堆肥化系统及其应用特点

第五章堆肥化系统及其应用特点第一节堆肥化系统简介国内外堆肥化已有悠久的历史，因而形成了众多的堆肥系统。早期的传统堆肥化方式一般只是简单地将原料堆放，并进行长时间的堆放，很少进行翻动和管理。这种传统简单的堆肥方式长期以来一直是我国广阔农村普遍采用的堆肥方式。由于这种方式不能满足好氧微生物的生长与繁殖，常常出现堆体温度低，分解速度慢，堆肥产品质量低，易产生硫化氢以及其它低分子量的臭味物质的问题。随着堆肥科学与技术的不断进步，国外自20世纪50年代以来开发出各种各样的现代化堆肥系统。这些系统具有机械化程度高、处理规模大、堆肥化速度快、无害化程度高、管理智能化等特点。目前在欧美等兴旺国家的许多现代化堆肥工厂，完全实现了通风、温度、湿度和其它堆肥环境因子的智能化化控制。堆肥化系统的分类方法较多，有人根据反响器类型、固体流向、反响器床层和空气供应方式，将堆肥系统分为非反响堆系统(开放式)和反响堆系统(容器式或密闭式)两大系统。各系统又有不同的类型。非反响堆系统(开放式)搅拌固体床(条形堆)自然通风搅拌床强制通风搅拌床静态固体床强制通风(静态通风堆)自然通气(不通气堆)反响堆系统(容器式或密闭式)垂直固体流搅拌固体床多膛式多层式、多舱或多区式筒仓床(固体反响堆)气固逆流式气固涡流式水平和倾斜固体流翻斗固体床(转鼓式或转窑式)分散气流蜂窝式完全混合式搅拌固体床(搅拌箱或开放槽)圆形方形静态固体床(隧道形)推动型传送带型非循环(堆肥箱)第二节几种典型的堆肥化系统尽管国内外历史上出现或目前沿用的堆肥化系统很多，但其中有3种类型被认为是典型的堆肥系统，它们分别是条形堆系统、静态通风堆系统和反响器系统。一、条形堆系统这是全世界很早以前就普遍采用的最简单的一种系统，无论是兴旺国家，还是开展中国家，条形堆系统一直被广泛采用。尤其是在地广人稀、土地资源丰富的美国中西部地区和加拿大应用较多〔如图5－1所示〕。条形堆是在露天或棚架下，将混合好的堆化化原料堆成条堆状，在好氧条件下进行分解的一种堆肥化方式。条形堆式堆肥一次发酵周期为1~6个月。图5－1条形堆系统实例条堆的断面有梯形、宽梯形或三角形等(见图5－2)。(a)梯形(b)宽梯形(c)三角形图5－2条形堆的几种形式条形堆建造由预处理、建堆、翻堆和贮存四个工序组成。〔1〕场地对条形堆式系统来说，场地的建设非常重要。场地应留有供堆肥设备可在条堆之间移动的足够大的空间。考虑到操作方便、堆体形状的维持以及周围环境和渗漏问题，条形堆式堆肥的场地外表应满足两个要求：一是必须巩固，场地外表材料常用沥青或混凝土，其设计标准与公路相似；二是必须有坡度，便于水快速流走。当采用坚硬的材料〔如道路沥青和混凝土〕时，场地外表坡度不小于1%；当采用不够坚硬的材料〔如砾石和炉渣〕时，其坡度应不小于2%。虽然在理论上堆肥过程只存在少量的排水和渗滤液，但也应考虑异常情况下产生渗滤液使用的收集和排出系统，它至少包括排水沟和贮水池。重力排水沟的结构较简单，常用的是地下排水管系统或具有格栅和检查井的排水管系统。面积大于2×104〔2〕建堆堆肥物料经过分选和破碎等预处理步骤后就可进行建堆。建堆方法随当地气候条件、物料特性以及是否有污泥、粪便类添加物参加而异。如无添加物，就可直接进行建堆；如果有添加物参加，那么根据添加物的掺入和混合方式又可分为两种形式：①采用一层垃圾一层添加物的方法建堆，其混合靠翻堆来完成；②垃圾和添加物从公共出口排出，边混合边建堆〔如图5－3〕。图5－3条形堆的建堆方式示意图建堆的形状主要取决于气候条件以及翻堆设备的类型。