3.5 反应器式污泥堆肥

由于前面几种堆肥好氧发酵方式人工可干预性不是特别强，因此在20世纪80年代后，世界各国开始研发出大量的反应器式污泥堆肥系统。

在各种堆肥系统中，反应器式污泥堆肥有其特殊之处，反应器堆肥将原料由容器内向外，由下向上堆放，器壁可以是简单的木板墙（有顶或无顶），也可以是一个谷仓或储藏建筑物。建筑物或堆肥仓由于体积庞大，可允许堆放更高的物料，对比无支撑堆体能更好地利用地面空间，在相同面积的地上，可以堆更多的物料。堆肥仓还能消除天气和臭气问题，也能提供更好的温度控制。反应器堆肥方法的操作类似于静态堆肥方法，如它们都采用强制通风、很少或无须翻堆等。

实际发现，对物料的重新混合有时可促进堆肥过程。也就是说如果使用若干个堆肥反应器，堆肥原料可以连续地、定期地从一个反应器输送到另一个反应器，直至堆肥腐熟。好氧堆肥的大部分原则和指导建议也可应用于反应器堆肥，但是较高的堆肥反应器例外，因为更深的原料增加了对气流的阻力（压力损失）。和好氧静态堆肥相比，反应器堆肥一般需要较强或更高压力的鼓风机。

堆肥反应器一经推出，发展迅速，先后出现了大量不同的系统类型，这些系统类型按物料的流向可将反应器堆肥系统分为水平流向反应器和竖直流向反应器。水平流向反应器包括旋转仓式、搅动仓式；竖直流向反应器包括搅动固定床式、包裹仓式。美国国家环境保护局把反应器堆肥系统分为：推流式（plugflow）和动态（dynamic）混合式。推流式系统中入口进料，出口出料，不同时间阶段的物料在堆肥发酵仓中的停留时间相同；动态混合式系统中，用机械不停地搅动混匀物料。根据不同的发酵仓的形状，推流式系统又可以分为圆筒形反应器、长方形反应器和沟槽式反应器；动态混合式可以分为长方形发酵塔和环形发酵塔。也有研究者根据通风方式、有无搅拌和外形特点，将反应器系统分为被动通风反应器系统、强制通风无搅拌反应器系统、强制通风有搅拌反应器系统和滚筒反应器系统。同其他堆肥系统相比，反应器堆肥系统具有堆肥产品质量高、操作人员少、有效的堆肥过程控制和臭味控制、空间限制少、环境影响小等优点。可根据处理废物性能、是否有大规模运行的要求、系统可靠性和灵活性、停机维修时间、投资和运行费用、生产厂家的售后服务等因素选择反应器堆肥系统。反应器堆肥系统不同，它们的通风方式及通风设备的参数也不同。

发达国家例如美国目前常用的反应器污泥堆肥系统是搅拌床反应器、水平推流反应器和垂直推流反应器，但是间歇隧道堆肥系统在欧洲的应用却越来越多，它在城市固体废弃物、污泥等处理中得到了广泛的应用。一个典型的间歇隧道污泥堆肥系统包括一个水泥箱或钢箱（长30～40m，宽2～5m，高3～5m）；隧道的墙壁、顶部、门都是绝缘隔热的，底板采用穿孔水泥板或穿孔钢板，底板下面是风室或与孔相连的穿孔管；堆料停留1～4周，通常为2周；采用计算机控制通风系统。因此，堆体前、后两端和上、下层的温差分别为2～3℃和3～5℃。但是较高的投资和运行费用影响了它的广泛应用。

下面介绍几种常见的反应器式污泥堆肥类型。

3.5.1 筒仓式堆肥反应器

筒仓式污泥堆肥反应器是从上面加入物料，从底部卸出堆肥腐熟料的一种反应器。每天都由一台旋转桨在筒仓反应器的上部混合加入的堆肥原料、在反应器内发生好氧发酵，从底部取出堆肥腐熟料。通风系统使空气从筒仓的底部通过堆料，在筒仓的上部收集和处理废气，达标排放。这种堆肥好氧发酵方式的堆肥周期一般为10d。每天取出堆肥物料的体积或重新装入原料的体积是筒仓反应器体积的1/10。从筒仓中取出的堆肥经常堆放在第二个通气筒仓进行“二次堆肥”进一步腐熟。由于原料在筒仓中垂直堆放，因而这种系统使污泥堆肥好氧发酵过程的占地面积很小，便于控制且能最大程度减轻对环境的负面影响。尽管如此，这种堆肥方式仍需要克服物料压实、温度控制和通气均匀等问题，因为原料在仓内得不到充分混合，必须在进入筒仓反应器之前就混合均匀。这种筒仓式堆肥反应器可以高效率处理污泥、城市垃圾、牲畜粪便等固体废物。典型的筒仓式堆肥系统如图3-6所示。

