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本论文以规模化蚯蚓生物反应器系统转化和利用有机废弃物为主要研究内容,以提高蚯蚓反应器转化有机废弃物的效率、效果和效益为主攻目标,通过实验室研究,微宇宙模拟和工程验证相结合的方法,研究了蚯蚓高效转化有机废弃物的主要生态因子和蚯蚓种群结构与蚯蚓反应器系统优化与调控。设计构建了规模化蚯蚓生物反应器处理与转化有机废弃物系统,并在天津西青区和广西梧州的两个实证工程中得到验证。该系统不仅丰富有机废弃物的处理与资源化方法,而且开发的新型生物有机肥有广阔的市场前景,为循环经济提供了模式。
本研究主要分为蚯蚓转化有机废弃物的基础研究、蚯蚓反应器系统构建与优化、规模化蚯蚓生物反应器系统转化和利用有机废弃物示范工程实证3部分。主要结果如下:
1.从蚯蚓个体水平看,温度、饵料含水率、pH值和C/N是影响蚯蚓转化有机废弃物的4个主要生态因子和蚯蚓反应器设计的主要环境参数。它们的最佳阈值范围为温度20~25℃、饵料含水率65~75%、pH值6.5~7.5和C/N20~25。蚯蚓肠道不同部位(前段、中段、后段)的微生物区系在蚯蚓转化有机物过程中发挥了重要作用。有机物(牛粪)经过蚯蚓肠道,细菌与放线菌的数值从≤1.0×108cfu/g到≥1.0×1010cfu/g呈数量级增长,而真菌从≥1.0×107cfu/g到≤1.0×105cfu/g呈数量级减少,蚯蚓粪丰富的微生物为新型生物有机肥生产提供了基础。
2.从蚯蚓种群水平看,种群大小(密度)、年龄结构、分布和蚯蚓与饵料的质量比为蚯蚓反应器设计的主要生物参数。蚯蚓种群在垂直面上呈表面集中分布,80%的蚯蚓分布在0~40cm内,水平面上呈偏边缘分布,中心比边缘的蚯蚓少20%,通过改善饵料的通气性,能增加垂直面上的分布,80%的蚯蚓可集中在0~60cm内,由此提高蚯蚓均匀分布程度;蚯蚓种群结构(生物量比)特征为:蚯蚓茧,幼蚓,青年蚓和成熟蚓比例为11:15:28:47。蚯蚓与饵料的质量比以1:8为宜。
3.根据蚯蚓个体和种群在转化有机废弃物中的作用和特点,设计了箱式蚯蚓反应器与多层立体蚯蚓反应器。箱式反应器由布料机、反应器主体箱和出料装置构成,其规格为长20m,宽2.5m,高2m,日处理有机废弃物的量约为5m3。多层立体反应器由反应器和蚯蚓粪分离器构成,其规格为高为5m,长20m,宽2.5m,蚯蚓床5层,日处理有机废弃物的量为8~10m3。反应器的温度与湿度实现智能调控。
4.根据物料性质,特别是猪牛粪便特点及终端产品的商业化要求,设计组合了规模化蚯蚓生物反应器系统和相应工艺,即堆肥预处理-反应器转化-产品加工系统。其中预处理采用深槽快腐堆肥化工艺,处理时间为10d,温度在50℃~75℃的范围内维持5~7d,有机废弃物的C/N在20~25、pH值在6.5~7.5范围内。研究了堆肥与蚯蚓转化的接口与耦合。
5.在实验条件下,用蚯蚓反应器系统对6种常见的有机废弃物(猪粪、牛粪、生活垃圾、生活污水污泥、玉米秸秆、小麦秸秆)进行转化实验。转化生产的蚯蚓粪生物有机肥的物理指标(无臭味,颗粒≤12mm)、营养指标(N+P2O5+K2O≥4.0%)和微生物指标(大肠杆菌数量在10-1~10-2间,未检出蛔虫卵)符合农业部有机肥料标准(NY525-2002)。
6.两个规模化的实证工程证明,该规模化蚯蚓生物反应器系统达到了设计要求,表现了良好的工程效益。实证工程一是在天津西青区第六埠采用箱式反应器主体设计转化农业有机废弃物和生活垃圾,年处理量为1万t;实证工程二是在广西梧州利用多层立体蚯蚓反应器转化有机生活垃圾,设计能力为日处理40t。
7.另外,根据蚯蚓粪的物理结构特点以及蚯蚓的生物学特点,设计出除臭装置。除臭装置主要由预处理池和除臭塔主体构成,其运行工艺为:臭气通过预处理池去尘除杂,部分吸收后,经过除臭塔主体的砂石层,由生物填料层和蚯蚓粪层吸收,最后由蚯蚓床中蚯蚓监测除臭效果。实验显示,蚯蚓粪对H2S、NH3除臭效果在97%以上。