厨余垃圾动态堆肥反应器的设计与测评

蔡旺炜　举健　陈俐慧　白春玮　吴向前　王为木

）摘要：厨余垃圾易腐败变质，具有肥料化利用的良好条件，其产生具有量小、分散和持续性的特点。动态堆肥进料、出料具有连续性，既适于中小规模堆肥，又在厨余垃圾处理中具有良好的应用前景。动态堆肥反应器具有完成堆肥全过程、物料自动转运、堆肥产品贮纳、方便取样测温、供气流量和搅拌频率可调控等功能特性，内部环境可视，结构可拆卸组装。根据“总体—模块”进行设计，分别从“空载—模拟负载—堆肥试验”对动态堆肥反应器“机械性能—可控性能—堆肥效果”进行测评，结果认为，该反应器满足了设计需求，适用于厨余垃圾动态堆肥基础试验研究，具有一定工程应用基础。

关键词：厨余垃圾；动态堆肥；反应器；设计；测评

中图分类号： X799.3文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）01-0329-03

收稿日期：2013-05-22

基金项目：河海大学大学生创新创业训练计划（国家级）（编号：201205XCX014）。

作者简介：蔡旺炜（1991—），男，广西昭平人，从事城市生活垃圾“三化”处理技术研究。E-mail：caiwangwei2010@163.com。

通信作者：王为木，博士，副教授，主要从事农业生物环境领域研究。E-mail：wangwm@hhu.edu.cn。厨余是指食物残余和食品加工废料，是餐厨垃圾中的固体废弃物[1]，其主要理化特性有含水率、有机质、油脂和盐分含量高，含多种微量元素，易腐易臭，具有资源化利用的良好条件，但若不及时妥当处理，会对环境产生诸多负面影响[2]。据估计，2000年我国城市厨余垃圾年产量超过4 500万t，且长期以混合收集填埋为主要处理方式，餐饮业厨余垃圾则主要由城郊禽畜养殖场收集，直接用于禽畜养殖，目前已经暴露出较为严重的环境和食品安全问题，厨余垃圾无害化、资源化、减量化处理已日益为人们所关注[1，3]。家庭厨余垃圾的产生普遍具有量小、分散和持续性的特点，给城市生活垃圾的收集、运输和处理造成较大的困难。

动态好氧堆肥是指允许实时进料、出料的堆肥技术，具有周期较短、操作简单、产品品质较好等优点[2]，尤其可以满足及时处理原料的需要，避免原料的积累，在家庭或社区使用可以处理厨余垃圾，能够有效避免厨余垃圾的腐败，保护环境。动态堆肥要求尽可能减小反应器中处于不同转化阶段的物料相互之间彼此影响，这就使得反应器一般结构较复杂，且内部可调控程度要求较高，因而更适用于中小规模的堆肥处理。目前，国内有关厨余垃圾动态堆肥和动态堆肥反应器的研究报道较少。

好氧堆肥中，原料经一定预处理后进入不同的反应器系统中，虽然受堆肥规模、通风方式和反应器构造的影响，所经历的堆肥过程不完全相同，但是，都应达到堆肥基本的腐熟标准[4-9]。笔者根据“总体设计—模块设计（主体箱模块—搅拌模块—辅助箱模块—供排气模块）”的思路设计了一款处理能力为5 kg/d的小型厨余动态堆肥反应器，并进行了性能测评，以期为厨余垃圾动态堆肥试验研究提供一种实用的反应器系统。

1总体设计

1.1功能需求

设计一款用于实验室动态堆肥小试研究的微生物反应器，应具有完成堆肥全过程、物料自动转运、堆肥产品贮纳、方便取样测温、供气流量和搅拌频率可调控等功能特性，内部环境可视，结构可拆卸组装。

1.2约束条件

承重：以日投放5 kg原料，发酵周期16 d，贮纳4 d，且无减容计算，物料总重上限为100 kg。环境温度：小型反应器只能达到中温堆肥[4-7]，内环境最高温难以超过60 ℃，外环境取决于南京当地气温，最低以-5 ℃计算。