在雨天多、降雪量大的地区宜采用便于遮雨的圆锥形或采用平顶长堆，平顶长堆的相比照外表积〔外层外表积与体积之比〕小于圆锥形，因此它的热损失少，能使更多的物料处于高温状态。除此之外，建堆形状的选择还与所采用的通风方式有关。在建堆的尺寸方面，首先考虑发酵需要的条件，但也要考虑场地的有效使用面积。堆高大可减少占地，但堆高又受到物料结构强度和通风的限制。假设物料主要组成成分的结构强度好，承压能力较好，在不会导致条堆倾塌和不会显著影响物料的空隙容积的前提下，堆高可以相应增加，但随之也会增加通风阻力，从而导致通风设备的出口风压也相应地增加。且堆体过大，易在堆体中心发生厌氧发酵，产生强烈的臭味，影响周围环境。典型的条形堆宽为4.5~7.5m，高为3~3.5m，长度不限。但最正确尺寸要根据气候条件、翻堆设备、原料性质而确定。〔3〕翻堆①翻堆方式翻堆是用人工或机械方法进行堆肥物料的翻转和重堆。翻堆不仅能保证物料的好氧状态，有利于有机物的均匀降解；而且还能使所有的物料在堆肥内部高温区域停留一定时间，以满足物料杀菌和无害化的需要。翻堆过程既可以在原地进行，又可将物料从原地移至附近或更远的地方重堆。翻堆操作如图5－4所示。图5－4翻堆操作示意〔柴晓利等,2005〕②翻堆次数由于通风是翻堆的主要目的，因此翻堆次数取决于条堆中微生物的耗氧量，翻堆的频率在堆肥初期应显著高于堆肥后期。翻堆的频率还受其他因素限制，如腐熟程度、翻堆设备类型、防止臭味产生、占地空间的需求及各种经济因素的变化。一般当堆体温度超过60℃时就应进行翻堆。当用稻草、谷壳、干草、干树叶、木片或锯屑作调节剂且与污泥形成的混合物的水分约为60%时，堆体建好后第3d进行翻堆，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。在一些特殊情况下，如物料含水过高或物料被压实时，也要通过翻堆来促进水分蒸发和物料松散。因此，设计和配置翻堆设备时，都应保证ld一次的翻堆能力。③翻堆设备国外最初用于翻堆的设备是推土机和前置式装卸机〔图5－5〕。推土机通过将堆肥物料摊开和重堆来进行翻堆作业，装卸机那么首先将物料装人料斗，然后在行进中将物料倾倒下来完成翻堆或布料。但这两种方法会使物料受到一定程度的压实，渐已淘汰。奥地利komptech、德国BACKUS等公司都是制造堆肥机械及固体废弃物处理机械的专业公司，其销售网络分布世界各地，在我国上海和北京设有办事处。翻堆设备的形式有跨式翻堆机〔如图5－6和5－7〕、侧式翻堆机〔图5－8〕和斗式翻堆机〔图5－9〕等类型。图5－6所示为山东银香伟业公司堆肥厂从德国BACKUS公司引进的自驱跨式翻堆机用于牛粪堆肥化生产的现场图。图5－5用于翻堆的前置式装卸机实物图图5－6大型自驱跨式翻堆机实物图图5－7小型自驱跨式翻堆机实物图图5－8小型自驱侧式翻堆机实物图图5－9斗式翻堆机实物图条形堆系统的优点：(1)所需设备简单，投资本钱较低；(2)翻堆时能加快水分的散失，使堆肥产品易于枯燥；(3)所添加的填充剂易于筛分和回收；(4)堆腐时间较长，产品的稳定性较好。条形堆系统的缺点：(1)占地面积大；(2)堆制周期长；(3)需要翻堆以保持有氧状态，因此，需要大量的劳力和翻堆机械；(5)翻堆时有臭味散发，特别是堆制没有完全稳定化的生活污泥时，这种污染情况更为严重，常常影响公众与堆肥厂的关系。二、静态通风堆系统静态通风堆系统是条形堆的改良形式，在兴旺国家普遍使用，例如，目前世界上最大的污泥堆肥厂－美国污泥处理中心(SPDC)，就是采用静态通风堆系统的。它主要用于湿基质的堆肥，中间可采用膨胀材料在堆中形成孔隙。图5－10为用于庭院废弃物堆肥的静态通风堆系统示意图。