CN101624304A - 机械堆肥系统的改进 - Google Patents
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Abstract
一种堆肥系统和方法，包括至少一个保温的、具有大体垂直平行边的机械密封塔，该塔具有一个或多个类似的室，用于细菌或真菌降解生物可降解物质。生物可降解物质以百分之五十(50)至百分之八十(80)(w/w)的进料水分含量提供。以正压空气从堆肥生物质之下提供与所需生物氧相配的可变的通风速率。各室的底部配接有材料支撑指状桥辊机械结构，通过该机械结构向室中引入湿度经控制的空气并定期取出产出的堆肥。
Description
技术领域
本发明涉及改进的堆肥(composting)装置或系统，具体涉及改进的机械堆肥装置或系统。
背景技术
当前，生物质(biomass)，具体是食物废料、木材废料、木屑、污水污泥、甚至某些有毒的废物和其它物质，非常难以处理，尤其难以进行大规模处理。
现在有很多可用于处理这类物质的堆肥系统，然而，大多数这类系统操作起来成本昂贵并且产生臭气，这意味着这些装置必须安装在乡下，远离城市。
上千年以来人们用各种形式进行生物质堆肥。有些堆肥是自然进行的，比如自然环境中通过生物作用进行的物质腐烂的腐殖作用。人类进行了各种尝试，用手工集合起来的的有机物质堆场以及最近的机械装置来促进或加速这种(堆肥)过程。人们之所以进行这些尝试是因为人口的集中化和城市有机废弃物的富集，一般这些废弃物要进行废渣填埋或垃圾处理，并且因为建立和运行废渣填埋操作的成本，需要减少填埋体积。作为堆肥的有机物质再循环是地球可持续发展的重要特征。不管所用何种土壤改良形式，当有机物质被土壤微生物分解时，其提供了基本的营养保留能力，这是所有天然的、未受侵扰的生态系统在其生长、死亡、衰落的循环中的一个特征。
当前机械堆肥的一个特征是搅拌待混合的物质和大量空气，因此这些过程中需要并消耗了能量。大量的通气和搅拌加剧了堆肥物质释放臭气。可在很多现有专利和现有技术中找到大量有关细节，但是申请人在此参考一篇关于堆肥方法的描述：Robert T.Haug，“The practical Handbook of CompostEngineering”(堆肥工程实用手册)，Lewis Publishers 1993，ISBN #0-87371-373-7。这种手册是关于堆肥(包括加速的机械系统)的科学和技术性细节的全面指南。
本发明的一个目的是克服或至少大大改善现有技术中的一个或多个不足。
发明内容
根据本发明第一方面，提供一种堆肥系统和方法，包括至少一个保温的(insulated)、具有大体垂直平行边的塔，该塔具有一个或多个类似的室，用于细菌或真菌降解生物可降解物质，所述生物可降解物质以百分之五十(50)至百分之八十(80)(w/w)的进料水分含量提供，其中以正压空气从堆肥生物质之下提供与生物氧需要量相匹配的可变通风速率，各室的底部(base)配接有材料支撑指状桥辊机械结构(material supporting finger bridge roller mechanism)，通过该机械结构向室中引入湿度经控制的空气并定期取出产出的堆肥。
根据本发明第二方面，提供利用上述第一方面的堆肥系统和方法将生物可降解废料堆肥的方法，包括以下步骤：
以略超过BOD或略高于化学计量的水平，从所述室的底部、经过堆肥的反应堆(pile)，提供受控正压、受控湿度和加热的空气流；
通过生物膜维持和水分含量控制，在堆肥的反应堆上部(upper level)为喜高温(pyrophilic)和耐热微生物提供合适的生境，允许在堆肥的反应堆内发生需氧和厌氧的混合作用，另外通过可调节的机械开口或阀门控制废气(exhaust gas)从容器流出的多少，从而不使不利的臭气从容器逸出到环境中；和
