PMCT 系统工程设计

王涛

（1.机械科学研究总院环保技术与装备研究所，北京 100044；2.机科发展科技股份有限公司，北京 100044；3.机械工业有机固废生物处理与资源化利用工程研究中心，北京 100044）

近年来，我国堆肥技术研究取得了长足进步，尤其在市政污泥堆肥领域，以高温好氧发酵技术与多层堆肥系统（SACT）为代表的先进堆肥技术实现了全封闭、全流程自动化，在达到工艺目的的同时，满足了大型集中处理项目环境与职业健康安全的要求。然而，针对中小型堆肥项目和其他具有季节性特点的有机固体废物处理项目，SACT 技术由于投资较高、系统较复杂，推广应用存在局限性。

针对上述问题，机械科学研究总院科技创新基金项目——“e-PTFE 膜覆盖高温好氧发酵成套技术研究”完成了包括工程设计规范编制在内的中小型污泥堆肥处理系统的研究开发，并最终将这一系统命名为装配式膜覆盖堆肥技术（PMCT）[1]。

1 PMCT 技术

1.1 PMCT 的定义与系统组成

PMCT 是一种堆体通过装配结构在功能性覆盖膜作用下进行高温好氧发酵的堆肥技术（见图1）。

图1 PMCT 系统示意图

具体装配步骤如下：1）放置挡墙支撑[2]就位；2）安装除出料端以外的所有挡墙板；3）铺设曝气器；4）放置发酵中枢就位并安装连接组件及电气、控制线路；5）进料；6）安装出料端挡墙板；7）将功能性覆盖膜[3]覆盖至堆体上并按要求与挡墙支撑紧固为一体；8）控制发酵中枢联网，实现“一键启动”。

1.2 PMCT 系统特征

首先，PMCT 本质上属于静态条垛高温好氧发酵工艺类别中的膜覆盖堆肥工艺类型[4]，具有静态条垛系统灵活、可靠的特性。其次，PMCT 通过装配式结构使之具有模块式堆肥高效的特性。与传统技术相比较，除装配特性外PMCT 在工艺理论方面还具有以下三点创新。

1.2.1 增压保温环境的建立

PMCT 曝气过程由于受到功能膜阻力的影响，堆体处于增压环境状态，一般高于大气压数百帕，这使得其较传统堆肥系统拥有更优的环境条件，可提高好氧发酵反应速率。此外，PMCT 曝气过程由于受功能膜阻力影响，膜与堆体间形成空气层，可起到保温作用，这一点对于冬季、高纬度地区具有特别重要的意义。

1.2.2 “夹心巧克力”堆体结构

PMCT 运行过程中，水分溢出后会在覆盖膜内壁凝结，一部分滴落至堆体表层，另一部分沿膜内壁流至堆体底部。堆体设计成“夹心巧克力”结构形式（见图2），返料（出料筛分所得筛上物）铺设在堆体最底层可以使布气层更加均匀；在堆体表层再覆盖一层返料，可以有效防止恒湿物料层凝结水对混合物料产生影响。

图2 PMCT 堆体结构示意图

1.2.3 返料替代机械翻堆过程

传统堆肥工艺返料工序的工艺目的是调解含水率与孔隙率，PMCT 系统除上述目的外，更重要的是对未腐熟的物料进行二次发酵，相当于将一次高效、彻底的翻堆过程融入静态堆肥过程中。“高效”体现在通过成品筛分过程可以准确识别并筛选出大粒径物料或物料内部发酵不完全需要进行二次发酵的物料；“彻底”体现在出料、筛分、混料（部分）、布料过程的搅拌作用比传统翻堆机的效果要好。

PMCT 作为一种介于设备与设施之间的工业系统，尽管上述特点极大简化了工程设计内容，但仍需要进行工程设计。

2 PMCT 工程设计输入

2.1 工艺条件输入

假定待处理物料为可堆肥物料，即满足有机质以及氮磷钾（NPK）复合肥（含氨、磷、钾等的复合肥）等营养元素含量的基本要求且不具有生物毒性。在此基础上，PMCT 系统工艺设计输入条件如下。

2.1.1 堆体堆积密度

以污泥堆肥为例，堆体组成一般包括污泥（也称生料）、辅料（也称干料）、返混料（也称熟料）。由于每个项目所处的环境条件与采用的辅料种类各不相同，因此混合配比也不尽相同。

设计前，应进行混合配比实验，混合后物料堆积密度一般不大于0.6t/m3，在此基础上，还需根据自然气候条件酌情修正。

2.1.2 堆体发酵周期

设计前，宜进行设定运行条件下的工艺实验，在此基础上，还需根据自然气候条件酌情修正。不具备实验条件的项目，可根据经验数据先行确定发酵周期。以污泥堆肥为例，发酵周期一般为21—28d。

