范文一:污泥好氧堆肥的实践
污泥好氧堆肥的工程实践
作者:wmywzg
简介: 污水厂污泥因其独特的物性和特性一直较难处理,因此,污水厂通常将污泥浓缩脱水后直接外运填埋,以节省厂内运行费用,却形成了新的污染。为了解决这一问题,我们对处理规模为4.0万m3/d的某污水处理厂的污泥处理过程进行了改造,增设好氧堆肥设施,使污泥在厂内经处理后达到稳定化、资源化利用的目标。 关键词:污泥 好氧堆肥 工程实践 关键字:污泥好氧堆肥 污水厂 前言
污水厂污泥因其独特的物性和特性一直较难处理,因此,污水厂通常将污泥浓缩脱水后直接外运填埋,变,该标准对污水厂污泥的处理提出了更高的要求,且提出了相应的标准,如下表1所示。对照此标准,目前大多数现有污水厂需增设污泥稳定化处理设施。
某污水处理厂处理规模为4.0万m3/d,为典型的城市生活污水处理厂,为满足GB18918-2002的要求,污水厂将进行改造,在污泥处理与处置过程增设好氧堆肥设施,使污泥在厂内经处理后达到稳定化、资源化利用的目标。
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2 好氧堆肥工艺的原理及过程控制参数 (1)工艺原理
好氧堆肥是在有氧条件下,好氧细菌对废物进行吸收、氧化、分解。微生物通过自身的生命活动,把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物,同时释放出可供微生物生长活动所需的能量,而另一部分有机物则被合成新的细胞质,使微生物不断生长繁忙殖,产生出更多的生物体的过程。在有机物生化降解的同时,伴有热量产生,因堆肥工艺中该热能不会全部散发到环境中,就必然造成堆肥物料的温度升高,这
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表1 污水厂污泥稳定化控制指标
稳定化方法
控制项目
控制指标
好氧堆肥
含水率(%)
<>
有机物降解率(%)
>50
蠕虫死亡率(%)
>95
粪大肠菌群菌值
>0.01
好氧消化
有机物降解率(%)
>40
厌氧消化
有机物降解率(%)
>40
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以节省厂内运行费用。这一现象随着《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的实施将被改
样就会使一些不耐高温的微生物死亡,耐高温的细菌快速繁殖。生态动力学表明,好氧分解中发挥主要作用的是菌体硕大、性能活泼的嗜热细菌群。该菌群在大量氧分子存在下将有机物氧化分解,同时释放出大量的能量。据此好氧堆肥过程应伴随着两次升温,将其分成三个阶段:起始阶段、高温阶段和熟化阶段。 起始阶段:不耐高温的细菌分解有机物中易降解的碳水化合物、脂肪等,同时放出热量使温度上升,温度可达15~40℃。
高温阶段:耐高温细菌迅速繁殖,在有氧条件下,大部分较难降解的蛋白质、纤维等继续被氧化分解,同时放出大量热能,使温度上升至60~70℃。当有机物基本降解完,嗜热菌因缺乏养料而停止生长,产热随之停止。堆肥的温度逐渐下降,当温度稳定在40℃,堆肥基本达到稳定,形成腐植质。
熟化阶段:冷却后的堆肥,一些新的微生物借助残余有机物(包括死后的细菌残体)而生长,将堆肥过程最终完成。
(2)好氧堆肥的控制参数
机械化好氧堆肥过程的关键,就是如何选择和控制堆肥条件,促使微生物降解的过程能快速顺利进行,一般来说好氧堆肥要求控制的参数有: 供氧量
对于好氧堆肥而言,氧气是微生物赖以生存的物质条件,供氧不足会造成大量微生物死亡,使分解速度减慢;但供冷空气量过大又会使温度降低,尤其不利于耐高温菌的氧化分解过程,因此供氧量要适当,空隙率减小,颗粒太小其结构强度小,一旦受压会发生倾塌压缩而导致实际空隙减小。因此颗粒大小要适当,可视物料组成性质而定。 含水率
一般为0.1~0.2m3/m3.min,供氧方式是靠强制通风,因此保持物料间一定的空隙率很重要,物料颗粒太大使
在堆肥工艺中,堆肥原料的含水率对发酵过程影响很大,水的作用一是溶解有机物,参与微生物的新陈代谢;二是可以调节堆肥温度,当温度过高时可通过水分的蒸发,带走一部分热量。水分太低妨碍微生物的繁殖,使分解速度缓慢,甚至导致分解反应停止。水分过高则会导致原料内部空隙被水充满,使空气量减少,造成向有机物供氧不足,形成厌氧状态。同时因过多的水分发,而带走大部分热量,使堆肥过程达不到要求的高温阶段,抑制了高温菌的降解活性,最终影响堆肥的效果。实践证明堆肥原料的水分在50~50%为宜。 碳氮比
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有机物被微生物分解的速度随碳氮比变化,微生物自身的碳氮比约为4~30,因此用作其营养的有机物的碳氮比最好也在该范围内,当碳氮比在10~25时,有机物被生物分解速度最大。如果碳氮比过高,堆肥成品的比值也过高,即出现“氮饥饿”状态,施于土壤后,会夺取土壤中的氮,而影响作物生长。堆肥过程适宜的碳氮比应为20~30。 碳磷比
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磷对微生物的生长也有很大影响,城市污水处理厂的污泥含有丰富的磷,可满足微生物生长的需要,堆肥原料适宜的碳磷比为75~150。 PH值
PH值是微生物生长的重要条件,在堆肥初期,由于酸性细菌的作用,PH值降到5.5~6.0,使堆肥物料呈酸性,而后由于以酸性物为养料细菌的生长和繁殖,会使PH值上升,堆肥过程结束后物料的PH值上升到8.5~9.0。
3 污水厂好氧堆肥工艺简介 工艺过程
在污水处理厂改造中,引进了日本的涡流加压混扎机(Eco Herds)高品质快速堆肥化系统。该系统将污泥和水分调整材料(稻壳、木屑、熟肥返回料)在密团的装置中加压混轧,使污泥和水分调整材料均匀混合。原料加入涡料加压混轧机后,加压混轧时间(机器内停留时间)约10分钟左右,在此期间产生磨擦热后,原料温度达到50℃左右,如此,使在45℃以下具有活性的低温菌、中温菌、以及恶臭菌活性化。同时,促进发酵、分解的好氧高温菌增殖,使原料在恶臭难以产生的环境中实现快速堆肥处理。 系统构造
Eco Herds式高品质快速堆肥化系统的构造分二部分。
原料部分:由待处理原料一次储存的[原料料斗]、水分调整材料一次储存的[辅料料斗]以及熟肥返回料储存的[馈料料斗]构成。
输送部分:由将[原料料斗]的原料定量供料的[供给输送装置]和供给返回料的[皮带式输送装置]构成。 原料供给量的调整、水分调整材料供给量的调整、以及熟肥返回料供给量的调整,都由控制面板按输入程序控制。异物混入时,异物检出机动作,装置全体自动停止运行。原料、辅料及返回料供给机中,如任何一个发生空仓状态时,全装置停止运行,同时控制面板警示灯亮灯示警,各供给机有原料投入时,自动启动并连续运行。 工艺特点
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Eco Herds式高品质快速堆肥化系统的特点:
1、为使原料、水分调整料、返回熟料混合进入机械的含水率达到60~65%,各供给机的供给量须给予
调整。
原料的供给量由输入程序设定 水分调整的供给量由输入程序设定
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涡流加压混扎机(Eco Herds)主机
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返回熟料的供给量由输入程序设定
根据原料水分的变动,调整水分,可以通过增减返回熟料的供给量进行调整
由于水分调整料增减的调整,堆肥的成分会参差不齐,因此通过增减返回熟料的供给量进行调整,可使堆肥成分稳定化。
2、Eco Herds的处理(加压混轧)后排出的堆肥化物,由自走式连续搅拌机在发酵槽内20~25天边搅拌边发酵,由自走式连续搅拌机进行的搅拌与迄今为止的搅拌机不同,是为了Eco Herds 处理后,更进一步促进发酵而专门开发的装置。
Eco Herds处理后的堆肥化物、原料的颗粒较小、颗粒表面附有裂痕,因此使得菌体易于进入并在短时间内进行分解。分解进行的同时,与分解相应的氧气供给是必须的,能否满足这一重要条件是稳定发酵所必须的。
自走式连续搅拌机组合而成的系统,实现了短时间内的稳定、完全发酵、熟化堆肥。 3、产品堆肥
使用粉碎的稻草能产生完成发酵、熟化的堆肥
