CN102432348A - 一种厨余物好氧堆肥装置及多参数控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于有机物固体废弃物处理技术领域的一种厨余物好氧堆肥的耗氧量-湿度-温度联合调控的装置及方法。该装置增加了温度、湿度控制装置，可以对耗氧量、湿度、温度进行联合调控。本发明首先通过控制通气量以保证湿度达到50％-60％，并通过水循环加热或冷却装置修正通气造成的温度偏差，第一阶段调整到70-75℃，第二阶段调整到55-65℃。采用耗氧量-湿度-温度联合调控技术与普通堆肥技术相比，堆肥时长缩小了3-5天，堆肥产物提早3天进入高温堆肥阶段，有机物降解率提高了11％，该方法实现了厨余物的减量化与资源化，提高了堆肥产物在农业中的实用性和应用价值。堆肥产品也可用于农业、林业和园林等。

Description

一种厨余物好氧堆肥装置及多参数控制方法

技术领域：

本发明属于有机固体废弃物处理技术领域，具体涉及一种厨余物好氧堆肥的耗氧量-湿度-温度联合控制的方法及其装置。

背景技术：

随着人类生活质量的提高，厨余物的数量也在猛增，由于其水分及有机质含量很高而不同于城市垃圾，能够在较短的时间内腐烂、降解。如果厨余物与其他城市垃圾混合进行焚烧，整体发热量达不到发点要求的热量；如果与其他的城市垃圾混合进行填埋，其含水率高，会产生大量的垃圾渗滤液，而且焚烧和填埋又会浪费厨余物中大量的有机质及养分。因此，有必要对厨余垃圾进行单独处理。

堆肥技术是国内外应用最广泛的有机固体废弃物处理方法之一，这种技术简便易行，能杀死其中大部分病源微生物。好氧堆肥因为拥有资源化程度高、处理后对环境危害小、处理成本低工艺简单等优点，成为比较常用的生物处理法，其主要是给堆体供给一定量的气体使堆体保持一定的氧气浓度，是有机废弃物在好养堆肥条件下发酵、升温，达到灭菌、除臭、稳定化等目的。

由于好氧堆肥是一个复杂的生物化学反应过程，其发酵过程受多种因素的影响，如含水率、温度、通气量等，各影响因素都可能成为好氧堆肥化总过程中微生物存活、生长、反应的主要限制因素。湿度太高会导致堆料的压实度增加，孔隙率降低，氧气供应不足，有机物降解速率降低，堆肥周期延长；湿度过低会限制微生物新陈代谢，导致微生物活性下降，堆肥物料腐熟困难。经过实验测定，最适宜的湿度为50％-60％，高于或低于此湿度范围都将严重影响堆肥系统的成功和产物的质量。温度是堆料中微生物生命活动的重要标志，直接影响反应速率，是堆肥能否顺利进行的决定因素。一方面，温度直接决定着优势微生物的种类和发酵类型，在不同的阶段，有着不同的最适宜温度；与此同时，微生物反应也影响反应体系的温度。因此，在各个时段调节反应器温度至相应的适宜温度对堆肥的成功是至关重要的。

但是由于调节方法的局限，导致传统的堆肥工艺历有如下几个缺点：其一，堆肥耗时长；其二，堆肥效率低。以往的堆肥反应器对于湿度和温度的调节都是通过调节通气量。通气可以提供充足的氧气，移除多余的二氧化碳。但是通气量过大会造成热量、水蒸汽损失，使得NH₃释放量增加，影响堆肥速率，降低堆肥产物质量。问题在于，一般很难通过仅仅调节通气量来同时满足耗氧量、湿度、温度的要求。以往的调节机制为单因素反馈机制，以湿度或者温度为反馈条件来控制风机的启动和关闭。往往另一因素则处于抑制堆肥反应的水平。另外的，如果反馈得到的通气量过低，还可能导致耗氧量过低不满足微生物最低需氧量，影响微生物反应。以上因素直接影响到堆肥的成败和产品的质量。因此，现阶段针对改进堆肥工艺、提高堆肥成品质量的研究主要集中于如何加快堆肥进程，从而提高厨余堆肥效果、保证肥料肥效，同时也减少由于氨的释放造成的难闻气味以及对环境的污染。

