YDF-100固态生物反应器的设计和运行
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摘 要：该文分析了堆肥反应器的应用基础，设计了一种容积为100 m3的滚筒式固态生物反应器。该固态生物反应器采用无倾角水平放置，链条传动，厚钢板卷制滚圈等结构，降低了制造难度和成本。该反应器不仅比同类型的反应器成本低，与筒仓式、塔式堆肥反应器相比也有一定的优点。该反应器可日处理固体废弃物10 t～20 t，处理生物质气化废水1 t/d，年生产有机肥5 000 t。经过运行一年，达到了设计要求，值得推广应用。
关键词：固态反应器;固体废弃物处理;堆肥;好氧发酵;滚筒;气化废水处理
中图分类号： X703 文献标志码：A
0 概述
随着经济和社会的发展，固体废弃物产生量在迅速增加，已经成为污染环境、影响人们生活的社会问题。固体废弃物组成中含大量有机物，它能提供给生物体碳源和能源，是进行生物处理的物质基础。固态生物反应器由高含量固体、低含水量的液体及适当浓度的气体组成微生物可正常繁殖的环境，通过生物反应，不仅可以杀灭垃圾中的病原菌、虫卵等，而且可以使垃圾中的有机物得到重新利用，如产生的堆肥在农业种植方面具有非常重要的作用。
用于堆肥的反应器类型有筒仓式堆肥反应器、塔式堆肥反应器、滚筒式堆肥反应器、搅动箱式堆肥反应器、圆形搅拌床堆肥反应器以及隧道窑堆肥反应器等[1]。滚筒式高温好氧堆肥技术的机械化程度高，有利于供氧、传质、传热和微生物的生长繁殖，加快了有机物的降解速率，在进料有机物含量50%～60%，含水率30%～50%，供气充分的条件下，物料经过1 d ～2 d 的一次发酵就能达到无害化和初步稳定[2]。赵天涛认为，卧式堆肥发酵滚筒结构简单，可以自动稳定地供料、传送，并且排出堆肥物。如果发酵全过程都在此装置中完成，停留时间应为2 d ～5 d [3]。武深树认为转筒式堆肥发酵周期1.5 d ～2 d ，自动化程度较高，生产环境较好、发酵较快，脱水效果好，其缺点是前期投入高、一次性投资较大、运行费用较高[4]。塔式发酵节省空间，发酵效率高，但是设备造价及维护成本高，廉价、高效的发酵设备有待进一步研发[5]。
该文设计一种固态生物反应器，主要用于将猪粪、牛粪、鸡粪、菇渣、药渣、豆渣、污泥、木屑和统糠等固体废弃物通过动态好氧发酵的生物反应变成有机肥，反应器设计处理量为10 t/d～20 t/d，年生产有机肥5 000 t。该设计采用滚筒式堆肥反应器的结构型式，在结构上进行优化，以减小制造难度和成本。
1 固态生物反应器的结构设计
1.1 主体尺寸和型号
按物料在反应器内停留时间3 d计算，反应器应能容纳30 t～60 t物料，物料的堆积密度约为0.7 t/ m3，其体积为42.9 m3～85.7 m3。滚筒式堆肥反应器的填充系数一般为0.6～0.8，按中值0.7计算，反应器容积应为61 m3～122 m3。该设计取反应器容积为100 m3。考虑到公路的限高要求，滚筒直径不宜过大，该反应器直径设计为2.5 m，按容积100 m3
计算，长度为20.37 m，取整为21 m。该固态生物反应器型号按公司名称阳东、反应器（或发酵器）拼音首字母和容积100 m3定为YDF-100。
1.2 滚筒斜度和支座数
该固态生物反应器结构参照回转窑设计。回转窑的斜度一般为2%～5%，考虑到有色冶金回转窑炉料在窑内的停留时间仅为1 h～3 h，该生物反应器物料停留时间为3 d～4 d，时间大大延长，因此将滚筒设计为水平，即斜度为0。因该滚筒的填充系数为0.6～0.8，远大于有色冶金回转窑0.04～0.1，该滚筒的物料在进料和出料过程中会自然形成一定的斜度，这样会保证物料会在进料端不断向出料端移动。将滚筒设计为水平放置，不仅使制作和安装更为简单，也使进出料端的密封难度减小，并且使滚筒的轴向窜动力减少，因此减少了挡轮装置的制作调试成本。
该滚筒的长径比为21/2.5=8.4<15.5，因此支座数（即托轮对数）为2。
1.3 传动方式
回转窑的传动方式一般为齿轮传动，但是大齿轮的制造成本高、制造周期长、安装精度要求高。链轮传动有4个优点。1）结构简单、紧凑、安装和维修方便。2）有较好的缓冲和吸振能力，适用范围广。3）链轮齿多齿同时受力，单齿受力较小，强度较高。4）成本较低，具有较好的经济性。在经过直径1.9 m、长6 m发酵滚筒的实践验证[6]后，该设计采用链条传动并对相关部件进行了放大設计。
1.4 滚圈
滚圈或称轮带，将筒体等回转部件的质量重力传给托轮及支承装置，同时可增强筒体截面的刚度。回转窑的滚圈一般为铸钢件，制造周期长，一般厂家不能生产。考虑到该反应器的温度较低（小于100 ℃），而且没有窑衬，不存在滚筒转动时窑砖掉落的问题。该反应器的滚圈采用厚钢板卷制加工，降低了生产难度和成本。
