摘要：針對(duì)傳統(tǒng)有機(jī)肥發(fā)酵方式設(shè)施設(shè)備簡(jiǎn)陋、效率低、能耗高、發(fā)酵不徹底且容易造成固液氣環(huán)境二次污染的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種畜禽糞便高溫快速發(fā)酵裝備。簡(jiǎn)述了畜禽糞便全封閉快速自動(dòng)化腐熟工藝流程及工作原理，對(duì)發(fā)酵裝備的整機(jī)結(jié)構(gòu)、發(fā)酵罐主體結(jié)構(gòu)、攪拌系統(tǒng)等關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)、計(jì)算及有限元分析。結(jié)合發(fā)酵工藝要求，以含水率為55%的牛糞為原料，對(duì)罐體內(nèi)物料溫度分布及均勻性進(jìn)行了試驗(yàn)分析，并對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)與測(cè)試結(jié)果表明：在設(shè)備入料后第4天，罐體內(nèi)物料平均溫度為64.81℃，溫度均勻性變異系數(shù)為1%；經(jīng)發(fā)酵裝備生產(chǎn)出的有機(jī)肥有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為53.5%、總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.36%、蛔蟲(chóng)卵死亡率為100%、糞大腸菌群數(shù)在2個(gè)/g以內(nèi)，均達(dá)到國(guó)家有機(jī)肥料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞：畜禽糞便；有機(jī)肥；高溫快速發(fā)酵；發(fā)酵罐；有限元分析
引言
隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和畜禽養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，規(guī)?；⒓s化養(yǎng)殖場(chǎng)逐年增加，推動(dòng)了我國(guó)畜牧業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，但也導(dǎo)致了畜禽糞便排放密度的增加，大量糞便等廢棄物對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境的空氣、土壤、水質(zhì)等造成了嚴(yán)重污染。
第一次全國(guó)污染源普查動(dòng)態(tài)更新數(shù)據(jù)顯示，規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖糞便年產(chǎn)量2.43億t，尿液年產(chǎn)量1.63億t，2010年我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)主要水污染物排放量中化學(xué)需氧量、NH3-N排放量分別是當(dāng)年工業(yè)源排放量的3.23、2.3倍，分別占全國(guó)污染物排放總量的45%、25%，已成為環(huán)境污染的主要來(lái)源。
畜禽糞便傳統(tǒng)發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥技術(shù)含量低，質(zhì)量參差不齊，槽式和堆置發(fā)酵方式占地面積大，臭味大，除臭成本高。因缺乏標(biāo)準(zhǔn)化管理，時(shí)常出現(xiàn)發(fā)酵不徹底造成肥料燒苗現(xiàn)象。同時(shí)規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)、有機(jī)肥廠畜禽糞便處理工藝落后、設(shè)施簡(jiǎn)陋，環(huán)境污染嚴(yán)重，急需工藝和設(shè)備創(chuàng)新。
為此，本文提出一種畜禽糞便高溫快速發(fā)酵裝備的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)畜禽糞便全封閉快速自動(dòng)化腐熟工藝，使廢棄物中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行快速生物分解、發(fā)酵，轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥料，最終實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢物的資源化利用，解決畜禽養(yǎng)殖污染問(wèn)題。
1 總體設(shè)計(jì)
1.1 畜禽糞便全封閉快速自動(dòng)化腐熟工藝