由返回料进行水分调整,因此能产生成分稳定的堆肥
由于加压混轧,杂草的种子和病原菌被灭活,因此能产生安全的堆肥
氮、磷、钾的添加,可使产品根据耕种农业的要求生产出附加价值更高的堆肥。 4、 污泥堆肥产品成分表
为验证好氧堆肥工艺对污水厂污泥的处理效果及堆肥后污泥的性质,采集了现有污泥的样本,进行了试验验证,经堆肥后的污泥成分检测如下表2所示。
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检测项目
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磷酸P2O5
钾K2O
铜
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表2 厂现状污泥堆肥成分表
单位 % % % mg/kg
监测结果
2.89 4.10 1.04 162
计量方法(标准 JIS)
肥料分析法5.3.1.2
肥料分析法5.3.3
肥料分析法5.3.3
肥料分析法5.18.2
氮N
g
锌 碳酸钙 水分
mg/kg 353 肥料分析法5.1.2 % %
2.56 33.1
肥料分析法5.3.1.2
肥料分析法3.1.1
经评估,上表数据符合JA(日本农业协会)的标准,可用于任何经济农作物。 高品质快速堆肥化系统致臭物质测定
高品质快速堆肥化系统的环境质量可以达到相应的环境质量标准。其堆肥过程的致臭物质测定值(日本检测数据)如下表3所示:
表3 污水厂污泥堆肥过程致臭物质分析
项目
氨气
甲硫醇
硫化氢
甲硫醚
乙硫醚
从以上对堆肥过程环境气体质量的监测数据来看,本堆肥过程的环境空气质量完全可以满足我国的国家标准。
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日本规范、标准
原料堆放处
处理装置口
发酵槽
临界线
1~2ppm
0.3ppm
0.3ppm
0.2ppm
0.2ppm
0.002~0.004ppm
0.0002ppm
0.0096ppm
<>
<>
0.02~0.06ppm
<>
<>
<>
<>
0.0003ppm
0.015ppm
<>
<>
0.0044ppm
0.060ppm
<>
<>
室温23.4℃湿度49%
室温22.7℃
湿度53%
室温22.1℃
湿度52%
测定方法:NH3—EPCN(Fe)铁吸光光度法 MeSH、H2S、Me2S、Me2S2—FPD法
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范文二:污泥好氧堆肥的试验研究
安徽农业科学,JournalofAnhuiAgri.Sci.2008,36(31):13691-13693,13696 责任编辑 金琼琼 责任校对
张士敏
污泥好氧堆肥的试验研究
李清秀1,2,张雁秋2 (1.徐州生物工程高等职业学校,江苏徐州221006;2.中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州221008)
摘要 [目的]研究城市污水处理剩余污泥农用的可行性。[方法]利用自行设计的好氧堆肥装置,将某污水处理厂的剩余污泥与稻草按体积比1∶1、1∶2、1∶3、1∶4进行混合堆肥,观察堆肥过程中堆肥箱内的温度、含水率、钾含量等参数的变化,评价堆肥腐熟度。[结果]污泥与稻草按体积比1∶2进行混合堆肥时,堆肥箱内的温度上升较快,含水率的下降幅度较大,有机质含量下降较快,钾含量较高,铜含量增加最少,锌含量降低最明显,堆肥腐熟度较好,各项指标均符合腐熟度要求,实现了污泥的资源化、无害化和稳定化。[结论]城市污水处理剩余污泥具有农用性,当污泥与稻草体积比为1∶2时,堆肥的效果较好。关键词 污泥;堆肥;腐熟度中图分类号 S141.8 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2008)31-13691-03StudyontheAerobicCompostingTestofSewageSludge
(LIQing2xiuetal XuzhouHigherVocationalUnverisityofBioengineering,Xuzhou,Jiangsu221006)
Abstract [Objective]Theresearchwastostudythefeasibilityofagriculturalutilizationoftreatingtheexcesssludgebysewageincity.[Method]Withself2designedaerobiccompostingdevice,theexcesssludgefromasewagetreatmentplantwasmixedwithricestrawaccordingtodifferentvolumeratioof1∶1,1∶2,1∶3and1∶4formakingcompost,theparametersoftemperature,moisturecontentandKcontentetc.incompostboxeswereobservedincom2postingprocess,andthematurityofcompostwasevaluated.[Result]Whenthecompostwasmadeaccordingtothevolumeratioofsludgeandricestrawwas1∶2,thetemperatureincompostboxeswasincreasedrapidly,andthemoisturecontentwasdecreasedgreatly,organicmattercontentwasdecreasedrapidly,Kcontentwashigher,theincrementofCuwastheleast,thedecrementofZnwasmostobvious,andthematurityofcompostwasbetter,allin2dexeswereaccordwiththerequirementsofmaturity,whichcouldrealizetheresource,harmlessandstabilizationofsewage.[Creatingtheex2cesssludgebysewageincityhadagriculturalutilization,andthecomposteffectwasbetterwhenthevolumeratioofstrawwas1∶2.Keywords Sludge;Compost;Maturity
随着经济的发展和污水处理率的不断提高,污水处理后所产生的污泥量也日益增加。据2001年统计[1],我国城市污水处理后每年排放干污泥约30万t,并且还在以每年1020%的速度增加,到2010万tmm22所示。在筛板和3,,也可作为垃
的理化性质很不稳定,,重金属以及成危害。某污水处理厂生产的剩余污泥进行好氧堆肥,采用强制通风堆肥的方式,分别加入一定量的稻草与污泥进行混合堆肥,探讨了堆肥过程中通风量、通风方式、pH值、有机质及氮、磷含量等参数的变化情况。
1 材料与方法
1.1 堆肥物料 生污泥直接取自徐州市污水处理厂污泥脱
图1 试验装置外观示意
Fig.1 Theappearanceoftest
device
水车间,干稻草取自徐州市沛县南京矿附近的农户。
1.2 试验装置 自行设计的堆肥装置为立方体结构(图1),容量最大控制在15L左右。堆肥箱上面有2个口,一个
用于通风出气,直径大约为20mm;另一个是插水银温度计的,温度计距堆肥表面200mm左右,以确保测量温度的准确。箱子的底部一侧有2个塑料管:通风管和曝气泵连接,开孔直径与塑料管的口径均为6mm,箱内的塑料管管壁上开有一排均匀小孔,塑料管的外端超出箱子一点,用橡皮管连接到气泵上;另一个是垃圾渗滤液的出口,靠近最底部在通风管的旁边,孔径为10mm,在开始通风时,可先把该口密封,在堆肥过程中,可以经常利用小口倒取里面的渗滤液,测量重金属、硝酸盐和氨氮的含量等。
为了让外源鼓风均匀分散,在距箱子底部50mm高度处
作者简介 李清秀(1964-),女,江苏沛县人,副教授,从事生物技术
在环境保护中的应用研究。
收稿日期 2008208208
图2 通风筛板装置示意
Fig.2 Theventilationsieveplatedevice
1.3 方法
