2023年污泥堆肥化的通风系统及其设计 _secret.doc

污泥堆肥化的通风系统及其设计 【】随着城市污水处理设施的普及，污水处理率的提高和处理程度的深化，污泥的产生量日益增多。其处理方法中堆肥处理可以很好地实现污泥的资源化、减量化、无害化，故越来越受到人们重视。基于堆肥通风技术在污泥堆肥处理过程中的重要性，文章综述了堆肥的通风方式、通风控制方式、通风速率等的研究概况，介绍通风系统设计中最重要的管道和风机设计方法，最后展望了污泥堆肥化通风技术的开展前景。 1.概述 城市污水污泥是城市污水处理厂在污水净化处理过程中产生的沉积物。据统计，2O05年全国废水排放总量为524.5亿t，假设进行完全处理将产生约2600万t的脱水污泥(按含水率80％计，下同)；随着污水处理设施的普及，处理率的提高和处理程度的深化，污泥的产生量以每年约10％的速度增长，即使按城市污水处理量不低于70％的规划要求，污泥的数量也相当惊人。污泥的成分非常复杂，是由多种微生物形成的菌胶团和被其吸附的有机物、无机物组成的集合体，除含有大量的水分外，还含有难降解的有机质、重金属、寄生虫(卵)、致病菌和病毒等有毒有害物质，且伴有恶臭。如果污泥处理不当，其所含有害成分会对大气、土壤、水体造成严重污染，不仅破坏了生态环境，而且还危害了人们的身体健康。 目前,污泥的处置方式主要有填埋、燃烧、海洋倾倒、和土地利用等。前三种处置方法由于环境和经济压力日益增大及二次污染问题而逐渐减少或被禁止。堆肥法是污泥土地利用的一种。用堆肥法处理后的污泥进行农业利用, 具有经济简便、不需外加能源、不产生二次污染、可资源化等优点。因此, 污泥的堆肥化处理越来越受到人们重视 堆肥化是将要堆腐的有机物料与填充料按一定的比例混合，在适宜的水份、通气条件下，使微生物繁殖并降解有机质，从而产生高温，杀死其中的病原菌及杂草种子，使有机物到达稳定化 。堆肥化过程常分为三个阶段。第一阶段是中温阶段, 第二阶段是高温阶段, 第三阶段是腐熟阶段。中温阶段结束的标志是堆温升至45 ℃； 高温阶段耗氧速率高、温度高、挥发性有机物降解速率高、臭味很浓；腐熟阶段那么温度低、耗氧速率低、空隙率增大、腐殖质增多且稳定化。图1描述了进行堆肥处理的根本步骤，它适合于所有的堆肥化系统。图2描述了污泥堆肥化的工艺流程。 废弃物 填充料 混匀 强制通风 翻 垛 后熟 混匀 填充料回用 贮存 堆肥系统 图1 堆肥流程图 堆肥 产品 调理 剂回 流品 熟堆 肥回 流品 调 理 剂 堆肥化过程 一次发酵 二次发酵 回用 污泥 混合 图2 污泥堆肥化工艺流程 影响堆肥过程的参数很多，影响原料的主要参数有C/N比、pH值、含水率、颗粒度、有机质含量、C/P 比等，而堆肥过程中的主要控制参数有: 温度、通风、含水率等。通风可用来控制堆肥过程的温度和氧含量，合理的通风不仅可以提高堆肥产品质量，而且可以节省能耗；反之，过高的通风速率不仅造成通风损失过大，不利于维持堆体温度，而且会造成大量的氮素损失，减低堆肥产品的肥效，增加堆肥能耗； 但过低的通风速率，就会降低堆体中的氧浓度，进而造成堆体局部厌(缺)氧，从而产生大量臭气以及NxO、甲烷等温室气体，给周边环境带来严重的污染和危害。所以，通风被认为是堆肥系统中最重要的因素。 2.堆肥通风系统 2.1 通风方式 堆肥过程通风起到供氧、去除水分和散热的作用。通风方式可分为: 自然通风、定期翻堆、被动通风、强制通风等。选择适宜的堆肥通风方式，需要综合考虑技术经济条件、物料利用率、运输和操作费用、设备维护和管理、工作人员培训、场地等因素。在实际运用中，自然通风、定期翻堆、被动通风方式常用于条垛式堆肥系统，强制通风方式常用于强制通风静态垛和大多数反响器堆肥系统。 2.1.1 自然通风 自然通风亦即外表扩散供氧，是利用垃圾堆体外表与堆体内部氧的浓度差产生扩散，使氧气与物料接触从而为垃圾发酵提供氧气。