1、本課題來(lái)源及研究的目的和意義。
隨著城市人口急劇增加,中國(guó)每年有大量的有機(jī)固體廢棄物產(chǎn)生,主要種類包括畜
禽糞便、作物秸稈、污泥和城市垃圾等。這些有機(jī)固體廢棄物很大一部分沒(méi)有得到妥善處理,對(duì)中國(guó)城鄉(xiāng)環(huán)境正形成巨大的壓力。而近年來(lái),各地環(huán)境日趨嚴(yán)峻,這些廢棄物的處理問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視,如何有效的利用這些廢物使之變廢為寶成為現(xiàn)在首要解決的問(wèn)題。
隨之就出現(xiàn)了堆肥技術(shù)。即在受控制條件下, 利用微生物的作用和酶活性加速有機(jī)物的生物降解和轉(zhuǎn)化,最終使有機(jī)物達(dá)到腐熟化和穩(wěn)定化的過(guò)程。堆肥一般采用在好氧條件下,利用微生物將污泥中的有機(jī)質(zhì)分解、轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)的過(guò)程,并殺滅其中的病原微生物和寄生蟲(chóng)(卵)。堆肥過(guò)程不僅可以減少有機(jī)固體廢棄物的體積、重量、臭味, 殺滅病原菌、蟲(chóng)卵、植物種子等,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的腐殖質(zhì)[11]。生產(chǎn)出來(lái)的堆肥品, 可以作為土壤調(diào)理劑和植物營(yíng)養(yǎng)源, 能有效地改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力,是一種無(wú)害化、減量化和穩(wěn)定化的綜合處理技術(shù)。好氧堆肥是實(shí)現(xiàn)城市污泥無(wú)害化、減量化和資源化的有效方法,處理后的污泥垃圾進(jìn)行土地利用是很有前景的一種處理方式[1]
2、本課題所涉及的問(wèn)題在國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析。
2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀:目前,堆肥處理存在很多問(wèn)題,主要包括:調(diào)理劑添加過(guò)多、堆肥效率低、能耗較大、堆肥產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、污泥堆肥施用量確定不科學(xué)等[1]。在中國(guó),囿于當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀,高度機(jī)械化、自動(dòng)化的堆肥設(shè)備成本太高,不符合中國(guó)的國(guó)情。所以要在中
國(guó)發(fā)展堆肥產(chǎn)業(yè)和堆肥技術(shù),就必須去尋找一個(gè)成本較低、操作方便、維護(hù)性較好、真正適合中國(guó)國(guó)情的堆肥工藝和技術(shù)[15]。
2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀:在國(guó)外,堆肥技術(shù)正在向著機(jī)械化、自動(dòng)化的方向發(fā)展,而為了防止對(duì)環(huán)境的二次污染,堆肥也趨向于采用密閉的發(fā)酵倉(cāng)方式[15]。成熟的技術(shù)堆肥方法主要有5種,即定期翻堆條垛式、通風(fēng)靜態(tài)垛式、被動(dòng)通風(fēng)條垛式、反應(yīng)器式和蠕蟲(chóng)堆肥系統(tǒng)[14]。根據(jù)攪拌過(guò)程的不同分槳式攪拌器、渦輪式攪拌器、推進(jìn)式攪拌器、錨式攪拌器、框式攪拌器、螺帶式攪拌器、螺桿式攪拌器、圓盤(pán)鋸齒式攪拌器等等。
目前,國(guó)外垃圾堆肥廠數(shù)量總體呈下降趨勢(shì),但垃圾堆肥技術(shù)的發(fā)展并沒(méi)有停頓,應(yīng)用最廣的是機(jī)械生物技術(shù)(MBT)。河北省高碑店市的垃圾處理即采用德國(guó)先進(jìn)的MBT主體技術(shù),對(duì)垃圾進(jìn)行機(jī)械分揀、生物處理和后處理,產(chǎn)生生物穩(wěn)定的堆肥產(chǎn)物,設(shè)計(jì)每年可處理城市生活垃圾4萬(wàn)余噸[16]。
有關(guān)堆肥技術(shù)的研究目前仍是國(guó)內(nèi)外的熱門課題,不斷改進(jìn)堆肥工藝、設(shè)備、降低經(jīng)濟(jì)成本、提高堆肥成品質(zhì)量是研究者們研究的主要方向。