1.3.1 试验设计及堆制。堆肥试验在中国矿业大学校内进
行,将污泥与稻草按1∶1、1∶2、1∶3、1∶4体积比配比,放在堆肥
13692 安徽农业科学 2008
年
箱内。堆肥前调节含水率为70%左右,然后密封好,用曝气泵通风。堆肥15d。
1.3.2 试样的制备。①风干样:取污泥置阴凉通风处,风干3d后碾碎,过100目筛。②干燥样:取污泥在105℃烘箱中烘
分解引起碳的挥发损失,
从而使有机碳含量不断下降。
干,碾碎,过100目筛,于干燥器中保存。③新鲜样泥水浸提液:取10g污泥新鲜样,按照新鲜污泥∶蒸馏水=1∶10(W/V)的比例混合,在恒温振荡器中,25℃下恒温振荡2h,然后在
5000r/min离心分离15min,取上清液,测定NH4+2N含量、pH值。④风干泥样水浸提液:取10g污泥风干样,按照风干
的污泥∶蒸馏水=1∶10(W/V)的比例混合,在恒温振荡器中
25℃下恒温振荡2h,然后在5000r/min离心分离15min,取
上清液测定NO3-2N含量。
1.3.3 测定内容。在堆肥的不同时段里,分别从堆体中取
图4 堆肥过程中含水率的变化
Fig.4 Thechangesofwatercontentduringthecomposting
process
堆肥样,进行各种参数的测试。包括温度、pH值、总有机质和有机碳、总磷、总氮、硝酸盐氮、氨氮、重金属等的变化。
2 结果与分析
2.1 堆肥过程中温度的变化 4个堆肥箱中温度变化情况
见图3。从图3可以看出:2号箱温度上升的很快,1、4号箱温度上升的较慢。说明添加稻草适中,会促进微生物的发酵,箱内温度就会上升快,并且温度保持性也好;稻草添加过少,污泥容易结块,箱内空气流通性降低,微生物呼吸作用受到抑制,不利于好氧发酵;箱中添加的稻草过多,堆体内的空隙率太大,通风时微生物呼吸产生的热量被空气带走,污泥和稻草搅拌导致箱内湿度降低,水分,进而影响微生物的发酵,,2
图5 堆肥过程中有机质含量的变化
Fig.5 Thechangesoforganicmattercontentduringthecomposting
process
图3 堆肥过程中温度变化的情况
Fig.3 Thechangesituationsoftemperatureduringthecomposting
process
2.2 堆肥过程中含水率的变化 4个堆肥箱中含水率的变
图6 堆肥过程中有机碳含量的变化
Fig.6 Thechangesoforganiccarboncontentduringthecomposting
process
化见图4。从图4可以看出:经过15d的时间,4个堆肥箱内的含水率都有不同程度的降低。2、4号箱中的含水率一直处于下降的趋势,从7d开始,2号箱下降的幅度很大,4号箱下降的幅度较小,而1号箱与3号箱内的含水率有所回升。所以,2号箱比较适中。
2.3 堆肥过程中有机质含量的变化 通常认为,堆肥过程
2.5 堆肥过程中pH值的变化 堆肥过程中pH值的变化见
表1。
根据美国环保局(USEPA)的规定,污泥与调理剂的pH值应在6~9[3]。从表1可以看出:在堆肥前泥样微显碱性,堆肥7d后,pH值均有所降低。1号箱降低的较多,2号和3号箱中的微生物有可能已开始分解有机氮,产生了NH4+,导致了pH值的回升,4号箱pH值也较高。在7~15d温度已逐渐降低,适宜硝化细菌进行硝化反应,NH4+转化成NO2-和NO3-,产生大量的H+,pH值有所降低。
中有机质含量的下降是堆肥腐熟的一个重要标志[2]。堆肥过程中有机质含量的变化见图5。从图5可以看出:经过15
d的时间,4个堆肥箱内的有机质含量都有不同程度的降低。2.4 堆肥过程中有机碳含量的变化 从图6可以看出:经
过15d的堆肥,有机碳的含量有所降低,这是由于有机质的
36卷31期 李清秀等 污泥好氧堆肥的试验研究13693
表1 堆肥过程中pH值的变化
Table1 ThechangesofpHvalueduringthecompostingprocess
堆肥效果较明显。
堆肥15d
堆肥箱
1号2号3号4号
堆肥前堆肥7d
7.66.2
5.7
7.67.67.6
6.86.66.7
5.75.9
5.8
2.6 堆肥过程中总氮含量的变化 从图7可以看出,堆肥7d时,1号箱和4号箱温度才到达较高的水平,开始分解有机
质,此时硝化反应还未进行。7d后温度开始降低,硝化细菌
开始进行硝化反应,总氮量持续上升。而2号箱和3号箱在堆肥7d时硝化反应已开始进行,总氮量上升的较快,7d后总氮量发生减少,可能是因为堆肥箱内的环境比较适宜微生物的生存,氧气供应不足,导致箱内缺氧,发生了反硝化反应,总氮以氨气或氮气的形式散失,故总氮量降低。
图9 堆肥过程中钾含量的变化情况
Fig.9 Thechangesituationsofpotassiumcontentduringthecom2
postingprocess
2.9 堆肥过程中硝酸盐氮的变化 从图10可以看出:硝酸
盐氮的含量一直在升高。虽然硝酸盐氮含量增加,但仍没有达到试验所要求的数值。原因在于风量的计算上可能存在问题。
Fig.7 Thechangesituationsoftotalnitrogenduringthecomposting
process
2.7 堆肥过程中总磷含量的变化 从图8可以看出,在整
图10 堆肥过程中硝酸盐氮含量的变化
Fig.10 Thechangesofnitrogencontentinnitrateduringthecom2
postingprocess
+
2.10 堆肥过程中NH从图11可以看出:42N含量的变化
个堆肥过程中,总磷含量是一个增加的趋势。这是因为有机质的分解,导致堆料体积和重量不断减少,养分浓缩,使总磷含量增加;另一方面是因为添加了填充料的结果。
3、4号箱中NH4+2N含量降低了,而1号和2号箱中NH4+2N的
含量却增大了。可能是因为通风量不足,导致箱内处于半厌氧状态,抑制了硝化细菌的活性,使NH4+2N含量有所增加。
图8 堆肥过程中总磷的变化情况
Fig.8 Thechangesituationsoftotalphosphorousduringthecom2
postingprocess
2.8 堆肥过程中钾含量的变化 从图9可以看出,4个堆肥
+
图11 堆肥过程中NH42N含量的变化
+
ig.11 ThechangesofNH42Ncontentduringthecompostingprocess
箱中钾的含量都有不同程度的增加。2号堆肥箱中的钾含量较高,说明污泥和稻草的搅拌比例适中,适合微生物的生长,
(下转第13696页)
13696 安徽农业科学 2008年
表2 正交试验结果L9(34)
Table2 TheresultsofL9(3)orthogonaltest
4
的薯蓣皂苷元有效成分与标准品一致。同时,其峰面积为
μ1860.28(V?s),对应薯蓣皂苷元标准曲线,可计算提取率为
1.837%。3 结论
因素Factor
1
2345678K1K2K3A1∶201∶201∶201∶251∶251∶251∶301∶301.4131.6221.455BCD40608080406060801.4611.5211.508提取率Extractionrate∥%
1.5611.5431.1361.7781.4811.6071.4131.61110 801310016120101001312016801012013801.5841.5931.5451.5541.3621.343试验表明,微波萃取法提取盾叶薯蓣皂苷元的最佳条件是固液比1∶20,提取时间10min,提取温度100℃,粒度60目,提取率可达1.837%。微波萃取法具有选择性高、提取时间短、有效成分提取率高等优点,这是微波特殊的工作原理所致。由于溶剂及细胞液吸收微波能量,细胞内部温度升高,压力增大,细胞壁破裂,使皂苷元分子从细胞中释放出来,传递转移到溶剂周围被提取出。因此,微波萃取技术作为一种天然产物成分提取的优势技术,
必将获得更大的发展。
图1 薯蓣皂苷元标准曲线
Fig.1 Thestandardcurveofdiosgenin
图2 Fig.2 Thechromf图3Thechromatogramofcrudediosgenin
bytheorthogonaltest
参考文献
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元的含量[J].中国药科大学学报,2001,32(1):37-40.
