CN104148358B - 一种用于处理有机固体废弃物的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种处理有机固体废弃物的方法和装置。该方法包括步骤:(a)物化预处理:在所述废弃物中加入水和添加剂,提温并搅拌;(b)水解:将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物;(c)氧化:氧化所述水解产物,获得氧化产物;(d)固液分离:将所述氧化产物进行固液分离,获得固体氧化产物和液体氧化产物;(e)活化:在加温加压、蒸汽、及加添加剂的情况下,对所述固体氧化产物进行活化,获得活化产物。

Description

一种用于处理有机固体废弃物的方法和装置
技术领域
本发明涉及废弃物处理领域,特别涉及一种用于处理有机固体废弃物并将其资源化为高品质活化有机肥的方法和装置。
背景技术
传统的废弃物回收方法包括焚烧发电法、生化堆肥法、卫生填埋后沼气回收法、热解气化法、热解炼油法、湿氧化的物料或能源回收法、厌氧气化法、固化制建材法等。目前,城市废弃物如垃圾及污泥的资源回收主采用焚烧发电及生化堆肥法。填埋场的沼气回收仅作为填埋的污染控制下的附属操作,而非以填埋的沼气回收作为主要的资源回收方法。以上现行的发电、堆肥、填埋沼气回收三种方法虽然广为应用,但在无害化及资源化的过程仍存在许多缺陷。这三种方法的总体经济效益一般也很低或无经济效益。在废弃物处理企业化的过程也需政府补助处理费才能赖以存在。为达到有真正双重的环境效益及经济效益,现行处理法的进一步改良有其必要。
在对城市垃圾不停地推动分拣的做法之下,废弃物在金属、塑料、玻璃等的回收之后,剩余的废弃物大都为复杂有机成份,这些成份即一般所称的“生态垃圾”。这些成份在许多发达国家仍占有约60%至70%的垃圾量。许多发达国家,例如美国,对这类回收后的复杂有机物,并不把焚烧及填埋视为理想的处理法,传统堆肥法成为重要的选项。根据美国环保署的统计,传统堆肥法在垃圾处理的应用由1980年的0.1%增长到2010年的8.1%,30年间涨了8100%,平均年成长率高达270%/年。但堆肥时因废弃物进料的物理(例如颗粒尺寸、纤维化程度、湿度、疏松度等)、化学(例如化合物种类及组成等)以及生物(例如原有的真菌及霉菌种类等)的性质不同以及堆肥时操作条件之异,其生产出堆肥的品质各异。堆肥的发酵与腐熟期也很长,一般共需一至二个月或更长的时间才可完成。一般使用者很难分辨生产出的堆肥产品的品质好坏。传统堆肥也常无法去除病毒病菌或其它重金属及有毒有机物。加上时下在中国尚无公认的堆肥或有机肥品质数量化的评比标准,故易造成使用者对堆肥或有机肥(以下统称有机肥)好坏无法确信。亦造成有机肥制造者无真正追求如何才能制成高品质有机肥的动机。所以开发出快速且可生产高品质,避免以上缺点的有机固体废弃物制备有机肥的工艺技术至为重要。
中国专利申请第200910131605.3号公开了一种有机废弃物堆肥生产方法(以下称HiROS方法),通过对有机固体废弃物采用机械热化学法进行制肥。该HiROS方法采用“湿式部分氧化技术”直接制肥。为了“部分氧化”过程可利用有机物产生的热能,反应需在极短的时间内(一般数分钟内)完成。如此则需在极短时间内将易降解有机物先快速水解,该工艺技术采用湿润剂及键离剂将木质纤维素在“物化处理糟”中分散。然后采用热水解及部分氧化法,在“高速稳定釜”中用140至300℃进行热水解及热氧化。氧化处理则维持反应后有1至6ppm的残氧当量以确定易降解有机物被充分氧化,但仅极少量的纤维素含量被氧化。之后,用充满蒸汽的“活化釜”配合中和剂、松软剂、及活化剂的作用,并用蒸汽膨化法活化纤维素。
HiROS方法存在以下问题:
问题1:HiROS方法基本上用同一的流程处理各类不同的有机固体废弃物,且将水解与氧化在同一稳定釜操作,因此可能对不同种类的有机固体废弃物的处理造成处理不全、失败或处理过分的问题,且降低有机肥的产量;
问题2:所用热水解操作原理及参数,以及使用的稳定釜单元操作设备很难在极短时间内(例如二分钟内)便将易降解有机物水解;
问题3:高速稳定釜中的热水解率与热氧化率很难取得平衡,因而造成易降解有机物的不完全分解;
问题4:高速稳定釜中的供氧率与需氧率很难在极短时间内平衡,因而造成易降解有机物的不完全分解;
问题5:易降解有机物氧化后所释出的热量若未能在短时间内集中导出及收集,则可能造成无法快速提温而影响能量的有效回收再利用及自续反应的进行;
问题6:高速稳定釜产生热量如何在处理厂中做最有效的应用,以及如何避免釜中的有机物小颗粒的固化或碳化而阻热能传送;
问题7:在高温高压情况下的固液分离法及如何避免频繁的维护问题;
问题8:为了易降解有机物的高度氧化分解,常造成过分酸化及过分残氧量,影响活化釜处理前中和及还原的需求,并造成有机肥产量的减少;
问题9:高含量或紧密颗粒状的木质纤维素物质的膨化活化在处理系统中的安排及效率问题。
对于上述问题1,需要对不同固体废弃物的处理流程及不同单元操作的选择进行逐一考虑。
对于上述问题2,因水解与氧化在同一个稳定釜中进行,若易降解有机物水解量或速率不足,不但可影响衔接的氧化问题同时造成温度无法迅速上提而很难有效回收能源及形成自续反应。
对于上述问题3,由于造成易降解有机物残存的问题,因此无法彻底实现无害化。
对于上述问题4,一般为省费用常以高压空气提供氧化剂。此种供氧法会受氧化剂在反应釜中溶解速率及量的限制。为了提高氧化剂溶解速率及量以符合需氧量的要求,则反应釜对氧化剂的停留时间便需加大而增加釜的气相体积,如此则增反应釜水气化的热能损失及反应釜的过分庞大。若改为其它氧化剂,如纯氧、臭氧、或过氧化氢等,则会大大地增加氧化剂费用。
对于上述问题5,需上述四个问题同时解决才可被克服。然而问题5不仅涉及水解及氧化问题,同时受反应物接触机会、反应温度及有效停留时间、热交换等的影响。
一般有机固体废弃物所含的易降解有机物有足够的热值可提温至所需的反应温度需求。故理论上,在处理固废的反应启动后,高速稳定釜的水解及氧化不再需要外来热能。但由于废弃物的含量极其不定、若加上如上述反应(问题1至5)的不足,则外加热能的提供成为必需。常用的导热油及热线圈加热法在实用上仍有效率低或传热不均匀的缺点。反应后产生的热量如何在处理厂中尽最大最有效的利用也是本法能达到更佳的节能减排的目的。物料在高速水解及氧化之后一般需脱水再活化。因脱水在高温高压下进行,因此限制了很多传统脱水法的使用。离心过滤法固液分器的使用成为较易行的选项。这造成问题7:固液分离器的微孔(在处理污泥时约需选200目滤孔)时常堵塞而造成频繁停产以便维护的问题。若采用抽滤或压滤法进行固液分离,则脱水前需先进行降温,若如此热量的先行回收问题必需先考虑。若需脱水至約50%含水率以下,有些固废如生活污泥,一般离心脱水至4000g,或抽滤法便有限制。此时压滤法成为较佳的选项。
上述前五个问题与易降解有机物的不完全氧化分解有关。
而对于上述问题8,则与过分氧化有关。前述HiROS方法着重在残氧当量的控制,虽有许多试验佐证,但因废弃物的成份复杂,且是根据之前的反应后所观察到的结果来控制当前反应,若易降解有机物分解不足或中等可降解有机物过分分解均会造成处理效果的不理想。其改良除了设备及操作参数的修改外,最重要的是要从处理原理着手修正处理流程。
对于问题9,是高含量或紧密颗粒状的木质纤维素物质(例如垃圾中所含的木块或木屑,或农业废弃物中高含量的紧密秸秆等)的膨化活化问题。
由此可见,如何更进一步将上述废弃物活化而制成高品质有机肥仍需要得到进一步的改进。
发明内容
鉴于上述问题,提出了本发明,以便提供一种用于处理有机固体废弃物的方法和装置。本发明提出一系列的改良措施,并从处理原理、环保效益及经济效益着手修正处理流程及选择更适当的单元操作种类、操作参数、及添加剂,以使活性制肥工艺技术能更往前推进。
