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用于城市生活垃圾好氧堆肥的滚筒式生物反应器研制 * 马蔷王奎升李秀金朱保宁 北京化工大学， 北京 100029 摘要 针对城市生活垃圾研制了一种用于好氧发酵的滚筒式生物反应器。滚筒式生物反应器的设计主要包括主体结 构设计， 支承装置的设计计算， 传动装置的功率选用， 进、 出料装置的功能研究等。为保证滚筒式反应器发挥最大功 用， 在滚筒内壁增设抄板并设计了抄板的结构形式、 布置情况及安装位置， 用以延长生活垃圾在滚筒内的停留时间， 使 好氧发酵更为充分。 关键词 滚筒式生物反应器; 生活垃圾好氧堆肥; 结构设计 DOI 10. 7617 /j. issn. 1000 － 8942. 2013. 03. 028 DESIGN OF THE ROTARY DRUM BIOLOGICAL REACTOR USED IN MUNICIPAL SOLID WASTE COMPOSTING Ma QiangWang KuishengLi XiujinZhu Baoning Beijing University of Chemical Technology， Beijing 100029， China AbstractA rotary drum biological reactor used in municipal solid waste composing was designed． The design of the rotary drum reactor including the principal part of the reactor structure，the calculation and analysis of the supporting device force and the transmission device power． In order to guarantee the maximum perance of the reactor，multiple planks were installed on the inwall of the rotary reactor． The planks structure ，the arrangement and the installation position were discussed， which would extend the residence time of the solid waste and make the composting more sufficient． Keywordsrotary drum biological reactor;municipal solid waste composting;structure design * 中央基础研究基金资助项目。 0引言 城市生活垃圾中可降解有机质组分含量多于 56 ， 这些有机质可被分离出来并通过好氧堆肥等方 法将其转化为富含甲烷的天然气 ［1］。好氧堆肥的特 点是分 解 速 度 快、 堆 肥 周 期 短 并 且 降 解 彻 底。自 1925 年印度的爱德华提出班加罗法以来， 历经多年 研究， 现今比较成熟的堆肥方法有 DANO 式堆肥装 置、 立式发酵仓 厄普 － 托马斯法及改进后的弗兰泽 法 、 动态堆肥设备滚筒式生物反应器。我国从二十 世纪八十年代开始发展本领域研究， 在工业应用上取 得了一定的效果 ［2］。 滚筒式生物反应器适宜处理高有机质含量的生 活垃圾， 通过在生活垃圾中添加粪便、 脱水污泥等物 料， 调节碳氮比、 含水率和营养平衡， 进行快速好氧生 物发酵 ［3］。快速好氧滚筒生物发酵设备特别适合 于我国城市生活垃圾中含水率较低的特点， 能够有效 地实现有机质的快速高效分离， 并保证其厌氧发酵产 气潜力。本研究开发了滚筒式生物反应器， 将其用作 城市生活垃圾好氧堆肥， 进而使生物资源再利用 ［4］。 滚筒式反应器因其具有搅拌强度大、 结构简单、 运行 成本低、 故障率小等特点， 在快速好氧堆肥等方面将 有广泛的应用前景。但在物料横向分离、 纵向混合方 面还需要进行改进， 因此开展滚筒式反应器的研制具 有重要的意义和工程应用价值 ［5］。 1滚筒式生物反应器的设计方案 1. 1滚筒式反应器的结构方案及工作原理 根据城市生活垃圾好氧堆肥的工艺特点， 确定滚 筒式生物反应器结构方案如图 1 所示。主要由反应 器筒体、 两档支承装置、 传动装置、 螺旋进出料装置、 箱体等组成。生活垃圾由螺旋进料装置上的进料口 进入进料箱， 螺旋进料装置的短轴带动螺带旋转， 进 011 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 而推动物料在进料箱内向前移动进入筒体。