好氧堆肥中通風工藝與參數研究進展

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摘要通風是影響好氧堆肥過程中溫度變化、微生物活性、氣體成分、水分去除和產品質量的重要參數，文章總結瞭好氧堆肥中通風工藝與參數研究進展。主要結論如下：好氧堆肥有三種通風方式，即自然通風、被動通風和強制通風，其中強制通風在堆肥科學研究和堆肥工程中應用較多。定時開-關周期循環控制、氧含量反饋控制和最大氧消耗率反饋控制是好氧堆肥中典型的三種通風控制方式，定時開-關周期循環控制和氧含量反饋控制方式被認為是在工廠化堆肥中應用的標準控制方式，最大氧消耗率反饋控制是一種新型的控制方式，控制效果較好，但在實際工程中尚未被應用。堆肥通風速率因原料和堆肥形式不同而不同，研究結果認為通風速率為0.2~0.6 L.min-1.kg-1有機物質具有較好的應用效果。攪拌是一種特殊的堆肥通風方式，在攪拌過程中，通過分子擴散和能量梯度驅動空氣質量運動，從而為堆體供給足夠的氧氣，這一方式在槽式和反應器堆肥中應用較多。實際堆肥工程中，條垛式堆肥一般采取翻堆結合自然通風工藝，槽式堆肥采取分段強制通風工藝，反應器堆肥一般采取間歇式通風工藝；條垛式和槽式堆肥建議翻堆頻率為1 d 1次，槽式和反應器堆肥建議通風速率為0.05~0.2 m3.min-1.m-3有機物質。好氧堆肥是在有氧條件下，好氧微生物對有機廢棄物進行氧化、分解、吸收和轉化的過程。影響堆肥發酵的因素很多，但堆肥的水分（水）、通透性（氣）和溫度（溫）是其中的關鍵控制因素，通常把水、氣、溫稱為堆肥三要素，三者相互影響，互為關聯。對於好氧堆肥來講，通風系統的設計是一個十分重要的環節。通過控制通風速率，可以達到調節堆體溫度的目的，從而為微生物生長代謝活動提供良好的環境。在堆肥過程中，通風有三個主要目的，分別是供氧、除濕和降溫。具體表現在，通風為好氧微生物的生長繁殖和代謝活動提供氧氣以完成堆肥過程；在溫度較高條件下通風可以除去濕基質中的水分，空氣被堆肥基質加熱後，蒸發掉部分水分，使堆肥物料得到幹化；通風可以除去有機質分解產生的熱量，以控制過程溫度。堆肥過程中，通風方式和通氣量（即曝氣工藝和參數）的控制至關重要，它不僅會影響到堆肥效率、產品品質和氣體排放等方面，還會影響堆肥運行成本。本文總結歸納瞭國內外堆肥通風工藝與參數研究結果，對比分析瞭實驗室條件下和實際工程中曝氣參數之間的關系，以期為通風工藝和參數在堆肥中的合理應用提供參考。1 堆肥通風工藝1.1 堆肥通風工藝類型堆肥從形式上可以分為條垛式堆肥、槽式堆肥和反應器堆肥，每種堆肥類型可以結合工藝特點選擇通風工藝。Neklyudov等將堆肥通風工藝總結為以下3種類型：（1）自然通風。不采用任何通風設備或輔助設施，在考慮風向的前提下通過自然風實現堆體供氧。（2）被動通風。堆體底部鋪有通風管，管上預留通氣孔，堆體根據風向圖水平佈置，確保空氣能夠順著風向通過管道進入堆體內部，從而實現被動通風。（3）強制通風。通過通風管道將空氣輸送至堆體，可利用曝氣風機或其他能使堆體達到好氧狀態的設備。強制通風和被動通風對通風速率要求不同，二者均具有各自的優缺點，詳見表1。一般而言，被動通風和自然通風工藝常用於條垛式堆肥，強制通風工藝常用於槽式堆肥和反應器堆肥系統。1.2 堆肥通風控制方式在堆肥科學研究和實際工程中，強制通風方式被廣泛應用。為瞭實現最佳通風效率，降低能耗，需要在不同的堆肥工藝中選擇適合的通風控制方式以實現對堆肥過程的合理控制。