依据本发明的第一方面,提供了一种处理有机固体废弃物的方法,包括步骤:a物化预处理:在所述废弃物中加入水和添加剂,并提温、搅拌;b水解:将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物;c氧化:氧化所述水解产物,获得氧化产物;d固液分离:将所述氧化产物进行固液分离,获得固体氧化产物和液体氧化产物;e活化:在加温加压、蒸汽、及加添加剂的情况下,对所述固体氧化产物进行活化,获得活化产物。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中在所述物化预处理的步骤a之前,所述方法还包括:对所述废弃物进行分拣回收。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中在所述物化预处理的步骤a之前,所述方法还包括:对所述废弃物进行切割或研磨。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述物化预处理的步骤a还包括在所述废弃物中加入湿润剂和键离剂。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述水解的步骤b包括采用热水解将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述水解的步骤b包括采用热水解和酸水解将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述水解的步骤b包括:在物化预处理后的所述废弃物中加入酸化催化剂,或加入具有酸化和催化功能的添加剂,将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述酸化催化剂由弱碱强酸盐类与缓冲剂组成。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述弱碱强酸盐类包括铝、钙、镁的氯化盐、硝酸盐、及硫酸盐中的一种或多种。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述水解的步骤b包括:在物化预处理后的所述废弃物中加入水解催化剂,将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述水解催化剂包括金属氧化物。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中金属氧化物包括氧化铝、氧化铁、二氧化钛、氧化锌、氧化铜、氧化镁、氧化锆中的一种或多种。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述水解的步骤b包括在120℃-160℃之间的温度将物化预处理后的所述废弃物水解2分钟至30分钟,获得水解产物。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述水解的步骤b包括在140℃-180℃之间的温度将物化预处理后的所述废弃物水解2分钟至20分钟,获得水解产物。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述废弃物包括蛋白质,且所述水解的步骤b包括在120℃-230℃之间的温度将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述水解产物包括氨基酸、低聚肽、糖蛋白碳水化物侧链、消旋蛋白中的一种或多种。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述废弃物包括脂肪,且所述水解的步骤b包括在80℃-180℃之间的温度将物化预处理后的所述废弃物水解数分钟至约2小时,获得水解产物。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述水解产物包括重组的多不饱和脂肪酸、三链单脂肪酸中的一种或多种。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述废弃物包括糖类,且所述水解的步骤b包括在140℃-230℃之间的温度将物化预处理后的所述废弃物水解数分钟至约2小时,获得水解产物。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述水解产物包括溶解的肝糖、溶解的淀粉、分解后的单糖中的一种或多种。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述废弃物包括木质纤维素,且所述水解的步骤b包括在160℃-180℃之间的温度将物化预处理后的所述废弃物水解数分钟至约2小时,获得水解产物。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述木质纤维素包括木质素,且所述水解产物包括木质素、高分子木聚糖、腐殖质、脂肪酸、类固醇、香草醛、丁香醛、植物蛋白质、糖醛中的一种或多种。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述木质纤维素包括半纤维素,且所述水解产物包括木糖、木糖低聚体、酯类分解物中的一种或多种。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述氧化的步骤c包括根据预先计算的需氧量,加入氧化剂,氧化所述水解产物,获得氧化产物。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述氧化剂包括空气、氧气、过氧化氢、臭氧中的一种或多种。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述氧化剂是加压空气。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述氧化的步骤c包括氧化所述水解产物,并通过以下方式中的一种或多种来控制氧化程度,获得氧化产物:在选定氧化反应温度后控制氧化反应时间、在选定氧化反应时间后控制氧化反应温度、在选定实测生化需氧量与化学需氧量的比值后控制所述氧化产物的化学需氧量、控制进行所述氧化步骤c的反应釜顶出气的含氧量,及控制所述氧化产物的残氧量。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述氧化的步骤c包括:在140℃-300℃之间的温度氧化水解产物10-30分钟。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述氧化的步骤c包括:在180℃-230℃之间的温度氧化水解产物10-20分钟。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述氧化的步骤c还包括:将氧化所述水解产物所产生的热能传递到进行水解步骤b的反应釜中。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述固液分离的步骤d)包括采用抽滤或压滤法将所述氧化产物进行固液分离,获得固体氧化产物和液体氧化产物。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述活化的步骤e)包括在加温加压、蒸汽的情况下,对所述固体氧化产物进行以下操作中的一种或多种:脱氧,中和,分离或分散所述固体氧化产物中的木质纤维素,软化、曝露和/或分散所述固体氧化产物中的纤维素,分离或分散所述固体氧化产物中的半纤维素,活化所述固体氧化产物中的纤维素表面的吸附性/离子交换性。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述活化的步骤e)包括在加温加压、蒸汽的情况下,加入松软剂和活化剂,对所述固体氧化产物进行活化,获得活化产物。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,其中所述活化的步骤e)包括:在饱和蒸汽下、160℃至210℃之间的温度,对所述固体氧化产物进行活化,反应时间为少于一小时。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,所述方法还包括膨化的步骤f):对所述活化产物进行膨化。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法中,所述方法还包括精炼的步骤g):对所述活化产物进行精炼,获得精炼产物。