发明内容

针对现有工艺调节机制单一的不足，本发明提供了一种厨余物好氧堆肥的耗氧量-湿度-温度联合控制的装置，以及对耗氧量、湿度、温度联合调控的多参数控制方法。

一种厨余物好氧堆肥的耗氧量-湿度-温度联合控制装置，该装置包括反应桶和反应桶盖，反应桶内装有厨余物，反应桶外部包覆一层隔热材料、堆肥过程产生的废气由反应桶盖上的废弃导管排出、堆肥过程渗出的液体由反应桶底部的渗滤液导出管排出、反应桶内设置有温度/湿度计，空气导入管和空压泵用于向反应桶内提供空气，该装置还包括水循环热交换器、空气流量计、水箱和氧气检测器，其中，反应桶的底部设置布气盘；空气通过空气导入管经空压泵、空气流量计和水箱进入反应桶的底部，并通过反应桶底部的布气盘进入反应桶内部；所述水循环热交换器是位于反应桶和隔热材料之间的一个夹层，水循环加热装置和水循环冷却装置向水循环热交换器提供水，通过水循环热交换器中水的水浴作用来调节反应桶内的温度，水箱用于调节反应桶的湿度；氧气检测器用于检测堆肥过程的耗氧量。

所述水循环热交换器的出口与第一三通阀相连，入口与第二三通阀相连，第一三通阀还与水循环加热装置和水循环冷却装置的入水口相连，第二三通阀还与水循环加热装置和水循环冷却装置的出水口相连；所述温度/湿度计与安装在反应桶外的温度/湿度传感器相连，温度/湿度传感器中湿度传感器的一端与空压泵相连，温度传感器的一端与第一三通阀及第二三通阀连接，空压泵通过湿度数值调节通气量的大小，第一三通阀及第二三通阀通过温度数值选择水浴的水源。

所述水循环加热装置通常把水加热到80℃，所述水循环冷却装置水温通常为室温。

所述温度/湿度计可以设置两个：上部温度/湿度计和下部温度/湿度计，上部温度/湿度计和下部温度/湿度计分别插在厨余物中央的上部和下部。

所述废弃导管从反应桶盖引出后通过一阀门插入氨捕集阱，氨捕集阱的上口穿出一导管插入带所述氧气检测器的收集阱内；冷凝管套在插入收集阱的导管上。其中，氨捕集阱中装有稀硫酸溶液，防止氨气释放到空气中产生异味；冷凝管使废气温度降低到室温，气体经收集阱吸收冷凝的液体后，进入氧气检测器测量氧气浓度。

上述厨余物好氧堆肥的耗氧量-湿度-温度联合控制装置的一种控制方法，该方法如下：

a、将厨余物装入反应桶中，盖上反应桶盖，从反应桶底部通风，同时打开反应桶顶部的废气导管和底部的渗滤液导出管，防止渗滤液的累积，堆肥反应开始；

b、堆肥反应开始后，在确保氧气检测器结果检查耗氧量大于100mg/g的前提下，通过选择通气量调节堆肥体系中的湿度在50％-60％，从而使得耗氧量、湿度均满足实验要求。如果堆肥体系内湿度过低导致需要的通气量不能达到耗氧量要求，则加大通气量，同时通过水箱以弥补加大通气量带来的水分损失。而后根据堆肥体系中的实际温度控制第一三通阀和第二三通阀的开关，温度过高时启用水循环冷却装置，温度过低时启用水循环加热装置，修正通气造成的温度偏差，调节温度到70-75℃。本阶段持续5天。

c、5天后，在确保氧气检测器结果检查耗氧量大于100mg/g的前提下，通过选择通气量调节堆肥体系中的湿度在50％-60％，如果堆肥体系内湿度过低导致需要的通气量不能达到耗氧量要求，则加大通气量，同时通过水箱来弥补加大通气量带来的水分损失，在满足耗氧量及湿度的情况下，根据堆肥体系中的实际温度控制第一三通阀和第二三通阀的开关，温度过高时启用水循环冷却装置，温度过低时启用水循环加热装置，调节温度到55-60℃。从而使得耗氧量、湿度、温度均满足实验要求。本阶段持续至堆肥反应结束(从堆肥反应开始到结束约20天)。

d、堆肥反应开始后，每6小时翻堆一次，持续至堆肥反应结束。

所述厨余物中的成分及其质量分数通常为：马铃薯：10％-15％、米饭：10％-25％、胡萝卜：10％-25％、树叶：5％-10％、肉类：3％-8％、大豆：15％-25％、接种土壤：15％-25％。