Maulini-Duran等總結比較瞭3種通風控制方式，即：定時開-關周期循環控制、氧含量反饋控制和最大氧消耗率反饋控制，前兩種控制方式被認為是在工廠化堆肥中應用的標準控制方式，第三種控制方式是Puyuelo發明的一種最新的通風控制方式，還未在實際工程中應用。定時開-關周期循環控制：這是在好氧條垛堆肥中應用最廣泛的通風控制方式，通風設備的運行用預先設置好的時間間隔進行周期循環控制。Ruggieri等在試驗中將通風時間間隔設置為先用5 L·min-1的速率通風5 min，再用0.2 L·min-1的速率通風25 min，周期循環，以此來保持堆體始終處於好氧狀態。氧含量反饋控制：這種控制方式是通過測定堆肥系統排放的廢氣中氧氣的濃度來進行反饋，它通常需要設定氧氣濃度反饋點來維持系統中的氧氣含量，氧反饋點被固定為11.5%~12.5%（指氧氣在空氣中的體積比，V/V）。在實際工程中，當氧氣含量低於11.5%時，控制器指示通風設備以3 L·min-1的高通量進行通風；當氧氣含量高於12.5%時，控制器指示通風設備以0.2 L·min-1的低通量進行通風；當氧氣含量介於11.5%~12.5%之間時，控制器不對通風設備做任何指示以維持當前通風量。最大氧消耗率反饋控制：這種控制方式通過獲得一種自動控制通風規則，使堆體內的微生物具有最佳活性，以此測得的使堆肥好氧微生物保持最佳活性的通風參數被稱為氧氣消耗率。在堆肥過程中，控制器首先測得氧氣消耗率，然後監測氧氣消耗率的變化，由氧氣消耗率的變化決定增大、減小或保持通風量不變。通過這種方式，控制系統有規則的將空氣流輸入堆體，使堆體中的好氧微生物在整個堆肥過程中始終保持較高的活性。除瞭以上3種控制方式外，常勤學等還總結瞭以下幾種控制方式。（1）時間－溫度控制：利用設置在堆體中的溫度傳感器產生的控制信號，調節通風速率或風機開關，以維持堆體溫度在設定溫度附近。在堆肥初期，堆體由時間控制器控制，允許堆體溫度上升，當溫度升高至高溫設定點（55~60 ℃）時，風機持續開啟，以降低堆體溫度；當溫度降低至低溫設定點時，減小通風速率。該控制方式可以使堆體長時間保持在適宜的溫度范圍，從而使堆肥更好地達到無害化。（2）溫度和氧氣含量反饋控制：這種控制方式以溫度和氧含量作為控制因素，首先確定溫度設定點Tsp（60 ℃）和氧含量設定點Osp（0.10 kg O2·m-3），當溫度大於Tsp且氧氣大於Osp時開啟高速風機，當溫度大於Tsp且氧氣小於Osp時開啟高速風機，當溫度小於Tsp且氧氣小於Osp時開啟高速風機，當溫度小於Tsp且氧氣大於Osp時開啟低速風機，通過這幾種條件下的通風控制使堆肥過程所有階段達到最佳的溫度和氧含量。在上述通風控制方式中，定時開－關周期循環控制方式和時間-溫度聯合通風控制方式在實際工程中應用最普遍。隨著監測技術和信息化水平的提高，堆肥系統強制通風的控制方式將會不斷湧現、不斷升級。但所有堆肥通風控制方式的目的都是為瞭實現：（1）使堆體保持好氧狀態，最大程度地發揮好氧微生物的活性；（2）保證堆肥產品達到無害化要求，降低揮發性物質的釋放量；（3）提高堆肥效率，降低能耗。2 堆肥通風與攪拌參數2.1 堆肥通風速率在強制通風中，通風速率因原料不同而不同：對畜禽糞便而言，通風速率為0.89~1.9 L·min-1·kg-1有機物質；對城市垃圾和污泥堆肥而言，通風速率范圍為0.20~1.33 L·min-1·kg-1有機物質。在被動通風中，堆體通風速率不會太大，一般為0.04~0.08 L· min-1·kg-1有機物質。Keener等認為，農業廢棄物通風速率需要0.3~ 0.9 L·min-1·kg-1有機物質。