將畜禽糞便等有機(jī)廢棄物與生物質(zhì)（含水率55%～65%）、生物發(fā)酵菌群混合，通過(guò)對(duì)發(fā)酵環(huán)境溫度、水分、需氧量的調(diào)節(jié)，使廢棄物中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行快速生物分解、發(fā)酵，7～10d轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥料，同時(shí)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行收集處理，達(dá)標(biāo)后排放，最終實(shí)現(xiàn)資源化利用。畜禽糞便全封閉快速自動(dòng)化腐熟工藝如圖1所示。
圖1 畜禽糞便高溫好氧發(fā)酵工藝流程
1.2 畜禽糞便高溫好氧發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理
畜禽糞便高溫好氧發(fā)酵罐是將畜禽糞便、秸稈等有機(jī)廢物進(jìn)行高溫好氧發(fā)酵的一體化設(shè)備，主要由發(fā)酵罐體系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、主軸攪拌系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、送氧系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。高溫好氧發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
圖2 畜禽糞便高溫好氧發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)示意圖
1.控制系統(tǒng) 2.尾氣處理系統(tǒng) 3.觀察及防護(hù)裝置 4.上料系統(tǒng) 5.發(fā)酵罐系統(tǒng) 6.主軸攪拌系統(tǒng) 7.液壓傳動(dòng)系統(tǒng) 8.加熱系統(tǒng) 9.送氧系統(tǒng)
高溫好氧發(fā)酵罐工作過(guò)程分為升溫、持續(xù)高溫、降溫3個(gè)階段。調(diào)配好的物料進(jìn)入發(fā)酵罐內(nèi)，在微生物菌劑的作用下，1～2d內(nèi)快速分解，自身分解產(chǎn)生的熱量再加上設(shè)備輔助加熱系統(tǒng)將電加熱空氣向罐體內(nèi)曝氣的作用，物料溫度快速升高，最高達(dá)到80℃；在主軸攪拌系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、送氧系統(tǒng)、控制系統(tǒng)協(xié)同工作的作用下，發(fā)酵罐內(nèi)物料處于最佳發(fā)酵環(huán)境，溫度維持在60～70℃，持續(xù)5～6d，使物料充分發(fā)酵分解；當(dāng)分解速度逐漸減慢時(shí)，溫度開(kāi)始下降，經(jīng)1～2d溫度降至40℃左右，物料發(fā)酵完畢；整個(gè)發(fā)酵過(guò)程持續(xù)7～10d，底層物料在攪拌軸的作用下通過(guò)出料口進(jìn)行出料，上料系統(tǒng)再向發(fā)酵罐內(nèi)補(bǔ)充原料，以此循環(huán)運(yùn)行。
2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析
根據(jù)發(fā)酵工藝要求和工作條件，畜禽糞便高溫好氧發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)要求為：發(fā)酵形式為好氧發(fā)酵；結(jié)構(gòu)形式為立式；發(fā)酵罐有效容積為30m3；入料含水率在55%～65%之間。
2.1 發(fā)酵罐主體外形尺寸設(shè)計(jì)
物料在發(fā)酵過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氣體，因此物料不能全部裝滿，罐體容積為
（1） 式中 V——罐體容積，m3
η——物料填充系數(shù)，取0.95
Ve——罐體有效容積，m3
求得V=31.6m3，取罐體容積V為32m3。
發(fā)酵罐體需保溫并耐腐蝕，罐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為5層分段式圓柱結(jié)構(gòu)，其中最底層為機(jī)械室，各層之間用螺栓連接，罐體設(shè)計(jì)為雙壁結(jié)構(gòu)，兩壁間填充保溫材料，內(nèi)壁選用304號(hào)不銹鋼，外壁選用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。罐體尺寸滿足公式
（2） 式中 D——罐體內(nèi)徑，m
H——罐體高度，m
發(fā)酵罐高徑比為1.7～2.5、并考慮到罐體穩(wěn)定性，選取高徑比為1.2。則D為3.2m，H為4m，機(jī)械室高度1m。則罐體總高為5m。
2.2 發(fā)酵罐罐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
2.2.1 最小壁厚設(shè)計(jì)
儲(chǔ)料頂面為平頂時(shí)的側(cè)壓力p為
P=（1-Kf）KPgz (3)
（4） f=tanα （5）
式中 k——側(cè)壓力系數(shù)
f——儲(chǔ)料與倉(cāng)壁的摩擦因數(shù)
ρ——儲(chǔ)料密度，kg/m3
g——重力加速度，m/s2
φ——儲(chǔ)料的內(nèi)摩擦角，(°)
