【word】 试验室好氧堆肥反应器系统性能试验

【word】 试验室好氧堆肥反应器系统性能试验 试验室好氧堆肥反应器系统性能试验 2008年1月农业机械第39卷第1期 试验室好氧堆肥反应器系统性能试验 吕黄珍韩鲁佳张锐 * 【摘要】为探讨试验室自制强制通风好氧堆肥系统的保温性能和通风性能及其对好氧堆肥过程的作用效果. 进行了不同初始质量和初始温度的热水保温试验,测定了系统保温性能参数以及不同流量下的通风性能.最后进 行鲜猪粪麦秸混合好氧堆肥平行试验.结果显示:各反应器保温箱的保温性能没有显着性差异,保温性能参数 UA值的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 差为0.02,最大相对标准偏差为4.93%;各反应器间通风系统性能差异不显着,当流量计设定流量分 别为0.2,0.5,1.0,1.5和2.0L/min时,各反应器通风管出口处的流速在同一设定流量下基本相等;好氧堆肥试验 过程堆体温度经历了快速升温,保持一段时间的高温和温度缓慢下降3个阶段,各反应器堆体温度超过50E的时 间分别为5.3天,6.0天,5.1天和6.8天,符合国家标准;可挥发性固体降解率依次为18.1%,13.3%,15.8%和 15.2%. 关键词:好氧堆肥反应器性能分析试验 中图分类号:S141.4文献标识码:A ExperimentalInvestigationonthePerformanceof Laboratory-scaleAerobicCompostingReactorSystem LnHuangzhenHanLujiaZhangRui (ChinaAgriculturalUniversity) Abstract Tostudytheperformancesoftheinsulationandaerationsystemofthelaborato scaleaerobic ry— compostingreactorsystemanditseffectsonaerobiccompostingprocess,thehotwaterthermal insulatingexperimentsindifferentinitialtemperaturesandweightswerecarriedout.Toevaluatethe thermalpropertyofinsulationcansofthereactors.aswellastheirventilationperformancesat5 unequalfluxes,inaddition,freshpigslurryandwheatstrawaerobiccompostingweretested subsequently.Theexperimentalresultsshowthat:thethermalpropertyparametersUAofinsulation cansofthereactors,whereUiStheoverallheattransfercoefficient(kW/(m2?K))andAiStheheat transferarea(m2),hasnosignificantdifference,andthestandarddeviation(S D)andRSDofUAare 0.02and4.93%respectively;theirventilationperformancehasnosignificantdifference, furthermore,foreachfluxof0.2,0.5,1.0,1.5and2.0L/min,theaerationrateiSalmostequal; thecoretemperaturesofcompostingoffreshpigslurryandwheatstrawaretypicallyundergoneinturn aperiodofrapidtemperatureincreaseintothethermophilicrange,aplateauregionandagradual return.Thetimeoftemperatureremainedabove50? was5.3.6.0,5.1and6.8daysrespectively. Theirvolatilesolidreductionratesare18.1%.13.3%.15.8%and15.2%. KeywordsAerobiccomposting,Reactor,Performanceanalysis,Experiment 引言 好氧堆肥过程涉及物理变化,化学和生化反应. 