CN100567219C - 一种双向通风和气压翻堆堆肥方法 - Google Patents

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Abstract

一种双向通风和气压翻堆堆肥方法，涉及一种堆肥主发酵工艺。先在箱式堆肥反应器中堆置高2-2.5m、上部留空0.5-1.0m的堆体，并在其不同高度插入3支温度计和3支堆体空隙气体取样管。再按每m3初始堆肥原料0.1-0.2m3/min固定风量和间歇方法实施通风，当3支温度计最大温差大于5℃时，改变通风方向；翻堆自堆肥第2天起，每天一次，用脉冲压缩空气瞬时释放使反应器内堆体受冲击上浮、再下落。每次翻堆后，每隔15min测定堆体中气体的氧浓度，当相邻2次的最大差值小于1.0%时，堆体耗氧稳定，堆肥完成。本发明在非敞开条件下实现翻堆，保证了堆体温度均匀性，堆肥主发酵7d内完成，设施和运行成本低，无二次污染，堆肥质量保证。广泛适用于生活垃圾、农业废弃物、污水处理厂污泥的堆肥。

Description

一种双向通风和气压翻堆堆肥方法
技术领域
一种双向通风和气压翻堆堆肥方法，涉及一种堆肥主发酵工艺，具体是对生活垃圾、农业废弃物、污水处理厂污泥的堆肥主发酵工艺，属固体废弃物处理与资源化技术领域。
背景技术
堆肥技术具有古老的历史，在现代社会中也已广泛地应用于生活垃圾、农业废弃物、污水处理厂污泥等富含生物可降解有机物的废弃物的无害化处理，堆肥处理的产物(堆肥)还含有丰富的腐殖质和植物养份，适于土地利用，使堆肥技术同时具有资源化价值。
堆肥过程的主要机理是原料中的有机物，在好氧微生物的代谢作用下，降解转化为稳定的有机残余物和CO2、H2O、NH3(NH4 +)等小分子产物，同时，有机物好氧降解放热使堆肥物料升温至可杀灭致病微生物的水平，使堆肥产物达到卫生无害化的水平。因此，堆肥工艺发展的基本目标是为堆肥原料的生物降解提供优化的好氧及温度控制条件。目前，实用的堆肥过程均由主发酵和后发酵(或称二次发酵)2个阶段组成，其中，主发酵阶段的有机物降解量占全过程的80％以上，因此是堆肥工艺发展的重点。
配有翻倒和通风机械的槽式堆肥反应器和仓式堆肥反应器(包括筒仓和箱式2种形式)是堆肥主发酵反应器的主要形式(Composting of yard Trimmings andMunicipal solid Waste.U.S.EPA Office of Solid Waste and Emergency Response，ashington：U.S.Environmental Protection Agency，1994，EPA530-R-94-003)，前者具有在堆肥过程中对堆体进行翻堆、可保持堆体的空隙率、并使物料均匀，保证好氧降解的堆体供氧条件的作用，但堆体处于部分敞开状态，尾气不易收集，易产生臭气和气溶胶污染；后者的堆体密封性好，尾气污染容易收集控制，但不能对堆体进行翻倒，堆体内易因沉降与积水造成空隙率损失，产生局部厌氧状态，而使堆肥物料的降解不均匀，不利于达到稳定化。
发明内容
本发明的目的是提供一种堆肥新工艺，该工艺综合优化了堆肥过程的降解条件和尾气污染控制，克服了目前已有的堆肥方法的对堆体的翻堆必须在敞开的条件下，借助机械搅拌力实施，造成堆肥尾气密闭收集无法实现的弊病。