本发明的有益效果：本发明采用的耗氧量-湿度-温度联合控制对耗氧量、湿度、温度进行联合调控，与以往堆肥处理厨余物的方法比较，具有反应迅速、提高腐熟度的优点。进入高温堆肥阶段后，第一阶段(步骤b)控制堆体中心温度在70-75℃，可以更好的杀灭致病菌；在第二阶段(步骤c)控制堆体中心温度在55-65℃，保持堆体底物降解和水分去除最佳。采用本发明堆肥化可比传统堆肥法提前3-5天获得堆肥成品，且堆肥成品腐熟程度高、品质好。实现了厨余物的减量化与资源化，提高了堆肥产物在农业中的实用性和应用价值。堆肥产品也可用于农业、林业和园林等。

附图说明

图1：本发明所采用的堆肥装置示意图；

图2，堆肥系统温度变化趋势；

图3，堆肥系统有机物降解百分率比较图；

图中标号：1隔热材料、2反应桶盖、3反应桶、4水循环热交换器、5上部温度/湿度计、6下部温度/湿度计、7布气盘、8废气导管、9氨捕集阱、10冷凝管、11氧气检测器、12渗滤液导出管、13空气导入管、14空压泵、15空气流量计、16水箱、17-1第一三通阀、17-2第二三通阀、18水循环加热装置、19水循环冷却装置。

具体实施方式

以下实施例采取模拟的厨余物，厨余物及其质量分数为：马铃薯：10％-15％、米饭：10％-25％、胡萝卜：10％-25％、树叶：5％-10％、肉类：3％-8％、大豆：15％-25％、接种土壤：15％-25％。

以下实施例中厨余物好氧堆肥的装置(如图1所示)由隔热材料1、反应桶盖2、反应桶3、水循环热交换器4、上部温度/湿度计5、下部温度/湿度计6、布气盘7、废气导管8、氨捕集阱9、冷凝管10、氧气检测器11、渗滤液导出管12、空气导入管13、空压泵14、空气流量计15、水箱16、第一三通阀17-1、第二三通阀17-2、水循环加热装置18和水循环冷却装置19构成，其中，反应桶3内装有厨余物；上部温度/湿度计5和下部温度/湿度计6分别插在厨余物中央的上部和下部，用于检测厨余物的温度和湿度；反应桶3的底部设置布气盘7；渗滤液导出管12安装在反应桶3的桶底上；废气由反应桶盖2上的废弃导管8排出；新鲜空气通过空气导入管13经空压泵14、空气流量计15和一个控制阀进入反应桶的底部，再通过反应桶3底部的布气盘7进入反应桶3内部，空气流量计15用于检测堆肥过程的通气量，所述控制阀用于调节堆肥过程的通气量；所述水循环热交换器4是位于反应桶3和隔热材料1之间的一个夹层，水循环加热装置18和水循环冷却装置19向水循环热交换器4提供水，通过水循环热交换器4中水的水浴作用来调节反应桶3内的温度；

所述水循环热交换器4的出口与第一三通阀17-1相连，入口与第二三通阀17-2相连，第一三通阀17-1还与水循环加热装置18和水循环冷却装置19的入水口相连，第二三通阀17-2还与水循环加热装置18和水循环冷却装置19的出水口相连；所述上部温度/湿度计5和下部温度/湿度计6与安装在反应桶3外的温度/湿度传感器相连，温度/湿度传感器中湿度传感器的一端与空压泵14相连，温度传感器的一端与第一三通阀17-1和第二三通阀17-2连接，空压泵通过湿度数值调节通气量的大小，第一三通阀17-1和第二三通阀17-2通过温度数值选择水浴的水源。