(上接第13693页)
2.11 堆肥过程中其他物质含量的变化 通过试验得出:
性。最为准确的就是化学指标的检测,它可以定量地判断堆料的腐熟情况。
该试验通过氮、磷、钾、有机质、有机碳、硝酸盐氮等指标判断堆料腐熟度,结果发现,2号箱中的堆料腐熟度较好,各项指标都符合腐熟度的要求。
3 小结
3-
随着堆肥时间的延长,箱中PO4、Na、SO4
+2-
的含量有所
升高,表明经过15d左右的好氧堆肥,污泥中营养元素的含量增加,可以满足植物生长的需要。
2.12 堆肥过程中重金属含量的变化 金属铜的含量有所
增加,增加最明显的是4号箱,而2号箱金属铜的含量增加最少;金属锌的含量有所降低,降低最明显的是2号和4号箱,而1号箱有所上升,但不是很明显;金属镉的含量有所增加,而金属铬和铅的含量却有所降低,说明在堆肥过程中,大部分重金属得到钝化,含量有所降低,其他重金属元素含量有不同程度的增加。通过和农用污泥中污染物控制标准(GB4284-84)对照,发现堆肥后的重金属只有Cu的含量高于土地的最高容许量,其他的重金属如Cr、Pb的含量均在最高容许含量的范围之内,而Zn、Cd的含量只稍高于标准。
2.13 堆肥腐熟度的评价 按照物理和化学指标的检测方
笔者对城市污水处理厂的剩余污泥进行堆肥研究。
在堆肥过程中,对它的一些指标进行测量和分析,评价它是否具有使用性和可行性。经过测量和分析,发现徐州污水处理厂生产的剩余污泥具有农用性,可以用作堆肥研究。
经过15d的好氧堆肥发现,污泥∶稻草=1∶2(体积比)混合堆肥的效果较好。堆肥过程可以顺利升温,营养物质的含量较高,重金属含量降低的较多,腐熟度也较好,最终实现了污泥资源化、无害化和稳定化。参考文献
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法对堆肥中的各项指标进行了分析,来判断堆肥的腐熟情况。对于物理指标如温度、颜色、气味变化等,虽然操作简便,但只是定性的分析,从感官上进行判断,有一定的局限
范文三:新型好氧堆肥装置的设计
前 言
新型好氧堆肥装置是一种实用新型涉及农业有机肥的制备技术,具体是利用作物茎杆等农业 废料堆制农业有机肥的有机肥堆肥装置。该装置包括有一个可封闭的容器,在容器内分层排布有 多根相互连通的布气管,布气管上排布有多个排气孔;布气管的总进气口与容器外部的进排气管 道连接,本实用新型的装置其发酵温度与气体可以控制、发酵速度快、劳动强度低、可以选择进 行进行厌氧发酵与有氧发酵。利用 ANSYS 软件对装置搅拌机构进行受力仿真,计算出装置的使用 寿命与危险区域处于桨叶与搅拌轴的连接处,在实际加工过程中对相应部位进行加固处理,降低 危险区域。
关键词 :好氧堆肥;布气管;仿真
目 录
1 概述 . ............................................................................................................................ 1 1.1 本课题来源及研究的目的和意义 ....................................................................................... 1
1.2 本课题所涉及的问题在国内外研究现状及分析 ............................................................... 1
2 堆肥装置的主要结构及工作原理 . ............................................................................ 2 2.1 堆肥装置的主要结构 ........................................................................................................... 2
2.2 装置工作原理 . ...................................................................................................................... 2
3 新型好氧堆肥装置的设计 . ........................................................................................ 3 3.1 装置仓体的设计 . .................................................................................................................. 3 3.2 搅拌轴及搅拌桨的设计 ....................................................................................................... 3
3.3 基于有限元对搅拌轴进行仿真分析 ................................................................................... 4
4 传动部分的设计 . ........................................................................................................ 8 4.1 电动机机选择 . ...................................................................................................................... 8 4.2 电动机支架的设计 ............................................................................................................... 9 4.3 减速器的选择 . ...................................................................................................................... 9 4.4 减速器支架的设计 ............................................................................................................. 10 4.5 带轮的设计 . ........................................................................................................................ 11 4.6 风机的选择 . ........................................................................................................................ 13 4.7 其他零件的选择 . ................................................................................................................ 13 总结 . .............................................................................................. 错误!未定义书签。 致谢 . .............................................................................................. 错误!未定义书签。 参考文献 . ...................................................................................... 错误!未定义书签。
工程概况
本文首先介绍了国内外堆肥技术的现状及所需解决的问题,描述了新型好氧堆肥的生化反应 机理,将堆肥过程所需的外部条件都说明了一下。随后,就新型好氧堆肥的工作原理,基本结构 进行讲解。重点讲述的是新型好氧堆肥装置的反应仓体机架的设计和搅拌轴桨叶的设计计算和有 限元仿真分析,其次就是大小带轮的设计计算和标准件的选择。
1概述
1.1本课题来源及研究的目的和意义