受水分含量,温度,碳氮比,通风供氧量,pH值等多 因素影响以及人力,物力和时间限制,堆肥试验结果 往往因堆肥设备,原料及堆制时间不同而不同【1--2]. 如何利用现代试验手段,研究堆肥过程,寻求最佳工 艺条件,提高堆肥效率和品质等问题,备受国内外关 收稿日期:2007—01—02 *高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(项目编 号:20040019039) 吕黄珍中国农业大学工学院博士生,100083北京市 韩鲁佳中国农业大学工学院教授博士生导师 张锐中国农业大学工学院硕士生 农业机械2008焦 注.大型堆肥试验运行费用高,条件控制困 难[3-5],而试验室小型堆肥试验较为方便,只是部 分小型堆肥试验系统通常不易通过自热达到并维持 高温堆肥化条件[.文献[3,6]显示,小型试验室 堆肥反应器系统热量传导损失占61%;而工业化堆 肥生产中仅11%.如果堆肥反应器有效体积小于 30L’简单保温 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 则不能保证合适的降解温度J. 所以,采用试验室小型堆肥试验必须深入探讨系统 保温条件与措施,采用外加热装置是维持试验室堆 肥条件的常用方法,但它不能反映实际堆肥过程. 因此,采用合适的绝缘材料,如泡沫,玻璃纤维,石棉 以及木质材料等,作为小型试验室自热反应器的保 温层,以维持堆肥系统自热产生的热量,能更真实地 模拟堆肥过程~1.本试验探讨试验室强制通风 好氧堆肥系统的保温性能和通风性能,并应用该系 统进行猪粪麦秸混合好氧堆肥试验. 1试验室好氧堆肥反应器系统原理 小型好氧堆肥反应器系统主要由反应装置,通 风控制系统,保温箱,温度测定与采集系统以及尾气 吸收装置组成,如图1所示.反应装置主体为不锈 钢圆柱体,有效体积约15L;上下分体结构,采用人 工装填物料,中间连接部位用耐腐蚀橡胶密封圈密 封;与通风管通过螺纹连接,而排气管路和传感器等 均用耐腐蚀橡胶塞进行固定和密封;装置内堆肥原 料由不锈钢丝网托架支承.为满足好氧堆肥的通风 条件,通风控制系统由HP501型电磁振动式空气泵 (浙江森森实业有限公司,最大流量4L/min),体积 流量计(MBLD仪器公司,流量0.2,2.0L/min)和 通风管组成;空气经空气泵输送,由体积流量计调节 图1试验室好氧堆肥反应器系统结构简图 Fig.1Schematicdiagramofthelaboratory—scale aerobiccompostingreactorsystem 1.反应装置2.通风控制系统3.堆肥原料4.保温箱 5,6.热电偶7温度测定与采集系统8.尾气吸收装置 流量,再经通风管被输送至反应装置托架底部中央 位置,通过不锈钢丝网孔实现对堆肥物料的均匀通 风供氧.反应装置外部是泡沫填充的上下分体木制 保温箱,,用于减少堆体温度的散失.温度测定系统 选用铜一康铜热电偶温度传感器(精度?0.1?),热 电偶分别测定堆体中心和环境温度;温度测定信号 经DL3000(ATDelta—TDevices,England)采集,由 数据处理软件Delta—TAcquire实时监测和输出,可 根据试验设定温度采集 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 间隔.尾气吸收装置分 别采用浓硫酸和浓氢氧化钠溶液吸收堆肥试验过程 中产生的尾气. 2试验 2.1测定原理 在试验室的封闭条件下,外界与堆肥系统几乎 没有对流传热,保温箱外壁温度接近室温,热量辐射 损失可以忽略,系统热量损失主要为热传导,则系统 热量平衡方程[11]为 E=E1+E2一E3(1) fVodT 其中EE3UA(T—Too) 式中T——堆肥温度,? T..——环境温度,? t——时间,hE——输入的热量,W E2——产生的热量,W c——堆肥比定压热容,J/(kg?K) v——堆体体积,rn0 』D——堆肥密度,kg/m. U——总传热系数,W/(m?K) A——总传热面积,m2 反应器的总传热系数U是描述堆肥系统传热 性能的一个重要参数,它 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征了堆肥传热能力的大 小.