气流膜好氧发酵系统空间尺度物料发酵效率研究开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

一、选题依据及意义：农业废弃物是来自于植物和动物生产、农产品加工等过程中产生的各类生物质废弃物，据统计，我国是世界上农业废弃物产量最大的国家，但循环利用率（动物养殖废弃物及植物类残余物等）也只有60%左右。而其中尾菜作为主要的农业废弃物，每年产量高达3亿吨左右，并且几乎未得到有效资源化利用，现如今各地蔬菜种植面积逐年扩大，产生了大量的尾菜即蔬菜废弃物，而随意倾倒、填埋、堆积等不合理方式处理尾菜，引发了一系列环境、经济和社会问题。因此,做好尾菜资源化利用工作、防止生态环境污染,已成为亟待解决的新问题。

当前尾菜利用主要有田头沤肥、填埋、制造有机肥等，而高温好氧堆肥是尾菜资源化利用的主要方式，以尾菜源废弃物为碳源混合适当的畜禽粪污进行微生物发酵，是有机肥堆制的关键技术^[1]。好氧高温堆肥技术降解能力强，降解效果彻底；在发酵的过程中，能够释放大量的热量，将反应堆体始终保持在一个相对高温的状态下，这种高温不仅会促进发酵过程的进一步加快，同时能够杀死大部分的细菌和病毒，此外，好氧高温堆肥技术有利于机械化操作^[2]。

而本课题以气流膜覆盖堆肥为主要工艺探究物料发酵效率。从本质上来说，气流膜覆盖堆肥是一种改良的静态条垛堆肥技术^[3]，是指在传统高温好氧堆肥技术的基础上采用具有防水透气功能的功能膜(本课题中采用的为戈尔膜)作为覆盖层,使整个堆肥过程在功能膜覆盖的条件下完成,既减少了堆体与外界环境的物质交换和能量传递,又可以充分发挥功能膜自身的作用^[4]。20世纪80年代,德国工程师baden-baden为了减少堆肥过程中的臭气逸散,第一次在堆肥过程中使用功能膜为覆盖层,推出了将堆体与周围空气相对隔离进行好氧发酵的一种静态条垛堆肥方法^[3]。我国现有的生产有机肥的企业大都为中小型，受成本限制，尚存在生产效率低下、产品质量不高、环保性较差等问题^[5]，而气流膜好氧发酵利用功能膜作为发酵过程中的覆盖物，气流覆盖堆肥后堆肥内的水蒸气可蒸发出来，而外面的雨水无法进入膜内，确保高温好氧堆肥顺利进行，具有结构及操作简单、臭气影响小、系统高效低能，有效解决了上述问题。

2. 研究的基本内容和问题

三、研究目标及内容

1、研究目标

通过比较一堆体中同一截面的不同高度点位的物料发酵效率及不同截面的物料发酵效率两者间与曝气设备距离之间的关系，分析在该实验条件下气流膜好氧堆肥处理尾菜的最佳曝气量，进一步发展和完善气流膜好氧堆肥技术，为尾菜的资源化利用提供更为高效的堆肥工艺。

3. 研究的方法与方案

四、研究方法及技术路线

1、研究方法

供试材料及其特性

原料准备：总量为100吨，其中尾菜20吨，醋糟20吨，蘑菇渣60吨，按照堆体C/N值30:1，将尾菜：醋糟：蘑菇渣按照1：1：3的配比混合均匀，混合后堆料初始含水量约65%左右。

布料：原料混合均匀后堆制成一长12m，宽5m，高1.9m的堆体，在堆体上方盖上发酵膜，从而形成一个高湿度、高温及供氧均匀充分的发酵内环境。

取样：以靠近风机一侧的终点为0点，分别于1、3、6、9、11m处取样，分别记为A、B、C、D、E点，每点处分别按照高度距地面1.5m、0.9m、0.6m处取样，记为A1-A3、B1-B3、C1-C3、D1-D3、E1-E3。每次采样，于A、B、C、D、E5个位置截面3个不同高度点分别取样，一共取15个样。采集样品一分为二，一份自然风干，用于监测有机质、N、P、K等指标，一份鲜样用于检测含水量、pH等理化性质指标。

取样时间点：堆肥时期分为四个阶段，为升温期、高温期、降温期、稳定期。堆肥结束后（堆肥进行20天后）进入后熟发酵阶段。取样时，需对原料混合后的堆体进行首次取样，堆肥结束后及后熟处理后各需进行一次取样，堆肥过程中，每隔2d（第1、4、7……19天）取一次样。

测定项目和方法：采样后将样品分为新鲜样和风干样,风干样粉碎过2mm筛后备用。温度：尾菜堆制后的第二天开始，每天于早11；00和下午17:00记录堆体温度及室温，在堆体上5个截面处分别随机选取3个点,将温度计插入堆体稳定10min后测量20cm左右深处的温度,以3次测定的平均数作为当天堆体的温度,同时测量周围环境温度。含水量：使用烘干重量法进行测量，即称取50 g新鲜样品,于80℃烘箱中烘干，计算烘干前后差值。pH值：使用pH酸度计进行测量。其余指标：用浓H₂SO4-H₂O₂进行消煮后用自动定氮仪测定全氮，用钒钼黄比色法测定全磷，用火焰光度计测定全钾，有机碳用重铬酸钾氧化法进行测定。

2、技术路线

注：原料混合均匀后、堆肥结束及后期腐熟结束三个时间点均要取样。

3、可行性分析

研究平台为江苏省固体有机废弃物资源化高技术研究重点实验室，实验室所在的研究方面有较强的研究基础和成果，拥有齐全的软、硬件条件，为本项目的实施提供了必要的保障。研究者具有较为扎实的知识基础，对有机固体废弃物资源化利用有着较为浓厚的兴趣，项目研究内容及目标明确，有利于项目的顺利进行，课题组有着经验丰富的指导老师和做过类似课题的师兄师姐的指导，以及前辈们留下来的宝贵资料。

4. 研究创新点

五、特色及创新之处

尾菜堆肥处理是解决尾菜问题的一大途径，而气流膜好氧发酵工艺相比于其他堆肥方式来说，更加高效、环保、节能，同时其功能膜的选择透过性更能保证肥料的卫生化，但目前我国该种堆肥方式还不甚普及，膜覆盖堆肥工艺还在进一步发展和完善过程中。本课题通过气流膜好氧发酵系统空间尺度物料发酵效率的研究，探究该种工艺下尾菜发酵的最佳曝气量，从而为实现尾菜堆肥发酵过程的良性化提供一定依据，进一步推动该工艺的发展。

5. 研究计划与进展

六、预期进展

2020.02-2020.03：查找相关文献，构建实验思路；了解相关仪器的使用。

2020.03-2020.05：实验阶段，包括堆肥过程及堆肥后熟阶段，期间进行指标检测，并记录相关指标数据。