2.2 场地条件输入

场地条件输入主要包括场地的位置、边界，以及场地的承载力及平整度。

2.3 外围条件输入

外围条件输入主要包括道路、电力、给排水等专业外线条件。

3 PMCT 模块设计选型方法

依据《堆肥用功能性覆盖膜》（JB/T 13739—2019）的要求[5]，堆肥用功能性覆盖膜常用的有3 种规格，如表1 所示。

表1 堆肥用功能性覆盖膜常用规格

以10t/d 的FCMC-4000 系统为例，堆体设计过程如下：

参考类似土壤力学参数，堆体安息角按照30°设计，堆体顶部三角区域高（H2）：

挡墙高H1为1m（含超高h=0.1m），最大堆高（H）：

堆体截面面积（S）：

覆盖层、垫层厚度均取15cm，堆体有效截面面积（S有效）：

按照PMCT 标准模块脱水污泥（含水率80%计）处理量为10t/（模块·周期）计算，混合物料按照20t/（模块·周期）估算，堆积密度目标值约为0.6t/m3，则标准模块体积为33.3m3。考虑安全系数1.2，标准模块有效长度约为12m。

其他规格系统计算结果如表2 所示。

表2 PMCT 膜与模块的对应关系

以污泥堆肥为例，按照28d 的处理周期计算，PMCT 系统处理能力对应堆肥模块尺寸与数量关系如表3 所示。

表3 不同处理规模PMCT 系统推荐配置

4 PMCT 工程设计规范

4.1 工艺设计

（1）采用膜覆盖堆肥工艺，宜采用下列基本工艺流程：

1）混料—布料—发酵（曝气）—出料；

2）混料—布料—一次发酵（曝气）—翻堆—二次发酵（曝气）—出料。

（2）当处理目标未经过分选或未达到待堆肥物料要求时，在混料工序前增加分选、筛分工序。

（3）当用户对发酵产物有更高要求时，可增加制肥工序，并按需添加营养物质。

（4）混料工序宜符合下列要求：

1）混料宜采用专用混料机或装载机完成；

2）混合后物料含水率宜为50%—60%；

3）混合后物料平均堆积密度宜小于0.7t/m3；

4）混合后物料粒度应尽量均匀。

（5）布料工序宜符合下列要求：

1）布料前应在条垛位置铺设曝气穿孔管，宜采用高密度聚乙烯（HDPE）双壁波纹管，管径宜大于100mm；

2）布料宜采用装载机或自卸载重汽车完成；

3）堆体应按照两层设计，底部5—10cm 铺设干物料作为疏松布气层，在曝气穿孔管周围适当增加铺设厚度，以埋住管道为限；顶部铺设混合后待发酵的物料；

4）布料后宜采用装载机整垛，条垛整体断面应为底边长4m、高2m 的等腰三角形或等腰梯形。

（6）发酵（曝气）工序宜符合下列要求：

1）发酵（曝气）周期宜为14—42d；

2）曝气风机宜采用高压离心通风机，全压不低于4000Pa；

3）曝气强度宜为3—5m3/m3；

4）曝气时间应根据气候条件和仪表反馈实时调整。

（7）翻堆工序宜符合下列要求：

1）一次发酵与二次发酵之间，采用专用翻堆设备或装载机进行翻堆操作，以优化堆体空隙结构；

2）先将覆盖膜收卷，再进行翻堆，翻堆完成后再将覆盖膜铺盖，翻堆后堆垛形状和位置应尽可能保持原样。

（8）出料工序宜符合下列要求：

1）通过人工或卷膜机收卷覆盖膜；

2）通过装载机将发酵产物铲至指定区域或车辆货箱。

4.2 其他设计

（1）发酵区设计：

1）发酵区采用硬化地面，并且沿条垛中轴垂直方向设置1%的坡度以利于水分排出；

2）发酵区设置条垛的数量及条垛与覆盖膜的尺寸参考表3 要求折算；

3）采用人工铺膜与收膜的工程，条垛间距宜为1m；采用机械铺膜与收膜的工程，条垛间距应符合卷膜机使用要求；

4）覆盖膜的固定宜采用沙袋或水管方式，在采用水管方式时，在场地内应考虑配套相应的给排水系统。

（2）混料区设计应符合混料机或装载机工作场地空间要求，而且储存空间应满足不少于1d 物料的周转量。

（3）物流通道设计应考虑装载机、自卸载重车等物流车辆的载重量、宽度、高度及转弯半径等要求。

5 PMCT 堆肥工程设计实例

华北地区某粪便堆肥项目，处理规模为60t/d（含水率90%），先通过预处理工序脱水至含水率80%，质量减至30t/d，之后添加辅料（花生壳，含水率15%），添加比例为10%，根据物料平衡计算（见图3），每日待发酵混合物料量为56t。

图3 华北地区某粪便堆肥项目工艺流程图

根据物料配比实验，混合物料堆积密度为0.6t/m3，总体积为93.33m3。

11—12 月进行的工艺实验结论证明，堆肥周期为21d 可满足物料升温及含水率要求。

最终选择FCMC-4000 模块63 组，并辅助配套设备。

运行工艺采用：混料—布料—一次发酵（曝气）—翻堆—二次发酵（曝气）—出料。

项目总占地面积6132m2，其中发酵区面积为3629m2。

总装机功率为290kW。

定员为8 人。

项目投资估算如表4 所示。

表4 华北地区某粪便堆肥项目工程投资估算

6 结语

PMCT 是一项由中国自主研发的具有自主知识产权的堆肥技术[6]，具有独特的装配化特性，使其在设计、建造、运行过程中有可能实现高度标准化流程，进一步提升了堆肥项目的经济性和可靠性，高度灵活化的设计使其更适用于中小规模有机固体废物堆肥处理项目。