對於城市垃圾而言，Nickolas等認為通風速率為0.06~0.4 L·min-1·kg-1有機物質是比較合理的。Rasapoor等研究結果表明，對於城市垃圾廢棄物而言，開始發酵時通風速率保持在0.6 L·min-1·kg-1有機物質，發酵後期通風速率降為0.4 L·min-1·kg-1有機物質是最合理的。對於畜禽糞便堆肥來說，也有相關研究者給出瞭通風速率推薦范圍。Hong等研究認為，在牛糞和秸稈混合堆肥中，通風速率為0.87~1.07 L·min-1·kg-1有機物質比較合適；Li等用牛糞和稻秸堆肥，研究結果表明0.25 L·min-1·kg-1有機物質通風速率效果最好；Lau等使用豬糞堆肥，得出通風速率推薦范圍為0.04~0.08 L·min-1·kg-1有機物質。Shen等使用雞糞堆肥，得出0.1 m3·min-1·m-3的通風速率有利於溫室氣體的減排。Chowdhury等在使用畜禽糞便和秸稈堆肥中選擇瞭高通風速率0.44 L·min-1·kg-1和低通風速率0.22 L·min-1·kg-1兩個參數，研究結果表明低通風速率有利於減少氮素損失，且N2O沒有顯著變化。由此可知，在不同的研究條件下，由於原料性質和堆肥方式不同，得出的通風速率也不同，表2對文獻中的通風速率進行瞭匯總。我國制定的《生活垃圾堆肥處理技術規范》CJJ 52—2014標準中，推薦曝氣參數為0.05~0.2 m3· min-1·m-3有機物質，經換算，對應值為0.22~0.88 L· min-1·kg-1有機物質。由表2可知，不同原料、不同工藝條件下堆肥過程中所需要的通風速率不一樣。經比較分析發現，通風速率參數基本都在0.2~0.6 L·min-1·kg-1有機物質之間，因此，在實際堆肥工程中可將此范圍內的通風速率參數作為參考值。2.2 堆肥翻堆與通風
堆肥過程中，通過翻堆或攪拌也能實現堆體通風，這種方式在條垛式堆肥中應用較多。翻堆是通過翻倒、攪拌等方式使堆料、水分、溫度和氧氣等達到均一化，還可以起到供給空氣、混合物料、散發水蒸氣的作用。對於強制通風式堆肥系統和很多發酵倉堆肥系統，供氧的作用過程十分清晰，比如，固定通風量的堆垛系統，鼓風機通入空氣，使之穿過堆垛，借此提供需要交換的空氣。但對於沒有通風的條垛堆肥系統，主要的通氣機制是通過攪拌來補充氧氣。一般情況下，翻堆頻率高，堆肥原料可進一步均一化、細粒化，再通過翻堆供給空氣，加快堆肥化原料和微生物的表面更新作用，促進好氧發酵。同時，通過翻堆可以蒸發水蒸氣，引起原料中的水分含量下降。但若翻堆頻率過高，發酵中已升溫的原料的散熱量也增加，反而使發酵溫度降低。因此，要根據堆肥原料中有機物的含量和翻堆設備，設定最適合的翻堆頻率，通過翻堆來改善堆肥效果，促進發酵。Wei等研究表明，堆肥過程中翻堆和通風有利於氮素的轉化。一般通過攪拌條垛而交換自由孔隙中的空氣並不能滿足空氣需求。如果不強制通風，在攪拌過程中，供應的氧氣通過兩種方式進入條垛孔隙內部，一種是通過分子擴散，另一種是通過能量梯度驅動下的空氣質量運動。分子擴散的速率和堆肥所需的氧氣供應速率相比較慢，而且隨著含水率的增加，擴散的速率降低。總體而言，分子擴散在通風方面作用有限。由於分子擴散是不現實的氧氣輸送機制，很顯然隻有通過能量梯度驅動空氣質量運動才能供給足夠的氧氣。在條垛或者反應器內部，氣體的溫度和濕度高，而周圍環境的空氣溫度和濕度低，兩者的密度差產生向上的浮力，從而引起自然通風。在不進行強制通風的條垛或反應堆中，自然通風是多數氧氣傳遞的驅動力。周期性的機械翻堆對自然通風的效率有很大影響，這是由於翻堆增加瞭堆肥物料的自由孔隙，在物料顆粒尺寸不變的情況下，自由孔隙直接與自然通風率相關。