依据本发明的第二方面,提供了一种处理有机固体废弃物的装置,包括:一种处理有机固体废弃物的装置,包括:物化预处理槽,用于容纳和混合所述废弃物和水,所述物化预处理槽包括进料口和出料口;水解釜,用于将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物,所述水解釜包括进料口和出料口,所述水解釜的进料口与所述物化预处理槽的出料口相连接;稳定釜,用于氧化所述水解产物,获得氧化产物,所述稳定釜包括进料口和出料口,所述稳定釜的进料口与所述水解釜的出料口相连接;固液分离器,用于将所述氧化产物进行固液分离,获得固体氧化产物和液体氧化产物,所述固液分离器包括进料口、固体氧化产物出料口和液体氧化产物出料口,所述固液分离器的进料口与所述稳定釜的出料口相连接;以及活化釜,用于对所述固体氧化产物进行活化,获得活化产物,所述活化釜包括进料口和出料口,所述活化釜的进料口和所述固液分离器的出料口相连接。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述装置包括在所述物化预处理槽和所述稳定釜之间的第一管道,用于将所述稳定釜中产生的热能导向所述物化预处理槽。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述水解釜用于将物化预处理后的所述废弃物进行酸水解和热水解。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述水解釜包括连接所述水解釜和所述稳定釜的热交换器,用于将所述稳定釜中产生的热能导向所述水解釜。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述热交换器是设置在所述水解釜内的盘管热交换器,或设置在所述水解釜外的套管热交换器。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述稳定釜包括在所述稳定釜底部的氧化剂入口。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述稳定釜包括搅拌器,所述搅拌器还包括沿轴线排列的多个帽状气体缓升器,每个帽状气体缓升器具有十字型隔板叶片,且所述隔板叶片具有孔。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述搅拌器还包括设置在每个帽状气体缓升器之上的表面曝气叶片。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述稳定釜包括多个细长的立式稳定釜,所述多个细长的立式稳定釜彼此串联。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述多个细长的立式稳定釜相互独立,允许选择性地使用所述多个细长的立式稳定釜中的一个或若干个。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述装置还包括第二管道,用于将经稳定釜、水解釜和物化预处理槽热交换后的物料导至所述固液分离器进行固液分离。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述装置还包括重金属去除器,所述重金属去除器包括进料口和出料口,所述重金属去除器的进料口与所述固液分离器的液体氧化产物出料口相连接。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述活化釜包括卧式圆筒形釜体,所述釜体的轴线从所述活化釜的进料口到所述活化釜的出料口是向下倾斜的。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述活化釜包括位于所述釜体上方的固态添加剂进口和/或液态添加剂进口。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述活化釜包括位于所述釜体内的搅拌器,所述搅拌器为十字形结构,所述搅拌器具有C型叶片,所述C型叶片的朝向与搅拌器的旋转方向一致。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述装置还包括缓冲罐,用于调节对所述活化产物进行喷爆操作的速率与量,所述缓冲罐包括进料口和出料口,所述缓冲罐的进料口和所述活化釜的出料口相连接。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述装置还包括膨化器,用于对所述活化产物进行膨化,所述膨化器包括出料口和进料口,所述膨化器的进料口和所述缓冲罐的出料口相连接。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述膨化器包括正立式锥形的上部部分和倒立式锥形的下部部分。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述膨化器包括设置在所述上部部分和所述下部部分之间的圆周处的空气进出口。
可选地,在根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置中,所述空气进出口的外侧设置有挡板。
本发明提供了上述处理有机固体废弃物的方法和装置。根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法和装置,可根据废弃物的种类来根据需要调整单元操作及处理流程,可用于任何有机固体废弃物的处理,并可用于将废弃物资源化为高品质的各类有机肥产品,显著提高了效率;通过将水解步骤和氧化步骤分开为两个不同但串联的操作程序,避免了对物料同时进行水解和氧化操作时,如在同一反应釜中同时进行时,水解速率与氧化速率无法配合的问题,使有机物的氧化更完整,对温度、压力及处理停留时间的要求也相对降低,从而节省了大量的时间、成本,且反应效率显著提高,而且,对固体有机废弃物的分解消除一般可在一小时之内完成,可将大量产生的有机固体废弃物,从而解决了传统生化制肥法需时数周至数月之久的问题;通过采用酸水解及热水解的综合效应,将废弃物水解,能够促进热水解速率并降低水解所需温度及时间需求,可在数小时内直接产生有机肥,明显地降低能源操作费用,且解决了强酸水解的操作费高、对反应釜材料腐蚀性高、及可能造成有机物的过度分解的问题;将氧化步骤所产生的热能传递到进行水解、物化预处理的反应釜中,从而避免热能的损失并提高利用效率;通过稳定釜搅拌器的设计,增加了物料与氧化剂的接触机会和时间,保证了供氧量与需氧量间的供需平衡,这些综合效果可提高超过数百倍的溶氧量,解决了现有技术中供氧量不足,以及供氧量与需氧量间的供需不平衡的问题;通过四个立式稳定釜的这种设计,能够显著增加稳定釜中物料与氧化剂的接触效率,提高氧化剂与物料接触效率,从而避免了在氧化处理物料时发生短路现象及供氧不足的问题;通过将稳定釜设计为相互独立的多个细长的立式稳定釜,允许选择性地使用所述多个细长的立式稳定釜中的一个或若干个,这种设计增加氧化剂在稳定釜中的停当时间且允许需要维修时不致影响操作中断;以及活化釜的搅拌器的设计可以有效地将釜体底部的物料充分翻动和扬起,从而增加物料与添加剂的接触机会以增进反应的几率,提高活化处理的效率,大大缩短活化处理的时间。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,而可依照说明书的内容予以实施,并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂,以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
图1示出了根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法的流程图;
图2A为根据本发明的实施例的处理生活垃圾的方法的流程图;
图2B为根据本发明的实施例的处理厨余/餐厨的方法的流程图;