3.5.2 塔式堆肥反应器

典型的塔式堆肥好氧发酵反应器如图3-7所示。污泥、牲畜粪便及城市垃圾等堆肥物料经搅拌混合均匀后，被连续地或间歇地输入这种系统内，利用位差，通常允许物料从塔式堆肥反应器的顶部向底部周期性地下落运输，同时在塔内通过翻板的翻动进行通风、干燥，与此同时实现高温好氧发酵，使堆肥物料逐渐腐熟化。通风系统从塔式反应器底部通入新鲜空气，这时的塔底物料温度最高，冷空气可以与堆肥腐熟物料换热，提高自身的温度，降低腐熟出料温度。由低层塔板缝隙间进入上层塔板，由此递进，空气的温度逐渐上升。到塔顶时空气温度达到最高，此时与刚投入塔式反应器的堆肥初始料发生热交换，提高了堆肥物料的温度，使得堆肥好氧发酵即可快速开始。空气被新鲜物料冷却后从塔顶收集，处理发酵废气，达标排放。这样，通过气流的运动实现堆肥传热、散热，保持反应器内各级塔板层的发酵温度处在一个稳定状态。在塔内输送期间物料发生了很必要的翻动和搅动，但当单次堆肥原料通过某塔层时，原料保持静止，直到塔板翻动物料落入下层塔板。这样能确保堆肥好氧发酵有一定的层次控制，能掌握每一个塔板层的发酵状态。发酵周期在4～6d，即可快速腐熟。这种堆肥发酵装置的优点是省地省工，堆肥效率高；缺点是设备投资大，维修不方便。

塔式自然通风好氧堆肥反应器具有较好的处理能力，性能稳定，反应器本身的利用重力和位差输送物料，利用塔底进风后在塔内高效率参入发酵反应，能够满足好氧堆肥的氧需求，可节省一定动力和能量，有效降低运行成本。生产的堆肥产品腐熟度高，为质量可靠的高效有机肥原料。

3.5.3 滚筒式堆肥反应器

滚筒式堆肥反应器是一个使用水平滚筒来混合、通风以及排出堆肥腐熟料的堆肥系统。堆肥发酵主体滚筒架在大的支座上，并且通过一个机械传动装置来翻动。在滚筒中一定温度和通风条件下堆肥好氧发酵过程很快开始，易降解的有机物质很快被好氧微生物降解。但是，要想固废堆肥腐熟必须有进一步降解过程，将物料中的纤维素或木质素彻底降解。在滚筒式堆肥反应器的基础上，通常采用条垛或静态好氧堆肥的辅助设施来完成堆肥过程的第二阶段。在一些商业堆肥系统中堆料在该滚筒反应器中停留不到1天，滚筒反应器基本上作为一种将物料混合加初步发酵融为一体的设备。典型的滚筒式堆肥系统如图3-8所示。

由滚筒反应器的物料排放端提供空气，原料在滚筒中翻动时高强度混合且与空气充分接触。空气的流动方向和堆肥原料运动方向相反。靠近滚筒的排放端，堆肥腐熟料由新鲜空气冷却；在滚筒的中部，气流温度升高且堆肥好氧发酵速率加快；在滚筒的入口处，添加新的堆料，气流温度最高，可提高堆肥物料的温度，堆肥好氧发酵过程马上开始。这是一个非常科学、紧凑且实用的堆肥发酵体系。

滚筒可为合体式滚筒反应器或分体式滚筒反应器。合体式滚筒反应器使所有堆料按照其装入滚筒时的次序运动，滚筒旋转的速度和旋转时滚筒中轴线的倾斜度决定了堆肥的停留时间。一个分体式滚筒的管理要比合体式滚筒方便。分体式滚筒分为两或三个仓，每个仓包括一个装有一个移动门的移动箱。每天堆肥发酵结束后，滚筒排放端的移动门被打开，隔仓并被清空，其他隔仓随后开放并相继移动，一批新堆料被装入第一个隔仓。每个移动门都有一个基座以成功实现批次接种微生物。堆肥产品可由排放端直接输送到分筛机，分筛机去除大颗粒物质。未完全腐熟的大颗粒物质被送回到滚筒中进一步堆肥发酵处理。

对于小型滚筒式堆肥系统而言，滚筒可由旧设备（如混凝土搅拌机、饲料混合机以及旧的水泥窑）等改造而成，尽管没有商业设备那么高级，但是其功能（混合、通风以及使堆肥过程迅速开始）仍然相同。这样可以节省工程设备投资费用。

3.5.4 搅动箱堆肥反应器

这是一种水平流动的、通风固体搅拌箱式反应器，它采用强制通风和机械搅动，可以使操作更加灵活。反应器通常不封顶，而且是安装在建筑物内，为的是能够全天操作和控制杂质。许多堆肥反应器一天只进行一次原料循环。一般分圆形和矩形反应器两种。