物料随 着筒体的转动在抄板的带动下充分混合， 并在由筒体 的进料端到出料端推进的过程中完成好氧发酵的整 个过程。发酵完成后的废料由螺旋出料器收集出料， 成为厌氧发酵的原料， 进一步再利用。 1螺旋进料装置; 2进料箱; 3筒体; 4带挡轮支承装置; 5传动装置; 6无挡轮支承装置; 7螺旋出料装置; 8出料箱 图 1滚筒式生物反应器示意 1. 2反应器主要零部件设计计算 滚筒式生物反应器的结构可视作一个带有两个 支座的简支梁模型。对简支梁模型作以下 3 个基本 假设 将筒体视为圆截面水平连续梁， 不计倾角对其的 影响， 也不计筒体截面变形后对筒体截面模数的影 响。不计物料重心对筒体轴线的影响， 不计筒体所受 的扭矩。按照静载荷进行计算。 基于等弯矩原则进行设计， 梁上的载荷除两支座 给予的支反力外还包括筒体上齿圈的重量载荷， 单位 长度上筒体自重、 筒内物料以及筒内抄板等均布载 荷。对简支梁模型进行受力分析， 结果如图 2 所示。 通过此力学模型计算支反力及梁的弯矩， 通过剪力方 程和弯矩方程绘制弯矩图如图 3 所示。 图 2简支梁模型力学分析 图 3梁弯矩图 由弯矩图中可得到两支座处的弯矩峰值 M1，以 及危险截面处的最大弯矩 M2。采用第三强度理论 式 1 对筒体进行弯曲强度校核 σ1 M1 Kw Kt W ＜ σ [] b ; σ2 M2 Kw Kt W ＜ σ [] b 1 式中Kw为焊缝强度系数;Kt为温度系数; W 为筒体 截面模数， m3。 经计算， 其强度符合要求。 1. 2. 1筒体 筒体总长 18 m， 外径 1. 3 m， 由厚 10 mm 的钢板 卷制成圆筒并通过螺栓法兰结构连接而成， 筒体转速 在 1 ～ 9 r/min 变化。反应器内的物料则通过筒体的 转动完成混合过程并向前移动。筒体由进料端向出 料端倾斜一定的角度来保证物料的移动方向。筒体 外表面装有箱型滚圈， 由支承装置托轮支承， 采用 10 个轴向均布的垫板将滚圈连接在筒体上并随筒体一 起转动， 考虑到筒体内反应过程中的温度变化， 滚圈 与垫板间的安装间隙设置为一定值。 滚圈的接触应力强度与滚圈所承受的载荷和滚 圈、 托轮的尺寸相关， 依据式 2 对滚圈的接触应力 强度进行校核 σc 0． 0132 qE Rr Rt Rr R 槡 t ≤ σ [] c 2 式中q 为支承载荷与滚圈总重量的均布载荷。 滚圈的弯曲应力强度与滚圈上的最大弯矩相关， 经分析， 滚圈上的最大弯矩出现在滚圈与托轮接触 处， 依据式 3 对滚圈的弯曲应力强度进行校核 σw Mmax Wr ≤ σ [] w 3 式中Mmax为滚圈上最大弯矩， Nm;Wr 为滚圈截面 模数，m3。 1. 2. 2支承装置 支承装置是滚筒反应器支承筒体重量、 物料重量 及其他载荷的重要结构装置。简支梁模型中支座即 代表支承装置， 根据相关标准 ［6］对筒体的长径比要 求来设计支承装置的档数。支承装置包括的主要部 件有托轮、 托轮轴、 轴承、 轴承支座等。托轮除起支承 作用外， 同时担负辅助筒体转动的作用， 避免筒体在 转动中的产生过大的变形。当筒体转动时托轮装置 随之共同转动， 可大幅度减小与筒体之间的直接摩 擦， 延长反应器的使用寿命。滚圈与两托轮的中心线 111 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 间的夹角为定值 α，托轮承受筒体及滚圈的重量载 荷， 给予筒体与垂直 α/2 方向的支承力， 如图 4 所示。 图 4支承力学分析 筒体倾斜的角度使得进料端筒体较高， 出料端筒 体较低， 为防止筒体在转动过程中向低端窜动， 在进 料端的托轮装置上增加挡轮， 故两组支承装置中只有 高端支承带有挡轮装置， 结构如图 5 所示 两个托轮 的对称中心与两个挡轮的对称中心布置在相互垂直 的两个平面内， 两个托轮在滚圈的正下方支承起筒 体， 两个挡轮则分布在滚圈的两侧。 图 5带挡轮支承结构 1. 2. 3传动装置 本设计滚筒式反应器采用单传动， 传动装置结构 简单、 维护方便。依靠调速电机保证足够的调速范围， 通过小齿轮带动焊接在筒体上的齿圈转动， 通过大小 齿轮间的传动进行减速使筒体在较低转速范围转动。 1. 2. 4进、 出料结构 进料结构采用螺旋进料装置， 如图 6 所示， 主要 由料斗和螺带输送装置组成， 螺旋进料结构的动力装 置是电机带动皮带轮的双减速装置。进料装置由地 面向上倾斜焊接在筒体的进料箱上。料车将生活垃 圾原料加入到进料口内， 物料夹在旋转的螺带与箱体 的空隙中向前推移进入到筒体中， 同时物料随着螺带 旋转移动的过程中也达到了初步混合的目的。出料 结构同样应用螺旋装置， 将螺旋出料结构设置在筒体 末端的箱体内， 筒体末端的正下方。物料经过好氧发 酵后经由筒体末端流入正下方的螺旋出料器， 最终将 废料输送到废料仓进行收集。 1. 3滚筒式反应器的结构特点 发酵物料因具有黏度高、 流动性极低、 输送性能 图 6螺旋进料装置 差等特性， 使得发酵过程中物料不能充分混合， 影响 发酵降解效率。