如下:取样品20 g于已烘干称重的坩埚中称湿重,105 ℃烘干2 h后称干重,计算含水率。

3 教学应用情况

3.1 实验操作过程

(1)配料

用垃圾破碎机将有机垃圾(果蔬垃圾,图3A)进行破碎处理,加入菌剂和辅料(米糠),将堆肥原料的含水率调制60%左右,备用(图3B),并留样测试物料初始含水率。

(2)实验装置启动

将物料装入实验装置中的堆肥区,装配好顶部法兰,并连接好热水(40 ℃左右)、气体管路和电路,启动实验(图3C)。

(3)实验监测

连续监测水浴和堆肥区中心位置的温度,出气口处氧气含量,15天后结束实验,并测物料含水率。

图3 好氧堆肥实验过程照片

3.2 主要实验结果

图4给出了其中一组好氧堆肥装置中心区域的温度变化情况。从图4可以看出,在水浴保温作用下,装置的温度一直维持在30 ℃以上,从而规避了外界环境对小型好氧堆肥装置温度的不利影响,堆肥装置内温度的变化主要由堆肥物料好氧分解过程中产生的热量引起的。

从图4可以看出,好氧堆肥装置在第3天时即从刚开始的30 ℃快速升到50 ℃以上,快速升温的原因主要源于配料时加入的微生物菌剂,外源菌剂能有效加速有机垃圾好氧分解过程,使得在短时间内释放大量热量。在第6天时,装置内的温度降到48 ℃左右,说明此时有机垃圾好氧分解的速率逐步在下降。到第11天时,装置内的温度降至32 ℃左右,说明此时有机垃圾好氧分解和产热基本结束。通过对堆肥前后物料含水率进行检测,发现在好氧堆肥作用下,其含水率由56%降至28%。从以上温度和含水率变化情况可知,该小型装置能在11~15天内完成好氧堆肥过程,基本满足实验教学的要求。

图4 好氧堆肥实验过程温度变化情况

迄今为止,已有200余人次利用本装置开展有机固废好氧堆肥实验以及相关的大学生创新实验项目研究,不仅极大锻炼了学生的实践能力,而且提高了他们的实验参与感、分析与解决问题的能力。

4 结 语

好氧堆肥能实现有机固废资源化处理,是环境工程专业实验教学核心内容之一。本研究所设计的小型好氧堆肥实验系统克服了传统大型实验装置面临的制作成本高、占地大、供学生使用的台套数偏少等问题。通过实验教学应用,证实该系统可以取得良好堆肥实验效果,满足实验教学要求,有助于强化好氧堆肥理论知识与实践知识的融合,培养学生的创新实践能力,为今后的相关实验教学工作提供一定的参考。

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