图5－10用于庭院废物堆肥的静态通风垛系统示意〔柴晓利等,2005〕1－堵头;2－覆盖层;3－树叶;4－鼓风箱;5－多孔填充料;6－PVC穿孔管静态通风堆系统与条形堆系统的不同之处在于：(1)堆肥过程中不进行物料的翻堆；(2)通过鼓风机通风使堆体保持好氧状态。静态通风堆系统的通气系统包括一系列管路，这些管路位于堆体下部，与鼓风机或真空泵连接。在这些管路上铺一层木屑或者其他填充料，可以使通气到达均匀,然后在这层填充料上堆放堆肥物料构成堆体，在最外层覆盖上过筛或未过筛的堆肥产品进行隔热保温。加拿大和美国等还使用一种堆肥覆盖纤维布〔Compostex®〕〔如图5－11〕。使用堆肥覆盖纤维布，既能保证堆体氧气和二氧化碳通畅交换，又能促使过多水分蒸散。在雨天有阻水作用，可防止营养成分损失，在干热天气又能保证堆体水分过多散发。图5－11一种用于堆肥的覆盖纤维布静态通风堆体一般在沥青或水泥地面上进行，以防止渗滤液对土壤的污染或对地面的腐蚀，并使堆体保湿、绝热、防止热量损失、防蝇并过滤氨气和其他可能在堆体内产生的臭气。静态通风堆系统中，关键是通气系统，包括鼓风机和通气管路。通气管路可以是固定式的，也可以是移动式的；管路材料可以是可重复使用的，也可以是可降解的。在固定式通气系统中，通气管路放入水泥沟槽中或者平铺在水泥地面上，上铺木屑等填充料形成多空气流通路径的效果。还有一些固定式通气系统完全靠水泥沟槽充当通气管路。水泥沟槽必须能支撑住上面堆料的压力。移动式通气系统主要由简单的管道直接放在地面上构成。移动式系统的优点是：本钱低，设计灵活，易于调整。它比固定式系统使用得更普遍。通风方式可采取正压鼓风或负压抽风，也可用由正压鼓风与负压抽风组成的混合通风。正压鼓风就是用鼓风机将空气鼓入堆肥物料中，而负压抽风那么是将堆肥物料中的潮湿高温气体用风机抽出。正压鼓风的特点是输人空气均匀，有利于物料中气孔的形成，使物料保持蓬松，输气管不易堵塞；能有效地散热和去除水分，其效率比负压抽风高1/3。负压抽风易使物料压实过紧。通风的控制方式可以有多种，一般常用温度或时间控制。通过在堆体中安装温度反响系统，堆体内部温度超过60℃时，鼓风机自动开始工作，排出堆料热量和水蒸气，使堆体冷却下来。鼓风机也可以定时控制，每隔15～20min〔具体时间根据实际情况确定〕通风供氧。为保证杀灭病原体，静态通风垛堆肥温度必须保持在55℃左右并至少持续7d。为减小通风阻力，强制通风方式对堆肥物料的特性有较为严格的要求，具体如下。①物料呈粒状，松散状。②颗粒尺寸应均匀。当堆肥原料为农业秸秆时，应先将秸秆切碎成1～5cm的长度，其中以1～2cm最为适宜。③物料含水率应控制在55%左右，以防止水分过多而引起的物料空隙容积减少甚至压实。假设通风方式使用翻堆与强制通风结合的方式，那么成为强制通风条堆系统。其操作除了定期翻堆外，其余与静态通风条堆系统相似。静态通风堆系统的优点：(1)相对于条形堆系统，温度及通气条件得到更好地控制；(2)产品稳定性好，能更有效地杀灭病原菌及控制臭味；(3)堆腐时间相对较短，一般为2~3周；(4)由于堆腐期相对较短、填充料的用量少、占地相对较少；(5)耗能较少的能量。静态通风堆系统的缺点：(1)堆肥易受气候条件的影响，常需要加盖棚顶，这样会增加投资本钱；(2)堆体高度至关重要，如果过高会影响通气，诱导厌氧呼吸条件。三、槽式堆肥系统槽式堆肥系统，是目前国内较流行的一种堆肥系统，它是将待发酵物料按照一定的堆积高度放在一条或多条发酵槽内。在堆肥化过程中根据物料腐熟程度与堆肥温度的变化每隔一定时期，通过用翻堆设备对槽内的物料进行翻动，让物料在翻动的过程中能更好地与空气接触，并带走大量的水分，降低物料的温度与湿度。