3.5 反應器式污泥堆肥

由于前面幾種堆肥好氧發(fā)酵方式人工可干預性不是特別強，因此在20世紀80年代后，世界各國開始研發(fā)出大量的反應器式污泥堆肥系統(tǒng)。

在各種堆肥系統(tǒng)中，反應器式污泥堆肥有其特殊之處，反應器堆肥將原料由容器內向外，由下向上堆放，器壁可以是簡單的木板墻（有頂或無頂），也可以是一個谷倉或儲藏建筑物。建筑物或堆肥倉由于體積龐大，可允許堆放更高的物料，對比無支撐堆體能更好地利用地面空間，在相同面積的地上，可以堆更多的物料。堆肥倉還能消除天氣和臭氣問題，也能提供更好的溫度控制。反應器堆肥方法的操作類似于靜態(tài)堆肥方法，如它們都采用強制通風、很少或無須翻堆等。

實際發(fā)現，對物料的重新混合有時可促進堆肥過程。也就是說如果使用若干個堆肥反應器，堆肥原料可以連續(xù)地、定期地從一個反應器輸送到另一個反應器，直至堆肥腐熟。好氧堆肥的大部分原則和指導建議也可應用于反應器堆肥，但是較高的堆肥反應器例外，因為更深的原料增加了對氣流的阻力（壓力損失）。和好氧靜態(tài)堆肥相比，反應器堆肥一般需要較強或更高壓力的鼓風機。

堆肥反應器一經推出，發(fā)展迅速，先后出現了大量不同的系統(tǒng)類型，這些系統(tǒng)類型按物料的流向可將反應器堆肥系統(tǒng)分為水平流向反應器和豎直流向反應器。水平流向反應器包括旋轉倉式、攪動倉式；豎直流向反應器包括攪動固定床式、包裹倉式。美國國家環(huán)境保護局把反應器堆肥系統(tǒng)分為：推流式（plugflow）和動態(tài)（dynamic）混合式。推流式系統(tǒng)中入口進料，出口出料，不同時間階段的物料在堆肥發(fā)酵倉中的停留時間相同；動態(tài)混合式系統(tǒng)中，用機械不停地攪動混勻物料。根據不同的發(fā)酵倉的形狀，推流式系統(tǒng)又可以分為圓筒形反應器、長方形反應器和溝槽式反應器；動態(tài)混合式可以分為長方形發(fā)酵塔和環(huán)形發(fā)酵塔。也有研究者根據通風方式、有無攪拌和外形特點，將反應器系統(tǒng)分為被動通風反應器系統(tǒng)、強制通風無攪拌反應器系統(tǒng)、強制通風有攪拌反應器系統(tǒng)和滾筒反應器系統(tǒng)。同其他堆肥系統(tǒng)相比，反應器堆肥系統(tǒng)具有堆肥產品質量高、操作人員少、有效的堆肥過程控制和臭味控制、空間限制少、環(huán)境影響小等優(yōu)點。可根據處理廢物性能、是否有大規(guī)模運行的要求、系統(tǒng)可靠性和靈活性、停機維修時間、投資和運行費用、生產廠家的售后服務等因素選擇反應器堆肥系統(tǒng)。反應器堆肥系統(tǒng)不同，它們的通風方式及通風設備的參數也不同。

發(fā)達國家例如美國目前常用的反應器污泥堆肥系統(tǒng)是攪拌床反應器、水平推流反應器和垂直推流反應器，但是間歇隧道堆肥系統(tǒng)在歐洲的應用卻越來越多，它在城市固體廢棄物、污泥等處理中得到了廣泛的應用。一個典型的間歇隧道污泥堆肥系統(tǒng)包括一個水泥箱或鋼箱（長30～40m，寬2～5m，高3～5m）；隧道的墻壁、頂部、門都是絕緣隔熱的，底板采用穿孔水泥板或穿孔鋼板，底板下面是風室或與孔相連的穿孔管；堆料停留1～4周，通常為2周；采用計算機控制通風系統(tǒng)。因此，堆體前、后兩端和上、下層的溫差分別為2～3℃和3～5℃。但是較高的投資和運行費用影響了它的廣泛應用。