1.3原理方案

反应器原理方案示意图见图1。反应器系统分为主体箱、搅拌、辅助箱、供排气及支架等5个模块进行设计、制作和组装，在主体箱底部和辅助箱底部的隔层下分别设有供气布气层。主体箱的3个仓室同时进行间歇性搅拌；在辅助箱中进行深化腐熟，这是降温腐熟的延续和发展，有助于提高堆肥产品的品质；反应仓室间的物料转运是反应器运行后自动完成的。圆角框既表示堆肥阶段，也代表反应仓室，每个仓室都应允许进行取样测温；除标明了供、排气的箭头外，其余箭头均表示物料转运方向。

2模块设计

2.1主体箱

由于内环境可视化需求，保证结构刚度，应选用10 mm厚有机玻璃为主体箱材料，因堆肥需搅拌，故主体箱应为圆柱形。主体箱分为上、中、下3个仓室，物料在各仓室停留时间有所不同，且在仓室间可自动转运，因此隔层构件应具备调节物料转运速率的功能。上、中隔层设计为螺旋倾斜结构形式，开缺口，其开合度可调；下隔层为一侧倾斜，低处与辅助箱隔层相接。根据式（1）计算主体箱总有效容积应在62.5～150 L，各仓室有效容积为上15.7～37.5 L、中23.5～62.5 L、下23.3～50 L。

V=5/ρ×t/（1）

式中：V为有效容积，L；5指反应器处理能力，kg/d；ρ指物料密度，取0.8 g/cm3；t为停留时间，d；Φ指有机负荷率，为物料体积与有效容积比，对仓室堆肥，50%～80%较适宜。

根据所选材料和加工条件，确定主体箱内径为38 cm、高75 cm；螺旋倾斜隔层选用2 mm有机玻璃板，均匀分布开 1 mm 孔，以利于通气和渗沥液下滴，开30°扇形缺口，上隔层缺口外沿高度差设为5 cm，中隔层缺口外沿高度差设为 3 cm。下隔层高侧离箱底5 cm，低侧离箱底3 cm，底部为渗沥液收集层和供气布气层。搅拌轴外套筒外径为2.5 cm。搅拌叶体积忽略不计。根据以上数据，由式（2）验算主体箱总有效容积为77.9 L，满足式（1）计算结果。上、中、下仓室高度（从隔层最低处算起）根据原理图中物料停留时间大致分别确定为20、25、27 cm，根据高度分别算得各仓室实际有效容积为上21.6 L、中27 L、下29.2 L，均满足式（1）计算结果。endprint

V′=111 000[π14（d2-D2）h-112∑π14d2Δh-π14d2hh+hl12]（2）

式中：V′为实际有效容积，L；d、D分别为箱体内径和搅拌轴套筒外径，cm；Δh为螺旋隔层缺口高度差，cm；系数1/2是指每个螺旋隔层所占容积为高度Δh圆柱体体积的一半；hh、hl分别指下层高侧和低侧距箱底高度，cm。

上隔层最低处对应下隔层最高处，缺口对应箱壁处设置可移动扇形挡板以控制缺口开合度，隔层构件由箱体内壁支点和搅拌轴套筒支点共同支撑，可拆卸。在各仓室隔层高度适中位置对应的箱壁上开取样测温口，可开闭。箱体上置箱盖，通过法兰与箱体连接，箱盖上设进料口、排气口，排气口接尾气处理装置，箱盖中心设搅拌轴上轴承。当外环境温度较低时，箱体外壁可覆上保温材料。

2.2搅拌

对应于主体箱3个仓室，设置上、中、下3层搅拌叶，几何形状、尺寸均相同，为满足可拆卸要求，搅拌叶焊接在搅拌轴套筒上，套筒与搅拌轴对应位置均开孔，用长螺栓将套筒固定在搅拌轴上。每层搅拌部件均设计为倒“四”平面形状，左右各2个扇叶，呈中心对称，扇叶为圆柱面，经试验，该几何形状能较好满足物料得到翻动且在隔层移动较慢的堆肥要求。搅拌轴为实心合金钢棒，上下轴承分别固定在箱盖、箱底。

搅拌由250 W变频电机带动，可在3～20 r/min范围内调控，输出转矩120～790 N·m。搅拌频率 4～8 r/min，搅拌方向可变换。为实现自动间歇性搅拌，搅拌机通过定时插座与电源相接，由定时插座设定通电时刻、时长。

