好氧堆肥多场反应机理及螺带-螺杆式堆肥反应器的设计与研究

发布时间：2020-03-20 00:34

【摘要】：传统农业废弃物处理方式包括燃烧、倾倒、填埋等,其对养分和微量元素的利用率较低,并在处理过程中产生温室气体、细颗粒污染物和垃圾渗滤液等有害物质,对大气、土壤、水造成严重污染。生物质的肥料化利用,可以将生物质资源取之于土地而用之于土地,改善土壤肥力,是目前所提倡的方式。常规的直接还田肥料化作业,有悖于作物生长的农艺需求,对作物产量产生负面影响,同时易产生二次污染。好氧堆肥是一种可以安全高效间接化处理农业废弃物的方式,减少环境污染,实现生物质资源的循环利用。本课题进行好氧堆肥多场反应机理研究,通过建立数学模型对好氧堆肥的关键参数进行模拟,针对内部温度、含氧量的不均匀,设计螺带-螺杆式堆肥反应器,促进均质化反应,提高好氧堆肥反应效率。本课题来源于2016年江苏省重点研发计划(现代农业)项目“基于工厂化全密闭环境的秸秆绿色高值肥料化智能处理关键技术研究(项目编号:BE2016245)”。本文根据好氧堆肥反应“质量-热量-动量”耦合特性,考虑温度、含氧量及质量等对微生物活性的影响,对圆柱坐标系下反应器中物料的热量传递、氧气扩散进行分析,得到二维坐标系下温度、含氧量、底物浓度、好氧微生物浓度的数学表达式,并确定其边界条件,建立多场耦合作用下的反应器中好氧堆肥反应数学模型,进行仿真模拟,得到不同高度的温度、含氧量变化曲线。本文针对由于好氧堆肥反应器内部存在着温度、含氧量等环境参数的轴向差异,而导致产品难以均质化的问题,基于堆肥反应热力学、动力学原理,设计螺带-螺杆式好氧堆肥反应器。根据计算流体动力学理论,通过建立螺带-螺杆式好氧堆肥反应器内部流场有限元模型,利用专业CFD仿真软件Fluent对20、40、60、80r/min转速下的内部流场进行模拟分析,得到了流场压力、流速以及流体迹线图,确定反应器的转速。本文以是否翻堆搅拌为变量,以好氧堆肥反应器在堆肥过程中上、中、下三层的表观现象、温度、酸碱度、氧浓度、全碳、全氮、全磷、全钾含量、碳氮和种子发芽指数为堆肥质量主要参数,对螺带-螺杆堆肥反应器进行性能测试,结果表明:温度和含氧量的变化趋势基本和数学模型基本一致;采用螺带-螺杆式进行翻堆可以促进物料轴向流动,减少温度、含氧量的轴向差异;上、中、下3层的50℃以上的时间分别为7.3、6.8、5.5 d,反应过程中氧气含量的体积分数均大于8%;各层堆料的最终碳氮比介于15～20之间,种子发芽指数均大于88%,因此该反应器可以实现好氧堆肥的无害化、均质化。并对不同时期的堆肥物料进行扫描电镜分析,得到牛粪和秸秆颗粒的变化规律。
【图文】：

堆肥,反应机理,好氧堆肥

１．３．１好氧堆肥原理逡逑好氧堆肥是在高温有氧条件下，有机物质被好氧菌吸收、氧化、分解的一个过程ｔ２１］。逡逑其反应机理如图１－１［２２］所示：逡逑合成逦细胞物质逡逑ｍｃＷｍ邋＊邋一，（微生繁殖）逡逑堆肥有机物逡逑Ｃ、Ｈ、０、Ｎ、Ｐ、Ｓ逦？逡逑氧，微生物逦．—邋邋邋逦—逦—．．．邋．逡逑逦邋逦；逦Ｉ邋ｔ逡逑氧化分解逦邋Ｃ０２ｘ邋ｈ２ｏ．邋ｎｈ３逦炉抒逡逑异化作用逦Ｐ0４３－．邋Ｓ0４２＇邋ｉ逡逑排入环境逦转化为能量逡逑图１－１堆肥反应机理逡逑在堆肥反映过程中，其反应速率主要受以下几个因素影响：逡逑ｉ．逡逑

堆肥,温度变化曲线,水分,过程

３逡逑（１邋）温度逡逑堆肥过程按照温度可以分为四个阶段，如图１－２所示。第一阶段在１５－３５°Ｃ之间，好氧逡逑嗜温细菌等开始进行有机物的分解，这些微生物利用可溶性且易于吸收的化合物生成糖、逡逑氨基酸和脂质等，微生物代谢活动产生放热反应，增加堆肥温度，可达到６５－８５°Ｃ。在此逡逑过程中，，嗜温微生物的活性降低逐渐被嗜热微生物所取代，在这样的温度下，有害细菌和逡逑种子等将被消灭。之后，随着能源的耗尽，堆肥温度降低至１５－３５°Ｃ之间，嗜温细菌将进逡逑行二次繁殖，分解剩余的糖、纤维素和半纤维素等。在最后的阶段，温度趋于稳定，形成逡逑腐殖质［２３－２５］。逡逑Ｔｒｑ逡逑Ｉ逦｜逦，逡逑７０—逦Ｉ逦＿邋ｃｏ＾ｈａｎＨｓ邋ｉ逡逑６５－逦：逦：逦：逡逑Ｉ逡逑４０＿邋／ｆ邋：ｌ邋ｐＨ逡逑１８＇，丨邋Ｐ逦ｉ邋：
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S224.2;X71

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