本设计通过在滚筒式生物反应器的 筒体内壁增设抄板进行改进， 详见图 7。 图 7抄板布置示意 抄板的作用包括 1 抄板随筒体旋转的同时将 物料抄起， 起落的过程中实现物料的充分混合; 2 抄 板促进物料与氧气的接触， 强化好氧发酵的效果; 3 多种形式的抄板推进物料在筒体中向前移动， 辅助物 料完成整个好氧发酵过程。在筒体长度方向上布置 四类抄板 图 7 。第一类抄板沿一定角度递进安装， 此类抄板具有轴向推进力， 主要作用是将物料推进反 应器筒体内; 第二类抄板是平行抄板， 平行布置， 主要 作用是平稳抄起物料， 给予物料充分的时间和空间进 行好氧发酵; 第三、 四类抄板分别为不同角度的阻料 抄板， 两类阻料抄板的作用是减缓物料的推进， 延长 物料的停留时间， 使物料进一步充分发酵。 2结语 本研究设计了用于生活垃圾好氧发酵的滚筒式 下转第 138 页 211 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 C18柱进行 RRLC 分离， 采用电喷雾离子源正离子模 式， 以［M H］离 子为母离子， 进行多 反 应 监 测 MRM 。通过实际水样测定， 该方法灵敏度高、 重现 性好、 定性定量准确、 加标回收率高， 可满足制药废水 中青霉素 G 残留检测的要求。 参考文献 ［1］Elander R P． Industrial production of β-lactam antibiotics ［J］． Applied Microbiology Biotechnology，2003，61 56 385- 392． ［2］Klaus K．Antibiotics in the aquatic environment-a review-part I ［J］． Chemosphere，2009，75 4 417- 434． ［3］Joakim Larsson D G，Ceciliade D P，Nicklas P． Effluent from drug manufactures contains extremely high levels of pharmaceuticals ［J］． Journal of Hazardous Materials，2007，148 3 751- 755． ［4］Francisco J L，Monsalud O，Carmen C B，et al． Advances in the determination of β-lactam antibiotics by liquid chromatography ［J］． Trends in Analytical Chemistry，2012，3852- 66． ［5］Lina K，Marinella F，Dami B． Analytical ologies for the detection of β-lactam antibiotics in milk and feed samples ［J］． Trends in Analytical Chemistry，2009，28 6 729- 744． ［6］Junza A，Amatya R，Barrn D，et al． Comparative study of the LC-MS/MS and UPLC-MS/MS for the multi-residue analysis of quinolones，penicillins andcephalosporins incowmilk， and validation according to the regulation 2002 /657 /EC ［J］． Journal of Chromatography B，2011，879 25 2601- 2610． ［7］Kantiani L，Farr M，Sibum M． Fully automated analysis of β- lactams in bovine milk by online solid phase extraction-liquid chromatography-electrospray-tandemmassspectrometry［ J］． Analytical Chemistry，2009，81 11 4285- 4295． ［8］Yves-Alexis H，Rayane M，Eric G． Multi-screening approach to monitor and quantify 42 antibiotic residues in honey by liquid chromatography-tandemmassspectrometry ［J］．Journalof Chromatography A，2008，1177 14 58- 76． ［9］KaterinaM， AlanRL．