螺旋式好氧堆肥反应器的设计及应用研究

作     者：王秀章 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙国涛

授予年度：2023年

学科分类：09[农学] 090101[农学-作物栽培学与耕作学] 0901[农学-作物学] 

主      题：好氧堆肥 优化设计 EDEM 正交试验 添加剂 

摘      要：随着中国畜牧业的快速发展,我国每年约有1.18亿头畜禽出栏量,随之带来的是畜禽粪污排放量的大量增加。根据农业部数据显示,当前我国每年的畜禽粪污产量约38亿吨。好氧堆肥是处理和回收畜禽粪污废物经济有效的途径之一,但传统的好氧堆肥法存在堆肥品质较低、堆肥时间较长、甲烷和氧化亚氮等温室气体排放显著等问题。好氧堆肥过程中加入外源添加剂(如生物炭、木醋液等)能提高堆肥效率,降低传统堆肥中存在的负面影响。此外,社会上存在的堆肥反应器存在密封性、搅拌均匀性较差等问题,不利于好氧堆肥技术在理论技术上的研究和有机固体废物利用的推广与实际应用。因此,针对上述问题,设计制作了一种螺旋式的好氧堆肥反应器,并利用其进行堆肥试验,进一步研究外源添加剂对好氧堆肥中温室气体减排和氮素保留的作用机制,优化堆肥工艺。具体研究内容和结果如下:(1)螺旋式好氧堆肥反应器的设计。根据实际生产需求以及相关的理论知识,确立了螺旋式好氧堆肥反应器整体结构。重点对堆肥反应器容积及反应器的基本尺寸、搅拌器结构和参数、通风系统、渗滤液过滤层及其他辅助控制装置进行了分析和设计。完成了好氧堆肥反应器的三维建模,并对螺旋搅拌器进行了静应力分析。(2)堆肥反应器物料混合过程的仿真分析。通过EDEM仿真软件对苹果树木屑堆积角的模拟,标定了苹果树木屑颗粒模型,得出苹果树木屑离散元模型参数的最佳值:苹果树木屑泊松比为0.5,苹果树木屑-苹果树木屑颗粒滚动摩擦系数为0.2,苹果树木屑-苹果树木屑颗粒间碰撞恢复系数为0.2。利用标定的参数进行正交试验,对螺旋式好氧堆肥反应器进行优化,螺旋式好氧堆肥反应器的最佳工作参数组合为CBA,即:螺旋直径为350mm,螺旋升角为10°,转速为90r/min。(3)螺旋式好氧堆肥反应器的样机制作及试验研究。完成螺旋式好氧堆肥反应器的加工和制作后,以堆肥反应器为试验装置,猪粪和苹果树木屑为原料进行试验研究。研究了样机试验过程中温度、含水率、酸碱度、电导率、发芽指数和碳氮比等指标的变化。试验结果表明:在堆肥过程中,高温期持续了10天以上;含水率持续下降,堆肥结束后下降为35%左右;当堆肥结束后,物料的p H稳定在8.3左右,说明堆肥产品更加适合酸性土壤;堆肥结束后物料C/N小于20,发芽指数大于80%,说明物料已经完全成熟。以上指标表明螺旋式好氧堆肥反应器对堆肥物料的混合效果良好,满足要求。(4)外源添加剂对猪粪好氧堆肥过程中温室气体减排和氮素保留的影响研究。结果表明:添加生物炭(B)可以加速猪粪和苹果树木屑的堆肥进程。添加B和木醋液(PY)使NH、CO、CH和NO排放量分别降低了18.82～35.88%、1.38～15.39%、16.98～62.73%和4.47～19.91%。B+1.0%PY处理的氮素损失(2.12%),B+0.5%PY处理的温室气体排放量(11.62 g/kg)最低。菌群分析表明,PY和B协同施用可提高变形菌门的相对丰度,有助于固氮和减少氮损失。