Rasapoor等對比研究瞭靜態垛強制通風、翻堆、靜態垛自然通風和翻堆結合自然通風四種工藝對城市垃圾堆肥理化性質的影響，結果表明：靜態垛自然通風雖然能耗最低，但堆肥效果不理想；翻堆和靜態垛強制通風兩種工藝的都能達到較好的堆肥效果，但能耗偏高；翻堆結合自然通風工藝能耗稍高於靜態垛自然通風工藝，且在減少CO2排放和提高堆肥品質方面均有很好的效果，可以在堆肥工程中替代翻堆工藝。堆肥實際生產中，通風、攪拌是運行管理的重要因素。使用密閉隧道式和密閉容器式的發酵設施時，對原材料的水分進行調整之後，再把它投入密閉式的發酵設施中，進行翻堆通風控制。一般情況下，在橫型發酵設施中，攪拌的頻率為1~2次.d-1，在密閉式的發酵設備中為5~20次.d-1。3 國內堆肥工程中通風與攪拌參數選擇目前我國常用的好氧堆肥工藝主要有：條垛式堆肥、槽式堆肥和反應器堆肥。條垛式堆肥是一種典型的開放式堆肥，其特征是將混合好的原料排成條垛，並通過機械周期性地翻拋進行發酵。槽式堆肥一般在長而窄的被稱作“槽”的通道內進行，槽壁上方鋪設有軌道，在軌道上安裝翻堆機，可對物料進行翻攪，槽的底部鋪設有曝氣管道可對堆料進行通風曝氣，是一類將強制通風與定期翻堆相結合的堆肥系統。反應器堆肥指將有機廢棄物置於集進出料、曝氣、攪拌和除臭為一體的密閉式反應器內進行好氧發酵的一種堆肥工藝。工程實踐與研究結果表明，三種堆肥工藝所采用的通風和攪拌參數不同，具體可參見表3。在實際工程中，條垛式堆肥一般不設置通風系統，而是通過翻堆或攪拌補充氧氣；建議在高溫發酵期每日翻堆一次，在二次發酵期可根據工藝需要增加攪拌頻率，以利於水分的去除。槽式堆肥中一般采取分段曝氣工藝，在一次發酵過程中的發酵前期采取較小的通風速率（如0.05 m3·min-1·m-3），在發酵中後期隨著微生物活動的增強和耗氧速率的增加逐漸加大通風速率（如0.1 m3·min-1·m-3）；在二次發酵過程中可根據工藝需求選擇通風速率，如需快速去除水分，可進一步加大通風速率（如0.2 m3·min-1·m-3）。反應器堆肥一般采取間歇通風工藝，如采取開30 min/停30 min、開40 min/停20 min等控制模式，建議通風速率為0.05~0.2 m3·min-1·m-3，實際運行中可根據堆體溫度和出料水分含量調整通風與攪拌參數。
4 結論（1）好氧堆肥有三種通風方式，強制通風在堆肥研究和堆肥實際工程中應用較多，是現代化堆肥中需要考慮的重要因素之一。（2）好氧堆肥中典型的通風控制方式有三種，定時開-關周期循環控制和氧含量反饋控制方式被認為是在工廠化堆肥中應用的標準控制方式；最大氧消耗率反饋控制效果最好、能耗最低，但在實際工程中還沒有被應用。（3）堆肥原料不同、堆肥形式不同，相應的通風速率就不同，通過總結大量研究結果，認為0.2~0.6 L· min-1·kg-1有機物質的通風速率參數具有較好的應用效果，得到瞭較多的研究驗證，在堆肥通風參數中具有較好的參考價值。（4）實際堆肥工程中，條垛式堆肥一般采取翻堆結合自然通風工藝，建議翻堆頻率為1 d 1次；槽式堆肥采取分段強制曝氣工藝，一次發酵期間建議通風速率為0.05~0.2 m3·min-1·m-3，二次發酵期間建議通風速率為0.1~0.2 m3·min-1·m-3，建議翻堆頻率為1 d 1次；反應器堆肥一般采取間歇式通風和攪拌工藝，建議通風速率為0.05~0.2 m3·min-1·m-3。通風與攪拌協同進行在槽式和反應器堆肥中具有較好的效果。（編輯;Wendy）

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