为达上述目的，本发明依据物料气力输送的基本原理，采用脉冲方式将压缩空气瞬时导入反应器，利用压缩空气的压差条件形成瞬时大气量通过堆体，气流的气动力可使堆体中物料短时悬浮；同时，由于压缩空气以脉冲方式引入，引入气流中止后，物料因失去悬浮力而沉降，堆体将重新复原，在此堆体破坏与重新沉降复原的过程中，堆体的颗粒堆积状态得以重新排列，可起到恢复堆体因沉降导致的空隙率损失、及使堆体物料均匀化的作用，从而使密闭型的箱式反应器，同样可以实现翻堆，优化了这种反应器的堆肥过程条件。
利用压缩空气气压翻堆，可能造成的物料颗粒被进一步夹带出反应器的克服方法是，首先，本发明采取了在箱式反应器内堆置堆体时，预留上部空间作为缓冲的措施和在反应器气体出口联结大容量气体缓冲器的方式，前者可以使压缩空气流至反应器上部时，产生减速，夹带的颗粒物可迅速沉降避免被进一步夹带；后者则可使压缩空气到达堆肥原料堆体之上后，迅速地失去压力、并减缓流速，同样可减少颗粒物料被夹带离开反应器的问题。进一步地，本发明还将反应器气体出口的气体缓冲器设计成旋风分离器的样式，使少量可能被夹带出反应器的物料，在其中被捕集分离，再返回进料中进行处理。另一方面，为了保证处理物料堆肥化降解的均匀性，本发明还采用了双向通风的措施，以控制堆体因单向通风而可能出现的成层性不均匀状态。
本发明的具体方案如下：
第一步：处理的堆肥原料在集装箱型构造的箱式堆肥反应器中堆置，堆肥原料堆体堆置高度2-2.5m，堆体表面与反应器内顶部相距0.5-1.0m；然后通过设置于顶部的6个插入口，通过3个插入口，将3支温度计分别插入堆肥原料堆体的1/4、1/2和3/4高度处，再通过另外3个插入口，分别将3支堆体空隙气体取样管插入堆肥原料堆体的同样高度处，将插入口旋紧密封；同时，将位于反应器一侧端面的进出料门关闭并紧压，使整个反应器处于气密状态；
第二步：对反应器进行堆肥化操作，包括通风、翻堆和测定堆体的耗氧稳定性。通风按固定流量、间歇通风方式实施，通风流量按每立方米初始堆肥原料体积通风0.1-0.2m3/min确定；间歇通风控制方法如下：当堆体平均温度(以插入堆体的3支温度计测定值的平均值计)≤60℃时，按堆体内空隙气体氧的体积分率≤5％时，启动通风15min的方法进行间歇通风，每隔15min测定一次堆体内空隙气体氧的体积分率(即以体积分率表示的浓度)，测定方法为通过气体取样管抽取100-150ml堆体内空隙气体，注入电极式测氧仪测量，堆体内空隙气体氧的体积分率以3支气体取样管抽气测得的平均值计；当堆体平均温度＞60℃时，通风20min间歇30min的方法进行通风；堆肥操作过程中监控3支温度计的读数差值，当各支温度计读数最大差值大于5℃时，即改变堆肥的通风方向，即将鼓风式通风改为吸风式通风，或相反。翻堆采用脉冲压缩空气方法，通过将体积为空反应器容积的1/3、气压为0.8MPa(表压)的压缩空气，瞬时释放通入箱式堆肥反应器，使反应器内物料受压缩空气冲击上浮、再下落，达到恢复堆体因沉降损失的孔隙率和堆体物料均匀化的目的，翻堆自堆体堆肥操作起始后的第2天起，每天进行一次。在每次翻堆操作后进行堆体耗氧稳定性测定，测定时间为1h，期间不进行堆体通风，但仍每隔15min，测定一次堆体内空隙气体的氧的体积分率，并以其中相邻2次测定的最大差值记录结果，当结果值小于1.0％时，即标志堆体物料的生物稳定性已达到堆肥主发酵的要求，可终止操作，撤除插入反应器的温度计和气体取样管，打开进出料门，取出物料，清理后进行下一批的堆肥。