在总传热面积A相同的情况下,可以通过比较 不同反应器的总传热系数来探讨保温效果的好坏; 在A未知或不容易测算的情况下可以将U与A的 乘积UA作为衡量保温系统保温性能的综合指数. 为了估算保温箱的UA值(W/K),依据热量平衡原 理,利用热水代替堆肥进行热水保温试验,则系统没 有热量输入和热量产生,对式(1)分离变量并积分, 可以得到 T_:,rdt(2)l一=,l一,1,?,?JTT—T..J,VlD, 式中T——热水初始温度,? t,ti——试验开始时刻和试验数据记录时 刻,其差值的单位为h 第1期吕黄珍等:试验室好氧堆肥反应器系统性能试验93 T——试验数据记录时刻的热水温度,? Cpw——热水比定压热容,J/(?K) p——热水密度,kg/m —— 热水体积,m 试验过程中,U和A是常数;反应器密闭,没有 水分质量损失,=也是常数;在试验的温 度范围内,热水比热容Cpw变化差异非常小,其值约 为4.2×10J/(kg?K)[12],则式(2)积分结果为 ?n禾一cti-tl?m=一【)Llj 由于In{L—<0,所以将式(3)右边负号左移, 用作图法确定值,以一In{L为纵坐标,以 t—t】为横坐标,斜率k为正,得到 忌f.. UA(4) 定性与平行性,将热电偶均匀排列在试验台上,互不 接触,间距约5c,以防止环境对测试产生影响和 传感器相互间的干扰,并用1.2黑色塑料袋覆 盖,连续测温8h,温度记录间隔为157z. 2.3反应器系统保温性能试验 将16路传感器分为4组分别用于4台反应器. 每组4路,其中3路均布在反应器壁上,相互呈120. 夹角,如图2所示;另一路用于测定环境温度.试验 中,分别将不同质量,不同温度的热水(80,95?)倒 入4台反应器,迅速盖上保温箱,密封.试验重复 3次,见表1.结果取其平均值. 测点1 点 (a)(b) 图2反应器壁温度传感器测点位置示意图 2.2温度测定系统性能试验Fi2Lonsaan?ea? 为分析16路热电偶温度传感器测温系统的稳 表1保温箱保温性能试验 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 Tab.1Experimentaldesignfortestingtheheatpreservationperformances 6.66 5.48 4.84 6.58 5.32 4.50 4.64 4.66 89.0 83.5 78.0 94.0 2.4反应器通风系统性能试验 依据体积流量计的主要刻度,分别设定流量为 0.2,0.5,1.0,1.5和2.0L/min,每次调整流量稳定 5rain后,用QDF一2A型热球风速计(测定范围 0.05,10m/s)测定图1中通风管出口处的空气流 速.测定3次,结果取平均值. 2.5猪粪麦秸混合好氧堆肥试验 鲜猪粪取自北京郊区高丽营猪场;麦秸取自附 近农户,经铡草机铡切至2,5cm长.测定总碳含 量,总氮含量,含水率和可挥发性固体含量(VS)等 指标后立即进行堆肥试验.原料指标测定方法如 下:测定含水率和总固体含量采用(70?5)?烘箱 法[13;干样经粉碎后过100目筛,采用重铬酸钾容 量法测定总有机碳含量和凯式定氮法测定总氮含 量[?;550?灼烧法测定灰分[],总固体与灰分的 差值是可挥发性固体含量.堆肥试验原料指标如 表2所示(测定2次取平均值).选择堆肥条件:堆 肥混合物初始碳氮比为25;初始含水率为65%;采 用连续通风,通风速率为0.18L/(rain?kg).试验 中4台反应器的初始条件相同. 表2鲜猪粪和麦秸原料指标 Tab.2Characteristicsofpigslurryandwheatstraw 3结果与讨论 3.1温度测定系统性能 16路温度传感器测定结果最大平均偏差为 0.35?,最大标准偏差0.46?,最大相对平均偏差 1.6%,最大相对标准偏差2.0%. 3.2反应器系统保温性能 各试验条件下的温度曲线基本相似,图3所示 2008正 第1期吕黄珍等:试验室好氧堆肥反应器系统性能试验95 3.4好氧堆肥试验 3.4.1温度变化 堆体温度是衡量微生物新陈代谢活动产生热量 的尺度,可以用来描述堆肥系统的工作状态[].图6 是堆体温度与环境温度随堆肥时间变化的曲线,不 同堆肥试验过程堆体温度都大致经历了快速升温, 保持一段时间的高温和温度缓慢下降3个阶段的典 型好氧高温堆肥过程.