α——儲(chǔ)料的外摩擦角，(°)
z——距離儲(chǔ)料頂面的深度，m
堆肥內(nèi)摩擦角的正切值tanφ隨著含水率的減小而增大，含水率在49.21%時(shí)，tanφ為0.0591；含水率在51.15%時(shí)，tanφ為0.0481；設(shè)備要求物料含水率為55%～65%，按含水率為55%計(jì)，堆肥內(nèi)摩擦角的正切值tanφ取0.04，可得內(nèi)摩擦角φ約為2.29°。外摩擦角通常為0～1倍的內(nèi)摩擦角，取外摩擦角α為1.145°～2.29°；儲(chǔ)料密度ρ取620. 82 kg/m3；g取9.8m/s2；發(fā)酵罐料倉(cāng)高度為4m，則k=0.92，f=0.02～0.04，p=21.57～21.98kPa。
發(fā)酵罐壁厚計(jì)算公式為
(6) 式中φ——焊接接頭系數(shù)
δ——發(fā)酵罐壁厚，mm
［σ］——材料的許用應(yīng)力，MPa
罐體內(nèi)壁選用304號(hào)不銹鋼，許用應(yīng)力［σ］=137 MPa，φ取0.5°。將式(3) 計(jì)算得到的p代入式(6)，計(jì)算得最小壁厚δ=0.5mm，考慮到不銹鋼板的厚度負(fù)偏差及焊合工藝，內(nèi)壁選用厚度為1mm的304號(hào)不銹鋼板。外層碳鋼不承受側(cè)壓力，主要承受上層罐體的重力，選用6mm普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板。罐體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 罐體結(jié)構(gòu)示意圖
1.保溫材料2.外壁支撐板3.連接環(huán)板4.外壁5.內(nèi)方管6.內(nèi)壁
2.2.2 罐體強(qiáng)度分析
罐體主要受物料側(cè)壓力外，還承受上方3層罐體的重力載荷，由式(3)可知，最底層內(nèi)壁受物料側(cè)壓力最大，為21.98kPa，上方3層罐體重力載荷為14.7kN。將建立的三維模型進(jìn)行有限元分析，對(duì)有限元模型施加約束條件和載荷，并進(jìn)行求解運(yùn)算，罐體有限元分析應(yīng)力分布和位移云圖如圖4(略）。
由圖4可知，罐體變形最大位置在內(nèi)壁接口處，為0.14mm，罐體所受的最大應(yīng)力分布在內(nèi)壁下端與內(nèi)方管焊接處，為16.09MPa。取安全系數(shù)為1.5，經(jīng)查，304號(hào)不銹鋼板屈服強(qiáng)度為205MPa以上，遠(yuǎn)大于罐體所受的最大應(yīng)力，罐體強(qiáng)度能夠滿足工作要求。
2.3 攪拌系統(tǒng)與供氧系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析
為保證物料好氧發(fā)酵充分、均勻，罐體內(nèi)需供氧并攪拌，供氧系統(tǒng)與攪拌系統(tǒng)應(yīng)一體設(shè)計(jì)?？諝饧訜岷笥晒娘L(fēng)機(jī)將其送入攪拌軸腔體，攪拌系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，攪拌的同時(shí)將氧氣送入罐體內(nèi)。供氧路線如圖5所示。
圖5 供氧路線圖
2.3.1 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
攪拌系統(tǒng)與供氧系統(tǒng)相連通，主要作用是：攪拌物料混合均勻并使其與氧氣充分接觸，使發(fā)酵更徹底；將供氧系統(tǒng)提供的氧氣輸送到罐體內(nèi)，保證糞便發(fā)酵的需氧量；調(diào)節(jié)罐內(nèi)溫度、氧氣濃度；出料時(shí)能輔助設(shè)備出料。
單根攪拌軸每旋轉(zhuǎn)360°，物料沿軸向行程不小于攪拌筒軸向空間長(zhǎng)度。若以n 表示單根軸上攪拌臂數(shù)目( 攪拌葉片數(shù)目)，θ表示相鄰攪拌臂之間的相位角，則nθ≥360°，一般情況下，360°≤nθ≤720°。
攪拌葉選用推進(jìn)式攪拌葉，數(shù)量5層共12個(gè)，各層葉片數(shù)量從下往上依次為3、3、2、2、2。攪拌葉片為45號(hào)鋼板焊接后鍍鋅而成，每層攪拌葉片均勻分布，進(jìn)風(fēng)口端與攪拌軸焊接，第2層與第1層相鄰兩個(gè)葉片間的相位角為60°，第3層與第2層相鄰葉片間的相位角為30°，第3、4、5 層相鄰葉片間的相位角為60°。其中第1、第2層后背板上開(kāi)有出氣孔，為物料提供氧氣。攪拌葉三維結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 攪拌葉三維結(jié)構(gòu)示意圖
2.3.2 攪拌軸設(shè)計(jì)
攪拌軸主要受兩個(gè)力的作用，一是攪拌時(shí)受到阻力與摩擦力F，二是物料重力載荷作用在垂直于葉片表面的分力載荷G，受力分析圖如圖7所示。
圖7 葉片受力分析圖
通過(guò)公式計(jì)算攪拌軸受到的力矩，再計(jì)算攪拌軸的最小直徑。攪拌軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中需要克服由物料對(duì)葉片產(chǎn)生的摩擦力矩和物料垂直于葉片表面的重力載荷產(chǎn)生的力矩，每個(gè)葉片產(chǎn)生的力矩為