经理论计算，通过外表扩散供氧，在一次发酵阶段只能保证离表层22cm内有氧气。显然此种通风方式对污泥堆体内部供氧明显缺乏，堆体内部容易出现厌氧状态，堆肥过程升温与降温非常缓慢，从而会延长堆肥周期。虽然节省能源，但并不适合实际生产。 2.1.2 定期翻堆 定期翻堆那么是在自然通风根底上，在堆肥过程中对堆体进行翻堆，利用固体物料的翻动使空气进入固体颗粒的间隙中以到达供氧的目的。翻堆具有使堆料混合均匀、促进水分蒸发、枯燥堆肥的优点。但在堆肥升温阶段堆体需氧量加大，垃圾堆体内的氧在约30min后就被耗尽，因此必须以较高的频率对堆体 进行翻堆才能满足堆体发酵所需的氧，这在实际生产中很难实现而且也难以操作。 2.1.3 被动通风 被动通风是利用设置在堆体中的穿孔管，促进空气在堆料中的传输。穿孔管的孔朝上，其原理是由于堆体内外的温度差，因堆体内部热气上升使得外部空气被吸入堆体。被动通风不需要翻堆和强制通风，所以大大降低了投资和运行费用。 2.1.4 强制通风 强制通风是通过机械设备〔风机〕对堆体通风供氧。这种通风方式在堆肥开始阶段能充分供应堆体发酵升温所需的氧，在高温阶段那么可更好地控制堆体温度使好氧菌保持活性，在后期阶段那么起着去除水分、加快堆体降温作用。与前面通风方式相比，供氧效果好，加快了堆肥的反响速率，从而缩短堆周期，一般一次发酵时间20d左右就可完成，在实际工程中此种通风方式应用广泛。另外，单向强制通风( 正压鼓风或负压抽气)在堆肥过程中往往会造成温度、含水率等分布不均匀，例如，对于正压强制通风而言，通风管道附近区域有明显的冷却效应，很难使该区域的堆料到达杀菌效果，由于枯燥空气的通入使得堆体底层变得枯燥，相反堆体上层却由于饱和的空气冷却而形成大量冷凝水。为了减少这些问题，出现了以下两种通风方式:〔1〕循环通风( air recirculation，AR) ，它是将从堆体中出来的热而潮湿的气体与外界空气在管道中混合后，重新通入堆体；〔2〕反向通风( reversed direction airflow，RDAF)，是周期性地改变通风方向以减少堆肥系统中水分的散失。但是这两种通风方式对通风控制系统和管道设计的要求都比拟严格。 2.2 通风控制方式 基于强制通风的优点以其广泛的应用，人们为了降低堆肥能耗、提高堆肥质量和更为合理地控制堆肥过程，对强制通风的控制方式做了大量的研究。强制通风方式中，风机可分为连续或间歇运行以及恒定速率或变速运行。在风机间歇运行的情况下，通风控制方式主要可分为以下几种: 2.2.1 时间控制 时间控制方式是利用提前设定程序的时间控制器控制风机的开关，是一种简单、廉价的通风控制方式。其目标主要是满足氧需求( 维持氧浓度在5%～15%)，并能够在一定程度上控制堆体温度。时间控制方式中，又有通风速率恒定和通风速率变化两种。 时间控制方式，有机物分解速率慢，产热和蒸发率低，堆肥腐熟时间长，枯燥趋势不明显。另外，时间控制容易造成堆肥过程中某些阶段通风过量或某些阶段风量缺乏。但该方式无害化效果好，系统的维护性极好。 2.2.2 温度控制 温度控制是通过设定热敏电阻或热电偶等传感器的最高温度，利用控制软件控制风机的开关，从而使堆体内的温度保持在最适合的温度范围内〔54一60℃〕。 与时间控制方式相比，温度控制需要的风机大，控制系统复杂，维护费用较高。但温度控制方式能够很好的控制堆肥的高温阶段，无害化效果好，堆肥时间短。 2.2.3 时间-温度控制 时间一温度控制有三种方式。 第一种就是两种控制方式简单的组合，在不同的阶段采用不同的控制方式，即在开始时采用定时控制，随后再采用温度控制。这种控制方法能使堆体保持适合的温度，到达无害化标准，保证堆肥质量。但是采用这种方式，有机物分解速率快，产热和蒸发速率高，如不加预防，枯燥可到达抑制微生物活动的程度。 