2.3辅助箱

根据式（1）计算辅助箱有效容积应为15.7～62.5 L，深化腐熟有机负荷率取80%计算。考虑到主体箱尺寸和结构特点，确定辅助箱长、宽、高分别为40、20、25 cm，其实际有效容积约为20 L，用10 mm有机玻璃板粘合成，通过法兰与主体箱连接，出料口采用滑槽提拉式闸门开合。箱内底部设置布气层，辅助箱不设排气口，空气由布气层进入堆体，离开堆体后经主-辅连接口进入主体箱，向上运动由排气口离开反应器，如此可保证主体箱上两层的供氧量。

2.4供-排气

堆肥过程中，通风有3个作用：供氧、散热和去除水分。完整的通风系统包括通风结构与装置。风源由风机提供，系统运行时需要确定风量和风速。另外，在风机选型时压力也是考虑因素之一。参考杨延梅[10]的计算方法，求得最大通风量为47 L/min，参考席北斗等[11]的计算，风压降估算为 800 Pa。正压强制通风的堆肥效果良好[12]，且结构和操作都较简单，故采用鼓风机进行正压强制通风，风机应满足最大供气量大于50 L/min，风压降1 000 Pa左右，供气量可调。用量程为100 L/min的玻璃转子流量计进行供气量监测。空气由管道进入布气层，为使出气均匀，布气层内气管的水平两侧开若干2 mm左右气孔，气管末端堵上。

堆肥会产生数10种挥发性物质，其中硫化氢、甲硫醇、1，3-二甲基苯和邻二甲苯与臭气浓度极显著相关[13]，堆肥氮素损失是必然存在的，产生的氨气也是尾气具有异味的重要原因[14]。因此，堆肥尾气不宜直接排放到空中，尾气通过反应器排气口后，可先通过盛装有活性炭的容器，利用活性炭的吸附特性进行初步处理，若仍有较明显异味，可先后通过碱液和酸液进行进一步处理。

2.5支架

支架的作用主要是承受堆肥时整个反应器的重量和固定电机，支架下还可放置风机。选用3.0号普通等边角钢焊接而成，电机通过螺旋固定在专设的1根槽钢上。

3性能测评

性能测评由空载测评、模拟负载测评和堆肥测评3个部分组成。空载测评为反应器组装完成后进行的开机试验，连续运行3 h，主要检测其机械性，包括结构稳定性、震动、噪声。模拟负载测评为以含水率与经预处理厨余垃圾相当的锯末为负载，进行容积负荷率分别为50%和80% 2次模拟负载开机试验，每次3 h，主要检测其可控性与稳定性，包括搅拌、通风和物料的自动转运。堆肥测评即进行1次周期为15 d的堆肥试验，2013年4月10日至4月25日于河海大学农业工程实验中心实验室内进行，前8 d投料4 kg/d左右，试验记录了堆体温度的变化，测定了堆肥前后物料的含水率、pH值、C/N比，根据堆肥腐熟标准进行反应器堆肥性能的评价。

3.1机械性能

空载试验时，搅拌构件与搅拌轴转动一致性较好，无相对错动及震动现象，搅拌轴能绕其轴心平稳转动。隔层构件与搅拌构件之间无直接接触，在后者套筒与前者之间的承接套筒的转动未造成隔层构件的明显震动。反应器箱体震动由电机运行引起，由于转速较小，故震动非常微弱，鼓风机不固定在支架上，其震动不影响箱体。噪声由鼓风机运行造成，在其附近环境噪声可达75 dB左右，超过人体安全值50 dB，考虑到使用中采用的是间歇性通风，且此次设计风机的选用需考虑后续研究应用，故其风压较大，因此噪声也较大，但对周边室内环境影响仍在可接受范围内，室外噪声在35 dB左右，而实际工程应用中，可换用风压和噪声较小的风机。进行模拟负载测评和堆肥测评时，也关注了上述指标，除隔层板受重力作用有些许弯曲外，其他均良好。综上，该反应器结构稳定性良好，震动微弱，噪声较大但对环境影响不大。