提供定期的进料和出料，根据输出产物的性质和所需产物的成熟度控制循环滞留时间。
本发明另一方面提供一种堆肥系统，包括至少一个保温的、大体垂直的室，该室在其底部或靠近底部配接有材料支撑指状桥辊机械结构，通过该机械结构输入空气并定期取出产物，其中所述堆肥系统配置为当降解进料水分含量为百分之五十(50)至百分之八十(80)(w/w)的生物可降解物质时，在所述室内获得45℃-80℃的运行温度，其中正压空气流提供与生物质的BOD相同的氧气含量，并且需要时可通过各室的可变开口排气机械结构调节该氧气含量以提供过量氧气。
可根据堆肥物质和/或室内的氧气、湿度或温度传感器的读数自动调节排气阀的设置或由操作人员调节。
本发明需要利用已知的工程技术或通过提供机械封闭来密封所述室的底部，从而在压力下输入湿度控制的热空气。
至少在优选的形式中，本发明有利地提供适于多种生物质并且可作为生物过滤系统的低成本容器堆肥系统。
另外，本发明有利地提供利用栓塞流(plug flow)原理的生物可降解废弃物堆肥方法，包括：
从堆肥的反应堆之下用加压的空气产生经过堆肥反应堆的可变空气流动速率；
通过控制空气流与BOD相同或稍微超过BOD来保持反应堆能量；
控制所述加压空气流的湿度水平；
通过热交换器利用从该过程放出的热空气预热进入的新鲜空气；
通过低通风速率保持恒定的生物膜，促进厌氧/需氧生物活动的混合循环；和
以定期的间隔取出生物质物质；
利用堆肥反应堆中耐高温和常驻的(resident)喜高温微生物活动。
本发明堆肥系统的操作优选是连续的，并且其操作基于栓塞流原理，利用生物质在所述室中下降的过程中生物质物质的收缩和降解，从而加在室壁上的压力的作用意味着可采用直边(straight sided)壁而不是本领域常用的负斜(negativelyinclined)壁，这简化了构建方法并降低了成本。
如果包括第二个室，则其可用于堆肥的熟化或作为生物过滤器，与第一室操作方式相同，或通过模块构建，在一个进料系统中可平行地运行很多独立的单元。
连续流动的、大体垂直的堆肥塔形成为保温的热反应堆并有利地保持与地面分开(held clear of the ground)，允许加压的、湿度受控的、加热的空气从反应堆底部以与反应堆的降解过程所需要的(化学计量氧气需要量)相同或略高的速率进入生物质。堆肥塔固定在密封的支撑结构上以实现该目的。
该系统可以是气密的(weather sealed)和防虫的。低输出空气速率有利地降低了洗涤器体积和成本并增加了除臭气效率。
有利地，生物质物质不需要搅拌，大大减小了产生臭气的可能。系统中相对较低的通气速率促进了喜高温和耐热细菌和真菌的高活性，使需氧和厌氧活动同时发生。由厌氧活动产生的通常有味的气体被用作所述室上部的高温耐热/喜高温细菌的食物，因此使得该系统可自身过滤臭气。
该系统的加压的、湿度受控的、加热的空气在输入至输出期间允许维持活性的、结合有水分的生物膜(通常为45-50％w/w)，这防止了热解的可能性并有利于微生物活性。这在处理绿色废物和食物废料或污水污泥的混合物时尤其有效。本文所用术语“生物膜”指覆盖分离的介质的水薄膜。气相中的有机分子通过生物膜被吸收到介质中，微生物生活在该介质中并通过一种叫做“生物过滤”的过程消耗这些有机分子。在可控的每日循环中，一系列材料支撑指状桥辊机械结构从处理室中将材料传递下来。
所述堆肥系统是连续的，为工作人员每日循环提供输入和输出活动。有利地，该系统产生可用在15-20天的处理周期中的堆肥，但是当堆料或静态反应堆的熟化可行(viable)时，该系统也可用作加速器(5-10天的处理周期)。
所述系统的一个主要优点是能够放置在离城市较近的地方，降低了收集、运输和处置的成本并增加了成品的销售。