图2C为根据本发明的实施例的处理污泥的方法的流程图;
图2D为根据本发明的实施例的处理农业废弃物及养殖废弃物的方法的流程图;
图3是根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置的示意图;
图4A是根据本发明的实施例中图3所示的稳定釜的放大图;
图4B是根据本发明的实施例沿图4A中A-A’方向截取的稳定釜300的帽状气体缓升器的示意图;
图4C是根据本发明的实施例沿图4A中B-B’方向截取的表面曝气叶片的示意图;
图5A是根据本发明的实施例的活化釜的搅拌器的示意图;
图5B是根据本发明的实施例的活化釜的固态添加剂进口的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开,并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
在本发明的实施例中,有机固体废弃物可来源于生活垃圾、厨余/餐厨、污泥、农业废弃物、养殖废弃物,以及填埋场垃圾等。通常,不管上述所述的来源种类,有机固体废弃物基本上可分为:易降解有机物、中等可降解有机物,及极难降解有机物。但是,并非所有有机固体废弃物均含上述三类有机物。例如城市垃圾,易降解有机物成份大部分存于厨余/餐厨、而小部分存于草木及纸类中;中等可降解有机物成份则大部分存于草木及纸类中,而极难降解有机物则存于塑料、橡胶、皮革及纺织物中。污水处理厂的污泥则主要为微生物细胞,其易降解有机物大部分存于细胞壁内的细胞质,中等可降解有机物主为细胞壁,而几乎不存在极难降解有机物。农业废弃物,如秸秆,主要成份则为中等可降解的木质纤维素,仅有少量的蛋白质、糖类及脂肪等易降解有机物成份。
实施例一
下面首先介绍处理有机固体废弃物的方法,具体包括:a物化预处理:在所述废弃物中加入水和添加剂,并提温、搅拌;b水解:将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物;c氧化:氧化所述水解产物,获得氧化产物;d固液分离:将所述氧化产物进行固液分离,获得固体氧化产物和液体氧化产物;e活化:在加温加压、蒸汽、及加添加剂的情况下,对所述固体氧化产物进行活化,获得活化产物。
图1示出了根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法A的流程图。
本发明的处理有机固体废弃物的方法可适用于大部分的有机固体废弃物的资源化操作。为达到高效率的处理及适用于不同的有机固体废弃物,可根据废弃物的种类来根据需要调整单元操作及处理流程。图2A-2D为根据本发明的处理有机固体废弃物的方法,处理生活垃圾、厨余/餐厨废弃物、污泥、农业废弃物及养殖废弃物等不同有机固体废弃物的方法的流程图。
下面将对照图1和图2A-2D对本发明进行说明。
在本发明的一个示例性实施例中,在所述物化预处理的步骤a之前,可选地,在处理城市垃圾时,方法A可包括对所述废弃物进行分拣回收。分拣回收操作主要为生活垃圾处理时的需求,其可应用本领域的任何已有技术。分拣回收的目的是净化并获取生态垃圾。生态垃圾的主要成份为厨余、纸类、木料等有机固废。
如图2A和2B所示,对于生活垃圾1和厨余/餐厨2,均可在步骤a之前,进行分拣回收6,获得生态垃圾8,并直接回收物料,例如塑料/橡胶30、金属31、玻璃32、泥沙33、及制成水泥砖34等。
生活垃圾1与餐厨2虽有类似来源,但生活垃圾1有更复杂的组成,因而须有更复杂的分拣设备6。图2A中生活垃圾1分拣后的生态垃圾8与图2B中餐厨2分拣后的生态垃圾8的不同包括:生活垃圾1因含较多的纸及木类含量(一般在生态垃圾中约可达15至20%),故有较高的中等可降解物(即木质纤维素)。有些城市施行生活垃圾的源分拣,此时厨余若不含塑料、金属、玻璃等少量杂质,则可直接进行如上述餐厨的处理流程,但不需除油及除盐的处理。与生态垃圾比,餐厨2则有较高的易降解有机成份;生活垃圾1含水率(一般在60至75%间)较低,餐厨2常含自由流动的水层(有些情况可高达总体积1/3以上);餐厨2因来源于饭店/餐馆,则有较高油含量(可高达10%w/w)及盐含量(可高达2%以上);生活垃圾1可含有较多且较高浓度的有毒物质(例如重金属及有毒有机物)及病毒、病菌及寄生虫含量。故处理餐厨2时,可选地,可在分拣回收6之前,进行重力固液分离7,以及温水(约80至90℃)喷淋洗涤54、高压脱水55、除油56、盐浓缩58和除盐20。生活垃圾1有较高的可直接回收物,如塑料/橡胶30、金属容器31、及玻璃32,而少量的泥沙33含量也可制成水泥砖34,以达固废零排放目标。厨余若由源分拣来,可如餐厨处理流程但不需脱油及盐。厨余若是由生活垃圾分拣来(此时厨余与其他有机物如纸及木类混一起称生态垃圾),则照生态垃圾的处理流程。餐厨2可直接回收物大都为低经济价值的塑料袋30,但可回收高经济价值的油成份36及盐液59。
如图2C和2D所示,对于其他废弃物,如污泥3、农业废弃物4和养殖废弃物5,则不需前期分拣,可省略分拣回收6步骤。
在本发明的一个示例性实施例中,在所述物化预处理的步骤a之前,可选地,方法A还包括:对所述废弃物进行切割或研磨,以使所述废弃物具有所需要的颗粒尺寸。
如图2A、2B和2D所示,对于生活垃圾1、厨余/餐厨2、农业废弃物4,可在物化预处理的步骤a之前,对废弃物进行进一步切割或研磨9。如果养殖废弃物5含秸秆,则如同农业废弃物4可进行切割或研磨9。切割或研磨后的废弃物的颗粒尺寸一般小于10mm,最佳的为1至5mm,更佳的为≤1mm。
对于其他废弃物,如污泥3,则不需切割或研磨,可省略切割或研磨9步骤,如图2C和2D所示。
对于生活垃圾1,如图2A所示,经过切割或研磨9后,经重力固液分离10、所产生的滤水26,若需要可进行污水处理29和重金属去除19,此滤水亦可作为稀释水进入物化预处理。对于厨余/餐厨2,如图2B所示,经过切割或研磨9后,然后可进行物化预处理。对于污泥3,如图2C所示,不需前期分拣,可直接送入密封储槽17,再进行物化预处理。对于农业废弃物4或养殖废弃物5,如图2D所示,可不需前期预处理,直接进行物化预处理;如果养殖废弃物5含秸秆,可进行切割及研磨9,之后送入密封储槽17,再进行物化预处理。
如图1所示,方法A包括步骤a,物化预处理:在所述废弃物中加入水和添加剂,提温并搅拌。
在本发明的一个示例性实施例中,所述物化预处理的步骤a还包括在所述废弃物中加入湿润剂和键离剂。
可选地,在物化预处理槽内的废弃物中加入水,使得废弃物的含水率为约85%至90%。同时升温至80至90℃。将废弃物搅拌充分混合约20分钟。对极难分散的木质纤维素,若需要时,可在所述废弃物中加入湿润剂和键离剂,以助进一步分离木质纤维素。
对于生活垃圾1,可在物化预处理时加入水23和键离剂21,以提高效率,如图2A所示。对于厨余/餐厨2和农业废弃物4或养殖废弃物5,可在物化预处理时加入水23,如图2B和2D所示。对于污泥2,可在物化预处理时加入水23,如图2C所示;此外,因污泥2所含中等可降解的有机质甚低,为了符合有机肥产品的有机质要求,可在物化预处理时加入有机质添加料22,如秸秆;可选地,为提高效率及产品品质还可加入键离剂21;但若污泥2的最终处理产物仅做肥基使用,则不需加秸秆等添加物。
如图1所示,进行物化预处理步骤a后,可进行水解的步骤b:将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物。
可选地,在步骤b中,将所述废弃物的易降解有机废弃物部份进行水解。
可选地,可通过以下方法对废弃物进行水解:热水解、酶水解、稀酸水解、浓酸分解、化合物分解(例如加氢氧化钠、二氧化硫、液态氨、磷酸、碱性的过氧化氢、氨盐、醋酸、或蚁酸等)、物理分解(例如微波照射等)、或高温高压蒸汽分解等。
在本发明的一个示例性实施例中,水解的步骤b包括采用热水解,将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物。可选地,对废弃物的易降解有机废弃物部份进行热水解。