图5－12所示为一槽式堆肥系统。槽式堆肥系统由四局部组成：槽体装置、翻堆设备、翻堆机转运设备、布料及出料设备。槽体装置是用来存放堆肥物料的场所，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，应用十分广泛；地坑式的由于出料不方便、水位低的地区还要考虑防水，所以实际应用很少。图5－12槽式堆肥系统实例翻堆设备是槽式堆肥系统的核心设备，它既要保证物料翻动得彻底、均匀，又要保证在翻堆过程中可以给物料供氧，提高堆肥质量，缩短发酵周期。国外已开发出许多适于槽式堆肥系统的固定翻堆机〔如图5－13和5－14〕。图5－13适用于槽式堆肥系统的大型固定式翻堆机实物图图5－14适用于槽式堆肥系统的铲式翻堆机示意图近几年来，国内的翻堆设备得到了大力的开展和应用，以湖北省荆门市万泰机械为代表的有机肥设备生产厂家，投入了大量的人力、物力对翻堆的设备进行了研究和改良，现已日趋完善。该公司现在生产的翻堆设备不仅可以满足翻堆彻底、均匀的需要，在此根底上还增加了可选配的充氧装置、加水装置、薄膜覆盖装置、进出料装置等多种辅助设施，可以满足不同气候、不同地区、不同物料的发酵要求，现已在生活垃圾、活性淤泥、食品厂下脚料、果渣、畜禽粪便等多种有机废弃物处理方面得到了广泛应用。翻堆机转运设备是将翻堆机从一个槽子转运到另一个槽子的辅助设备，通过这种装置，可以实现一机多槽，一机多用，大大降低了对设备的投资。布料及出料设备是进料及出料的辅助设备。其形式有多种，有专门的布料机械、出料机械，用来进行自动布料和出料，也可以借助工程车及运输设备进行布料和出料，规模不大时还可以直接用人工进行布料和出料。槽式堆肥系统的投资少、产量高〔可以实现年产10万吨、20万吨甚至更高产量的有机物料的堆肥化工程〕、堆肥化程度均匀、周期短，堆肥化过程中可以带走大量的水分。其缺点是占地面积大。四、反响器堆肥系统反响器堆肥系统是将物料在局部或全部封闭的发酵装置〔如发酵仓、发酵塔等〕内，通过控制通气和水分条件，使物料进行生物降解和转化。反响器堆肥系统与条形堆系统的根本区别是：该系统在一个或几个容器内进行，是高度机械化和自动化操作。堆肥整个工艺包括通风、温度控制、水分控制、无害化控制、堆肥的腐熟等几个方面。反响器堆肥系统的优点：(1)堆肥设备占地面积小；(2)能够进行很好的过程控制(水、气、温度)；(3)堆肥过程不会受气候条件的影响；(4)能够对废气进行统一的收集处理，防止了环境的二次污染，同时也解决了臭味问题；(5)可以对热量进行回收利用。反响器堆肥系统的缺点：(1)投资和运行本钱很高。包括堆肥设备的投资(设计、制造)，运行费用及维护费用；(2)堆肥周期较短，堆肥产品会有潜在的不稳定性；(3)完全依赖专门的机械设备，一旦设备出现问题，堆肥过程即受影响。反响器系统在兴旺国家的使用较普遍。反响器堆肥系统的种类很多，大体可分为：立式多层堆肥系统、卧式滚筒堆肥反响器、筒仓式堆肥系统、箱式堆肥系统等。1、立式多层堆肥系统本系统也称直落式发酵塔。发酵塔呈塔形，其内外层均由水泥或钢板制成〔图5－15〕。立式多层堆肥系统的工作原理如图5－16所示。当物料经混合搅拌后从发酵塔的底部经提升装置提到发酵塔的顶部，通过机械均匀地布到发酵塔的顶层。按照设定的翻转周期与发酵温度变化，各层翻板按照一定的程序翻开，发酵塔上各层物料因重力作用从上一层依次落入到下一层翻板上。经过一个发酵周期后，发酵成熟的物料从顶层最终落到发酵塔底部的输送装置上运至需要地点。在发酵过程中可以增加一些辅助装置对整个塔体进行加温、通风。