申请人的测试结果证明，允许在竖直的反应堆的降解、收缩和压缩处理过程中发生小型厌氧活动(anaerobic pockets of activity)有一些优点。这为需氧细菌提供了额外的食物来源，这些需氧细菌能够吸收气相中或溶解在生物膜中的这些“食物”。嗜温性细菌和厌氧菌形成的具体气体是H2S和CH4(硫化氢和甲烷)，它们是通常导致堆肥系统气味难闻和引起公害的气体。
而且，所述室顶壁(roof)内部的冷凝(物)重新滴落到堆肥生物质中，在堆肥基质内保持了活性生物膜。虽然比传统系统提供湿度更大的输出物，但所述生物膜有两个重要功能。第一，它为整个堆肥反应堆/反应柱/反应物中的细菌和真菌(包括厌氧细菌)提供活性的湿气/固体界面。第二，它为需氧细菌提供活性的湿气/气流动界面，这些细菌在该生物膜表面的气相中获得它们的食物或获得溶解在生物膜中的食物。该活动使得该堆肥过程实际上完全自身过滤了臭气。
通过使用大量空气使温度保持在65-70℃以下并在堆肥过程中冷却整个微生物活动的传统方法阻碍了有利的高温微生物，从中间的厌氧反应中产生大量废气。正是该活动使得臭气的清除问题更大和更难以控制。
有利地，本发明系统的加压的、湿度受控的气体流保证了空气在整个反应堆下表面的均匀分布。传统系统的高通风速率引起了反应堆中的不均匀通风，称为“颤动(rattling)”。
有利地，本发明系统的加压的、湿度受控的、加热的进入气体保证了反应堆中生物质快速降解所需的正确量的水蒸汽。
进入气体的湿度控制使过湿的进料得到干燥并且防止非常湿的大气使反应堆的含量饱和。
通过下文的描述，本发明所有全新方面的其它方面将非常明显。
附图说明
下文将参考一种测试性堆肥单元，附图(图1)示意性显示了所述单元的例子。
具体实施方式
测试性堆肥单元实例描述
对所述单元(图1)的说明如下。
进料系统：将待处理物置于搅拌器(1)中，与任意添加剂混合在一起。然后混合物由传送机(2)送至斜坡传送机(3)和横向传送机(4)。由旋转盘(5)将进料均匀分布在塔中。自动水平控制允许足够的空间以腾空进料系统。填料后关闭并密封给料器。
进料：食物废料、污水污泥、动物副产品、一些有毒有机废物和一些蓬松剂(碎的绿色废物或木屑)至最大混合物密度为0.65T/m3。水分含量范围为50％-80％。可能需要pH调节化合物、矿物质、营养物或元素等添加剂以改良废物以有利于加工或达到最终产物要求。
提取系统：置于密封的内置式(enclosed)室的底部的材料支撑指状桥辊机械结构(6)支撑堆肥反应堆。由配合在桥辊结构(6)之下的传送带(7)将材料传送出所述室。传送带(7)出口在不用时封闭，以保持正常运行时加压的堆肥单元。
空气流动：大气被导入到温度控制单元(8)，然后经过湿度和压力控制单元(9)。受控的空气通过密封室(10)进入堆肥材料(11)。
循环时间：4-28天，取决于待处理的废物的类型和混合，所需产物的降解和细化程度，以及所需的熟化水平。
输出：自我覆盖(mulching)堆肥(未筛选的)或在独立的筛选设备中分级。超大尺寸可用作再循环中的额外蓬松剂或者被粉碎。10mm的堆肥产率中85％体积是碎的绿色废物，+10mm的木屑蓬松剂在筛选后被再循环。具有熟化室的系统可即用而无需堆料/静态反应堆的熟化。
空气或生物过滤：对食物废料/绿色废料进行操作时，通过活性的、热的上层进行大规模自我过滤。(Gausian分散距离模型(Gausian Dispersion DistanceModel)-因此结果远远在人可检测的阈值之下)在20米的距离。如果位点控制和要求需要，排出的气体通过或可通过作为生物过滤器的独立的室。
冷凝物：测试条位于冷凝器中。冷凝物是干净的并且几乎无味，pH5(平均)，无病原体和氮化物，适于灌溉或雨水处理。(Cawthron Institute Tests andNSW EPA Tests(Cawthron学院测试和NSW EPA测试))。
沥出物：没有，除非输入的水分超过80％。沥出物pH6.5，有一些褐色腐殖质固体和一些氮化物。生物氧需要量(BOD)可忽略。很容易通过管理气体输入和排放来控制沥出物，如果产生了沥出物可进行再循环。