随着城市人口急剧增加,中国每年有大量的有机固体废弃物产生,主要种类包括畜禽粪便、 作物秸秆、污泥和城市垃圾等。这些有机固体废弃物很大一部分没有得到妥善处理,对中国城乡 环境正形成巨大的压力。而近年来,各地环境日趋严峻,这些废弃物的处理问题越来越引起人们 的重视,如何有效的利用这些废物使之变废为宝成为现在首要解决的问题。
随之就出现了堆肥技术。即在受控制条件下, 利用微生物的作用和酶活性加速有机物的生 物降解和转化 , 最终使有机物达到腐熟化和稳定化的过程。堆肥一般采用在好氧条件下,利用微生 物将污泥中的有机质分解、转化成腐殖质的过程,并杀灭其中的病原微生物和寄生虫。
堆肥过程不仅可以减少有机固体废弃物的体积、 重量、 臭味 , 杀灭病原菌、 虫卵、 植物种子等, 同时会产生大量的腐殖质 [2]。生产出来的堆肥品, 可以作为土壤调理剂和植物营养源 , ,能有效地 改善土壤结构、提高土壤肥力,是一种无害化、减量化和稳定化的综合处理技术。好氧堆肥是实 现城市污泥无害化、减量化和资源化的有效方法,处理后的污泥垃圾进行土地利用是很有前景的 一种处理方式 [1]。
1.2本课题所涉及的问题在国内外研究现状及分析
目前,堆肥处理存在很多问题,主要包括:调理剂添加过多、堆肥效率低、能耗较大、堆肥 产品质量不稳定、污泥堆肥施用量确定不科学等 [1]。在中国 , 囿于当前的经济现状 , 高度机械化、自 动化的堆肥设备成本太高 , 不符合中国的国情。 所以要在中国发展堆肥产业和堆肥技术 , 就必须去寻 找一个成本较低、操作方便、维护性较好、真正适合中国国情的堆肥工艺和技术 [6]。
目前国内外研究的好氧堆肥装置大都采用进料、搅拌、通气、出料同时进行的高效发酵装置 , 其核心是好氧发酵仓。发酵仓按形状可分为塔式发酵设备、水平式发酵滚筒、料仓式发酵装置、 条垛式发酵设备、组合型发酵系统等。但是 , 高温好氧堆肥装置相关的设计数据十分有限。
在国外 , 堆肥技术正在向着机械化、 自动化的方向发展 , 而为了防止对环境的二次污染 , 堆肥 也趋向于采用密闭的发酵仓方式 [6]。 成熟的技术堆肥方法主要有 5种, 即定期翻堆条垛式、 通风静 态垛式、被动通风条垛式、反应器式和蠕虫堆肥系统 [4]。根据搅拌过程的不同分桨式搅拌器、涡轮 式搅拌器、推进式搅拌器、锚式搅拌器、框式搅拌器、螺带式搅拌器、螺杆式搅拌器、圆盘锯齿 式搅拌器等等。
目前,国外垃圾堆肥厂数量总体呈下降趋势,但垃圾堆肥技术的发展并没有停顿,应用最广 的是机械生物技术(MBT) 。河北省高碑店市的垃圾处理即采用德国先进的 MBT 主体技术,对垃 圾进行机械分拣、 生物处理和后处理, 产生生物稳定的堆肥产物,设计每年可处理城市生活垃圾 4万余吨 [5]。
有关堆肥技术的研究目前仍是国内外的热门课题 , 不断改进堆肥工艺、设备、降低经济成本、 提高堆肥成品质量是研究者们研究的主要方向。
2堆肥装置的主要结构及工作原理
2.1堆肥装置的主要结构
堆肥装置如图 2-1主要包括部分、动力部分、传动部分及爆汽、布水和取料等部分。其主要结 构有反应仓体及机架、搅拌机构、传动系统以及感应装置。其中仓体的作用是堆肥。堆肥过程中 堆体需要一定的湿度、温度、水和空气。反应釜外形设置为圆筒形,结合好氧堆肥工艺对发酵仓 的具体尺寸进行设计,堆肥工艺为强制曝气有搅拌好氧堆肥,堆肥物料在反应釜内经搅拌桨叶的 翻堆,由入料、中温高温发酵后、出料,形成有机肥料。
1. 电机; 2. 可编程控制器; 3. 减速器; 4. 风机; 5. 仓体; 6. 搅拌轴; 7. 桨叶; 8. 布水孔;
9. 传感器; 10. 出料口; 11. 皮带轮; 12. 联轴器; 13. 轴套; 14. 进料口; 15. 电滑环
图 2-1 新型好氧堆肥装置简图
2.2装置工作原理
仓体内有搅拌轴及桨叶,温度和湿度感应器分布于桨叶内,感应堆体温度及湿度变化并将数 据传到仓体外的感应装置,感应装置的核心是可编程控制器(PLC ), 负责接收感应器传出的信号 并且翻译再将信号发给相应的控制系统,控制系统再发出相应的指令。
传动系统由搅拌轴、减速器、带轮和电机构成。搅拌轴装在仓体内部,主要作用是搅拌,在 堆肥过程中,堆肥化过程常分为两个阶段,第一阶段是高速阶段 , 第二阶段是熟化阶段。高速阶段 的特征是耗氧速率高、温度高、挥发性有机物降解速率高和很浓的臭味,所以在这个阶段需要经 常搅拌保证堆体有充足的氧气进行生化反应,同时散去过高的温度,让堆体的坏境有利于好氧菌 的生存和发酵。熟化阶段的特征则是温度低、耗氧速率低和很淡的臭味,这时候就可以减少搅拌 次数,以免造成温度过低也不利于好氧菌的发酵和生存。
为了保证堆体各部分发酵的均匀性,需要定期对堆体进行搅拌,在搅拌的同时还要布水,布
水孔就分布在搅拌轴上的桨叶内, 一边搅拌一边布水。 仓体外部有机架, 用来放置减速器、 电机 及 其他零部件。
动力装置是电机,电机与减速器之间用皮带传动,减速器的输出轴端与搅拌轴相连。
3 新型好氧堆肥装置的设计
3.1 装置仓体的设计
堆肥装置仓体如图 3-1采用过共晶白口铁组成,桶底直径约 500mm 左右,桶顶上沿部分开有 入料口,底面部分设有出料口,物料填充率为 80%,有效容积为 45L 左右,搅拌轴转速为 2r/min, 桶外壁可附装聚异丙烯保温层,厚度为 100mm ,能实现低温环境下的温度保持。
桶内搅拌轴桨叶采用镀锌四分管,具有较好的抗腐蚀性,管内设有向下曝气孔与温度传感器。 桨叶与空心轴通过四通接口进行螺纹铰接,空心搅拌轴下方通过电滑环与筒体相连,电滑环负责 对温度传感器与 PLC 之间的信息交互。
曝气装置采用风机通过套筒与空心搅拌轴进行连接,密封轴承过盈配合在套筒与轴之间,轴 上设有气孔,风机气体通过气孔进行曝气。连接电机与空心轴的减速机选用 1:80蜗轮减速机。
温度传感器将信号通过电滑环传至 PLC 中, PLC 将信号进行处理,控制电机与风机的启停, 风机通过空心轴将气体从桨叶下方的曝气孔排出,进行内部曝气,电机带动减速机进行搅拌操作。
仓体上方焊接有机架,用于组装减速器,电动机。
图 3-1 仓体
在仓体的上下两端分别开有两个直径 60mm 的孔,用于安装轴承,下端机架用于安装减速器 和电动机。
3.2 搅拌轴及搅拌桨的设计
搅拌轴设计如图 3-2为空心轴,轴内需要安装传感器,将堆体的温度湿度传到控制系统。 空心搅拌主轴上连接有空心桨叶,空心桨叶两两间隔 90
°,分上下两层,两层之间设有中部
测温装置,桨叶下端设有曝气孔,浆内可设置传感器。桨叶材质选用自来水供给管道所用的镀锌 四分管,其表面光滑,便于搅拌。
搅拌器的主要作用为在堆肥的过程中进行物料翻堆和物料的混合均匀。在好氧堆肥化进程中 , 对堆体物料的翻堆,不仅有助于堆体物料氧气通透均匀,而且有助于中间局部高温降温。搅拌装 置的合理设计可有助于堆肥顺利进行。
搅拌形式的确定根据实际生产要求,初步设定搅拌器为两层搅拌,搅拌器直径 D 取标准值 , 即 搅拌容器直径的三分之一:D= 500mm /3≈ 167mm , 底间距与搅拌容器内径比值一般在 0. 05~0. 3范围内选取即搅拌轴距堆肥仓体的底高度有:C=(0. 05~0. 3)D= 0. 1~0. 6m 。 考虑到实际生产中 容器底部将会有 0. 3m 厚的沉积物 ,C 值不能太小; C 值太大搅拌效果不足 , 结合实际情况取 C= 50mm 对于双层搅拌器 , 搅拌器层间距 Sp=(0. 5~2)D= 取 Sp= 220mm 。
在搅拌设备设计中,采用悬臂轴结构 , 以解决在采用底轴承和中间轴承结构时带来的安装检 修困难、对中麻烦、在有磨损性颗粒物料时造成轴承磨损、堵住咬死等问题。国内外搅拌设备也 大量采用这种结构 [3]。
图 3-2 搅拌轴及桨叶
3.3基于有限元对搅拌轴进行仿真分析
(1) 有限元概述
达朗贝尔原理指出,对处于运动状态的非平衡质点系,如果在每个质点上加上惯性力,则该 质点系所受到的所有主动力、约束力和惯性力组成平衡系统。其中,所加的惯性力与质点的质量 和运动的加速度成正比,其方向与加速度方向相反。达朗贝尔原理提出了解决质点系动力学问题 的一个方法,对结构的有限元动力学分析,也应用达朗贝尔原理建立基本方程。
有限元法是一种适用性很强的数值计算方法,可用于求解多种类型的代数方程组或常微分方 程。有限元法是随着计算机的广泛应用而迅速发展起来的。
有限元法的具体做法是,先将整体假想的划分成多个小单元,各单元通过节点连在一起每个
单元都用节点未知量通过插值函数来近似得表示单元内部的各种物理量,并使其在单元内部满足 该问题的控制方程,从而可将各单元对整体的影响通过单元的节点传递;然后再将这些单元组装 成一个整体,并使他们满足整个物体的边界条件和连续条件,得到一组有关节点未知量的联立方 程,解出方程后,再用插值函数和有关公式就可以求得物体内部各点所要求的各种物理量。 与传统方法相比,有限元法不受物体几何形状限制,适应各种各样的工程结构的复杂集合形 状,能处理许多物体内部带有间断性的复杂问题,还可以适应不连续的边界条件和载荷条件。由 于有限元分析的各个步骤可以表示成规范化的矩阵形式,最后导致求解方程可以统一为标准的矩 阵代数问题,所以特别适用计算机的编程和执行。
(2)结构装置有限元分析
利用有限元软件 ANSYS 分析搅拌装置主要分前处理、求解计算、后处理三大部分。
前处理的任务是建立结构的几何模型,通过对几何模型划分单元实现从几何模型到有限元模 型的转换,如图 3-3将搅拌轴的几何模型通过单元划分转换成有限元模型。