在本发明的一个示例性实施例中,水解的步骤b包括采用热水解和酸水解将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物。可选地,对将物化预处理后的废弃物的易降解有机废弃物部份进行热水解和酸水解。通过采用酸水解及热水解的综合效应,将废弃物水解,能够促进热水解速率并降低水解所需温度及时间需求。可选地,酸水解可为稀酸水解或浓酸水解。一般的酸类如硫酸、硝酸、盐酸、磷酸、及其它酸类均可使用。因操作温度的限制,应避免使用易挥发的酸类,可选用较不易挥发的硫酸。操作时,若反应容器可避免所使用酸类的挥发,则可选用可增加后续肥份含量的酸类,例如可产生氮盐及磷盐类的硝酸及磷酸,从而为后续生产有机肥增加肥分。本发明的酸水解及热水解中,可选地,将反应釜中的酸碱值控制在3至4之间,因为太低的酸碱值会增加反应釜的腐蚀而增加选材的设备费用或降低设备的有效使用期。可选地,如果是为了萃取超标的重金属,酸碱值可低于3至4,此时反应釜可用哈氏合金或钛材。
在本发明的一个示例性实施例中,水解的步骤b包括:可在物化预处理后的所述废弃物中加入酸化催化剂,或加入具有酸化和催化功能的添加剂,将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物。可选地,在物化预处理后的所述废弃物中的易降解有机废弃物部分加入酸化催化剂,或加入具有酸化和催化功能的添加剂。
如图2A-2D所示,对生活垃圾1、厨余/餐厨2、污泥3、农业废弃物4、养殖废弃物5进行物化预处理后,可对其进行水解。可选地,可在上述废弃物中加入酸化催化剂24。
可选地,酸化催化剂由弱碱强酸盐类与缓冲剂组成。
可选地,弱碱强酸盐类包括铝、钙、镁的氯化盐、硝酸盐、及硫酸盐中的一种或多种。选用的主要盐类催化剂可分三类:氯化盐、硝酸盐、及硫酸盐。可选地,可以是铝、钙及镁的此类盐类。
上述热水解与酸水解的优点包括:热水解与酸水解配合,可增进水解速率及水解程度,降低处理时间;酸化催化剂的使用可降低热水解温度的要求(一般在相同处理参数下约可降低20至40℃),故可明显地降低能源操作费用;部份酸化催化剂在高温呈现酸性而常温回复中性或微酸性,故可降低或避免活化操作及有机肥产品需中和的问题;酸化催化剂配合缓冲剂作用,可在水解过程同时萃取重金属,可避免再额外加重金属萃取剂。酸化催化剂可循回使用,以降低操作成本。
在本发明的一个示例性实施例中,水解的步骤b包括:在物化预处理后的所述废弃物中加入水解催化剂,将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物。可选地,在物化预处理后的所述废弃物的易降解有机废弃物部分中加入水解催化剂。
可选地,水解催化剂包括金属氧化物。
可选地,金属氧化物包括氧化铝、氧化铁、二氧化钛、氧化锌、氧化铜、氧化镁、氧化锆中的一种或多种。可选地,为防加入重金属影响肥料的用途,以及选用较亷的催化剂,可使用上述的氧化铝、氧化铁、及氧化镁。
水解所需时间视废弃物中化学成份的存在状况,例如温度、浓度、酸碱度、颗粒尺寸等等而定。为避免中等可降解有机物的过分水解而降低资源化固体有机肥的产量,一般避免水解时温度过高或处理停留时间过长。有机固体废弃物中若存在微量的有毒有机物,例如二恶英、苯、PAH’s、PCB’S、杀虫剂、除草剂等,也大部分在250℃内水解。在此温度仍能保持纤维素不受氧化。一般的有机固体废弃物在水解温度大于250℃时,纤维素才开始显着的分解。一般生态垃圾或秸秆颗粒粉碎至5mm以下而温度在120℃至180℃时热水解约需数分钟至约2小时。
可选地,在120℃-160℃之间的温度,一般含易降解有机物的浓度、粒度、酸碱度等适度、则物化预处理后的所述废弃物水解可在2分钟至30分钟完成,获得水解产物。
可选地,在140℃-180℃之间的温度将物化预处理后的所述废弃物水解2分钟至20分钟,获得水解产物。
下面针对不同成分的废弃物的水解反应条件进行分别说明。通常,有机固体废弃物中主要的易降解有机物可分三大类:蛋白质、脂肪、及糖类。其中蛋白质类为生态垃圾中主要的二次公害来源,例如臭味、寄生虫、病毒病菌等。
在本发明的一个示例性实施例中,如果废弃物的主要成分为蛋白质,则在120℃-230℃之间的温度将物化预处理后的废弃物进行水解。水解时,蛋白质逐渐分解为氨基酸、低聚肽(oligopeptides)、糖蛋白碳水化物侧链(carbohydrate side chains fromglycoproteins)、消旋蛋白等。这些分子大部分在温度大于120℃即可水解,180℃时大部份水解,而达到230℃时绝大部分水解。
在本发明的一个示例性实施例中,如果废弃物的主要成分为脂肪,则在80℃-180℃之间的温度将物化预处理后的所述废弃物水解数分钟至约2小时,获得水解产物。对于脂肪类,一部分在室温即液化,大部分在大于80℃完全液化,而在高于180℃时大部分可水解。脂肪水解后大多为重组的多不饱和脂肪酸、三链单脂肪酸等。
在本发明的一个示例性实施例中,如果废弃物的主要成分为易降解的糖类,则在140℃-230℃之间的温度将物化预处理后的所述废弃物水解数分钟至约2小时,获得水解产物。对于大部分有机固废中的易降解糖类,在温度为140℃内可水解成份约55至65%,在140至230℃可进一步水解约25至35%,而高于230℃仍未水解的成份少于10%。上述的糖类主要为溶解的肝糖(动物废弃物来源中最多的葡萄糖聚合体)、溶解的淀粉(植物中最多的葡萄糖聚合体)、分解后的单糖(例如葡萄糖、半乳糖、甘露糖)等等。
在本发明的一个示例性实施例中,如果废弃物的主要成分为中等可降解的木质纤维素,则在160℃-180℃之间的温度将物化预处理后的废弃物水解数分钟至约2小时,获得水解产物,其中木质纤维素部分分解。适当的热水解温度,例如160℃-180℃间,木质纤维素中的木质素及半纤维素便少数开始水解。
可选地,木质纤维素中的木质素水解为较低分子的木质素、高分子木聚糖、腐殖质、脂肪酸、类固醇、及较低分子的香草醛、丁香醛、植物蛋白质、糖醛等。可选地,木质纤维素中的半纤维素主要分解为木糖、木糖低聚体、及酯类分解物,如醋酸等。此情况下大部分的纤维素尚仍存在,但因木质素及半纤维素的水解,纤维素由木质纤维素中曝露出来。
根据本发明的水解,如热水解和酸水解方法,可直接生产有机肥,即可在数小时内直接产生有机肥,从而解决了一般湿氧化法、厌氧沼气生产法、或传统的酸水解处理法仍需后续的数周以上长时间堆肥的发酵及腐熟操作,才可产生有机肥的技术问题。此外,根据本发明的热水解和酸水解或催化水解相互配合的方法,解决了强酸水解的操作费高、对反应釜材料腐蚀性高、及可能造成有机物的过度分解的问题。
可选地,在水解步骤之后,采用氧化法将水解后产生的水解产物进一步氧化分解,以去除水解产物中的中等可降解有机废弃物,并将其转化为腐殖质,以达固体废弃物的减量化及无害化的目的。根据本发明的实施例的氧化方法的温压要求及氧化程度的控制与传统的湿氧化法(采用全氧化且较高的温度及处理停留时间)不同,将在下面详细描述本发明的氧化方法。
如图1所示,在方法A中,上述废弃物在水解(b)之后,继续进行氧化步骤(c)。
可选地,可依废弃物的种类、不同肥料产品的规定、产品用途的种类等,对水解产物的颗粒尺寸进行调节,一般使其小于8mm;而较佳的颗粒尺寸为3至8mm间,最佳颗粒尺寸为1至5mm间,更佳为≤1mm。当然污泥或养殖废弃物若未混入大颗粒物质一般不需处理颗粒尺寸。
氧化步骤c的处理效率受需氧量与供氧量的影响:反应物氧化分解的供氧量必须大于或等于需氧量,且供氧率与需氧率间必须取得平衡,才能使反应物充分分解;若需氧量与供氧量不能取得平衡,会造成反应物的分解不充分。现有技术中的废弃物处理方案中,对各种不同成分的废弃物,均使用相同的需氧量范围,例如HiROS方法,将需氧量控制在1至6ppm残氧量,有时会使反应物无法充分分解。
而在本发明的一个示例性实施例中,根据预先计算的需氧量,加入氧化剂,来氧化所述水解产物,获得氧化产物。可选地,需氧量可以根据反应釜温度及停留时间所需的氧化速率,配合供氧量、需氧量及分析反应物的实际氧化分解量来计算。可选地,需氧量可用下述方法计算:实验室实测生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)、及总有机碳(TC)比较法;高温高压模型釜小试法;废弃物中易降解成分化学式估算法;废弃物中易降解成份浓度估算法;以及废弃物含碳粗估法。根据预先计算的需氧量,以及预估氧化剂有效供给率(例如,与有效溶解速率、与水解物接触机会,水解物氧化速率等)来加入氧化剂的这种方式,能够使供氧量与需氧量之间取得平衡,从而使反应物充分氧化分解。