3.2可控性能

模拟负载测评以容积负荷率分50%和80%两级进行，主要是为避免一次负载过大可能造成的反应器不可逆损坏，开机试验表明其在容积负荷率为80%时仍运行良好，故根据80%一级的开机试验进行可控性与稳定性评价。搅拌频率最高可达15 r/min，搅拌方向变换由调速器接线方式转换实现，改变搅拌方向可明显改变物料在仓室内的移动速率。物料由上一仓室转运到下一仓室的速率主要由隔层板缺口的开合度决定，当小至一定程度时，物料将难以跌落至下一层。实际最大供气量为90 L/min，最高气压0.1 MPa，供气在可调范围内较稳定，在隔层缺口全关闭的情况下，仍能在排气口明显感觉到空气持续均匀排出，说明隔层板的透气性良好。综上，该反应器能实现搅拌和通风在需求范围内调控，搅拌和通风较稳定，物料转运速率可控。endprint

3.3堆肥效果

通过堆肥试验，测评该反应器对堆肥内环境的可控程度，从底物腐熟程度分析反应器堆肥性能。从河海大学研究生食堂一次性取原料，食物残余破碎，叶梗菜梆剪碎，添加锯末调节含水率和C/N比，投料前接种复合菌剂[2]。

堆体温度变化过程见图2。各仓室堆体的温度变化与原理方案存在差别，总体上，温度高低关系实际为上仓室<中仓室<下仓室<辅助箱，主要升温阶段为下仓室-辅助箱。原因有二，主要是堆肥规模小，未采取加温保温措施，散热较大，故每次投加的物料未能快速起反应；另外微生物对堆体环境的适应需要一定时间，且试验中物料在上、中仓室的停留时间仅为设计的最短时间。堆制6 d通风比率从0.5 L/（kg·min）调至2 L/（kg·min）进行间歇性供气，7 d时恢复，堆体温度发生明显下降，说明反应器对通风的调节是有效的。堆体温度在9 d时开始维持在25 ℃左右，较室温高5 ℃以上。因堆制9 d上、中仓室2仓室已基本无物料，测温只进行到堆制8 d。

烘干法测含水率、精密pH计测pH值、H2SO4-HClO4改进定氮法[15]测全氮、重铬酸钾容量法测有机碳[16]，堆肥前后物料的理化指标见表1。原料的pH值适中，故预处理主要进行含水率的调节，因厨余垃圾含水率较大，故添加了较多的锯末，导致C/N偏高。对比腐熟标志，底物的降解率和pH值均符合要求，C/N比不降反升的原因是叶梗菜梆和锯末的纤维素与木质素含量较高，而堆肥规模较小，且未采取加温保温措施，最高温偏低，故纤维素和木质素降解率较低，导致有机碳含量升高。基于底物减量率计算，堆肥过程反应器排出水分10 kg以上，底物有机碳减量0.86 kg，氮素减量0.033 kg。反应器内基本完整实现了底物腐熟的全过程，调节搅拌频率对物料转运量影响不大，转运量主要由隔层缺口开合度决定。试验期间，室内无明显异味，尾气处理装置中活性炭的湿度和气味产生明显变化。表1堆肥前后物料的主要理化指标比较

腐殖质115.5169.6419.05153.2510.77169腐熟标志1降解率>38%118～911115～20

综上，该反应器内可基本实现堆肥腐熟的全过程，通风调节堆肥过程性能良好，搅拌频率可调，物料转运量可控，主要不足在于保温性能欠佳，可由箱体外覆保温材料和加热供气弥补。

4结论

堆肥反应器内，物料基本完成了腐熟的全过程，堆肥过程内部状况可视，可取样测温，供气、搅拌和物料转运可调控，反应器系统运行机械性良好，自动运行性能满足需求，环境影响较小，总体上较好地满足了设计需求，适用于厨余垃圾动态堆肥基础试验研究，具有一定工程应用基础。

通过控制物料转运可在不同程度上分隔处于不同转化阶段的物料，供气和搅拌的同一性保证了不同仓室堆体受外源干扰的一致性。因此，对动态堆肥而言，该反应器既能有效区分进料的先后，同时提供对比性较好的内环境，在此基础上，可进行动态堆肥过程的相关研究，以加深对动态堆肥机制的认识。另外，还可利用该反应器研究原料组成、配比及预处理对堆肥过程和结果的影响，研究供气与搅拌及外环境对堆肥的影响。