塔式发酵占地面积小、结构紧凑、自动化程度高、环境污染小，可以很方便地实现自动化上料和自动化出料。其缺点是产量低〔单组发酵塔的是年产量最高为4000t〕、设备投资大、耗用钢材多，翻动装置全部采用液压传动，设备维护费用相对而言较高，同时也不方便对翻板进行维修，所以往往用于年产量不超过1万t的小型堆肥厂。图5－15立式多层堆肥系统实物图图5－16立式多层堆肥系统的工作原理〔李季等,2005〕2、卧式滚筒堆肥反响器它是一个使用水平滚筒来混合、通风以及排出堆肥的堆肥系统〔图5－17，图5－18〕。滚筒架在大的支座上，并且通过一个机械传动装置来翻动。在滚筒中堆肥过其外形和结构类似于筒式烘干机。设备内部设有扬料板及螺旋导料板，筒体转动时可以让物料扬起和沿筒体轴向方向移动。发酵筒体设有加热装置、温控装置及抽风系统。发酵时将物料一次性参加到发酵滚筒内，发酵过程中适时开启滚筒正转和反转，物料在发酵筒内被扬起，并顺着旋转方向沿筒体向下或向上运动。发酵周期结束后，沿出料方向转动筒体，物料从筒体内排除。在发酵过程中根据发酵工艺需要可以适时地对筒体内的物料进行升温，也可以通过管道将发酵过程中产生的废气抽走，集中进行除臭处理，发酵过程中产生出来的废水也可以进行回收和再利用。滚筒可分为合体式滚筒或分体式滚筒。合体式滚筒使所有堆料按照其装人滚筒时的次序运动，滚筒旋转的速度和旋转时滚筒中轴线的倾斜度决定了堆肥的停留时间。分体式滚筒的管理要比合体式滚筒方便。分体式滚筒分为两或三个仓，每个仓包括一个装有一个移动门的移动箱。每天堆肥结束后，滚筒排放端的移动门被翻开，隔仓并被清空，其他隔仓随后开放并相继移动，一批新堆料被装人第一个隔仓。每个移动门都有一个基座以成功实现批次接种微生物。堆肥产品可由排放端直接输送到分选机，分选机去除大颗粒物质，大颗粒物质被送回到滚筒中进一步堆肥处理。图5－17卧式滚筒堆肥反响器实物图图5－18卧式滚筒堆肥反响器工艺〔李季等,2005〕筒式发酵的优点是周期短、污染小、可以很方便地实现自动化作业，缺点是单台滚筒式发酵机一次性投料一般不超过60t，设备造价高。对于小型滚筒式堆肥系统而言，滚筒可由旧设备〔如混凝土搅拌机、饲料混合机以及旧的水泥窑〕等改造而成，尽管没有商业设备那么高级，但是其功能〔混合、通风以及使堆肥过程迅速开始〕仍然相同。3、筒仓式堆肥系统该堆肥系统技术类似于一种从底部卸出堆肥的筒仓。这种反响器不分层，堆料处于静态，物料的移动和搅拌靠槽内螺旋杆的运动进行，空气从槽下部强制送入。立式结构的物料层高，熟化后集中排出。由于堆料自重的原因，易发生压实现象，会使局部物料处于厌氧状态，因此该装置多用于二次发酵工艺，在国外得到广泛应用〔见图5－19〕。图5－19筒仓式堆肥系统实物图为了克服静态筒仓式堆肥系统的缺点，人们开发了动态筒仓式堆肥系统，见图5－20。堆料从发酵筒上部加人，用一种固定在桥架上、与桥架一起旋转的螺旋管式搅拌装置进行移送、翻动，使堆料不断由四周向中心移动，物料由四周移向中心为所设定的发酵时间，最后由中心出料口排出。螺旋管既自转又随架桥公转，堆料不会压实，供氧均匀，发酵效果好。图5－20动态筒仓式堆肥系统结构图4、箱式堆肥系统外形像集装箱。其堆肥化原理类似于筒仓式堆肥方式。按照处理的规模和技术复杂程度，可将箱式堆肥系统分为大型箱式堆肥系统和小型箱式堆肥系统两类。大型箱式堆肥系统通常带有水平流动的、强制通风和机械搅动装置〔图5－21〕。图5－21大型箱式堆肥系统实物图小型箱式堆肥反响器，又称堆肥箱〔图5－22〕，是由一组无底、无盖的箱子组成，每个箱子大小为50×50×100cm。在冬季使用时，箱外体以厚度为100mm的岩棉板包被用于隔热。箱子高