堆体温度在2d内均可以上 升至50?以上,不同堆体的温度上升趋势几乎相 同.堆体温度在第3天左右上升至最高,最高温度 分别为69.5?,70.6?,70.9E和68.5?;随后温度 缓慢下降,不同堆体温度变化趋势相同.堆体温度 在第12天以后基本下降到平稳状态,无需再进行强 制通风堆肥. 8O 5O 董o赠 1O 01234567891011121314 时间/d 图6堆体温度变化曲线 Fig.6Temperatureprofilesofthecompost 依据国家粪便无害化卫生标准规定n,好氧堆 肥的最高堆温必须达50?以上,持续5,7d.堆体 温度超过50?的时间分别为5.3d,6.0d,5.1d和 6.8d.由此可知,反应器内的堆体温度都满足了无 害化国标要求,说明这些反应器可以成功进行堆肥 试验,用于试验室探讨不同条件下的堆肥工艺和进 行堆肥工艺优化. 3.4.2可挥发性固体变化 可挥发性固体(VS)的降解效果是评定堆肥效 果的一个重要标志_1.堆肥试验过程的VS降解 率,依次为18.1%,13.3%,15.8%和15.2%.堆肥 原料中麦秸的VS含量较高,且不易降解(停止通风 堆肥后,堆体中可以看见较为明显的秸秆残留),导 致vs降解率偏低.但是,经过强制通风好氧高温 堆肥后,猪粪的新鲜恶臭味消失,且腐殖气息较浓, 说明该系统对于猪粪的好氧堆肥起到了较好的作 用. 试验中堆体温度高于50?的时间越长对应 VS降解率反而越低,从原理上讲,vS降解越充分, 堆肥过程温度应该越高.虽然本试验采用了相同的 初始碳氮比,初始含水率以及相同通风速率,由于人 工混料的原因,堆肥初始原料总质量有一定差异,分 别为4.71kg,5.38kg,4.76kg和5.14.由于 VS降解率是VS绝对降解量与VS总量的比值,比 较起来,反应器1,3的总质量高于反应器2,4,其 VS总量和绝对降解量相对较高,在相同外部环境 和保温条件下,相同时间内,它们通过传导损失的热 量相等,那么VS绝对降解量高的,其堆体温度必然 高;然而,对于计算vs降解率而言,本试验条件并 未能保证堆肥物料充分降解,整体降解率偏低(均小 于20%),VS总量高的,降解率计算值反而偏小,从 而引起看似矛盾的结果.此处考察堆体温度高于 50?的时间主要是为了揭示该堆肥系统在保温箱作 用下能否满足国标规定的无害化卫生要求[1.而 实际上,要考察堆肥过程温度与vS降解率的关系, 不仅要考虑50?以上的温度作用,还包括40?以 上,甚至30?以上,乃至整个堆肥过程温度对vS降 解产生的作用;当然,作为富含多种微生物的鲜猪粪 原料堆肥而言,人工混合物料的不均性,微生物菌群 浓度及种类分布的差异也是影响降解率差异的一些 因素,这些因素对降解过程的影响有待进一步试验 探讨. 4结论 (1)16路温度传感器测定系统连续测定环境 温度的最大相对标准偏差为2.0%,温度测定系统 稳定,各路传感器测温性能没有显着性差异. (2)采用热水测定4台堆肥反应器保温箱的保 温性能,各保温箱之间没有显着性差异(=0.72> 0.05),UA值标准差为0.02,最大相对标准偏差为 4.93%. (3)各反应器间通风系统性能差异不显着(= 0.8632>0.05),当体积流量计设定流量分别为 0.2,0.5,1.0,1.5和2.0L/min时,各反应器通风 管出口处的流速在同一设定流量下基本上相等;但 是,当设定流量在0.2,1.0L/min的范围内,出口 实际流量与设定流量值之间呈直线上升关系,且基 本上相等;而当设定流量大于1.5L/min时,它们之 间不满足直线关系,且各反应器出口风速差异变大. 所以,当堆肥试验要求的流量大于1.5L/min时,应 该单独调节各流量计同时测定出口风速来确定实际 需求的设定流量. (4)试验室强制通风好氧堆肥系统进行鲜猪粪 和麦秸好氧堆肥试验的结果显示,堆体温度大致经 历了快速升温,保持一段时间的高温和温度缓慢下 降3个阶段.不同堆体温度超过50?的时间分别 为5.3d,6.0d,5.1d和6.8d,符合国标无害化高 温堆肥的要求;可挥发性固体vS降解率依次为 18.1%,13.3%,15.8%和15.2% 96农业机械2008拄 参考文献 1蔡建成.堆肥工程与堆肥工厂[M].北京:机械工业出版社,1990. 2HaugRT.Thepracticalhandbookofcompostengineering[M].Florida:Lew isPublishers,1993:248--249. 