下面介紹幾種常見的反應器式污泥堆肥類型。

3.5.1 筒倉式堆肥反應器

筒倉式污泥堆肥反應器是從上面加入物料，從底部卸出堆肥腐熟料的一種反應器。每天都由一臺旋轉槳在筒倉反應器的上部混合加入的堆肥原料、在反應器內發(fā)生好氧發(fā)酵，從底部取出堆肥腐熟料。通風系統(tǒng)使空氣從筒倉的底部通過堆料，在筒倉的上部收集和處理廢氣，達標排放。這種堆肥好氧發(fā)酵方式的堆肥周期一般為10d。每天取出堆肥物料的體積或重新裝入原料的體積是筒倉反應器體積的1/10。從筒倉中取出的堆肥經常堆放在第二個通氣筒倉進行“二次堆肥”進一步腐熟。由于原料在筒倉中垂直堆放，因而這種系統(tǒng)使污泥堆肥好氧發(fā)酵過程的占地面積很小，便于控制且能最大程度減輕對環(huán)境的負面影響。盡管如此，這種堆肥方式仍需要克服物料壓實、溫度控制和通氣均勻等問題，因為原料在倉內得不到充分混合，必須在進入筒倉反應器之前就混合均勻。這種筒倉式堆肥反應器可以高效率處理污泥、城市垃圾、牲畜糞便等固體廢物。典型的筒倉式堆肥系統(tǒng)如圖3-6所示。

3.5.2 塔式堆肥反應器

典型的塔式堆肥好氧發(fā)酵反應器如圖3-7所示。污泥、牲畜糞便及城市垃圾等堆肥物料經攪拌混合均勻后，被連續(xù)地或間歇地輸入這種系統(tǒng)內，利用位差，通常允許物料從塔式堆肥反應器的頂部向底部周期性地下落運輸，同時在塔內通過翻板的翻動進行通風、干燥，與此同時實現高溫好氧發(fā)酵，使堆肥物料逐漸腐熟化。通風系統(tǒng)從塔式反應器底部通入新鮮空氣，這時的塔底物料溫度最高，冷空氣可以與堆肥腐熟物料換熱，提高自身的溫度，降低腐熟出料溫度。由低層塔板縫隙間進入上層塔板，由此遞進，空氣的溫度逐漸上升。到塔頂時空氣溫度達到最高，此時與剛投入塔式反應器的堆肥初始料發(fā)生熱交換，提高了堆肥物料的溫度，使得堆肥好氧發(fā)酵即可快速開始。空氣被新鮮物料冷卻后從塔頂收集，處理發(fā)酵廢氣，達標排放。這樣，通過氣流的運動實現堆肥傳熱、散熱，保持反應器內各級塔板層的發(fā)酵溫度處在一個穩(wěn)定狀態(tài)。在塔內輸送期間物料發(fā)生了很必要的翻動和攪動，但當單次堆肥原料通過某塔層時，原料保持靜止，直到塔板翻動物料落入下層塔板。這樣能確保堆肥好氧發(fā)酵有一定的層次控制，能掌握每一個塔板層的發(fā)酵狀態(tài)。發(fā)酵周期在4～6d，即可快速腐熟。這種堆肥發(fā)酵裝置的優(yōu)點是省地省工，堆肥效率高；缺點是設備投資大，維修不方便。

塔式自然通風好氧堆肥反應器具有較好的處理能力，性能穩(wěn)定，反應器本身的利用重力和位差輸送物料，利用塔底進風后在塔內高效率參入發(fā)酵反應，能夠滿足好氧堆肥的氧需求，可節(jié)省一定動力和能量，有效降低運行成本。生產的堆肥產品腐熟度高，為質量可靠的高效有機肥原料。

