动态曝气对好氧堆肥效果及传热特性影响研究

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随着我国农牧业快速发展,农牧业废弃物日益受到重视,不正当处理会对环境与生态造成很大影响,而好氧堆肥可以实现农牧业废弃物的回收利用,实现固体废物资源化和无害化。因此设计一种性能良好的反应器堆肥装置对农牧业废弃物回收利用意义重大。针对传统好氧堆肥通风过程热损失大、与堆体微生物需氧不匹配等问题,本研究设计一种根据堆体内部氧气消耗情况进行曝气的好氧堆肥装置,使堆肥微生物获得最佳的氧气供应,提高好氧堆肥生化产热量,进而提高堆体温度及好氧堆肥效果。主要研究内容与结果如下:(1)在通风量分别为0 L/min(A1)、3.5 L/min(A2)和14 L/min(A3),每隔2 h通风20 min的通风频率下,研究采用传统曝气时的不同通风量对猪粪与玉米秸秆好氧堆肥效果的影响。实验结果表明,不同通风量条件下,堆肥升温速率、高温持续时间、含水率、种子发芽率(GI)等指标均有差异,其中14 L/min实验组的堆肥效果最佳,堆体最高温度达63.60℃,50℃以上可维持6.1 d,有机质降解率达33.83%,高于0 L/min、3.5 L/min实验组7.82%和13.23%,GI在堆肥结束后为68.54%,高于0 L/min、3.5 L/min实验组38.89%和6.95%。(2)基于(1)获得的最佳通风量,在氧气浓度范围分别为ΦO2<14%(D1)、14%≤ΦO2≤17%(D2)、ΦO2>17%(D3)的条件下,研究动态曝气对猪粪与玉米秸秆好氧堆肥效果的影响。实验结果表明,随着氧气浓度的升高,堆体升温速率越快,且高温持续时间、含水率、GI等指标均有明显差异,其中14%≤ΦO2≤17%实验组的堆肥效果最佳,堆体最高温度达65.82℃,50℃以上可维持8.5 d,有机质降解率达37.59%,高于ΦO2<14%、ΦO2>17%实验组7.8%和13.2%,GI在堆肥结束后为74.59%,高于ΦO2<14%、ΦO2>17%实验组10.05%和5.07%。与传统曝气最佳通风量14 L/min实验组比较,14%≤ΦO2≤17%动态曝气实验组在堆体温度、有机质、C/N等方面也均表现出绝对优势,其中有机质降解率比14 L/min实验组高2.71%,堆肥结束后的GI比14 L/min实验组高6.05%。(3)系统分析堆肥过程中比热与导热系数的变化规律,研究动态曝气对好氧堆肥的生化产热特性与耗电情况。结果表明,随着堆肥过程的进行,比热容逐渐降低,堆体比热与含水率变化呈正相关(P<0.01);而导热系数均先缓慢降低然后显著增加,最后趋于稳定,堆体导热系数由含水率与容重共同影响,其中容重对导热系数影响较大(P<0.05)。不同动态曝气情况产热量差异显著,14%≤ΦO2≤17%实验组产热量最大,产热量达47432 KJ,且与耗氧量呈现正相关,证明随着氧气浓度区间升高,堆体对流及潜热损失逐渐增大,而导热损失逐渐减小。耗电量的结果表明了动态曝气实验组耗电量分别比传统曝气实验组低45.13KW·h/m~3、29.25 KW·h/m~3和22.84 KW·h/m~3,动态曝气有利于农牧业废弃物堆肥过程的节能减排。
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