其中，实现对反应器的正压鼓风(反应器内气流由下至上)或负压抽吸(反应器内气流由上至下)通风是通过箱式堆肥反应器底部设置的气体分布层及其相关阀门切换进行的，气体分布层由通风孔孔径为20mm，通风孔均匀分布，开孔率为10％(按孔与板的面积比计)的气体分布板分隔构成：气体分布板下部，距离反应器底部高为0.3m的空间为气体分布层，气体分布板上部为堆肥原料堆体。在反应器进出料门对应的一侧端面的气体分布层空间处设有通风接口，气体分布层通过此通风接口与鼓吸两用的旋涡风机连接。鼓风时，空气从风机出口，通过通风接口进入反应器底部的气体分布层，然后穿过堆体层，再通过反应器顶板中轴线每隔1m设置的一个直径为30cm气体导流口，进入与各导流口连接的分叉管中，再通过与分叉管连接的一个四通管(四通管的3条支管上均装有截止阀)的一个阀进入堆肥尾气总管，经脱臭后排出。抽吸时，旋涡风机进气口通过吸气缓冲罐与反应器的通风接口联通，反应器气体导流口通过四通管的一个阀门与大气联通，将空气从气体导流口吸入，穿过堆体层进入气体分布层，再经过吸气缓冲罐除去气流中的水雾、尘粒后，通过旋涡风机出气口再进入堆肥尾气总管，同样经脱臭后排出。由此，完成对堆体的正压鼓风和负压抽吸。
进行气压翻堆时，先通过阀门将旋涡风机与气体分布层断开，将气体导流口与容积相等于反应器的旋风分离器形式的翻堆尾气缓冲罐联通，同时，打开反应器的气体分布层的2个侧面上各一个的压缩空气接口阀门与容积为反应器容积1/3的压缩空气罐并联连接；然后，使用空气压缩机使压缩空气罐内充满空气至0.8MPa(表压)，再打开气体分布层与压缩空气罐的连接阀门，压缩空气快速冲入反应器使堆体得到翻倒，再经翻堆尾气缓冲罐平稳地排入堆肥尾气总管，待压缩空气罐的气压降至0.02-0.05MPa(表压)后，将各种阀门重新调整至通风操作状态。
本发明具有如下的有益之处：
1.提高堆肥的速率，降低主发酵的周期，传统的箱式反应器堆肥过程的主发酵周期通常为10至15d，本发明采用的堆体翻倒和双向通风措施，可使同类反应器的堆肥主发酵周期缩短到7d以内，使同样处理量条件下的反应器容积需求量降低30％至100％，可显著节省反应器的购置及为反应器配套的建筑设施的建造费用，使堆肥处理的成本显著下降。
2.降低堆肥尾气的收集量及相应的处理费用，与同样可实现堆肥过程堆体翻倒的配翻倒机械的槽式反应器堆肥工艺比较，本发明仅需要收集堆肥过程的通风尾气和气压翻堆排气，进行脱臭处理即可解决堆肥过程的气相二次污染问题，而槽式反应器堆肥工艺，除堆肥通风尾气外，尚需动态收集空间容积至少为堆体5倍以上的空间中的气体进行脱臭处理，而该空间的气体换气量，每小时为其容积的12倍以上，总的处理气量远大于堆体通风尾气。另一方面该工艺在相对敞开空间中进行气体收集的效率亦远低于本工艺在封闭空间中的收集，因此，本发明的气相污染控制效果亦优于槽式反应器堆肥。
3.保证堆肥制品的质量，不翻堆和单向通风的堆肥工艺，处理过程中堆体存在明显的不均匀性，以温度计，堆体不同位置的温差可达10℃以上，而堆肥处理的重要质量要求、无害化的实现，主要依靠的是高温环境的作用，局部存在的低温区域，将严重影响无害化的实现；而本工艺通过翻堆和双向通风可保证堆体的最大温差＜5℃，可消除这方面的质量隐患。
附图说明
图1为本发明的通风和翻堆流程示意图
图2为本发明的箱式反应器剖面示意图