该反应器选用的材料、器件和加工方式均为工程上常用的，故该反应器具有工程应用的良好物质基础。基于动态堆肥理论进行结构优化并利用控制面板进行调控，将具有良好

的工程利用前景，若得以推广，将有助于改善城市厨余垃圾因具有量小、分散和持续性的产生特点而造成的收集、运输和处理难题，为城市的良好运行提供保障。

参考文献：

[1]张振华，汪华林，胥培军，等. 厨余垃圾的现状及其处理技术综述[J]. 再生资源研究，2007（5）：31-34.

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3.3堆肥效果

通过堆肥试验，测评该反应器对堆肥内环境的可控程度，从底物腐熟程度分析反应器堆肥性能。从河海大学研究生食堂一次性取原料，食物残余破碎，叶梗菜梆剪碎，添加锯末调节含水率和C/N比，投料前接种复合菌剂[2]。

堆体温度变化过程见图2。各仓室堆体的温度变化与原理方案存在差别，总体上，温度高低关系实际为上仓室<中仓室<下仓室<辅助箱，主要升温阶段为下仓室-辅助箱。原因有二，主要是堆肥规模小，未采取加温保温措施，散热较大，故每次投加的物料未能快速起反应；另外微生物对堆体环境的适应需要一定时间，且试验中物料在上、中仓室的停留时间仅为设计的最短时间。堆制6 d通风比率从0.5 L/（kg·min）调至2 L/（kg·min）进行间歇性供气，7 d时恢复，堆体温度发生明显下降，说明反应器对通风的调节是有效的。堆体温度在9 d时开始维持在25 ℃左右，较室温高5 ℃以上。因堆制9 d上、中仓室2仓室已基本无物料，测温只进行到堆制8 d。

烘干法测含水率、精密pH计测pH值、H2SO4-HClO4改进定氮法[15]测全氮、重铬酸钾容量法测有机碳[16]，堆肥前后物料的理化指标见表1。原料的pH值适中，故预处理主要进行含水率的调节，因厨余垃圾含水率较大，故添加了较多的锯末，导致C/N偏高。对比腐熟标志，底物的降解率和pH值均符合要求，C/N比不降反升的原因是叶梗菜梆和锯末的纤维素与木质素含量较高，而堆肥规模较小，且未采取加温保温措施，最高温偏低，故纤维素和木质素降解率较低，导致有机碳含量升高。基于底物减量率计算，堆肥过程反应器排出水分10 kg以上，底物有机碳减量0.86 kg，氮素减量0.033 kg。反应器内基本完整实现了底物腐熟的全过程，调节搅拌频率对物料转运量影响不大，转运量主要由隔层缺口开合度决定。试验期间，室内无明显异味，尾气处理装置中活性炭的湿度和气味产生明显变化。表1堆肥前后物料的主要理化指标比较

腐殖质115.5169.6419.05153.2510.77169腐熟标志1降解率>38%118～911115～20

综上，该反应器内可基本实现堆肥腐熟的全过程，通风调节堆肥过程性能良好，搅拌频率可调，物料转运量可控，主要不足在于保温性能欠佳，可由箱体外覆保温材料和加热供气弥补。

4结论

堆肥反应器内，物料基本完成了腐熟的全过程，堆肥过程内部状况可视，可取样测温，供气、搅拌和物料转运可调控，反应器系统运行机械性良好，自动运行性能满足需求，环境影响较小，总体上较好地满足了设计需求，适用于厨余垃圾动态堆肥基础试验研究，具有一定工程应用基础。

通过控制物料转运可在不同程度上分隔处于不同转化阶段的物料，供气和搅拌的同一性保证了不同仓室堆体受外源干扰的一致性。因此，对动态堆肥而言，该反应器既能有效区分进料的先后，同时提供对比性较好的内环境，在此基础上，可进行动态堆肥过程的相关研究，以加深对动态堆肥机制的认识。另外，还可利用该反应器研究原料组成、配比及预处理对堆肥过程和结果的影响，研究供气与搅拌及外环境对堆肥的影响。