所述废弃导管8从反应桶盖2引出后通过一阀门插入氨捕集阱9，氨捕集阱9的上口穿出一导管插入带氧气检测器11的收集阱内；冷凝管10套在插入收集阱的导管上。其中，氨捕集阱中装有稀硫酸溶液，防止氨气释放到空气中产生异味；冷凝管10使废气温度降低到室温，气体通过冷凝管10后部分凝集成液体进入收集阱，剩余气体进入氧气检测器11测量氧气浓度。

实施例1采用传统堆肥法进行堆肥：由马铃薯、米饭、胡萝卜、树叶、肉类、大豆和接种土壤组成的模拟厨余物(C∶N＝16)10kg装入堆肥反应桶3中，盖上反应桶盖2，空压泵14提供固定通气量3L/min，进行模拟厨余物堆肥处理实验。堆肥开始时取原样样品，以后每隔6小时取样品一次，每天共4次，同时进行翻堆，堆肥反应持续26天，达到稳定状态，测定样品中NH₄ ⁺-N含量。新鲜空气由空气导入管13经空压泵14、空气流量计15一个控制阀进入系统，废气由反应桶盖子2上的废弃导管8排出。

实施例2由马铃薯、米饭、胡萝卜、树叶、肉类、大豆和接种土壤组成的模拟厨余物(C∶N＝16)10kg装入堆肥反应桶3中，盖上反应桶盖2，从反应桶3底部通风，同时打开反应桶3顶部的废气导管8和底部的渗滤液导出管12，并防止渗滤液的累积，堆肥反应开始；

该堆肥系统通气量由上部温度/湿度计5，下部温度/湿度计6自动控制空压泵14运行，进行风量调节，通过选定合适的通气量，保证堆肥体系中的湿度在50％-60％之间，并检查耗氧量是否大于100mg/g。进行模拟厨余物堆肥处理实验。该堆肥系统温度由上部温度/湿度计5，下部温度/湿度计6测得，并控制第一三通阀17-1和第二三通阀17-2，调整水循环热交换器4的水源，温度过高时启用水循环冷却装置19，温度过低时启用水循环加热装置18，其中水循环加热装置18中水体温度为80℃，水循环冷却装置19中水体温度为室温。通过水浴使堆肥体系温度在前5天保持在70-75℃，5天后保持在55-65℃至堆肥反应结束。如果堆肥体系内湿度较低，相应的要求的通气量也很低达不到耗氧量的要求，则加大通气量，同时在进气口的空气流量计和控制阀之间接一个水箱16以弥补加大通气量带来的水分损失。若堆肥体系内湿度适宜或较高，则可以移除水箱16，从而使得耗氧量、湿度均满足实验要求。

堆肥开始时取原样样品，以后每隔6小时取样品一次，每天共4次，同时进行翻堆，堆肥反应持续26天，达到稳定状态，测定样品中NH₄ ⁺-N含量。

如图2所示，从图中可以看出，实施例二与实施例一相比，提前3天进入高温堆肥阶段，由此可见，第一阶段保持温度在75℃左右有利于堆肥反应的进行，此后实施例二的温度稳定在60℃左右，有利于底物的降解，当实施例一的温度于二十天后下降时，此时实施例二的温度仍然保持在60℃左右，便于有机物继续分解。

如图3所示，从图中可以看出，实施例二与实施例一相比，最终的有机物降解率明显升高，分别为51.45％和57.49％，进行复合调控后，有机物的降解率提高了11％。此外，实施例二的有机物降解率在21天左右就超过50％，此后温度保持恒定，而实施例一直至第24天才进入腐熟阶段。由此可见，采用多元调控后，增加了肥料的腐熟度，降低了堆肥耗时。

根据上述分析结果，本发明在实际应用中可按照下面的实施例3进行：

实施例3

堆肥时间为20天(第一阶段持续5天，第二阶段持续15天)，其它条件与实施例2相同。

Claims (7)