3HoganJA,MillerFC,FinsteinMS.Physicalmodelingofthecompostingeco system[J].AppliedandEnvironmentalMicro— biology,1989,55(5):1082,1092. 4AgnewJM,LeonardJJ.Thephysicalpropertiesofcompost[J].CompostSci ence&Utilization,2003,11(3):238--264. 5MasonIG,MilkeMW.Physicalmodelingofthecompostingenvironment:areview.Part1:reactorsystems[J].Waste Management,2005,25(5):501,509. 6BachPD,ShodaM,KubotaH.Thermalbalanceincompostingoperations[J].JournalofFermentationTechnology,1987, 65(2):199,209. 7PetiotC,GuardiaAde.Compostinginalaboratoryreactor:areview[J].CompostScience&Utilization,2004,12(1):69-- 79. 8EilandF,KlamerM,LindAM,eta1.Influenceofinitialc/Nratioonchemicalandmicrobialcompositionduringlongterm compostingofstraw[J].MicrobEcol,2001,41(1):272,280. 9KulcuR,YaldizO.Determinationofaerationrateandkineticsofcompostingsomeagriculturalwastes[J].BioresourceTech— nology,2004,93(1):49,57. 1O余群.密闭式静态强制通风堆肥系统的研究[D].合肥:安徽农业大 学,2003. 11ViningMA.Bench—scalecompostreactorssystemandtheself—heating capabilities[D].Texas:TexasA&MUniversity, 2002. 12赵镇南.传热学[M].北京:高等教育出版社,2002. 13ThompsonWH.Testmethodsfortheexaminationofcompostingandcomp ost[M].Washington:USCompostingCouncil, 2002. 14NY525--2002有机肥料[S]. 15周漠仁.流体力学泵与风机[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,1985. 16赵由才.实用环境工程手册:固体废物污染控制与资源化[M].北京:化学工业出版社,2002. 17GB7959—87粪便无害化卫生标准[S]. (上接第113页) 霉变面积比有一定的误差. 5结束语 对图像处理技术在花生霉变识别中的应用进行 了研究.提出了一种直接对B分量进行微分运算 的彩色图像边缘提取方法.去除图像背景后,经过 统计分析,采用H和s的阈值识别霉变区域,再经 形态学处理,计算霉变区域面积比,判断花生是否霉 变及霉变程度,检测结果的正确率为90%,表明这 种特征提取方法在花生霉变识别上有效. 参考文献 贾永红.数字图象处理[M].武汉:武汉大学出版社,2003. 许燕,樊瑜波,于晓军.体表损伤图像的分割[J].四川大学,2005,37(5):41,45. 蔡健荣,赵杰文.自然场景下成熟水果的计算机视觉识别[J].农业机械,2005,36(2):61,64. 陈坤杰,姬长英.基于图像运算的牛肉大理石花纹分割方法[J].农业机械,2007,38(5):195,196,206. 罗军辉,冯平,哈力旦A.MATLAB7.0在图像处理中的应用[M].北京:机械工业出版社,2005. NgHF,WilckeWF,MoreyRV,eta1.Machinevisionevaluationofcornkernel mechanicalandmolddamage[J].Trans oftheASAE,1998,41(2):415,420.