在本发明的一个示例性实施例中,所述氧化剂包括空气、氧气、过氧化氢、臭氧中的一种或多种。所选的氧化剂若为气态或固态,必须先溶入水中才可应用,故可选地,可以根据溶氧当量计算供氧量。
可选地,一般较廉的氧化剂是加压空气。可选地,将空气直接加压注入反应釜,这种方法可节约成本。可选地,将空气先饱和溶解至高温高压回流的水中再注入反应釜。可选地,使用氧气或臭氧作为氧化剂时,可直接注入或先溶于高温高压水中再注入。可选地,使用过氧化氢作为氧化剂时,可直接注入反应釜中。
在本发明的一个示例性实施例中,可通过以下方式中的一种或多种来控制氧化程度,获得氧化产物:在选定氧化反应温度后控制氧化反应时间、在选定氧化反应时间后控制氧化反应温度、在选定实测生化需氧量与化学需氧量的比值后控制所述氧化产物的化学需氧量、控制进行所述氧化步骤c的反应釜顶出气的含氧量,及控制所述反应釜中固液混合相中出料的残氧量。可选地,反应釜顶出气的含氧量可控制为1至5%。可选地,所述氧化产物的残氧量可控制为1至6ppm。
氧化步骤c的操作温度及处理停留时间视水解产物的种类、浓度、酸碱度、氧化剂种类、氧化速率、供氧量、及需氧量而定。在本发明的一个示例性实施例中,氧化所述水解产物的步骤包括:在140℃-300℃之间的温度氧化水解产物10-30分钟;可选地,较佳的温度为180℃-230℃之间的氧化水解产物10-20分钟。可选地,通过将添加剂如上述的催化剂有效注入来调整氧化步骤c所需的温度、停留时间及压力。一般操作压力在各选取的温度下基本上无上限要求(此压力除由水的饱和蒸汽压形成外可由加入的氧化剂控制),但为压力容器的考虑,反应釜的压力选择一般选在饱和蒸汽压再加1至5大气压。
如图2A-2D所示,对生活垃圾1、厨余/餐厨2、污泥3、农业废弃物4、养殖废弃物5进行水解后,可对其进行氧化。可选地,可加入氧化剂25,或通过高速溶氧18来氧化上述废弃物的水解产物。可选地,氧化步骤中产生的蒸汽28可用于为物化预处理和水解反应提供热能,并为下述活化釜提供所需的蒸汽来源。
以处理生活垃圾1为例,如图2A所示,可加入氧化剂25,或通过高速溶氧18来氧化生活垃圾1的水解产物。因生活垃圾1有较高的中等可降解有机物故水解及氧化的处理温度及停留时间的需求也较高,依生活垃圾1的组成及中等可降解有机物含量,其差异与污泥或养殖固废相比可达20℃及10分钟左右。
以处理污泥3为例,如图2C所示,可加入氧化剂25,或通过高速溶氧18来氧化污泥3的水解产物。污泥3包含较少水解的木质纤维素,此时较适当的水解温度可选在140℃至160℃而氧化温度选在190℃至210℃间,处理时间各10至30分钟。若污泥处理为生产含足够的有机质有机肥,则可加入秸秆等有机质,此情况下处理停留时间及温度需相对提高,较适当的水解温度可在160℃至180℃间,氧化温度200℃至230℃间,处理时间各在15至30分钟间。若污泥含超标的重金属,可进行重金属去除19,如图2C所示。
在本发明的一个示例性实施例中,氧化的步骤c还包括:将氧化所述水解产物所产生的热能传递到进行水解的反应釜中,从而避免热能的损失并提高利用效率。可选地,可通过使用热交换装置,例如盘管或列管换热设备,将氧化产物所产生的热能有效地传递到水解反应釜中。在氧化步骤之后所产生的高温固液混合体,则可经过水解反应釜中的盘管或其前端的套管或列管换热器,将水解反应釜中物料提温至约160℃或所需的温度以节能并促进水解率。当然,也可以通过外部加热设备对水解反应釜进行加热。
现有的HiROS技术中,对废弃物的水解和氧化通常是在一个釜内同时进行的,在同一反应釜中同时进行,其目的是为了将氧化作用产生的热能同时作为水解反应所需的热能。但这种方法对处理流程及设备设计的要求十分严格,才能确保供氧量与需氧量及速率的平衡,并在氧化后有足够的热能产出,在处理操作加热启动后,方可形成自续反应,从而将自续反应产生的热量连续性地提供给热水解及高温高压氧化。例如,有机物自续反应的最低温度受其最低热水解温度的影响,一般废弃物的最低热水解温度大都在140℃以上,故自续反应一般在140℃以上发生,因此要求氧化反应能在瞬间提供能量使其达到140℃以上的温度才能进行自续反应。但若废弃物含热量不足、或反应釜设计不良而使反应速率不过快或供氧量与需氧量无法平衡,自续反应无法形成,则在提温启动反应后仍需继续加热至所需范围以确保热水解及热氧化的进行。故在处理废弃物前,所有进料必须先进行实验室的热含量分析及其最低热水解温度的测试,同时需测试该物料在水解及氧化操作时最低含水率的需求,以便计算自续反应所产生的热能是否足以将稀释后的物料提温至热氧化所需的温度。因此,这种方式过程复杂,需要花费大量的时间、成本。而且有机固体废弃物的成分复杂且来源中成份多变,通常难以精确计算水解速率及程度、氧化速率及程度,其水解速率与氧化速率无法在同一反应釜中配合,使水解与氧化难以取得平衡,导致其反应效率低下。
为了克服上述的缺陷,在本发明的一个示例性实施例中,将水解步骤b和氧化步骤c分开为两个不同但串联的操作程序。这种方式避免了对物料同时进行水解和氧化操作时,如在同一反应釜中同时进行时,水解速率与氧化速率无法配合的问题,从而节省了大量的时间、成本,且反应效率显著提高。而且,本发明的方法将水解及氧化分开处理,使有机物的氧化更完整,对温度、压力及处理停留时间的要求也相对降低。
根据本发明的水解和氧化处理,有机固体废弃物中的有毒有臭味的成份,如氨、硫化氢、及硫醇等,皆被氧化成硝酸盐、硫酸盐等无臭且可成为肥料的成份,而病毒、病菌、寄生虫亦会在一系列的高温水解及氧化过程中完全去除。以上描述的本发明的水解及氧化处理固体有机废弃物的作用相当于发酵及腐熟的作用,而且本发明的水解和氧化步骤对固体有机废弃物中易降的有机物的消除一般可在一小时之内完成,显著低于传统法所需的约一个月至数个月的时间。
如上所述,因有机物的酸热水解及氧化,釜中的酸碱值一般降至3至6之间。大部分的有机固体废弃物在水解和氧化后的酸碱度常在4至4.5间。此酸性溶液可使附着或存于未水解的小颗粒中的重金属,例如砷、锡、镉、铜、镍、铬、铁、锰、汞、铅、银、锌以及其它各种重金属一部分或大部分溶解萃取出来。故在水解和氧化操作之后,若上述重金属超标不多,则可将氧化产物进行固液分离,获得固体氧化产物和液体氧化产物。此时固体氧化产物制成有机肥后的重金属一般可达标。固液分离后的液体氧化产物则可用传统去除重金属之法去除重金属而回收为液态肥及叶面肥。固体氧化产物可制成固态肥基。为制成极高品质的有机肥产品,上述固体氧化产物可继续采用高速活化操作以制成固态有机肥。
可选地,进行氧化步骤c后所获得的氧化产物是含水率为约85至90%的已纤维化的固液混合物。该产物的温度视氧化稳定釜所选的温度而定。此釜中的高温固液混合物及蒸汽可分别做热能回收。如上述,固液混合物的热能透过盘管,套管或列管换热器先将水解釜物料提温。之后,此稳定釜固液混合物出料的温度相对下降但仍略高于水解釜温度,故剩余热能继续在物化预处理槽提温。此亦可用盘管、套管或列管换热器将物化预处理槽提温至约90℃。而上述稳定釜氧化的放热反应所产生的蒸汽,除小部份做为其后活化釜所需的蒸汽之外,大部份亦做为水解釜及物化预处理槽提温之用。因此类蒸汽含有高空气含量,故需用热管换热器进行热交换。
如图1所示,进行氧化步骤c后,方法A进行固液分离步骤d:将所述氧化后的固液混合产物在上述热交换降温后进行固液分离,获得固体氧化产物和液体氧化产物。
在本发明的一个示例性实施例中,固液分离的步骤(d)包括采用压滤法或抽滤法,将所述氧化产物进行固液分离,获得固体氧化产物和液体氧化产物。其他脱水方法,例如离心过滤法、离心螺旋沉淀挤压法、振动筛法、超声波振动筛法、蒸汽蒸发法等等,需要极大电量或热能,或者脱水效率较低,一般较不采用。根据本发明,压滤法或抽滤法能将水解氧化后物料轻易脱水至40至50%的含水率,而这种含水率正是接下来进行活化反应所需要的含水率。