病原体：推测在堆肥期第4天时没有病原体，原因是堆肥条件，温度超过50℃超过24小时，由于反应堆湿气因此热传导率高。通过Cawthron Institute&Australian NSW EPA进行病原体筛选，确认没有病原体。
毒性系数：90％根长。(AS3743)
发芽(germination)：99％(AS3743)(用于带有熟化室的系统，产生最终产物)。
草种：14天的处理周期后无存活。
后熟化时间：取决于所在位置和熟化要求，在14-120天中可用。
在操作测试单元(以图1为代表)过程中，申请人已发现，大量的食物碎屑或污泥可与碎的绿色废物混合。食物废料使混合物的水分含量达到理想水平(绿色废物通常低于50％水分含量，食物废料高达90％)。大的食物废料，例如土豆、番瓜、洋葱等优选需要碎化。这大大减少了体积、增加了表面积，使混合物含有高达80重量％的食物废料而不大大增加整体体积。这是因为捣烂的食物废料填补了碎的绿色废物颗粒之间的孔隙。有时，大于80％的水分可导致在收获传送器(8)上产生少量的(10L每天)沥出物(pH6.5)和略微潮湿(damper)的堆肥终产物。当材料在45-55℃从室中取出时，这些水分迅速消失，具有中性的土味。即使是食物碎屑，在堆肥中也几乎检测不到氮化铵或硫磺的气味。通过控制进料和添加剂，最主要的分解代谢(cat)离子是钙，没有可检测量的氮损失。对于所有的营养和痕量元素平衡，营养分析(AS3743)均较高，但取决于加入系统中的物质的混合和分析。
因为提供的潮湿条件，真菌在底部的生长比较丰富。申请人已鉴定到转化铁和硫的真菌。
本发明优点如下：
密闭保温、大体垂直的反应堆
栓塞流原理
保温反应堆保留热能
控制湿度的、加压热空气引入堆肥反应堆的底部
高温--利用耐热-喜高温微生物活动
恒定的生物膜维持
低能需求/消耗
足迹(footprint)和土地印迹(land print)小模块设计，--一个进料/出料系统有几个室
本发明体现的重要原理：
低机械驱动的气流速率，湿度受控的、热空气输入低能耗；
低运行成本；
足迹(footprint)和土地使用(land use)少；
可忽略的臭气(装置可置于城市中)；
湿度受控的、加压热空气提供到反应堆底部排气的可调节开口控制
模块设计：一个进料系统，几个单元。
虽然说明书中描述了具体的机械或其它整数，但考虑包括它们的替代形式，就如同这些形式已被单独描述那样。
已描述了本发明的具体实施方式，考虑可进行改进和变化而不脱离本发明的范围。
Claims (10)
1.一种堆肥系统和方法，包括至少一个保温的、具有大体垂直平行边的塔，该塔具有一个或多个类似的室，用于细菌或真菌降解生物可降解物质，所述生物可降解物质以百分之五十(50)至百分之八十(80)(w/w)的进料水分含量提供，其中，以正压空气从堆肥生物质之下提供的可变通风速率与生物氧需要量相匹配，各室的底部配接有材料支撑指状桥辊机械结构，通过该机械结构向室中引入湿度经控制的空气并定期取出产出的堆肥。
2.如权利要求1所述的堆肥系统和方法，其特征在于，运行是连续的，利用生物质在所述室内下降过程中的生物消融作用产生的可控的收缩和壁压力释放，结合定期取出产物，堆肥生物质以栓塞流方式下降，不用在所述室内以机械方式搅拌。
3.如权利要求1或2所述的堆肥系统和方法，其特征在于，加压的、湿度控制的热空气引入所述反应堆底部，从生物反应中产生气体，通过所述反应堆顶部的可调节开口调节受控的空气流，排除的气体通过冷凝器以确保臭气控制，以及从排除的气体中去除冷凝物以进行处理或在所述室内再利用。
4.利用如权利要求1-3中任一项所述的堆肥系统和方法用生物可降解废料堆肥的方法，包括以下步骤：
从所述室的底部，用加压的、湿度受控和加热的、略超过BOD的空气引入空气速率，经过堆肥反应堆；