3、 對(duì)課題所涉及的任務(wù)要求及實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可行性分析:本學(xué)期對(duì)于此次課題的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容和裝置分析已經(jīng)有了初步的思路,堆肥裝置的容積設(shè)計(jì)為直徑1米左右的圓柱形,主要可以分為攪拌裝置,傳動(dòng)裝置,動(dòng)力裝置,其次還有取料、布水系統(tǒng)等。其中重點(diǎn)設(shè)計(jì)部分是攪拌裝置,其次是傳動(dòng)裝置和布水系統(tǒng)。其中攪拌軸的設(shè)計(jì)分析完成,傳動(dòng)部分的帶輪設(shè)計(jì)分析完成。接下來(lái)的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要就是計(jì)算部分。
4、 本課題需要重點(diǎn)研究的、關(guān)鍵的問(wèn)題及解決的思路
4.1 、研究的主要內(nèi)容:新型好氧堆肥裝置主要包括攪拌裝置、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置及爆汽、布水和取料等部分。在攪拌裝置的設(shè)計(jì)部分,主要是攪拌反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)。
確定底間距,底間距與攪拌容器內(nèi)徑比值一般在0. 05~ 0. 3范圍內(nèi)選取,在槳型、槳徑確定的前提下,該比值越小,固相完全離底懸浮臨界轉(zhuǎn)數(shù)越小,因此,在滿足底層槳軸向排量的前提下,該比值盡量取最小值。
確定層間距,層間距與槳徑之比一般在0. 5~ 2. 0范圍內(nèi),由攪拌槳軸向作用范圍和反應(yīng)釜高度決定攪拌槳層數(shù)。對(duì)于兩層以上的多層槳,要調(diào)整槳徑和層數(shù)取得較合理的層間距,使上下兩層槳作用范圍既能相接又不重疊過(guò)多,達(dá)到攪拌效果好軸功率低的效果。
確定攪拌槳轉(zhuǎn)速,一般轉(zhuǎn)速越低,攪拌效果越好,電機(jī)功率要求也大,反之亦然;確定攪拌裝置電機(jī)功率根據(jù)槳型和裝置特性,確定各層槳功率準(zhǔn)數(shù),再用各層槳功率準(zhǔn)數(shù)、槳徑、轉(zhuǎn)速及物料密度計(jì)算各層槳軸功率,計(jì)算各層槳軸功率之和,同時(shí)將傳動(dòng)系統(tǒng)效率、電機(jī)儲(chǔ)備系數(shù)考慮在內(nèi),即可確定攪拌裝置電機(jī)功率。
設(shè)計(jì)攪拌軸確定葉片按攪拌軸傳遞功率、軸強(qiáng)度、軸剛度以及臨界轉(zhuǎn)速分別計(jì)算軸最小直徑,取計(jì)算值中較大值為軸最小直徑;另外還要考慮,軸上開(kāi)孔、開(kāi)槽、以及介質(zhì)腐蝕的影響一般增大軸徑4~ 15%。對(duì)于直徑小于6m、高徑比小于1. 2的攪拌軸采用實(shí)心軸,底部可不加底軸承;對(duì)于直徑大于6m、高徑比大于1. 2的攪拌軸采用空心軸,底部需加裝底軸承;
攪拌軸的設(shè)計(jì)部分完成后就可以進(jìn)行電動(dòng)機(jī)功率的選擇。
傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)部分主要是帶輪的設(shè)計(jì)和V帶的選擇。帶傳動(dòng)具有良好的撓性,可緩和沖擊吸收震動(dòng),過(guò)載保護(hù)且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本較低,所以在電動(dòng)機(jī)和減速器之間選擇用帶輪傳動(dòng)。
整個(gè)堆肥系統(tǒng)的布水系統(tǒng)主要是在攪拌軸及槳葉里,類似于穿孔配水,穿孔管布水系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、成本低廉而被廣泛應(yīng)用于給水和污水處理系統(tǒng),如濾池、厭氧反應(yīng)器、沉淀池等的布水系統(tǒng)。目前穿孔配水管的設(shè)計(jì)理論是基于工程流體力學(xué)的伯努利方程( 孔口出流公式) ,將配水管的孔口看作薄壁孔口,即孔口處的出水可視為薄壁小孔口出流,但因?yàn)榇┛坠苁欠植荚诜识褍?nèi)所以需要一定的壓力才能將水泵出。目前對(duì)穿孔布水管布水均勻性的改進(jìn)主要有兩種: 一是擴(kuò)大配水管的管徑和減小孔口的開(kāi)孔面積,以減小管內(nèi)水頭損失并增大孔口處的局部水頭損失,減少孔口之間的水頭差值以此來(lái)平衡孔口間的流量差距; 另一種是采用變間距的方法,孔口間距沿水流方向依次減小,使單位長(zhǎng)度管道上的出水流量相等。
4.2、解決思路:
5完成本課題所必須的工作條件及解決方法:在解決問(wèn)題的過(guò)程中,需要進(jìn)行實(shí)際的堆肥,因?yàn)樾枰獪y(cè)量一些數(shù)據(jù)如長(zhǎng)方形材料板在不同深度和重力下的粘滯力及V字板在不同深度的粘滯力。并根據(jù)這些數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算前面提到的攪拌軸的設(shè)計(jì)部分。根據(jù)之前設(shè)計(jì)思路,整個(gè)裝置分為攪拌裝置,傳動(dòng)裝置及動(dòng)力裝置。攪拌裝置又分為槳葉和倉(cāng)體,槳葉的設(shè)計(jì)就需要用到測(cè)量所得的數(shù)據(jù),包括肥料的重力和肥料與槳葉之間的粘滯力。傳動(dòng)裝置分為減速器與懸臂軸,懸臂軸要進(jìn)行扭矩校核。