其中：
1-箱式反应器，2-阀门A，3-阀门B，4-气压计，5-空气压缩机，6-阀门C，7-压缩空气罐，8-阀门D，9-阀门E，10-吸气缓冲罐，11-旋涡风机，12-阀门F，13-阀门G，14-翻堆尾气缓冲罐，15-阀门H，16-阀门I，17-四通管，18-阀门J，19-压缩空气接口，20-气体分布层，21-通风接口，22-反应器外壁，23-保温材料层，24-反应器内壁，25-气体导流口。
具体实施方式
请参阅图1和2，本发明具体实施方式如下。
处理对象：污水处理厂脱水污泥100t/d，含水率80％，堆肥处理前，按使混合物的含水率调整为60％的堆肥工艺常规要求，将其与破碎的秸秆按重量比1∶0.4混合，使混合物的含水率调整为60％，实际堆肥处理物料量140t/d，物料堆积密度0.6t/m3。
主要处理设备：箱式堆肥反应器1为集装箱型构造。按上述每天处理的物料量的要求，计算出堆置体积为233m3，堆置高度为2.33m，反应器宽度为5m，则反应器长度为20m，物料堆置后上方留出0.87m高的缓冲空间。反应器底部设0.3m高的气体分布层20，反应器内部总高3.5m，反应器内部总容积350m3；反应器外壁22和内壁24以及进出料门均为双层薄钢板焊接结构构成，内填保温材料23，总厚度0.3m，反应器外廓尺寸为：长20.6m、宽5.6m、高4.1m。箱式堆肥反应器1内的底部设通风和翻堆用的气体分布层20，该层的水平截面积与反应器相等，空间高0.3m，通过通风孔孔径为20mm，通风孔均匀分布，开孔率为10％(按孔与板的面积比计)的气体分布板将反应器隔离为底部的气体分布层20，和上部的堆肥原料堆体两部分。与反应器进出料门相对应一侧的气体分布层空间处设有通风接口21，气体分布层与抽吸两用的旋涡风机11连接，按需要切换相关阀门，实现对反应器的正压鼓风(反应器内气流由下至上)或负压抽吸(反应器内气流由上至下)通风。反应器顶板中轴线，每隔1m设一个直径30cm的气体导流口25，各导流口通过分叉管集流后，再通过与分叉管连接的四通管17及其四通管17的支管上的阀门H、I、J的启闭操作，分别可切换联接至堆肥尾气总管、大气和翻堆气流缓冲罐14。按处理周期7d的要求，共配置8个反应器(其中一个备用)，满足处理的要求。
旋涡风机11，按每立方米(m3)物料初始体积0.15m3/min的通风流量实施间歇通风，每个反应器需配置35m3/min流量的通风能力，根据现有旋涡风机的型号，每个反应器配置2台流量均为18m3/min的旋涡风机，并联为反应器通风。
压缩空气罐7和空气压缩机5，整个处理设施(8个反应器)共配置一套压缩空气罐和空气压缩机，通过管道与阀门切换轮流为各个反应器进行翻堆操作。压缩空气罐7为圆筒结构，内部尺寸为直径4.2m、高8.5m、有效容积117.7m3。与压缩空气罐7配套的空气压缩机5的压头0.8～1.0MPa(表压)、流量1.8m3/min。
翻堆尾气缓冲罐14按旋风分离器形式设置，主体为圆筒结构，内部尺寸为：直径6m、高12m、中心气流导出管直径1.0m，插入缓冲罐内50％高度处；缓冲罐14下部设有与水平面呈30°的锥体，锥体末端设直径0.6m的翻堆气流夹带垃圾排出的门。整个处理设施配置一个翻堆尾气缓冲罐14，通过管道与阀门切换轮流为各个反应器的翻堆气流缓冲服务。