可选地,在水解和氧化之后,在不加任何上述的酸化剂、酸化催化剂、或水解催化剂情况下,氧化产物的pH值会降至4至5间,此水解和氧化后的氧化产物在固液分离后,其液体氧化产物本身亦有水解催化功能,因而可直接回流至进行水解步骤的反应釜。
对于生活垃圾1,如图2A所示,其液体氧化产物经滤水26、重金属去除19后,可选择生产液态肥方案38来获得农用或园林/盆景用液态肥或叶面肥45。对于餐厨/厨余2,如图2B所示,厨余/餐厨2较少有毒物质,可选择生产绿色食品液态肥方案43,在经过产品精炼的调肥分61之后,来获得绿色食品液态肥50。此外厨余/餐厨2的液体氧化产物在提温物化预处理槽后,温度仍在约90℃或略高,亦可用于餐厨垃圾喷淋脱油及脱盐之用,及清洗垃圾车及垃圾倾倒房地板。对于污泥3,如图2C所示,其液体氧化产物经滤水26后进行污水处理29,或经重金属去除19后选择生产液态肥方案38来获得液态肥45。对于农业废弃物4和养殖废弃物5,如图2D所示,其液体氧化产物经滤水26后进行污水处理29,或选择生产液态肥方案38来获得液态肥45。而其固体氧化产物则可作为普通有机肥、绿色食品有机肥、或制成有机无机复混肥。
如图1所示,进行固液分离步骤d后,方法A进行活化的步骤e:在加温加压、蒸汽的情况下,对所述固体氧化产物进行活化,获得活化产物。可选地,活化产物可制成高品质活化有机肥。可选地,活化的步骤e可以在相对高温、饱和蒸汽以及相关添加剂的存在下进行。
在本发明的一个示例性实施例中,所述活化的步骤e包括在加温加压、蒸汽的情况下,对所述固体氧化产物进行以下操作中的一种或多种:脱氧,中和,分离或分散所述固体氧化产物中的木质纤维素,软化、曝露和/或分散所述固体氧化产物中的纤维素,分离或分散所述固体氧化产物中剩余的半纤维素,活化所述固体氧化产物中的纤维素表面的吸附性/离子交换性。可选地,可通过搅拌来提供纤维素与添加剂的接触机会,从而促进活化的反应速率。
在本发明的一个示例性实施例中,可加入松软剂和活化剂,对所述固体氧化产物进行活化。松软剂及活化剂的加入后可以增加腐殖质,并使纤维素强度增强,即可增进有机肥产品透气、透水、保温及团聚颗粒的特性。
在本发明的一个示例性实施例中,在饱和蒸汽下、160℃至210℃之间的温度,对所述固体氧化产物进行活化,反应时间一般少于一小时。可选地,对一般生活垃圾、餐厨、二级处理污泥等的固体氧化产物进行活化,反应时间可在15至30分钟之间。对农业秸秆或含高木质纤维素的固体氧化产物进行活化则需较长时间,一般在20至60分钟之间。可选地,可通过提高蒸汽温度或降低进料的颗粒尺寸来减少反应所需的时间。
经活化操作后的活化产物已是极高品质的有机肥产品,根据本发明的方法所生产的有机肥产品可轻易达到5至8吸水量/有机肥量间,显著高于传统堆肥产品的0.8至1.2的吸水量/堆肥量间;根据本发明的方法所生产的有机肥产品可达80至95%吸肥量间,显著高于一般传统堆肥产品的仅约10至50%的吸肥量间。
如图2A、2C和2D所示,对生活垃圾1、污泥3、农业废弃物4、养殖废弃物5进行固液分离后,可对其进行活化;可选地,可加入活化剂27对上述废弃物的固体氧化产物进行活化;可选地,活化步骤中产生的蒸汽28亦可用于为物化预处理槽提供热能;可选地,可选择生产肥基方案37获得肥基44。
如图2B所示,对厨余/餐厨2进行固液分离后,可对其进行活化;可选地,可加入活化剂27对厨余/餐厨2的固体氧化产物进行活化;可选地,活化步骤中产生的蒸汽28可用于为物化预处理反应或后续的产品精炼提供热能;可选地,可选择生产绿色食品肥基方案41获得绿色食品有机肥产品49。
在本发明的一个示例性实施例中,方法A还包括膨化的步骤:对所述活化产物进行膨化,以进一步松化活化产物中所含的纤维素。可采用任何本领域技术人员所知的膨化技术,在此不再赘述。在活化处理中,物料所含水份亦会因蒸发而除去一部分,而膨化作用可以使物料再继续自行脱水约10至20%。如此在产品精炼加入肥分(NPK)干料时,一般即可达国家或企业标准中有机肥产品的含水率需求。
根据本发明的活化操作能够提高有机肥产品的如下七大功能:(1)高吸水及持水性、(2)高吸肥持肥性及微量元素的吸附性、(3)团聚颗粒性、(4)透气性、(5)透水(防涝)性,(6)隔热保温性,并能(7)提高产品的腐殖质含量。
在本发明的一个示例性实施例中,方法A还包括精炼的步骤g:对所述活化产物进行精炼,获得精炼产物。
为配合相关的需求,经活化操作后的有机肥产品,可经由传统有机肥制肥设备进一步精炼(即调整湿度、粒度、及肥份)之后可制成高品质有机/无机复混肥、专用肥等高经济价值的资源化产品。
在本发明的一个示例性实施例中,可选地,在活化步骤e之后,方法A还可包括精炼的步骤f:对所述活化产物进行精炼,获得精炼产物。如上所述,活化后的活化产物已是非常高品质的有机肥料,但若需更加调高肥分(NPK)总养份含量以制成各类有机/无机复混肥,或制成特殊作物的专用肥,则可在膨化之后再进行产品精炼。可采用任何本领域技术人员所知的精炼技术,在此不再赘述。
如图2A、2C和2D所示,对生活垃圾1、污泥3、农业废弃物4、养殖废弃物5进行活化后,可对其活化产物进行膨化f和精炼g;可选地,可选择生产有机肥方案39来获得普通有机肥46、有机复合肥47和/或有机复混肥48。
如图2B所示,对厨余/餐厨2进行活化后,可对其活化产物进行膨化f和精炼g;可选地,可选择生产绿色食品有机肥方案42来获得绿色食品普通有机肥51、绿色食品有机复合肥52和/或绿色食品有机复混肥53。
本发明提供了上述处理有机固体废弃物的方法。根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的方法,可根据废弃物的种类来根据需要调整单元操作及处理流程,可用于任何有机固体废弃物的处理,并可用于将废弃物资源化为高品质的各类有机肥产品,显著提高了效率;通过采用酸水解及热水解的综合效应,将废弃物水解,能够促进热水解速率并降低水解所需温度及时间需求,可在数小时内直接产生有机肥,明显地降低能源操作费用,且解决了强酸水解的操作费高、对反应釜材料腐蚀性高、及可能造成有机物的过度分解的问题,此外,酸化催化剂配合缓冲剂作用,可在水解过程同时萃取重金属,可避免再额外加重金属萃取剂,及酸化催化剂可循回使用,以降低操作成本;通过将水解步骤和氧化步骤分开为两个不同但串联的操作程序,避免了对物料同时进行水解和氧化操作时,如在同一反应釜中同时进行时,水解速率与氧化速率无法配合的问题,使有机物的氧化更完整,对温度、压力及处理停留时间的要求也相对降低,从而节省了大量的时间、成本,且反应效率显著提高,而且,对固体有机废弃物的分解消除一般可在一小时之内完成,可将大量产生的有机固体废弃物日产日清,从而解决了传统生化制肥法需时数周至数月之久的问题;将活化、氧化步骤所产生的热能传递到进行水解、物化预处理的反应物料中,从而避免热能的损失并提高利用效率。
实施例二
下面描述本发明的用于处理有机固体废弃物的装置。
本发明的用于处理有机固体废弃物的装置可用于任何有机固体废弃物的处理,并可用于将废弃物资源化为高品质的各类有机肥产品。可处理的有机固体废弃物包括:都市垃圾、农业废弃物、绿色废弃物、污水处理厂污泥、动物废弃物、部分工厂有机废弃物,如食品、造纸、炼油、医药等工厂的废弃物、污泥、部分有机污染的湖泊或河川淤泥、及旧填埋场垃圾/污泥等。
本发明的处理有机固体废弃物的装置,包括:物化预处理槽100,用于容纳和混合所述废弃物和水,所述物化预处理槽包括进料口和出料口;水解釜200,用于将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物,所述水解釜包括进料口和出料口,所述水解釜的进料口与所述物化预处理槽的出料口相连接;稳定釜300,用于氧化所述水解产物,获得氧化产物,所述稳定釜包括进料口和出料口,所述稳定釜的进料口与所述水解釜的出料口相连接;固液分离器400,用于将所述氧化产物在物料热交换之后进行固液分离,获得固体氧化产物和液体氧化产物,所述固液分离器包括进料口、固体氧化产物出料口和液体氧化产物出料口。可选地,所述固液分离器的进料口可与所述稳定釜的出料口相连接,或稳定釜出料经一系列的热交换后的换热器出料口相连接。活化釜500,用于对所述固体氧化产物进行活化,获得活化产物,所述活化釜包括进料口和出料口,所述活化釜的进料口和所述固液分离器的出料口相连接。