(7) 式中β——葉片斜面板與底板夾角，( °)
w——葉片寬度，m
l——葉片長(zhǎng)度，m
h——葉片上方物料高度，m
μ——物料和葉片間的摩擦因數(shù)，取0.1
x——葉片長(zhǎng)度方向上的積分變量
取β=30°，w = 0.27m，l=1.6m，各層葉片與物料上平面的距離依次為h1=3.6m，h2=3m，h3=2.4m，h4=1.751 m，h5=1.13m。由式(7)計(jì)算攪拌軸所受總扭矩為T=76402.36 N·m。
攪拌機(jī)械中實(shí)心軸受彎曲、扭轉(zhuǎn)時(shí)，攪拌軸中間部分的材料并沒(méi)有得到充分利用，而且增加了設(shè)備重量，因此，攪拌軸設(shè)計(jì)為空心軸，采用45號(hào)鋼，許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力［τ］為30MPa，圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度條件為
式中 Wt——抗扭截面系數(shù) φf——安全系數(shù)
Ds——攪拌軸外徑，mm
d——攪拌軸內(nèi)徑，mm
φf取2，許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力［τ］為30 MPa，取Ds為1.5，計(jì)算得d≥212mm取d為215mm，Ds為325mm。
攪拌裝置主要由攪拌軸、法蘭盤、攪拌葉、連接板組成，攪拌葉片通過(guò)連接板與攪拌軸焊接在一起，攪拌軸設(shè)計(jì)為3段組合式，每段通過(guò)法蘭盤連接。通過(guò)計(jì)算結(jié)果建立攪拌軸系統(tǒng)三維模型，如圖8所示。
2.3.3 攪拌軸強(qiáng)度分析
攪拌軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程承受扭矩為76402.36N·m，同時(shí)還承受物料對(duì)每個(gè)葉片斜面產(chǎn)生的垂直載荷，將建立的三維模型進(jìn)行有限元分析，對(duì)有限元模型施加約束條件和載荷，并進(jìn)行求解運(yùn)算，罐體有限元分析應(yīng)力分布和位移云圖如圖9所示。
圖8 攪拌軸三維結(jié)構(gòu)示意圖
圖9 攪拌軸有限元分析
由圖9可知，攪拌葉中部向端部逐漸增大，攪拌軸變形最大位置在攪拌葉端部，最大變形量為1.26 mm，攪拌軸所受的最大應(yīng)力分布在扭矩施加處，為168.23 MPa。經(jīng)查，45號(hào)鋼屈服強(qiáng)度為355MPa以上，遠(yuǎn)大于攪拌軸所受的最大應(yīng)力，通過(guò)有限元軟件計(jì)算得出的結(jié)果可知，攪拌軸強(qiáng)度能夠滿足工作要求。
3 試驗(yàn)分析
3.1 試驗(yàn)條件
根據(jù)畜禽糞便全封閉快速腐熟工藝，試驗(yàn)于2017年5月20日在河北省某奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)原料為牛糞，含水率為55%，環(huán)境溫度25℃，設(shè)備入料后第4天（2017年5月24日），設(shè)備運(yùn)行方式為間歇式運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行20min，停止60min。
3.2 試驗(yàn)方法
對(duì)罐體內(nèi)物料進(jìn)行垂直攪拌軸方向3個(gè)深度層面、每個(gè)層面9個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度測(cè)試。垂直攪拌軸方向上，C層距離罐體底板0.5m，B層距離罐體底板1.7 m，A層距離罐體底板2.9m；每個(gè)層面上9個(gè)測(cè)試點(diǎn)分布為：外側(cè)5個(gè)測(cè)試點(diǎn)均勻分布在直徑為2.65m的圓上，內(nèi)側(cè)4個(gè)測(cè)試點(diǎn)均勻分布在直徑為1m的圓上，如圖10（略）。
3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
溫度測(cè)試結(jié)果如表1 所示。
參考FDA《混合均勻性取樣和評(píng)價(jià)指南》研究結(jié)果：混合設(shè)備可接受標(biāo)準(zhǔn)為所有結(jié)果的變異系數(shù)在5.0%以內(nèi)；每個(gè)點(diǎn)的值應(yīng)在平均結(jié)果的±10%范圍內(nèi)。
由測(cè)試結(jié)果可知，A 層平均溫度為64.86℃，B層平均溫度為65.14℃，C層平均溫度為64.43℃；測(cè)試點(diǎn)平均溫度為64.81℃，A、B、C層變異系數(shù)為1%，均小于5.0%；畜禽糞便高溫好氧發(fā)酵罐溫度、均勻性符合設(shè)計(jì)結(jié)果。
表1 溫度測(cè)試結(jié)果
| 層號(hào) | 測(cè)試點(diǎn)序號(hào) | ||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| A | 64.8 | 63.8 | 64.9 | 64.7 | 64.5 | 65.2 | 65.4 | 65.1 | 65.3 |