图 3-3搅拌轴单元化
前处理后是求解计算部分,动力学可以进行模态分析、谐响应分析、瞬态响应分析等。同时 该部分需要设置的参数等与静力学有着较大的差异,特别是有关频率、载荷时间等。
在求解计算过程中结构失效最常见的原因是疲劳,为了在设计阶段预先研究零件的预期疲劳 程度,通过静疲劳理论和震动疲劳理论进行分析。
搅拌轴在堆体受力情况经测量如表 3-1所示:
表 3-1搅拌轴在堆体内受力情况
序 号 深度 10cm 深度 20cm 深度 30cm
(3)静疲劳理论
材料力学是根据静力实验来确定材料的力学性能,(比如弹性极限,屈服极限,强度极限) 的,这些力学性能没有充分反映材料在交变应力作用下的特性。因此在交变载荷作用下工作的零 件或结构,如果还是按静载荷设计,在使用过程中往往就会发生突如其来的破坏。静疲劳破坏与 传统的静力破坏有许多本质区别。
静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏:疲劳破坏是多次反复载荷作用下的破坏,他不是短 期发生的,而是要经历一定的时间,甚至长时间才会发生破坏。
当屈服极限大于静应力,或者强度极限大于静应力时,静力破坏不会发生;静强度极限远远 大于交变应力,或者屈服极限大于变应力是才会发生疲劳破坏
静应力在产生的时候有明显的塑性的变形产生,例如:疲劳破坏的隐蔽性通常处于事先不易 察觉的非宏观的不显著塑性变形区域,所以静力破坏具有巨大的危险性。
结构所受到的动态交变载荷的振动频率与结构本身具有的固定频率相近或者相同,从
而使结构共振产生疲劳的现象, 只有共振区域内或者附近的所收到的共振疲劳称为振动疲劳破坏。
疲劳寿命是结构对疲劳破坏强度抵抗能力的表示,同静力载荷一次作用逐级上升不同,疲劳 载荷引发的疲劳应力是方向不定的,次数变化的循环应力。结构在疲劳应力的作用下不断磨损, 产生裂纹与损伤,所承受的应力次数 n 为结构的疲劳寿命。
求解的过程中, ANSYS 默认的类型是静力学求解,根据表 3-1定义载荷,然后求解。
(4)后处理
在后处理部分大多数动力学响应的处理和显示需要在时间历程处理器里完成。通过动力学分 析,可以得到节点的位移、速度、加速度、应力、应变等参量的时间函数,也可以得到节点的频 率响应函数,还可以进行一定的数学计算得到新函数。
通过前期设定的参数对装置进行求解, 得搅拌轴带桨叶的应力分析云图如图 3-4和应变分析云 图如图 3-5和搅拌
轴 总 变 形 分
析云图如图 3-6。
G(N)
平均值
F(N)
平均值 1 2 3 4 5 1 2 3
12.5 14.5 13.5 15 13 13.7 9.5 9 9 9.17 28.5 17 24 23 25 25.13 12 13 15 13.33 45 42 38 37 40 40.4 25 26 26 25.67
图 3-4 搅拌轴带桨叶的应力分析云图
图 3-5 搅拌轴带桨叶的应变分析云图
图 3-6 搅拌轴带桨叶总变形分析云图
由总云图可以看出桨叶的形变与初始状态相比,向下弯曲了 0.00054035mm ,且形变量随着与 搅拌轴的距离的增加而增加,但是搅拌轴的形变处于设计安全范围之内。
(5)危险区域的预防与处理
空心搅拌轴与空心桨叶施加载荷的作用下 2.3851e-5mm 的形变,大小可以忽略不计,材料连 接完全满足堆肥需要,应力分析云图中桨叶与轴的连接部分至其向外延伸 25mm 处,应力变化明 显,这一区域的应力应变也较为显著,参考平均应力修正理论,在桨叶与轴连接部位进行加厚加 固处理能提高安全系数并增加使用寿命,原始机械设计结构可以实现。
危险区域经过处理应力形变下降了 50%, 处理后装置总变形分析云图如图 3-7。 桨叶末端与搅 拌轴的连接处增加抗疲劳处理后,各项数据同样满足堆肥装置搅拌强度要求,原始机械设计结构 可以实现。
图 3-7处理后装置总变形分布云图
4传动部分的设计
4.1电动机机选择
根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求,选择电动机类 型。
根据负载转矩、速度变化范围和启动频繁程度等要求,考虑电动机的温升限制、过载能力和 启动转矩,选择电动机功率,并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量,负荷率一般取 0.8~0.9。过大的备用功率回事电机效率降低,对于感应电机,其功率因数将变坏,并使按电动机 最大转矩校验强度的生产机械造价提高。
根据使用场所的环境条件,如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考 虑必要的保护方式,选择电动机的结构形式。
根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求,确定电动机的电压等级和类型。
除此之外,选择电动机还必须符合节能要求,考虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件 的通用性、以及价格、运行和维修费用、生产过程中前后期电动机功率变化关系等各种因素。 选择符合该装置要求规格、功能完备的电动机是提高装置的可靠性与经济效益的重要因素,
根据桨型和装置特性 , 确定各层桨功率准数 , 再用各层桨功率准数、桨径、转速及物料密度计算各层 桨轴功率 , 计算各层桨轴功率之和 , 同时将传动系统效率、 电机储备系数考虑在内 , 即可确定搅拌装置 电机功率。
课题所设计的搅拌轴转速设定为 2r/min,取减速器的传动比为 i 减 =80,带轮的传动比为 i 带 =4, 得出电机转速,取转速为 940r/min,根据搅拌轴在堆体的受力情况如表 4-1
表 4-1 搅拌轴在堆体的受力情况
深度 (N) 重力(N ) 摩擦力(N )
200 400 600
24.5 67.62 110.88
10.3 25.7 59.8
因为搅拌轴的摩擦力和重力都需要消耗功率,由上表数据得,在扭转过程中 T =M , 而搅拌轴 的
M =F ?R (4-1)
G =mg (4-2) 由此求得搅拌轴整体转动所需的扭矩为 22N·m ,
r
kw
n P =M (4-3) 得电机的功率为 2.17kw ,故选择同步转速为 1000,额定功率为 2.2kw 的电动机。
4.2 电动机支架的设计
电动机选型后安装在堆肥仓机架上时需要专门的支架如图 4-1(a )、(b ),然后再用用螺栓 固定。
图 4-1 (a ) 图 4-1(b )
图 4-1 电机支架图
4.3 减速器的选择
根据减速器的传动及结构特点可分为五大类:齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、行星齿轮减速 器、摆线齿轮减速器、谐波齿轮减速器。
减速器是原动机和工作机或执行机构之间的独立的闭式传动装置,是机械传动系统中应用最
为广泛的传动部件之一,主要用来降低转速和增大转矩在标准系列化的减速器中,规定了主要的 尺寸、参数值和适用条件,我们可根据减速器工作条件和参数进行选择,绝大部分情况下可不必 自行设计,从而大大减少了制造周期和成本,且提高了产品的可靠性和稳定性。
选用减速器时应从工作机的选用条件动力机的性能,技术参数以及经济性因素等方面考虑; 比较不同类型、品种的减速器外型尺寸,承载能力,减速比,传动效率,价格等参数隶属用户需 求的程度,进而选择较为合适的减速器型号。
减速器型号,通常情况这个过程依靠人为的查询机械设计手册先初选减速器型号,然后验 算选取的减速器的型号是否符合初选要求。
按减速机输出轴传递功率和转数计算减速机输出轴扭矩,按搅拌轴、搅拌桨自重及搅拌轴所 受偏心力,计算减速机输出轴轴向力、径向力,由上述两项结果选择减速机。
由整体装置可知所选减速器应具有较大的减速比,所以选择蜗轮蜗杆减速器。
4.4减速器支架的设计
减速器选型后安装在堆肥仓机架上时需要专门的支架,用螺栓固定。由于减速器输出轴需要 与搅拌轴链接,减速器的尺寸过小,所以在减速器与支架的中间需要加一块垫板,然后再用螺栓 固定。
减速器支架与垫板如图 4-2、图 4-3。
图 4-2 减速器支架图
图 4-3 垫板图
4.5 带轮的设计
已知装置电机功率为 kW P 2. 2=, 转速 min /9401r n =, 传动比 4=i , 每天工作小于 8小时。 (1)确定计算功率 P ca
由《机械设计》第九版表 8-8查的工作情况系数 1. 1=A K ,故
kW kW P K P A ca 42. 22. 21. 1=?== (4-4)
(2)选择 V 带的带型
根据 kW P ca 42. 2=、 min /940
1r n =由《机械设计》第九版图 8-11选用 Z 型。 (3)确定带轮的基准直径 d d 并验算带速 v
初选小带轮的基准直径 1d d 。由《机械设计》第九版表 8-7和表 8-9,取小带轮的基准直径
mm d d 711=。
验算带速 v ,按式 1000
601
1?=
n d v d π验算带的速度
1000
601
1?=
n d v d π=s m /49. 3 (4-5)
计算大带轮基准直径
12d d id d = (4-6)