Streamliningologyforthe multiresidue analysis of β-lactam antibiotics in bovine kidney using liquid chromatography-tandem mass spectrometry［J］．Journal of Chromatography A，2008，1202 2 118- 123． ［ 10］GranelliK， BranzellC．Rapidmulti-residuescreeningof antibiotics inmuscleandkidneybyliquidchromatography- electrospray ionization-tandem mass spectrometry ［J］．Analytica Chimica Acta，2007，586 12 289- 295． ［ 11］Granelli K，Elgerud C，Ohlsson A，et al．Rapid multi-residue analysis of antibiotics in muscle by liquid chromatography-tandem mass spectrometry［J］． Analytica Chimica Acta， 2009， 637 12 87- 91． ［ 12］Petrovic M， Hernando M D， Diaz-Cruz M S， et al．Liquid chromatography-tandemmassspectrometryfortheanalysisof pharmaceutical residues in environmental samples-a review ［J］． Journal of Chromatography A，2005，1067 12 1- 14． ［ 13］Sara C，Renzo B，Davide C，et al．A multiresidue analytical usingsolid-phaseextractionandhigh-pressureliquid chromatographytandemmassspectrometrytomeasure pharmaceuticalsofdifferenttherapeuticclassesinurban wastewaters［J］． Journal of Chromatography A，2005，1092 2 206- 215． 作者通信处李再兴050018河北科技大学环境科学与工程学院 石家庄市裕华东路 70 号 E- mailli_zaixing 163． com 2012 － 08 － 27 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 112 页 生物反应器， 其主要特点为 在工艺上符合好氧发酵 的条件， 在功用上满足处理生活垃圾使资源回收利用 的要求; 生活垃圾经由进料斗进入螺旋进料装置进而 通过螺带的导向进入筒体内进行好氧发酵; 筒体内抄 板的设计有助于垃圾充分混合并增强垃圾与空气的 接触， 使好氧微生物大量繁殖， 促进发酵。该装置已 加工完成， 实际效果有待现场试验验证。 参考文献 ［1］刘文海， 李秀金． 粉煤灰、 炉渣提高生物反应器垃圾处理性能研 究 ［J］． 环境工程， 2011， 29 5 113- 116． ［2］李东风． 大连城镇生活垃圾调查及生物预处理特性研究［D］． 大连 大连理工大学， 2008． ［3］罗金华． 卧式螺旋式污泥好氧动态堆肥装置试验研究［D］． 重 庆 重庆大学， 2004． ［4］刘文海， 李秀金． 粉煤灰、 炉渣提高生物反应器垃圾处理性能研 究［J］． 环境工程， 2011， 29 5 113- 116． ［5］Zhu Baoning ， Li Xiujin． uation of the rotary drum reactor process asmunicipalsolidwastepretreatmenttechnologyfor biomass utilization ［C］/ /International Conference on Biomass Energy Technologies，Guangzhou， 2008 3- 5． ［6］HG /T 205662011 化工回转窑设计规定［S］． 作者通信处王奎升100029北京市北三环东路 15 号北京化工大 学机电学院 电话 010 64418684 E- mailkuishengw 163． com 2012 － 08 － 02 收稿 831 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期