在圆形堆肥反应器系统里，许多翻堆的旋转搅拌顺次安装在可旋转移动的桥臂上，通过翻搅使堆肥物料从圆形反应器边缘向中心移动。新鲜的堆肥物料通过装在旋转桥臂上的输送系统从反应器边沿进入，翻动的搅拌在反应器中旋转，很像一个圆形的清理器装置，一般完成一次旋转需要2h。当桥臂旋转的时候，原料沿外围给入，经反应器里面的翻堆搅动原料，而且将新的原料与旧的堆肥物质混合。在此过程中，堆肥物料在一定温度下发生快速好氧发酵，逐渐腐熟化。原料逐渐地输送到反应器的中心，此时堆肥发酵已经腐熟，在那里经过一个可以调节的溢流口下落到一个出口传送带上，这个出口传送带位于反应器下方，承接堆肥腐熟料。有报道说美国的Clinton县采用圆形搅拌堆肥反应器系统，包括两个圆形搅拌床反应器。每一个反应器的直径43.1m，堆肥物料的停留时间为14d，日处理含水率为80%的城市污泥170t。

矩形搅动反应器系统的搅动装置安装在箱壁顶端的横竿上运转，原料从箱子的一端进入，然后靠搅动装置沿箱子移动，最后从箱子的另一端出来。箱式系统的长宽可调节，有较小的箱子宽2m、长2m，较大的箱子宽可达6m、高3m、长220m。较大的箱子通过把基质沿着箱子的长度放在指定的格子内操作。原料在一个星期后翻转，而且一直保存在指定的格子内，直到腐熟可以移出。如果用小箱子，原料可以每天搅动。

3.5.5 圆形搅拌床堆肥反应器

圆形搅拌床堆肥反应器是一种通过翻搅使物料从圆的周边向圆中心移动的堆肥装置。堆肥物料通过装在旋转臂上的输送系统从反应器的边沿进入，经过装在一个旋转臂上的垂直螺杆搅拌，原料沿外围给入。钻头在反应器里面搅动原料，而且将新的原料与旧的堆肥物质混合。原料逐渐地输送到反应器的中心，在那里经过一个可以调节的溢流口下落到一个出口传送带上，这个出口传送带位于反应器下面的传输装置上。空气从底部的分布环进入，上部为活动的圆形顶，可以根据操作要求打开或关闭圆顶（图3-9）。文献报道纽约的Clinton县采用的圆形搅拌床堆肥反应器系统包括两个圆形搅拌床反应器，每个反应器的直径是34.14m，物料的停留时间为14d，日处理含水率为80%的污泥170t。

3.5.6 隧道窑式堆肥反应器

隧道窑式堆肥反应器是一种全封闭式发酵系统，把发酵槽做成了相互独立的隧道式结构，像一节矩形断面的隧道，物料在发酵过程和翻堆时产生的一些臭气和粉尘，可以通过废气收集管道抽出并集中进行处理，尽可能减少对环境和人员带来的不利影响。发酵仓的尺寸和数量可以根据所处理固废物料量的多少来决定。在隧道式发酵槽的底部有通风管道，并通过控制系统向发酵槽内供风。隧道式发酵槽堆肥周期为7～15d，堆肥温度可以上升至60～70℃。这种系统的特点是自动化程度高、环保系数高、设备相对不容易过度磨损，使用寿命较长，而且每个隧道内部工艺都可以直接独立控制，为近年来欧洲国家在污泥加垃圾堆肥领域所普遍采用。

北京市南宫垃圾堆肥厂采用的好氧式隧道堆肥系统（图3-10），日处理可堆肥好氧发酵垃圾600t，堆肥垃圾进厂后进行称重计量，布料机把垃圾送入30个主发酵隧道，每个发酵隧道200m3，垃圾经过2个星期的高温发酵后，垃圾体积可降解30%～40%，传送系统把发酵的垃圾转送到后熟化区，再进行3个星期的后期熟化，经过筛分分成垃圾肥和残渣，残渣运到填埋场填埋，垃圾肥转入最终熟化区再进行3个星期的熟化，再经过一系列筛分制成0～12mm的成品垃圾肥，用于农林业生产。

总之，上述污泥堆肥好氧系统目前在世界各地均有应用，每一种系统都有各自的优缺点，应用起来各有利弊。实际生产中，究竟采用哪一种堆肥系统主要是取决于各地特定的条件和实际状况，也就是说，一种适宜的堆肥系统的选择永远是一个基于因地制宜的决策，没有一个系统适合于所有的环境条件，市场上保持多样化的堆肥设施是一种合理健康的表现。污泥堆肥厂可以根据自己的物料、辅料、场地、生产规模、当地气候、环保政策、投资、产品质量、应用领域等因素来选择最切合自身实际的污泥堆肥系统。