得大带轮的直径为 mm 98,取标准值为 mm 100
(4)确定 V 带的中心距 a 和基准长度 d L 根据式
) (27. 021021d d d d d d a d d +≤≤+) ( (4-7)
初定中心距 mm 200。
计算带所需的基准长度
21221004) () (2π
2a d d d d a L d d d d d -+
++≈ (4-8) ()()mm
mm 763250471-100711002π25022
=?????
??++?+?= 选带的基准长度 mm L d 700=。 计算实际中心距 a 。
2
0d d L L a a -+
≈mm 220≈ (4-9) (5)计算带的根数 z 。
计算单根 V 带的额定功率 r P 。
由 mm d d 711=和 min /9401r n =,查《机械设计》第九版表 8-4得 kW P 91. 00=。 根据 min /9401r n =, 4=i 和 Z 型带,查《机械设计》第九版表 8-5得 kW P =?0。查《机械设 计》第九版表 8-6得 98. 0=αK ,表 8-2得 99. 0=L K ,于是
L r K K P P P ???+=α) (00 (4-10) 得 kW P r 91. 0=
计算 V 带的根数 z 。
66. 291
. 042
. 2===
r ca P P z (4-11) 取 3根。
(6)计算单根 V 带的初拉力 0F
已知 Z 型带的单位质量 m kg q /06. 0=,所以
()205. 2500
qv zv
K P K F ca +-=αα (4-12)
得 N F 1800=
(7)计算压轴力 P F
2
sin
21
0αzF F P = (4-13)
得 N F 1079=
所以选用 Z 型普通 V 带 3根, 带基准长度 700mm 。 带轮基准直径 mm d d 711=, mm d d 1002=, 中心距控制在 mm a 241~5. 209=。单根带初拉力 N F 1800=。
大带轮和小带轮的三维效果如图 4-4和 4-5。
图 4-4 小带轮
图 4-5 大带轮 4.6 风机的选择
在堆肥过程中 , 通风的作用有一供氧。通风可以为好氧微生物的活动提供足够的氧气,同时将积累 在堆体中由于微生物呼吸作用释放的二氧化碳吹出。湿的堆肥容易产生臭气、渗滤液 , 招引苍蝇 , 增加运 费。所以,干化是堆肥化过程取得的重要收益。
为了满足微生物种群的最适宜温度范围,控制过高温度时,常需要增加空气供应以去除热量, 达到调节堆体温度的目的。此外,通风状况会影响物料中氮的转化,进而影响到氮损失、空气污 染等。含氮物质的转化与氧气有着密切的关系,适宜的通风供氧可以降低氮素损失和恶臭产生。
堆肥的通风方式可分为自然通风、翻堆、被动通风、强制通风等。 风机按工作压力大小分类有
风扇标准状态下,风机额定压力范围 pa P 98a <此风机无机壳,又称自由风扇,常用于建筑>此风机无机壳,又称自由风扇,常用于建筑>
(1)通风机 在设计条件下,额定压力范围为 pa P pa 1471098<。通风机是应用最为>。通风机是应用最为>
(2)鼓风机 工作压力范围为 pa P pa 196120
14710<。压力较高,是污水处理曝气工>。压力较高,是污水处理曝气工>
(3)压缩机 工作压力范围为 pa P 196120>, 或气体压缩比大于 3.5的风机, 如常用的空 气压缩机。
所以堆肥装置选择的风机是鼓风机。 4.7 其他零件的选择 (1)轴承的选择
搅拌轴的两端由轴承支撑,根据搅拌轴的直径选择的轴承是滚动轴 6304 GB/T276— 1994。 (2)螺栓的选择
将电动机和电机支架固定在一起的螺栓选择的是 GB/T 5783 M10×40;将减速器与减速器支 架固定在一起的螺栓选择的是 GB/T 5782 M8×55
;将轴承座与仓体固定在一起的螺栓选择的是
GB/T 5783 M6×30。
(3)键的选择
减速器轴与小带轮之间键选择的是 GB/T 1096 键 6×6×32;电动机轴与大带轮之间键选择的 是 GB/T 1096 键 8×7×20。
总 结
为期三个月的毕业设计业已经结束。回顾整个毕业设计过程,虽然充满了困难与曲折,但却 让我感到受益匪浅。本次毕业设计的课题是新型好氧堆肥装置的设计。
通过此次毕业设计,我掌握了新型好氧堆肥装置设计方法和步骤及认识到了在设计过程中所 要注意的问题,包括反应仓通风曝气,布水及控制系统人机界面的相关知识。其中最重要的利用 有限元软件 ANSYS 对搅拌釜的仿真分析, 同时也让我接触到了有限元法的相关知识, 尤其是近年 来有限元法与计算机的结合在工程应用上的巨大价值。
在装置的理论设计部分结束的时候装置组装也完成了,看着装置我能直观的了解新型好氧堆 肥装置各个零部件的工作情况,
总的来是说,这次设计使我在基本理论的综合运用以及正确解决实际问题方面得到依次较好 的锻炼,提高了我独立思考问题、解决问题以及创新设计的能力,如果以后从事这方面工作,也 能为我以后从事工程技术工作奠定了一个良好的基础。同时也让我了解目前我们这个专业所处的 位置。
本次设计任务业已顺利完成,但由于本人水平有限,缺乏经验,难免会留下一些遗憾,在此 恳请各位老师不吝赐教。
致 谢
毕业设计到这里就快要画上句号了, 过去的三个多月虽然辛苦可却非常充实。当然能在最 后阶段怀着这种心情,心中要感谢的实在太多太多。 首先要感谢的是这次带我毕业设计的导师周 老师,周老师是一个做事比较讲究效率的人,从开学到整个毕业设计结束,周老师把时间都规划 的很细致,每个时间段都有每个时间段的任务,这样就相当于把一个大目标为我们分的很小很小, 所以整个毕业设计过程我们都感觉比较轻松,同时,她教会了我们很多东西。
其次,我要感谢,在这次毕业设计期间对我有帮助的所有人,包括亲爱王静同学,还有其他 师兄师姐,因为有了你们的帮助,让我们在整个过程都一点都不枯燥,不会的可以讨论,不懂的 可以交流, Everybody 把所知道的都是倾囊相授,一点都不保留,我想这对我们以后培养自己的团 队合作精神是非常有帮助的,也正是因为这样,我们才能顺利的完成这次毕业设计。
再次我还要感谢大学所有的老师,正因为有了他们的兢兢业业,资深的专业素养,严格的要 求,为我们在机械专业知识方面打下了坚实的基础。
最后感谢塔里木大学这些年对我的大力栽培,因为母校这个平台,锻炼了我,同时也让我学 到了很多宝贵的经验,也正是因为有了母校,我得以认识那么多对我人生有帮助的人,我想,带 着所有的这份充实,满足,我一定能在机械这个行业走的更好、更远。
参考文献
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范文四:好氧堆肥的工艺设计
人体排泄物的好氧堆肥处理工艺 人的排泄物中可作为植物养分的物质大部分在尿液里,一个成人一年约产生400升尿,其中含有4公斤氮、0.4公斤磷和0.9公斤钾。这些养分的存在形式最容易被植物吸收。氮是尿素形式,磷是磷酸盐形式,钾是离子形式。人尿中重金属的含量远低于化肥。由此可见,尿是农作物的优质肥料。
一部分用于小区的草地肥料,并入小区的灌溉系统,尿液与水的比例控制在1:4,以防止高浓度尿液烧苗。多余的尿液出售给周边的农民。在冬季,周边地区大棚蔬菜生产基地足以全部利用多余的尿液。
经过密闭放置尿液达到如下标准
储存温度 储存时间 储存后尿混合液中可能有的病原体 推荐施用的作物 4℃ >1月 病毒,原生物 要加工的食物和饲料 4℃ >6月 病毒, 要加工的食物和饲料
20℃ >1月 病毒, 要加工的食物和饲料
20℃ >6月 可能没有 所有作物
2、粪便的处理利用
粪便的主要成分是未消化的有机物,每人每年的粪便总量约25—50公斤,其中含有0.55公斤氮、0.18公斤磷、0.37公斤钾。虽然粪便比尿含有的养分少,但粪便经过脱水和降减无害化处理杀灭病原体后是一种宝贵的土壤调节剂。可为土壤增强肥力,改善持水能力,提高养分的可利用性。降减过程中产生的腐殖质也可供有益的土壤种群生长,可保护植物不被土壤传播的疾病侵害。
粪便的处理主要采用好氧堆肥处理技术。好氧堆肥是在有氧条件下,依靠好氧微生物的作用来进行。在堆肥过程中,有机废物中的可溶性有机物可透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物直接吸收;而不溶性的胶体有机物,先被吸附在微生物体外,依靠微生物分泌的胞外酶分解为可溶性物质,再渗入细胞。微生物通过自身的生命代谢活动,进行分解代谢和合成代谢,把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物,并放出生物生长、活动所需的能量,把另一部分有机物转化合成新的细胞物质,使微生物生长繁殖,产生更多的生物体。 好氧堆肥的原料来源:(1)小区的粪变
(2)小区的有机生活垃圾
(3)二沉淀池的污泥
好氧堆肥的工艺流程(见下图):
(1)预处理
预处理主要是保障堆肥的原料要求,对于小区的粪便、垃圾、污泥混合料,要求其含水率为40—60%,必要时需脱水处理,垃圾的粒度小于50mm ,有机物需大于20%。以保证堆肥化的正常进行。
(2)发酵堆肥
