【摘要】：蚯蚓堆肥是一种广泛用于处理规模化废弃物的生物-微生物耦合转化技术,可处理如畜禽粪便、作物秸秆、污泥沼渣和餐厨垃圾等有机固体废弃物。堆肥过程中蚯蚓生长成熟,并排出号称“有机肥之王”的蚯蚓粪。蚯蚓堆肥兼顾特种经济动物养殖和固废处理环保的双重领域,真正意义上实现了规模化有机固体废弃物的无害化、减量化、资源化与增值化。近年来,蚯蚓堆肥行业发展迅猛,规模不断扩大,蚯蚓堆肥结束后,出于市场大量需求和堆肥养殖工艺的要求,需要尽快将蚯蚓活体与堆肥物料(主要为蚯蚓粪)分离。目前,蚯蚓的分离采收严重依赖人工,或仅采用简易辅助机械进行分离,分离速度慢、耗时长、现场问题频发,易受季节气候环境等因素影响,直接导致了分离效率低且不稳定、成本高、人工劳动强度大等问题,是蚯蚓堆肥行业规模扩大化过程中亟需解决瓶颈问题之一。为解决堆肥后期蚯蚓与蚯蚓粪物料快速、高效、低成本的分离收获问题,本课题基于我国目前蚯蚓堆肥的主要模式,开展机械化蚯蚓分离和收获相关的工程技术研究。从蚯蚓温室堆肥处理牛粪废弃物出发,全面探究蚯蚓堆肥物料基础的化学、物理、机械运动和力学的参数特性;综合对比和分析了目前环境因子调控法机械化和纯筛分机械法对蚯蚓分离可行性、效果稳定性和未来规模化应用潜力。

在此基础上,选择基于滚筒分离机械法进行进一步深入探究,通过理论设计分析、物料预处理、试验评估、模型优化等构建了一套蚯蚓简单、高效、快速分离技术,并获得优化参数;通过离心动力学分析、微观界面接触特性分析、DEM离散元仿真揭示了蚯蚓分离过程的关键机理-机制。最后,通过现场试验验证本研究结论的在实际中应用效果,主要工作内容与结论如下:(1)为探究实际蚯蚓堆肥工程中规模化废弃物处理前后的物料特性,以蚯蚓堆肥应用最为广泛的牛粪为处理基料,开展温室内60日蚯蚓堆肥试验研究,从养分与金属元素含量、工业分析、光谱分析、物质组分等方法分析了堆肥前后的物料化学特性和稳定性,结果表明:蚯蚓堆肥后物料中TN、TP、TK含量减少,而速效N、P、K含量均升高。pH趋于中性(7.47),堆肥后有机质含量下降了45.26%,蚯蚓粪中Cu、Zn、Cr、Pb、As、Cd和Hg含量均发生了下降;灰分含量占比增加21.59%,挥发分含量减少16.8%,物料热稳定性显著提高。堆肥后芳香烃结构的官能团C=O,C=C,C-H和多糖类C-O均发生了减少,大分子化合物发生矿化、腐殖化分解为小分子物质。纤维素、半纤维素、木质素占比分别降低了10.32%,8.17%和10.99%。

最后在我国现行肥料化与基料化标准框架下,讨论了蚯蚓堆肥后蚯蚓粪资源化利用的价值。蚯蚓粪养分、重金属限值均满足且优于国家标准,是一种高价值的环保有机肥料和基料产品。(2)蚯蚓粪物料的物理和机械运动特性参数是物料分离研究的基础。本文探究了蚯蚓粪和蚯蚓的基本外观形貌、含水率、容重、尺度等物料基本物理特性。成熟的大平二号蚯蚓体长约50～90mm,单条平均体重为0.56g,体径3mm。蚯蚓粪为颗粒散体物料,堆肥床上含水率约65%,容重为0.56±0.03g/cm~3,质地性质与土壤中轻质壤土类似。针对散体物料的机械力学、运动学参数测试方法不足的问题,本研究提出采用堆积试验与DEM离散元法仿真标定方法,通过PB筛选试验、最陡爬坡试验、BB析因试验建立响应模型,获得影响蚯蚓堆肥物料流动性的关键机械运动参数,最后结合不同含水率物料直剪试验分析,综合分析了蚯蚓粪物料流动特性主要关键参数的变化规律。结果表明:对蚯蚓粪运动流动特性显著影响的因素(P210lx时,光照引起的蚯蚓避光反应程度趋于最大。光照法对刺激蚯蚓迁移分离具有显著效果,人工LED白光和太阳光(混合光谱波长)对蚯蚓刺激效果最明显,光照分离蚯蚓的消失时间为6.5min和5 min,表面无蚯蚓层厚度能达到15～20mm。

此参数可用于实际人工分离或机械自动化表面刮料装备的设计;蚯蚓对红光应激性极弱,可用红光照明对蚯蚓进行开展一系列工作。(4)为寻找适用于规模化蚯蚓养殖场,堆肥物料分离的纯机械分离手段,与环境调控为核心的机械化分离方法相比较,开展纯机械法—滚筒筛分蚯蚓堆肥物料的可行性研究。基于筛分设备筛分概率原理、滚筒机械动力学理论,分析了物料在滚筒内动力学过程,设计了蚯蚓-蚯蚓粪滚筒分离机(EVRS)。在此基础上,对4种不同类型筛网进行物料筛分单因素试验对比分析。结果表明:HDPP筛网的物料滚动摩擦性能,横向-纵向柔度性能、强度、防水、成本等多角度的综合性能较好。筛网孔径增大时,蚯蚓、蚯蚓粪过筛率增加。筛网孔径为6mm,55%含水率时,蚯蚓粪分离率均能超52.8%,而蚯蚓分离率均低于10.8%,蚯蚓存活率均在95%以上;35%～55%含水率条件下小颗粒蚯蚓粪能够较好被筛分,而65%含水率的湿蚯蚓粪出现聚团、堵孔现象严重,后期物料含水率考虑控制在35%～55%范围内进行分离效果较佳。最后,综合对比分析了环境因子调控机械化分离法与纯机械筛分法的应用前景。(5)研究采用两步连续快速蚯蚓-蚯蚓粪分离工艺方法,对EVRS进行试验评估与优化,实现蚯蚓与蚯蚓粪分离效率最大化。