| B | 65.1 | 64.6 | 64.8 | 64.3 | 64.9 | 65.6 | 65.8 | 65.5 | 65.7 |
| C | 64.8 | 63.1 | 63.3 | 64.4 | 64.2 | 64.8 | 65.1 | 64.9 | 65.3 |
3.4 裝備能耗與發(fā)酵產(chǎn)物品質(zhì)分析
發(fā)酵裝備入料后運(yùn)行9d(2017年5月20日至28日)，下層物料溫度基本恒定在40℃時(shí)，物料發(fā)酵完畢，底層物料在攪拌軸的作用下通過(guò)出料口進(jìn)行出料，設(shè)備耗電1021kW·h，對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行取樣測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2所示。
從表2可以得出，經(jīng)發(fā)酵裝備生產(chǎn)出的有機(jī)肥、有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分含量均優(yōu)于NY525—2012《有機(jī)肥料》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，蛔蟲(chóng)卵死亡率及糞大腸菌群數(shù)均控制在NY884—2012標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。
表2 發(fā)酵產(chǎn)物的測(cè)試結(jié)果
| 參數(shù) | 標(biāo)準(zhǔn)值 | 測(cè)試值 |
| 有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以干基計(jì)）/% | ≥30 | 53.5 |
| 酸堿度（PH值） | 5.5～8.0 | 6.9 |
| 水分（鮮樣）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% | ≤30 | 22.6 |
| 總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以干基計(jì)）/% | ≥5.0 | 5.36 |
| 總氮（N）質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以干基計(jì)）/% | 2.03 | |
| 總磷（P2O5）質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以干基計(jì)）/% | 1.47 | |
| 總鉀（K2O）質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以干基計(jì)）/% | 1.86 | |
| 蛔蟲(chóng)卵死亡率/% | ≥95 | 100 |
| 糞大腸菌群數(shù)/（個(gè).g¹） | ≤100 | ＜2 |
4 結(jié)論
(1)設(shè)計(jì)了一種畜禽糞便高溫好氧發(fā)酵罐，通過(guò)對(duì)發(fā)酵環(huán)境溫度、水分、需氧量的調(diào)節(jié)，使發(fā)酵罐內(nèi)物料溫度維持在60～70℃，使廢棄物中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行快速生物分解、發(fā)酵，轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥料，最終實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢物的資源化利用。
(2)結(jié)合發(fā)酵罐實(shí)際工作狀況，對(duì)發(fā)酵罐關(guān)鍵部件(罐體結(jié)構(gòu)、攪拌軸、攪拌葉片)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了罐體和攪拌軸結(jié)構(gòu)尺寸以及葉片布置形式。
(3)依據(jù)畜禽糞便好氧發(fā)酵工藝，以含水率為55%的牛糞為原料，對(duì)罐體內(nèi)物料溫度均勻性進(jìn)行了試驗(yàn)分析，并對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：設(shè)備入料后第4天，罐體內(nèi)物料平均溫度為64.81℃，溫度均勻性變異系數(shù)為1%；經(jīng)發(fā)酵裝備生產(chǎn)出的有機(jī)肥的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為53.5%、總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.36%、蛔蟲(chóng)卵死亡率為100%、糞大腸菌群數(shù)在2個(gè)/g以內(nèi)，均達(dá)到國(guó)家有機(jī)肥料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