采用筒仓式发酵仓静态发酵,发酵时间6—10天,仓内温度控制在45—65℃。由高压离心机强制通风,以维持仓内堆料的好氧发酵。物料从仓顶部有给料机给入,仓底安装螺旋出料机,仓底出料。
(3)脱臭
在堆肥过程中有臭气产生,主要有氨、硫化氢等,必须进行脱臭处理。采用活性碳脱臭器,将产生的臭气导入脱臭器,活性碳吸附去臭。
(4)储存
经过5~7天高温堆肥后蛔虫卵死亡率 95-100%,粪大肠菌值 101-102 ,有效地控制苍蝇孳生,堆肥周围没有活动的蛆,蛹或新羽化的成蝇
主要设备
范文五:好氧堆肥
好氧堆肥
一. 好氧堆肥
1.好氧堆肥的概念及原理 :
好氧堆肥原理:有氧条件下,利用堆料中好氧微生物的生命代谢作用—氧化、还原、合成等过程对有机固体废弃物(本研究主要是人体排泄物—粪便)进行生物降解和生物合成。其工艺主要流程可分为:前处理、主发酵、后发酵、后处理和贮存5个步骤。好氧堆肥有有机物降解速率快且彻底、腐熟时间短、无害化程度高、无中间产物和臭味、环境条件好和堆肥产品肥效高等优点,因此在城市生活垃圾处理中多优先选用好氧堆肥处理。
2.好氧堆肥发酵过程图:
堆肥有机物 + 氧气 + 释放能量转化为热
3. 好氧堆肥系统 :
根据各自的技术特点以及研究目的、方向和手段不同将好氧堆肥分为通气静态条形堆式、条形堆式和反应器式堆肥三类。目前在国内外普遍应用的是反应器式堆肥方式,因为该堆肥方式具有堆肥周期短,不受时间和空间限制等特点,容易实现工业化生产,环保效益较好,有较大的推广应用价值。
4. 好氧堆肥的影响因素及控制 :
好氧堆肥技术是将有机废物资源化和无害化的重要手段,并且得到广泛的应用,但是好氧堆肥是一个复杂的过程,在堆肥过程中受到诸多因素的影响。这些因素制约着反应条件,从而决定了微生物的活性,最终影响堆肥的速度与质量。影响堆肥过程的因素很多,其中主要因素有温度、颗粒度、pH、C/N、含水率、有机质含量、氧含量等。好氧堆肥中微生物的活性和有机物的降解率可以通过调控这些因素得到改变,从而达到优化堆肥的目的。
(1)温度
堆肥化过程中,堆料中微生物的活性受到温度重要影响。根据堆体温度的不同将堆肥分为高温堆肥、中温堆肥和自然堆肥,其实中温堆肥温度和自然堆肥温度比较接近。温度不宜过高,温度过高会过度消耗有机质,导致堆肥产品质量过低,甚至失去肥效。堆体温度应控制55-60℃时(即高温堆肥)比较好,不宜超过60℃。一般来讲高温堆肥比中温堆肥的效果要好一些,但也有许多堆肥综合能耗、实际可操作控制反应条件等其他因素选择中温堆肥,用远低于高温堆肥所需能量达到的堆肥效果略低于高温堆肥。
(2)通风
通风在好样堆肥过程中的作用有供氧、去除多余水分、散热及调节堆体温度,除此之外还可以控制堆体的温度和氧含量,因此通风被认为是堆肥系统中最重要的因素。合理的通风不仅可以提高堆肥产品质量,而且可以节省能耗;过高过低的通风速率都会对好氧堆肥过程造成不利影响:通风速率过低会造供氧不足而导致成堆体局部厌
氧,生成CO、CH4等有害气体并产生异臭味给周边环境带来危害;反之,过高的通风速率不仅造成通风损失过大,不利于维持堆体温度,而且会造成大量的氮素损失,减低堆肥产品的肥效,增加堆肥能耗。试验表明增大堆料孔隙率有利于提高通风供氧。
(3)C/N比
C/N比也是影响堆肥过程的一个重要因素C/N比过高过低都会影响堆体中微生物对有机质的降解作用。C/N比过高不利于堆肥过程中微生物的生长;C/N比过低,则堆肥产品会影响农作物生长,还会造成氮素损失加重。研究表明,一般在20/1到30/1之间比较适宜。城市垃圾作为堆肥原料时,最佳的C/N为(26~35 ):1。
(4)pH值
pH值是一个可以对微生物环境作为估价的参数,一般微生物最适宜的pH值为中性或弱碱性,适宜的pH值可使微生物高效的发挥作用,但pH值太高或太低都会使堆肥处理遇到困难。研究表明pH值在6-9之间时堆肥化得以顺利高效的进行。同样当堆料的pH值不在此范围时,可添加其他物料予以调节,如当pH<>
(5)水分
水分为微生物进行生命活动所必需的条件,无论什么堆肥系统,含水率均应不小于40%,不大于70%,最佳含水率应为50%~60%。含水率过低,微生物的代谢速率会降低,进而降解堆料的速率也降低;水分过高,则堵塞堆料中的空隙,影响通风,导致厌氧发酵,
减慢有机物的降解速度,延长堆肥时间。显而易见,水分对堆肥过程的影响也是不可忽视的。
5. 堆肥腐熟的概念及判定
堆肥腐熟是指经微生物作用后,堆料中的有机物腐化分解成为成分稳定、不再变化,而且堆肥产品施用于土壤后能改善土壤理化性质、增加农作物产量。直观的判定标准:不再进行激烈的分解。如成品的温度较低(感),呈茶褐色或黑色(视),不产生恶臭(嗅),手感松软而碎。为制定堆肥质量及评价装置的性能,必须有科学定量的判定标准。常见标准主要有物理、化学和工艺参数标准。
(1)物理参数评价指标:堆肥后期温度自然降低;不会再发出异臭味,而是发出令人愉快的泥土味,不会吸引蚊蝇;由于真菌的生长,堆肥内出现白色或灰白色菌丝;堆肥产品呈现均匀疏松的团粒结构;腐熟的堆料应为褐色或黑褐色;堆体体积比刚堆时缩小2/3~1/2。物理方法只是从感官上对堆料做出初步判断,难以进行定量分析。
(2)化学参数评价指标:作为腐熟度的判定标准的化学参数主要有:pH值、COD、Vs、C/N 等。
①pH值。pH值随堆肥化的进行而变化,可作为评价腐熟程度的一个指标。发酵初期 pH =6.5~7.5;腐熟的堆肥 pH=8~9。
②腐殖化系数,为30%左右。
③化学需氧量COD。腐熟后COD降低 85%,可信度良好。 ④ C/N。未腐熟(35~50):l,腐熟后(10~20):1。
(3)用工艺参数作为堆肥腐熟度判定标准:
①温度:在堆肥化过程中,堆料的温度会经历升温、高温到降温三个阶段,温度升高是因有机物分解释放能量所致。故可通过检测堆肥工艺过程的温度变化,来判断有机物降解及稳定化(或腐熟)情况。 ②耗氧速率:堆肥化过程中,好氧微生物分解有机物时消耗氧并产生CO2, O2的消耗或的CO2产生速率反映了有机物的分解程度和堆化的进行程度。因此,用好氧速率或CO2的生成速率可判断堆肥的腐熟程度。
(4)种子发芽指数(GI)
在众多评价堆肥腐熟程度的指标中,种子发芽指数是不受堆肥原料和操作方式影响的唯一指标。现有研究认为植物毒性与堆肥初期堆料的降解过程有关,完全消除这种植物毒性需要一定的时间,我们把所需这段时间称为腐熟期。通过观察加入堆肥产品后的植物种子芽情况,便能迅速准确测定堆肥产品里抑制植物生长物质的降解情况,因而,种子发芽指数是目前应用最广泛的评价堆肥腐熟程度的指标。Zucconi等报道,发芽指数大于50%就可以认为堆肥腐熟。Tiquia等认为,当GI达到80%以上时,堆肥中对植物产生抑制作用的物质己经完全消失。
6. 好氧堆肥与生态卫生厕所
好氧堆肥是有氧条件下,利用堆料中好氧微生物的生命代谢作用—合成、分。在好氧的条件下堆肥时有机物降解速率快且彻底、腐熟时间短、无害化程度高、无中间产物和臭味、环境条件好以及堆肥产品肥
效高。 近年来,不同专业领域的研究人员从好氧堆肥处理的病原微生物灭活及其健康安全风险评价、好氧堆肥的有机物生化降解机理、好氧堆肥动力学和好氧堆肥处理过程相关微生物群落及其演替特点等方面对好氧堆肥做了许多新的深度研究,使得好氧堆肥技术能得到更加成熟、安全的应用,其在生态厕所方面的应用就是一个典范。 生态厕所是以减少水消耗为特点,达到污染物自净和资源循环使用,实现粪便的无害化和资源化处理,达到零排放,在使用和运行过程中不产生对环境有害物质,不会造成环境污染。生态厕所的特征是以生态原理为指导,符合可持续发展基本原理,并能经济运行。好氧堆肥在粪便处理中的应用生态厕所的研究(主要是在免水冲厕所)已成为近几年国内外研究的热点之一,并已取得不少成果。 免水冲卫生厕所的核心是安装了一个生化反应器,其本质是一种好氧堆肥反应器,反应器中有可定期补充的生物填料。与传统的厕所相比,它既不浪费水资源,也不需要下水道系统,同时产物还可用作有机肥,由于锯末抗磨损和难降解,生态厕所可以长期使用,甚至一年以上才更换一次。 好氧堆肥技术在生态厕所中的应用还有能有效保持氮磷营养元素不被分解流失,保持了堆肥产品的肥效和使用价值;能有效灭活粪便中粪大肠杆菌等病原微生物,安全、卫生、无健康风险。通过外部控制,生态卫生设备可根据具体需要,保证反应器内温度均一,维持在50%~60%之间,达到所需要的堆肥条件,缩短堆肥化的时间。由于具有节水、源头控制人粪便污染、灭菌和扩大厕所应用范围提高生活水平等优点,生态卫生设备正日益受到人们的青睐和逐步推广,这必
将引起厕所的一场革命,给环境也将带来重大而深远的影响。 正是由于生态卫生厕所具有如此多的优点,使得其在在一些国家和地区的风景园林、旅游景点、会展集会场所、城市公厕 、地震灾害应急场所、甚至家庭厕所等都让商品化的生态厕所发挥了重要作用。生态厕所也还存在诸多问题,如理论研究还不够深入和完善,对重金属的累积效果、排气以及臭味污染控制、微污染物如抗生素和激素以及农药等处理效果、顽固病原微生物等的灭活效果的研究,尤其是氮损失及其堆肥过程氮元素迁移转化过程及其形态变化等的研究还不够深入,有待进一步加强;另外,粪尿中含有大量的有机物、恶臭及致病微生物,如何通过环境工程等手段,使这些污染物得到妥善处理,最终将粪便无害化,排入周围环境,完全不对环境造成破坏这些都需要我们进一步完善。