堆肥操作：第一步：处理的堆肥原料在箱式堆肥反应器1中堆置，堆肥原料堆体堆置高度2.33m；然后将3支温度计由反应器箱体顶部分别插入堆体的1/4、1/2和3/4高度处，再将3支堆体空隙气体取样管，在反应器的另一个不同位置各插入相同的高度处；温度计和气体取样管插入后，插入口旋紧密封，同时，将位于箱式反应器端面的进出料门关闭，并紧压后，使整个反应器处于气密状态。第二步：对反应器进行堆肥化操作，包括通风、翻堆和测定堆体的耗氧稳定性。通风按间歇通风方式实施，通风流量36m3/min；间歇通风控制方法为：当堆体平均温度(以插入堆体的3支温度计测定值的平均值计)≤60℃时，按堆体内空隙气体氧的体积分率≤5％时，启动通风15min的方法进行间歇通风，此时段，每隔15min测定一次堆体内空隙气体氧的体积分率。测定方法为通过气体取样管抽取100-150ml堆体内空隙气体，注入电极式测氧仪测量，堆体内空隙气体氧的体积分率以3支气体取样管抽气测得的平均值计。当堆体平均温度＞60℃时，按通风20min，再停止通风30min的方法循环，进行间歇通风。堆肥操作过程中监控3支温度计的读数差值，当各支温度计读数最大差值大于5℃时，即改变堆肥的通风方向，即将鼓风式通风改为抽吸式通风，或相反。鼓风式通风时，阀门E9阀门F12、阀门I16开启，其余阀门关闭，空气通过阀门F进入风机11、经阀门E9和气体分布层20进入堆体，再经气体导流口25、四通管17支管上的阀门I16，排入堆肥尾气总管；抽吸式通风时，阀门D8、阀门G13、阀门J18开启，其余阀门关闭，空气通过四通管17支管上的阀门J18，经气体导流口25、进入反应器内，再通过堆体、气体分布层20，然后通过阀门D8进入吸气缓冲器10再吸入旋涡风机11，最后从阀门G13排入堆肥尾气总管。
翻堆自堆体堆肥操作起始后的第2天起，每天进行一次，翻堆采用脉冲压缩空气方法，先关闭除阀门C6外的所有阀门，再开启空气压缩机5(阀门C同时开启)，至压缩空气罐7的气压计4的读数达到0.8MPa(表压)后，关闭空气压缩机5和阀门C6，然后瞬时、同时开启阀门A2、B3、H15使压缩空气释放进入箱式堆肥反应器1，反应器内堆体受压缩空气冲击上浮、再下落，达到恢复堆体因沉降损失的孔隙率和堆体物料均匀化的目的；压缩空气流则经堆体上部反应器空间作第一次缓冲，并与堆体物料分离后，再通过气体导流口25、四通管17支管上的阀门H15，进入翻堆尾气缓冲罐14作第二次缓冲，并与少量夹带物料分离，然后，平稳排入堆肥尾气总管。堆体耗氧稳定性测定，在每次翻堆操作后进行(先将阀门A2、B3、H15关闭)，测定周期为1h，期间不进行堆体通风，每隔15min，测定一次堆体内空隙气体的氧的体积分率，并以其中相邻2次测定的最大差值记录结果。当相邻2次测定最大差值小于1.0％时，即标志堆体物料的生物稳定性已达到堆肥主发酵的要求，可终止操作，撤除插入反应器的温度计和气体取样管，打开进出料门，取出物料，反应器清理后进行下一批的堆肥。

Claims (3)

1.一种双向通风和气压翻堆堆肥方法，其特征在于：
第一步，将堆肥原料堆置在集装箱型构造的箱式堆肥反应器(1)中形成高度为2-2.5m的堆体，堆体表面与反应器内的顶板之间留有相距0.5-1.0m的缓冲空间；然后将3支温度计分别垂直插入堆体的1/4、1/2和3/4高度处，再将3支堆体空隙气体取样管在不同位置分别垂直插入堆体的同样高度处，并使整个反应器处于气密状态；