3.5.3 滾筒式堆肥反應器

滾筒式堆肥反應器是一個使用水平滾筒來混合、通風以及排出堆肥腐熟料的堆肥系統(tǒng)。堆肥發(fā)酵主體滾筒架在大的支座上，并且通過一個機械傳動裝置來翻動。在滾筒中一定溫度和通風條件下堆肥好氧發(fā)酵過程很快開始，易降解的有機物質很快被好氧微生物降解。但是，要想固廢堆肥腐熟必須有進一步降解過程，將物料中的纖維素或木質素徹底降解。在滾筒式堆肥反應器的基礎上，通常采用條垛或靜態(tài)好氧堆肥的輔助設施來完成堆肥過程的第二階段。在一些商業(yè)堆肥系統(tǒng)中堆料在該滾筒反應器中停留不到1天，滾筒反應器基本上作為一種將物料混合加初步發(fā)酵融為一體的設備。典型的滾筒式堆肥系統(tǒng)如圖3-8所示。

由滾筒反應器的物料排放端提供空氣，原料在滾筒中翻動時高強度混合且與空氣充分接觸。空氣的流動方向和堆肥原料運動方向相反。靠近滾筒的排放端，堆肥腐熟料由新鮮空氣冷卻；在滾筒的中部，氣流溫度升高且堆肥好氧發(fā)酵速率加快；在滾筒的入口處，添加新的堆料，氣流溫度最高，可提高堆肥物料的溫度，堆肥好氧發(fā)酵過程馬上開始。這是一個非常科學、緊湊且實用的堆肥發(fā)酵體系。

滾筒可為合體式滾筒反應器或分體式滾筒反應器。合體式滾筒反應器使所有堆料按照其裝入滾筒時的次序運動，滾筒旋轉的速度和旋轉時滾筒中軸線的傾斜度決定了堆肥的停留時間。一個分體式滾筒的管理要比合體式滾筒方便。分體式滾筒分為兩或三個倉，每個倉包括一個裝有一個移動門的移動箱。每天堆肥發(fā)酵結束后，滾筒排放端的移動門被打開，隔倉并被清空，其他隔倉隨后開放并相繼移動，一批新堆料被裝入第一個隔倉。每個移動門都有一個基座以成功實現批次接種微生物。堆肥產品可由排放端直接輸送到分篩機，分篩機去除大顆粒物質。未完全腐熟的大顆粒物質被送回到滾筒中進一步堆肥發(fā)酵處理。

對于小型滾筒式堆肥系統(tǒng)而言，滾筒可由舊設備（如混凝土攪拌機、飼料混合機以及舊的水泥窯）等改造而成，盡管沒有商業(yè)設備那么高級，但是其功能（混合、通風以及使堆肥過程迅速開始）仍然相同。這樣可以節(jié)省工程設備投資費用。

3.5.4 攪動箱堆肥反應器

這是一種水平流動的、通風固體攪拌箱式反應器，它采用強制通風和機械攪動，可以使操作更加靈活。反應器通常不封頂，而且是安裝在建筑物內，為的是能夠全天操作和控制雜質。許多堆肥反應器一天只進行一次原料循環(huán)。一般分圓形和矩形反應器兩種。

在圓形堆肥反應器系統(tǒng)里，許多翻堆的旋轉攪拌順次安裝在可旋轉移動的橋臂上，通過翻攪使堆肥物料從圓形反應器邊緣向中心移動。新鮮的堆肥物料通過裝在旋轉橋臂上的輸送系統(tǒng)從反應器邊沿進入，翻動的攪拌在反應器中旋轉，很像一個圓形的清理器裝置，一般完成一次旋轉需要2h。當橋臂旋轉的時候，原料沿外圍給入，經反應器里面的翻堆攪動原料，而且將新的原料與舊的堆肥物質混合。在此過程中，堆肥物料在一定溫度下發(fā)生快速好氧發(fā)酵，逐漸腐熟化。原料逐漸地輸送到反應器的中心，此時堆肥發(fā)酵已經腐熟，在那里經過一個可以調節(jié)的溢流口下落到一個出口傳送帶上，這個出口傳送帶位于反應器下方，承接堆肥腐熟料。有報道說美國的Clinton縣采用圓形攪拌堆肥反應器系統(tǒng)，包括兩個圓形攪拌床反應器。每一個反應器的直徑43.1m，堆肥物料的停留時間為14d，日處理含水率為80%的城市污泥170t。