第二种是在不同的条件下采用不同的控制方式，即当堆体中心的温度小于60℃时，采用时间控制；当堆体温度大于60℃时，采用温度控制。 第三种是更为复杂的混合通风时间一温度控制方式，即在采用第二种控制方式的同时，采用微机监测堆体顶部、中心和底部的温度，当堆体中心温度低于设定温度(55℃)，风机正压鼓风；当堆体温度大于55℃时，便比拟堆体顶部和底部的温度，如果顶部温度大于底部温度，负压抽风；反之，那么正压鼓风。采用混合通风控制方式，可以使堆体高温区分布更加均匀，堆料水分损失更少，无害化效果更好，但投资费用高，操作也很复杂。 2.2.4 O2或CO2含量的反响控制 O2或CO2含量的反响控制是将O2或CO2传感器放置在堆料中或者排气管中，通过获得的O2或CO2的信号，调节通风速率，以维持一定的O2或CO2含量。O2或CO2含量是控制变量，通风速率是操作变量。 这种控制方法比拟复杂，有机物分解速率快，无害化效果好，堆肥质量较好，但投资本钱高。 2.2.5 温度和O2含量反响控制 温度和O2含量反响控制是以温度和氧含量作为控制因素，使堆肥过程所有阶段到达最正确的温度和氧含量。该方式又分为全控制系统(FullControlsystem)和温度控制系统(介mperatureeontrolsystem)。在密闭的堆肥系统中，采用这种方式的排气可以循环使用，可以使进、出堆体的空气温差减小，从而更有利于控制堆肥过程。Ekinci等以温度和O2含量反响控制方式在空气循环堆肥系统中进行了试验(底物为废纸、锯末、污泥)，其控制方式如以下列图4所示： T > Tsp & O2 > O2,sp 温度传感器 氧含量传感器 高速风机 低速风机 堆肥反响器 高速风机 图3 温度和O2 含量反响控制方式示意图 T > Tsp & O2 > O2,sp→高速风机； T > Tsp & O2 < O2,sp→高速风机； T < Tsp & O2 < O2,sp→高速风机； T < Tsp & O2 > O2,sp→低速风机 其中: Tsp 为温度设定点( 60℃) ； O2,sp 为氧含量设定点( 0.10 kgO2/m3) 在上述通风控制方式中，时间通风控制方式和时间-温度联合通风控制方式得到了最为广泛的应用。今后随着测试技术和自动化水平的提高，堆肥系统强制通风的控制方式将会更多和更有效。但任何堆肥通风控制方式的最终目标都是:(1) 在最正确的生物降解速率下提供高质量的堆肥；(2) 保证堆肥产品到达充分无害化的要求，降低其使用时的危害性；(3)降低能耗。 2.3 通风速率 通风速率在任何强制通风堆肥系统中都是一个关键的参数，它关系到通过水分蒸发而造成的热量散失率、堆体的氧浓度状态以及堆肥运行能耗等。堆肥系统的通风速率主要取决于堆肥原料有机物的含量、挥发度、可降解度等。其常用的强制通风设计方法主要有:(1) 按照通风的作用( 供氧、去除水分和散热) 分别进行计算，风量的总和即为所设计的通风量。(2) 按照温度控制的通风需求量进行计算. 3.通风系统设计 在强制通风中，通风系统的设计要合理、高效，其中最重要的是通风管道设计与风机的选择。 3.1 通风管道设计 通风系统设计之初，应先根据堆体形状大小和多少对通风管道进行合理布置。通常遵循的原那么是：通风管道对称布置，通风管道上的通风孔分布也应均匀，从而保证对堆体各局部能均匀供氧使物料充分发酵。整个通风系统通风量依据城市生活垃圾堆肥处理厂技术评价指标中静态堆肥每立方米垃圾0.05-0.20m3/min的通风量进行取值，完全满足堆体发酵过程中供氧及冷却所需通风量。 按照通风设计标准，通风系统中干管风速应控制为6-14m/s，支管那么为2-8m/s。利用如下公式确定各干管与支管管径： d =1000(4Q/3600лv)1/2 ， 式中，Q—通过风管风量，m3/h； v—气体设计流速，m/s； d—风管管径，mm。 3.2 风机