第二步，对反应器进行堆肥化操作，包括通风、翻堆和测定堆体的耗氧稳定性，通风按每立方米初始堆肥原料体积通风0.1-0.2m3/min固定流量间歇进行，其中，当堆体平均温度≤60℃，堆体内空隙气体氧的体积分率≤5％时，通风15min，停止通风，然后每隔15min测定一次堆体内空隙气体氧的体积分率，当堆体内空隙气体氧的体积分率≤5％时，再通风15min，如此循环；当堆体平均温度＞60℃时，按通风20min，间歇30min循环；当各支温度计读数最大差值大于5℃时，立即改变通风方向，将原来对堆体的正压鼓风改为对堆体负压抽吸，或相反；翻堆自堆体通风后的第2天起，每天进行一次，采用脉冲压缩空气方法，通过将体积为反应器(1)容积的1/3、气压为0.8MPa表压的压缩空气，瞬时释放通入反应器(1)，使反应器(1)内堆体受压缩空气冲击上浮、再下落，达到恢复堆体因沉降损失的孔隙率和堆体物料均匀化的目的；每次翻堆操作后进行堆体耗氧稳定性测定，期间不进行堆体通风，每隔15min测定一次堆体内空隙气体的氧的体积分率，共测定1h，以其中相邻2次测定的最大差值为标准，大于1.0％，则继续前述的各项堆肥操作，小于1.0％时，即标志堆体耗氧稳定性已达到堆肥主发酵的要求，终止操作，撤除温度计和气体取样管，打开位于反应器(1)一端的进出料门，取出堆体物料，清理后进行下一批的堆肥。
2.根据权利要求1所述的一种双向通风和气压翻堆堆肥方法，其特征在于：所述的改变通风方向是通过切换旋涡风机(11)的鼓风或抽吸实现，鼓风时，打开阀门F(12)、阀门E(9)和阀门I(16)，空气从旋涡风机(11)进入设于与反应器(1)进出料门对应的一个侧面的通风接口(21)，进入反应器底部的气体分布层(20)，穿过反应器内气体分布层(20)和堆体之间的气体分布板，进入堆体后，再通过反应器(1)顶板中轴线间隔设置的气体导流口(25)，进入与各导流口连接的分叉管，再通过一个与分叉管连接的四通管(17)和截止阀I(16)进入堆肥尾气总管，经脱臭后排出；抽吸时，关闭上述阀门，打开阀门D(8)、阀门G(13)和阀门J(18)，空气从阀门J(18)和气体导流口(25)吸入，穿过堆体向下进入气体分布层(20)，再经过吸气缓冲罐(10)除去气流中的水雾、尘粒后，进入旋涡风机(11)，通过阀门G(13)进入堆肥尾气总管，同样经脱臭后排出；按上述要求切换阀门，完成对堆体的正压鼓风和负压抽吸。
3、根据权利要求1所述的一种双向通风和气压翻堆堆肥方法，其特征在于：所述的翻堆是气压翻堆，先通过关闭阀门D(8)和阀门E(9)，将旋涡风机(11)与气体分布层(20)断开，再把阀门H(15)打开，将气体导流口(25)与翻堆尾气缓冲罐(14)联通，同时，打开反应器(1)的气体分布层(20)的2个侧面上设有的压缩空气接口与容积为反应器(1)1/3的压缩空气罐(7)之间并联连接的2个阀门A(2)；然后，启动空气压缩机(5)，使压缩空气罐(7)内充满空气至0.8MPa，再打开气体分布层(20)与压缩空气罐(7)的连接阀门B(3)，压缩空气快速冲入反应器(1)，使堆体上、下翻倒后经阀门H(15)进入翻堆尾气缓冲罐(14)平稳地排入堆肥尾气总管，完成翻堆，待压缩空气罐(7)的气压降至0.02-0.05MPa后，将各阀门重新调整至通风操作状态进行通风。
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