采用中心复合设计(Central Composite Design,CCD)试验方法、RSM响应面模型优化得到了滚筒筛分的最佳工艺参数,采用双因素全面试验评估了不同类型锥形分离器、物料含水率的分离效果。最后结合两步快速分离法中的最佳工艺参数,对不同养殖密度的蚯蚓物料进行单因素验证试验。结果表明:EVRS优化结果为滚筒倾角6.4°,转速33r/min,筛分距离1290mm。最佳锥形分离器类型的母线倾角为28°;蚯蚓粪含水率为45%时分离效果最佳。通过高速摄影与物料落点网格化分析,经过锥形分离器分离,蚯蚓能够落于特定区域。EVRS的工作效率为蚯蚓分离率84.38%,蚯蚓粪分离率为39.52%,蚯蚓存活率达96.25%,处理蚯蚓和蚯蚓粪的混合物共计10kg的平均分离时间为41.55s,消耗电能耗为0.0025k Wh;不同养殖密度下,蚯蚓混合物总质量占比5%～20%时,分离效果稳定,差异不显著。(6)为揭示和解析蚯蚓分离的关键机制-机理,阐释蚯蚓、蚯蚓粪分离现象,以蚯蚓粪与蚯蚓EVRS分离过程为研究对象,从物料分离动力学分析、微观界面接触机理与表面性能表征、表面能量化DEM模型与关键过程仿真模拟3个方面进行探究。

结果表明:蚯蚓粪与蚯蚓在锥形分离器上由于离心力、摩擦力、重力、支承力的耦合作用,导致锥形分离器上物料离心角、抛离速度与抛离位置的差异使得物料实现分离,其中物料的摩擦力起到了关键作用。微观接触界面下,蚯蚓表面有较强的亲液湿润性,液膜粘附现象显著,体液表面张力小,接触角为27.15±1.13°,当蚯蚓粪含水率由15%升高至65%时,蚯蚓与固体壁面接触界面之间,形成一定断续连接的液桥并被不同程度小颗粒蚯蚓粪覆盖,导致表面粘附力显著改变。蚯蚓与壁面多点接触,而蚯蚓粪外观类圆球状,与壁面单点接触,滚动摩擦性能较低,分离时蚯蚓粘附摩擦、滚动摩擦、滑动摩擦性能耦合叠加,因此摩擦力远大于球形蚯蚓粪颗粒的滚动摩擦力,且蚯蚓质量小于蚯蚓粪大颗粒质量,锥形分离器离心作用后两物料下发生斜抛运动,实现两者分离;蚯蚓粪含水率在45%时,蚯蚓与蚯蚓粪分离效果最佳。仿真结果可知,蚯蚓在X向上速度和分离初始位移均显著大于蚯蚓粪,Y,Z向的速度低于蚯蚓粪速度;地面坐标系下,蚯蚓平均收获落点中心在X-310mm,Y-160mm,蚯蚓粪可收集区域为X:-300mm～500mm和Y:0～500mm。此分离机理与仿真预测结果可为未来蚯蚓分离收获的改进、调整、优化提供直接参考。

(7)针对堆肥物料分离时由于含水率较高导致散体物料团聚、粘附、堵孔导致筛分效率下降的问题,基于蚯蚓粪多孔介质物料水分特征与水渗透过程,提出应用于现场的干湿物料快速混合降湿法,将待分离物料含水率降至EVRS分离的较适条件(45%)。为解决EVRS物料分离后蚯蚓粪与蚯蚓可能出现的混杂问题,蚯蚓粪下落后无序散落的问题,整体实现“预处理→EVRS分离→收获”3步集中收获得到蚯蚓、蚯蚓粪产品的工艺技术模式,是未来蚯蚓堆肥规模化生产,流水线机械自动化作业的技术基础。在含水降湿预处理后,将单体输送装置作为收获关键设备,开展蚯蚓堆肥物料集中收获试验研究。结果表明:处理10kg混合物料时,蚯蚓与蚯蚓粪在输送倾角为30°、速度为50mm/s时,蚯蚓收获率为77.50%,几乎不含蚯蚓粪杂质,验证试验偏差为8.34%,耗时55.36s,总物料回收率约94.56%,较好实现蚯蚓-蚯蚓粪单物料的收获。基于本研究获得的优化参数,开展蚯蚓规模化堆肥现场应用试验。结果表明:单台EVRS设备对蚯蚓粪-蚯蚓混合物分离处理效率为18kg/min,即蚯蚓收获效率为1.03kg/min,分离效率、速度均较高;干湿混合物料预处理后,收获的蚯蚓质量约占混合物料总质量5.70%,略低于未混料预处理时蚯蚓收获率(11.06%),但物料未经预处理蚯蚓落点离散化,蚯蚓损失率较高。经粗略估计,相较于人工分离,假设单台EVRS日有效工作6h,按预处理的待分离物料质量占比为60%计算,单日可分离收获得到222.48kg活蚯蚓,约为日单人分离量的4倍,效率显著提高。