1.一种厨余物好氧堆肥装置，该装置包括反应桶(3)和反应桶盖(2)，反应桶(3)内装有厨余物，反应桶(3)外部包覆一层隔热材料(1)、堆肥过程产生的废气由反应桶盖(2)上的废弃导管(8)排出、堆肥过程渗出的液体由反应桶(3)底部的渗滤液导出管(12)排出、反应桶(3)内设置有温度/湿度计，空气导入管(13)和空压泵(14)用于向反应桶(3)内提供空气，其特征在于：该装置还包括水循环热交换器(4)、空气流量计(15)、水箱(16)和氧气检测器(11)；反应桶(3)的底部设置布气盘(7)；空气通过空气导入管(13)经空压泵(14)、空气流量计(15)和水箱(16)进入反应桶的底部，并通过反应桶(3)底部的布气盘(7)进入反应桶(3)内部；所述水循环热交换器(4)是位于反应桶(3)和隔热材料(1)之间的一个夹层，通过水循环热交换器(4)中水的水浴作用来调节反应桶(3)内的温度；水箱(16)用于调节反应桶(3)内的湿度；废弃导管(8)排出的废气要经过氧气检测器(11)，以检测废气中的氧气浓度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述水循环热交换器(4)的出口与第一三通阀(17-1)相连，入口与第二三通阀(17-2)相连，第一三通阀(17-1)还与水循环加热装置(18)和水循环冷却装置(19)的入水口相连，第二三通阀(17-2)还与水循环加热装置(18)和水循环冷却装置(19)的出水口相连；所述温度/湿度计与安装在反应桶(3)外的温度/湿度传感器相连，温度/湿度传感器中湿度传感器的一端与空压泵(14)相连，温度传感器的一端与第一三通阀(17-1)及第二三通阀(17-2)连接，空压泵(14)通过湿度数值调节通气量的大小，第一三通阀(17-1)及第二三通阀(17-2)通过温度数值选择水浴的水源。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述水循环加热装置(18)中水温为80℃，所述水循环冷却装置(19)水温为室温。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述温度/湿度计分为上部温度/湿度计(5)和下部温度/湿度计(6)，上部温度/湿度计(5)和下部温度/湿度计(6)分别插在厨余物中央的上部和下部。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述废弃导管(8)从反应桶盖(2)引出后通过一阀门插入氨捕集阱(9)，氨捕集阱(9)的上口穿出一导管插入带有所述氧气检测器(11)的收集阱内；冷凝管(10)套在插入收集阱的导管上。

6.权利要求2～5任意一个权利要求所述装置的控制方法，其特征在于：该方法如下：

a、将厨余物装入反应桶(3)中，盖上反应桶盖(2)，从反应桶(3)底部通风，同时打开反应桶(3)顶部的废气导管(8)和底部的渗滤液导出管(12)，堆肥反应开始；

b、在确保氧气检测器(11)结果检查耗氧量大于100mg/g的前提下，通过选择通气量调节堆肥体系中的湿度在50％-60％，从而使得耗氧量、湿度均满足实验要求；如果堆肥体系内湿度过低导致需要的通气量不能达到耗氧量要求，则加大通气量，同时通过水箱(16)以弥补加大通气量带来的水分损失；而后根据堆肥体系中的实际温度控制三通阀的开关，温度过高时启用水循环冷却装置(19)，温度过低时启用水循环加热装置(18)，调节温度到70-75℃，该阶段持续5天；

c、5天后，在确保氧气检测器(11)结果检查耗氧量大于100mg/g的前提下，通过选择通气量调节堆肥体系中的湿度在50％-60％，如果堆肥体系内湿度过低导致需要的通气量不能达到耗氧量要求，则加大通气量，同时通过水箱(16)以弥补加大通气量带来的水分损失，在满足耗氧量及湿度的情况下，根据堆肥体系中的实际温度控制三通阀的开关，温度过高时启用水循环冷却装置(19)，温度过低时启用水循环加热装置(18)，调节温度到55-60℃，从而使得耗氧量、湿度、温度均满足实验要求，该阶段持续至堆肥反应结束；

d、堆肥反应开始后，每6小时翻堆一次，持续至堆肥反应结束。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述厨余物中各成分的质量分数为：马铃薯：10％-15％；米饭：10％-25％；胡萝卜：10％-25％；树叶：5％-10％；肉类：3％-8％；大豆：15％-25％；接种土壤：15％-25％。

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