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有机固体废物资源化的可控温发酵系统的设计论文

发布时间:2020-01-18 15:22:31 文章来源:SCI论文网 我要评论














SCI论文(www.scipaper.net):

摘要:设计了一种用于研究有机固体废物资源化的温度可控的发酵罐系统,该系统包含不锈钢罐体、水浴加热环、采样口、曝气控制系统、温度控制系统、渗滤液收集系统。实验结果表明,该温度可控发酵系统工作时,罐体内温度基本一致,曝气系统既可以补充好氧发酵需要的氧气又可以降温,这为研究固体废弃物好氧发酵过程研究奠定了基础,具有应用价值。

关键词:固体废物;发酵系统;技术设计

本文引用格式:于英翠,等.有机固体废物资源化的可控温发酵系统的设计[J].教育现代化,2019,6(43):136-137.

一 引言

       有机固体废物是农业面源污染重要源头,合理地处理、处置使其无害化、减量化和资源化是农业污染治理领域热点和关键[1]。其常用的处理方式主要有3种:填埋、焚烧和生物处理。和其他两种处理方式相比,生物处理是最经济有效的处理方式[2]。堆肥化处理是人工调控的微生物快速发酵降解和转化有机物的生物处理过程[3,4]。好氧堆肥是处理有机废物无害化和资源化的有效途径,广泛应用于农业、市政、餐厨垃圾、畜禽粪便等各种有机废弃物的处理[5]。好氧堆肥主要产物是二氧化碳、水和热量,二次污染少,能消除畜禽粪便中的抗生素残留和病原体[5],能耗低,固体废物的体积和质量得到明显降低,稳定和成熟的产品可作为有机肥料或土壤改良剂,是生态农业中重要的策略。

         发酵温度是堆肥正常好氧发酵的必要条件,对微生物生长与繁殖和堆肥反应速率起着决定性作用。好氧堆肥发酵过程中一般分为三个阶段:中温阶段(15~45℃),高温阶段(45℃~60℃)和腐熟阶段。55℃保持5~7 d,才能杀死病原体和微生物,达到无害化的卫生标准[9]。同时温度高于70℃,微生物活性下降,需要进行降温。堆肥温度的控制就是要保持发酵装置顺利升温、维持适当温度和温度的下降。

       氧气是微生物好氧发酵的必要条件(氧含量一般保持在5%~15%),如果氧气含量不足,微生物进行厌氧发酵,有机物降解速率减缓,发酵周期长、无害化不彻底,产生硫化氢等恶臭物质,影响堆肥处理效果,污染环境,限制其全面推广与应用。

        在实验室小型发酵系统中,由于发酵罐体积小,自身产热少,存在发酵温度较低,温度受外界温度及季节变化影响较大,氧气浓度调节状况差,易产生厌氧发酵等问题。针对以上问题,本文设计一种可实时控温和供氧小型实验室发酵装置。

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二 技术设计

         发酵罐系统主要由发酵罐主体、温度控制系统、曝气系统组成和渗滤液收集系统组成,如图1所示。其中,发酵罐主体主要包括不锈钢发酵罐、水浴加热环、温度控制模块、曝气系统和渗滤液收集系统。选择不锈钢材质,一方面主要是由于好氧发酵中高温发酵过程中,温度高于55℃,有机玻璃等其他材质易变形,另外一方面,发酵过程中产生渗滤液,对罐体有一定的腐蚀性。发酵罐上部盖子和罐体通过橡胶圈密封。水浴加热环通过外接加热棒进行加热,当发酵罐温度低于温度控制模块设定温度时,进行加热。温度控制模块主要包括温度传感器和PID控制器。曝气系统主要包括曝气泵和罐体内的多孔曝气管。当温度高于温度控制系统设定温度时,加热系统停止加热,同时进行曝气降温,曝气同时调节发酵罐内含水率。

三 好氧发酵系统的具体操作过程

         将发酵罐系统内装入按一定比例参入麦秆后的鸡粪和牛粪的混合物,参入麦秆的目的是调整合理的碳氮比例,合理的碳氮比能促进有机物的降解,降低铜和锌的迁移率。插好电源,温度控制模块上设置所需温度,设置该温度保持时间,当温度低于设定温度时,水浴环加热系统开始加热,当温度高于设定温度时,曝气系统开始进行鼓风曝气,降低系统温度,同时增加氧气浓度,防止发酵罐进行厌氧发酵。发酵过程中产生的渗滤液通过底部的渗滤液收集装置收集。

四 实验结果与分析

(一)好氧发酵系统温度稳定性的测量


       好氧堆肥发酵过程中一般分为三个阶段:中温阶段(15~45℃)、高温阶段(45~60℃)和腐熟阶段。当发酵罐温度高于70℃,是系统内微生物的活性受到抑制。因此选定测量温度为25℃、40℃、55℃和70℃四个温度对发酵罐系统温度的稳定性能进行测定。温度控制模块设定所需要温度,然后利用手持式水银温度计对发酵罐内上中下层温度进行测量。上中下三层各测量三次,取平均值,与系统设定温度进行比较,测试结果见表1。


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         试验测试结果表明发现发酵罐内上中下三层温度差异较小,温度最大误差值为0.3℃,底层温度略低。和温度控制模块设定温度相比,差值较小最大温差0.1℃,说明设计的可控温发酵罐系统温度较稳定,径高比合理。

(二)好氧发酵降温速率的测定

          为了控制发酵罐的发酵温度,通过曝气泵对发酵罐进行强制曝气。曝气泵的功率为70L/分钟。有学者研究表明,通过人工控制温度和氧气浓度,可以加速有机固体废弃物的降解速率,缩短发酵周期[12]。试验过程中,室温保持在30℃,选定三个相同的发酵罐,对60-30℃的温度区间降温速率进行测量后取均值,其测量结果其温度变化趋势如图2所示。在60-45℃温度区间,曲线坡度较大,温度下降速率较快。在45-30℃温度区间,温度下降速度和时间呈现明显的线性关系,因此利用最小二乘法对两个温度区间降温速率进行拟合,得到不同温度区间的降温速率,相关系数(R2)较高,达到0.99以上。为了了解温度整体变化趋势,对整个降温区间(60~45℃)进行拟合,相关系数达到0.97,如图表2所示。根据测定的降温速率,可以估算出系统降温所需要的时间,也可为曝气泵的选型提供依据,具有实用价值。



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五 结语

          本文设计的温度和氧气可控的发酵罐系统可以为有机固体废物提供一个理想发酵环境,可以系统地研究不同温度、不同降温速率下的有机固体废物的好氧发酵过程,具有实用价值。

参考文献

[1]廖汉鹏,陈志,余震,等.有机固体废物超高温好氧发酵技术及其工程应用[J]福建农林大学学报,2017,46(4):439-443.
[2]王月伶,刘训东,蒋建国,等.有机固体废物好氧堆肥实验装置设计[J]实验技术与管理,2012,29(12):65-67.
[3]马闯,李明峰,赵继红,等.通风策略对废弃物好氧堆肥的影响综述[J]江苏农业科学,2013,41(11):350-353.
[4]Sanchez O J,Ospina D A and Montoya S.Compost supplementation with nutrients and microorganisms in composting process[J]Waste Management,2017,69:136-153.
[5]Zhang Y,Li H,Gu J,et al.Effects of adding different surfactants on antibiotic resistance genes and intI1 during chicken manure composting[J]Bioresour Technol,2016,219:545-551.

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