1.5 转速
通过对已有的直径1.9 m、长6 m滚筒反应器的运行实践，认为该滚筒反应器的转速在0.1转/min～0.5转/min比较合适。转速过高会增加传动功率，增加磨擦损耗，增大故障概率，减少设备寿命。转速过慢会减慢物料运行速度，引起进料口堵塞，降低产能。
1.6 传动功率
滚筒的传动功率按理论计算比较复杂。可以按照以下经验公式计算：
N=0.052D2.5nL （kW）
式中：N为传动功率（kW） ，D为滚筒直径（m） ，n为转速（rpm） ，L为滚筒长度（m） 。
该设计中D=2.5，n=0.5，L=21。计算得N=5.40 kW。电机选型时应留有一定的富余量，该设计电机功率取11 kW。
1.7 外保温 该反应器不设置外加热装置，反应器的温度升高由微生物活动产生。由于供氧和排湿的需要，风机排风会引起反应器内热量的损失。为了保证反应器内合适的温度（55 ℃～70 ℃），反应器外表面覆盖了50 mm厚的保温棉层。
1.8 进出料
该反应器滚筒两端分别设置固定部，分别用于进、出料。进料口位于前固定部顶端，以便于将滚筒加满料。出料口位于后固定端下部，出料口设置电动出料门。不需出料时，关闭出料门，内部物料就不会泄漏。控制出料门的开关时间就可以控制物料在反应器内的反应时间。
1.9 进排气
该反应器主要设计为固体有机物的好氧发酵反应，需要通入一定的氧气并排出反应废气。因此，在后固定端上部设置了出气孔并安装了引风机，而进料口又起了进风口的作用。反应废气中主要含有二氧化碳、水蒸气和氨气等，一般需要收集并另行处理。由于排湿所需的风量远大于好氧反应需要的风量，该反应器没有设置测氧仪器。为了了解反应器内各部分的反应温度，在滚筒上安装了多个温度计。图1为YDF-100固态生物反应器实物图。
2 固态生物反应器的运行
YDF-100固态生物反应器制作后经过了一年的运行，设备运转正常，产能达到设计要求。
对运行功率进行实测，该反应器传动功率约为5 kW，证明以上功率计算经验公式符合实际。
该反应器冬天运转时温度一般为60 ℃，夏天运转时温度一般为70 ℃。调节排湿风机的开启时间可将温度调节到设定温度，也可以将夏天的产能适当提高。
该反应器采用变频器调节滚筒运转速度，进料时加大频率可以加大进料量、防止进料口堵塞，平时则降低频率以减小能耗，有利于延长设备寿命。
该反应器因为滚筒水平放置，滚筒轴向窜动力很小，设备运转稳定。有时，因为托轮安装不正常产生轴向窜动，调节托轮即能解决。
利用该反应器进行了生物质气化废水处理的实验。生物质气化废水来源于生物质可燃气的净化过程，采用活性污泥法或SBR法等，很难达到排放标准[7]。每天将约1 t生物质气化废水加入以菇渣为主的堆肥原料中，调节水分到50%～60%，按说明加入某种发酵菌种，生产的有机肥质量完全合格。与加入自来水的物料反应做对照，反应温度没有明显降低，排出的水汽成分没有明显差异。经实验验证，该反应器使用生物质气化废水排出水气的冷凝水有促进植物生长的作用，可以进一步开发为液面肥。
3 结论
YDF-100固態生物反应器的设计采用滚筒水平放置和链条传动等方法优化了结构，降低了制造难度和成本。显而易见，该反应器比同类型的反应器成本低。该反应器引风机抽风时气流在料面上通过，气流阻力小，物料由于滚筒的旋转处于不断的运动中，反应均匀、快速。而筒仓式、塔式反应器气流在料堆中通过，通风阻力大，并且物料难免有搅拌不均匀的现象。可以认为，该反应器具有反应时间短、均匀性好、制造成本低、运行成本低、产能大的优点。该固态生物反应器不仅能处理多种固态废弃物，也能处理一定量的有机废水，产生农林业需要的有机肥，具有很大的推广价值和应用前景。
参考文献
[1]李季，彭生平.堆肥工程实用手册[M].北京：化学工业出版社，2011：46-50.
[2]冯明谦.动态发酵工艺参数的研究[J].四川环境，1999（4）：17-21.
[3]赵天涛.固体废物堆肥原理与技术[M].北京：化学工业出版社，2016：178-179.
[4]武深树.畜禽粪便污染防治技术[M].长沙：湖南科学技术出版社，2014：74.
[5]李省.有机肥好氧发酵原理及工艺合理性探讨[J].现代农业科技，2014（16）：186-188.
[6]刘元月.柔性传动在转筒装置中的应用研究[J].中国高新科技，2019 （8）：85-87.
[7]曾中华.生物质气化废水处理工艺分析比较[J]现代化工，2009（10）：227-230.
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