该反应器选用的材料、器件和加工方式均为工程上常用的，故该反应器具有工程应用的良好物质基础。基于动态堆肥理论进行结构优化并利用控制面板进行调控，将具有良好

的工程利用前景，若得以推广，将有助于改善城市厨余垃圾因具有量小、分散和持续性的产生特点而造成的收集、运输和处理难题，为城市的良好运行提供保障。

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3.3堆肥效果

通过堆肥试验，测评该反应器对堆肥内环境的可控程度，从底物腐熟程度分析反应器堆肥性能。从河海大学研究生食堂一次性取原料，食物残余破碎，叶梗菜梆剪碎，添加锯末调节含水率和C/N比，投料前接种复合菌剂[2]。

堆体温度变化过程见图2。各仓室堆体的温度变化与原理方案存在差别，总体上，温度高低关系实际为上仓室<中仓室<下仓室<辅助箱，主要升温阶段为下仓室-辅助箱。原因有二，主要是堆肥规模小，未采取加温保温措施，散热较大，故每次投加的物料未能快速起反应；另外微生物对堆体环境的适应需要一定时间，且试验中物料在上、中仓室的停留时间仅为设计的最短时间。堆制6 d通风比率从0.5 L/（kg·min）调至2 L/（kg·min）进行间歇性供气，7 d时恢复，堆体温度发生明显下降，说明反应器对通风的调节是有效的。堆体温度在9 d时开始维持在25 ℃左右，较室温高5 ℃以上。因堆制9 d上、中仓室2仓室已基本无物料，测温只进行到堆制8 d。

烘干法测含水率、精密pH计测pH值、H2SO4-HClO4改进定氮法[15]测全氮、重铬酸钾容量法测有机碳[16]，堆肥前后物料的理化指标见表1。原料的pH值适中，故预处理主要进行含水率的调节，因厨余垃圾含水率较大，故添加了较多的锯末，导致C/N偏高。对比腐熟标志，底物的降解率和pH值均符合要求，C/N比不降反升的原因是叶梗菜梆和锯末的纤维素与木质素含量较高，而堆肥规模较小，且未采取加温保温措施，最高温偏低，故纤维素和木质素降解率较低，导致有机碳含量升高。基于底物减量率计算，堆肥过程反应器排出水分10 kg以上，底物有机碳减量0.86 kg，氮素减量0.033 kg。反应器内基本完整实现了底物腐熟的全过程，调节搅拌频率对物料转运量影响不大，转运量主要由隔层缺口开合度决定。试验期间，室内无明显异味，尾气处理装置中活性炭的湿度和气味产生明显变化。表1堆肥前后物料的主要理化指标比较

腐殖质115.5169.6419.05153.2510.77169腐熟标志1降解率>38%118～911115～20

综上，该反应器内可基本实现堆肥腐熟的全过程，通风调节堆肥过程性能良好，搅拌频率可调，物料转运量可控，主要不足在于保温性能欠佳，可由箱体外覆保温材料和加热供气弥补。

4结论

堆肥反应器内，物料基本完成了腐熟的全过程，堆肥过程内部状况可视，可取样测温，供气、搅拌和物料转运可调控，反应器系统运行机械性良好，自动运行性能满足需求，环境影响较小，总体上较好地满足了设计需求，适用于厨余垃圾动态堆肥基础试验研究，具有一定工程应用基础。

通过控制物料转运可在不同程度上分隔处于不同转化阶段的物料，供气和搅拌的同一性保证了不同仓室堆体受外源干扰的一致性。因此，对动态堆肥而言，该反应器既能有效区分进料的先后，同时提供对比性较好的内环境，在此基础上，可进行动态堆肥过程的相关研究，以加深对动态堆肥机制的认识。另外，还可利用该反应器研究原料组成、配比及预处理对堆肥过程和结果的影响，研究供气与搅拌及外环境对堆肥的影响。

该反应器选用的材料、器件和加工方式均为工程上常用的，故该反应器具有工程应用的良好物质基础。基于动态堆肥理论进行结构优化并利用控制面板进行调控，将具有良好

的工程利用前景，若得以推广，将有助于改善城市厨余垃圾因具有量小、分散和持续性的产生特点而造成的收集、运输和处理难题，为城市的良好运行提供保障。

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