通过生物膜维持和水分含量控制，在堆肥的反应堆上部为喜高温和耐热微生物提供合适的生境，允许在堆肥的反应堆内发生需氧和厌氧的混合作用而不使不利的臭气逸出到环境中；和
定期地进料和出料，根据输出产物的性质和所需产物的成熟度控制循环滞留时间。
5.利用如权利要求3所述的堆肥系统和方法用生物可降解废料堆肥的方法，包括以下步骤：在输入至输出期间维持基质覆盖的结合有水分的生物膜，这防止了热解的可能性并有利于高温微生物活性。
6.利用如权利要求1-3中任一项所述的堆肥系统和方法用生物可降解废料堆肥的方法，其特征在于，进料气体的相对湿度在进入气体集管之前下降，使得进料水分含量高达80％(w/w)。
7.利用如权利要求1-3中任一项所述的堆肥系统和方法用生物可降解废料堆肥的方法，其特征在于，在进料气体进入气体集管之前用通过热交换器获得的排出气体的废热升高其温度。
8.一种堆肥系统和方法，包括保温的、大体垂直的一个或多个室，该室配接有材料支撑指状桥辊机械结构，通过该机械结构将加压的、湿度控制的热空气输入反应堆底部并定期取出产物，其中所述堆肥系统配置为当降解进料水分含量为百分之五十(50)至百分之八十(80)(w/w)的生物可降解物质时，在所述室内获得45℃-80℃的运行温度，其中输入所述反应堆底部的湿度控制的空气提供与堆肥过程的生物氧需要量相同或略高的氧气含量。
9.如权利要求8所述的堆肥系统和方法，其特征在于，利用已知的工程技术或通过提供机械封闭来密封所述室的底部，从而在压力下输入湿度控制的热空气。
10.如权利要求1或8中任何一项所述的堆肥系统和方法，基本如本文前面参考附图所描述的。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN200810131427A CN101624304A (zh) | 2008-07-10 | 2008-07-10 | 机械堆肥系统的改进 |
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| CN200810131427A CN101624304A (zh) | 2008-07-10 | 2008-07-10 | 机械堆肥系统的改进 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101624304A true CN101624304A (zh) | 2010-01-13 |
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Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN101624304A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111108080A (zh) * | 2017-07-27 | 2020-05-05 | 安德鲁·哈伊姆德弗里斯 | 地下堆肥系统 |
| CN111954717A (zh) * | 2018-01-16 | 2020-11-17 | 本杰明·斯勒格尔 | 用于将纤维素物料转化为糖的辊轧机 |
-
2008
- 2008-07-10 CN CN200810131427A patent/CN101624304A/zh active Pending
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| CN111954717A (zh) * | 2018-01-16 | 2020-11-17 | 本杰明·斯勒格尔 | 用于将纤维素物料转化为糖的辊轧机 |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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