矩形攪動反應器系統(tǒng)的攪動裝置安裝在箱壁頂端的橫竿上運轉，原料從箱子的一端進入，然后靠攪動裝置沿箱子移動，最后從箱子的另一端出來。箱式系統(tǒng)的長寬可調節(jié)，有較小的箱子寬2m、長2m，較大的箱子寬可達6m、高3m、長220m。較大的箱子通過把基質沿著箱子的長度放在指定的格子內操作。原料在一個星期后翻轉，而且一直保存在指定的格子內，直到腐熟可以移出。如果用小箱子，原料可以每天攪動。

3.5.5 圓形攪拌床堆肥反應器

圓形攪拌床堆肥反應器是一種通過翻攪使物料從圓的周邊向圓中心移動的堆肥裝置。堆肥物料通過裝在旋轉臂上的輸送系統(tǒng)從反應器的邊沿進入，經過裝在一個旋轉臂上的垂直螺桿攪拌，原料沿外圍給入。鉆頭在反應器里面攪動原料，而且將新的原料與舊的堆肥物質混合。原料逐漸地輸送到反應器的中心，在那里經過一個可以調節(jié)的溢流口下落到一個出口傳送帶上，這個出口傳送帶位于反應器下面的傳輸裝置上。空氣從底部的分布環(huán)進入，上部為活動的圓形頂，可以根據操作要求打開或關閉圓頂（圖3-9）。文獻報道紐約的Clinton縣采用的圓形攪拌床堆肥反應器系統(tǒng)包括兩個圓形攪拌床反應器，每個反應器的直徑是34.14m，物料的停留時間為14d，日處理含水率為80%的污泥170t。

3.5.6 隧道窯式堆肥反應器

隧道窯式堆肥反應器是一種全封閉式發(fā)酵系統(tǒng)，把發(fā)酵槽做成了相互獨立的隧道式結構，像一節(jié)矩形斷面的隧道，物料在發(fā)酵過程和翻堆時產生的一些臭氣和粉塵，可以通過廢氣收集管道抽出并集中進行處理，盡可能減少對環(huán)境和人員帶來的不利影響。發(fā)酵倉的尺寸和數量可以根據所處理固廢物料量的多少來決定。在隧道式發(fā)酵槽的底部有通風管道，并通過控制系統(tǒng)向發(fā)酵槽內供風。隧道式發(fā)酵槽堆肥周期為7～15d，堆肥溫度可以上升至60～70℃。這種系統(tǒng)的特點是自動化程度高、環(huán)保系數高、設備相對不容易過度磨損，使用壽命較長，而且每個隧道內部工藝都可以直接獨立控制，為近年來歐洲國家在污泥加垃圾堆肥領域所普遍采用。

北京市南宮垃圾堆肥廠采用的好氧式隧道堆肥系統(tǒng)（圖3-10），日處理可堆肥好氧發(fā)酵垃圾600t，堆肥垃圾進廠后進行稱重計量，布料機把垃圾送入30個主發(fā)酵隧道，每個發(fā)酵隧道200m3，垃圾經過2個星期的高溫發(fā)酵后，垃圾體積可降解30%～40%，傳送系統(tǒng)把發(fā)酵的垃圾轉送到后熟化區(qū)，再進行3個星期的后期熟化，經過篩分分成垃圾肥和殘渣，殘渣運到填埋場填埋，垃圾肥轉入最終熟化區(qū)再進行3個星期的熟化，再經過一系列篩分制成0～12mm的成品垃圾肥，用于農林業(yè)生產。

總之，上述污泥堆肥好氧系統(tǒng)目前在世界各地均有應用，每一種系統(tǒng)都有各自的優(yōu)缺點，應用起來各有利弊。實際生產中，究竟采用哪一種堆肥系統(tǒng)主要是取決于各地特定的條件和實際狀況，也就是說，一種適宜的堆肥系統(tǒng)的選擇永遠是一個基于因地制宜的決策，沒有一個系統(tǒng)適合于所有的環(huán)境條件，市場上保持多樣化的堆肥設施是一種合理健康的表現。污泥堆肥廠可以根據自己的物料、輔料、場地、生產規(guī)模、當地氣候、環(huán)保政策、投資、產品質量、應用領域等因素來選擇最切合自身實際的污泥堆肥系統(tǒng)。