6、 完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃:首先,拿到課題要分析課題所涉及的內(nèi)容,構(gòu)思一下,查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)。然后撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告,確定要設(shè)計(jì)的裝置。最后進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,整理,撰寫(xiě)設(shè)計(jì)論文。
7、 參考文獻(xiàn)
[1]康軍. 楊凌城市污泥高效好氧堆肥研究[D]. 西北農(nóng)林科技大學(xué).
[2]徐智,張隴利,梁麗娜等. 不同體積堆肥裝置下的雞糞堆肥效果研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2008, 24(10):205~208.
[3]楊而寧. 反應(yīng)釜攪拌軸總體設(shè)計(jì)與計(jì)算[J]. 四川化工,2007,10(2):40~43.
[4]張智,羅金華,馬明初等. 臥式螺旋式污泥好氧動(dòng)態(tài)堆肥裝置的研究[J]. 環(huán)境工程,2004, 22(2) :66~68.
[5]戴芳,曾光明,袁興中等. 新型堆肥裝置設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究[J]. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2005,6(2):24~28.
[6]劉晶昊,陳海濱,楊禹等. 引風(fēng)式好氧堆肥裝置設(shè)計(jì)及通風(fēng)效果研究[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程,2011,19(5):1~3.
[7]王月伶,劉訓(xùn)東,蔣建國(guó)等. 有機(jī)固體廢物好氧堆肥實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012,29(12):65~67.
[8]陳海濱,萬(wàn)迎峰. 重力翻板式垃圾快速堆肥裝置的工藝設(shè)計(jì)[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程,2006,14(1):40~43.
[9]沈明衛(wèi),郝飛麟. 供水壓力對(duì)穿孔管布水系統(tǒng)布水均勻性的影響[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2008,42(6):1085~1088.
[10] 李艷. 微生物多糖黃原膠高粘度發(fā)酵的攪拌系統(tǒng)特性研究[D]. 江南大學(xué).
[11] 常勤學(xué),魏源送,夏世斌. 堆肥通風(fēng)技術(shù)及發(fā)展[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2007,30(10):98~107.
[12] 王天鵬,郭海燕,陳伊等. 穿孔布水系統(tǒng)均勻性理論及實(shí)際差異分析[J]. 中國(guó)給水排水,2014,30(15).
[13] 劉潔. 蝸輪蝸桿傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 蝸輪蝸桿優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,2008,32(2).
[14] 劉芳,馬俊偉.國(guó)外大學(xué)校園垃圾堆肥技術(shù)與應(yīng)用[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程,2005,13(2):3~6
[15] 余群,董紅敏,張肇鯤.國(guó)內(nèi)外堆肥技術(shù)研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,30(1):109~112.
[16] 柳曉斌.國(guó)外垃圾處理技術(shù)現(xiàn)狀及對(duì)北京的啟示[J].低碳論壇,2012,12(222):54~56.
[17] 常勤學(xué).通風(fēng)控制方式對(duì)動(dòng)物糞便堆肥過(guò)程和氟磷轉(zhuǎn)化的影響[J].武漢理工大學(xué).