如图3所示,本发明的处理有机固体废弃物的装置B包括物化预处理槽100,用于容纳和混合所述废弃物和水,所述物化预处理槽100包括进料口和出料口。可选地,物化预处理槽100适于进行本发明的方法A中的物化预处理步骤a。
如前所述,生活垃圾1及厨余/餐厨2进行分拣6的预处理后,可用输送带或输送管801置入物化预处理槽100中,如图2A和2B所示。可选地,生活垃圾1在分拣后剩下的有机混合物(即所谓的生态垃圾1)亦可进行更进一步的切割或研磨9,然后置入物化预处理糟100中,如图2A所示。其他有机固体废弃物若无杂质但颗粒尺寸大于5至10mm时,仅需进行简单的切割或研磨9以减小颗粒尺寸,即可置入物化预处理糟100中。进入物化预处理糟100的废弃物颗粒尺寸一般控制为小于10mm,最佳的废弃物颗粒尺寸为3至8mm,更佳的颗粒尺寸为3至5mm,最佳的颗粒尺寸为小于1mm。
可选地,物化预处理槽100包括添加剂入口102,用于加入水和添加剂。可选地,为了后端产品品质的考虑,可在物化预处理糟100中加入配料,例如处理污泥3时可加入秸秆或绿色废弃物以增加产品有机含量。
可选地,物化预处理槽100还包括搅拌器101用于充分混合废弃物、水和添加剂。可选地,可根据搅拌器101可搅拌转速,来确定加入水的量,以充分混合物料。大部分的有机固废一般在含水率在85至90%间能达到在物化预处理糟100中物料的充分搅拌混合。
可选地,物化预处理槽100还可包括加热器803。一般有机固体废弃物在稳定釜300中产生的热量足以进行物化预处理槽100提温,此时不需要使用加热器803;若有机固体废弃物所产生的热量不足以提温时,则可应用加热器803提温。
可选地,物化预处理槽100还可包括泵106,废弃物、水和添加剂在物化预处理糟100中充分混合、配比及提温后,其出料可直接用泵106打入水解釜200中。
如图3所示,装置B包括水解釜200,用于将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物,所述水解釜200包括进料口203和出料口204,所述水解釜200的进料口203与所述物化预处理槽的出料口相连接。可选地,水解釜200适于执行方法A中的水解步骤b。
在本发明的一个示例性实施例中,所述水解釜用于将物化预处理后的所述废弃物进行酸水解和热水解。可选地,如前所述,本发明的酸水解及热水解中,将反应釜中的酸碱值控制在3至4之间。可选地,如果是为了萃取超标的重金属,酸碱值可低于3至4。本发明的水解釜200和稳定釜300可用钛钢或特殊不锈钢制造,以避免因水解釜200和稳定釜300中物料的酸碱值过低,造成腐蚀而降低水解釜200和稳定釜300的使用期。
在本发明的一个示例性实施例中,水解釜200包括添加剂进口207,用于加入添加剂,例如水解催化剂、酸化催化剂或具有酸化和催化功能的添加剂,以将物化预处理后的废弃物进行水解,获得水解产物。
可选地,水解釜200包括搅拌器201,用于搅拌所述水解釜中的物料。可选地,搅拌器201的搅拌转速一般不小于140rpm,或釜中搅拌时的水流切线速不小于0.6m/秒,以将水解釜200中物料及添加剂充分混合,在此情况下可加入稀释水使得物料的含水率为约85至90%。
在本发明的一个示例性实施例中,水解釜200包括连接所述水解釜200和所述稳定釜300对产生高温的固液混合液进行热能回收。此项热能回收可在水解釜内应用盘管热交换器202,用于将所述稳定釜300中产生的热能导向所述水解釜,如图3所示。可选地,热交换器202可以是其他的形式,例如套管或列管换热器或其他换热器。若其他形式则换热器可在反应釜之间安装。
可根据需要将一般固体废弃物在稳定釜300处理后的温度设置在180℃至230℃间。通过由热交换器202将此高温物料的热能导向水解釜200,一般足够将水解釜200提温至大于140℃,可选地,将水解釜200的温度控制在140℃至180℃间。若温度无法由热交换器202提至大于140℃,则可用加热器803提温。水解釜200若需加入添加剂(例如酸化催化剂)则可由添加剂进口207由控制阀门205、206加入,并用搅拌器201混合。废弃物在水解釜200中进行水解反应的时间依废弃物成分的不同而改变,一般在数分钟至约2小时;优选地,在2至20分钟。水解后的水解产物从出料口204,可选地,用螺旋输送器802,或其他可耐上述温度及稳定釜压力及可输送含约10%颗粒的传统泵(如螺杆泵、活塞泵等)送到稳定釜300中。
如图3所示,装置B包括稳定釜300,用于氧化所述水解产物,获得氧化产物,所述稳定釜300包括进料口302和出料口303,所述稳定釜300的进料口302与所述水解釜200的出料口204相连接。若选用的换热器如上述在水解釜外,则所述水解釜200的出料口204先与热交换器进口相连接,然后所述稳定釜300的进料口302再与热交换器出口相连接。
可选地,稳定釜300适于进行方法A中的氧化步骤c。可选地,稳定釜300可包括在稳定釜300底部的氧化剂入口304,用于向稳定釜300中加入氧化剂。可选地,稳定釜300所采用的氧化剂可为空气、过氧化氢、纯氧、或臭氧。若选空气作为氧化剂,可由空气高压压缩机注入氧化剂或由高压氧化剂发生器804注入氧化剂。可选地,稳定釜300还可包括添加剂进口307,用于注入添加剂,例如萃取重金属的添加剂。
在本发明的一个示例性实施例中,稳定釜300包括搅拌及气体缓升器301,能够延长氧化剂如压缩空气与液体相接触的机会,使其饱和溶氧量可在约二分钟内达到。可选地,如图3所示的稳定釜300可包括多个细长的立式稳定釜,这些立式稳定釜300彼此串联,且每个立式稳定釜具有相同的结构。图4A是图3中所示的稳定釜300的放大图。可选地,如图4A所示,搅拌及气体缓升器301还包括沿轴线排列的多个帽状气体缓升器301。图4A中示出三个搅拌及气体缓升器301。本领域技术人员应理解,稳定釜300可以包括其他数量,例如两个、四个或更多个帽状气体缓升器301。图4B是沿图4A中A-A’方向取稳定釜300的一截面。可选地,如图4B所示,每个帽状气体缓升器具有十字型隔板叶片312,且隔板叶片312具有孔313,用以再打碎气泡以增溶氧速率。图4C是沿图4A中B-B’方向取稳定釜300的一截面。可选地,如图4C所示,所述搅拌及气体缓升器301还包括设置在每个帽状气体缓升器之上的表面曝气叶片310。可选地,表面曝气叶片310为弯曲的形状,且各表面曝气叶片310沿一圆周排列且各表面曝气叶片310的朝向相对于该圆周是一致的。图4C中仅示出了在顶部的搅拌及气体缓升器301之上设置有表面曝气叶片310。本领域技术人员应理解,可以在沿轴线排列的多个搅拌及气体缓升器301中的任意一个、若干个或全部之上设置表面曝气叶片310。搅拌器301的这种设计,可以使从稳定釜300底部注入的氧化剂,如加压空气,更快且更大量的溶入液体中,并且在上升途中附着在帽状并在帽顶附有细孔的搅拌器301上,并随着因搅拌器301的搅拌而产生的细小气泡缓慢上升,以增加稳定釜300中物料与氧化剂的接触机会,保证了供氧量与需氧量间的供需平衡,稳定釜300中物料与氧化剂接触时间,这些综合效果可提高超过数十至数百倍的溶氧量,若使用纯氧为氧化剂则其溶氧量可再增约上述的5倍,解决了现有技术中供氧量不足,以及供氧量与需氧量间的供需不平衡的问题。
从水解釜200出来的水解产物进入稳定釜300后,立即接触氧化剂,即可发生氧化反应。一般有机固体废弃物在稳定釜300中进行氧化反应所释放的热量足以将稳定釜300提温,例如至180℃至250℃。若稳定釜300中氧化反应所释放的热量不足,可应用加热器803为稳定釜300提温。可选地,可使用阀门306来控制循环加热器803中的导热油来为稳定釜300提温。稳定釜的外加热除上述导热油加热外亦可用电磁加热器。
在本发明的一个示例性实施例中,所述稳定釜300包括多个细长的立式稳定釜,所述立式稳定釜彼此串联。可选地,装置B可包括多个细长的立式稳定釜300,如图3所示,这些立式稳定釜300彼此串联,且每个立式稳定釜具有相同的结构。这种设计能够显著增加稳定釜中物料与氧化剂的接触效率,并避免物料在釜中形成短路。例如,与HiROS工艺技术的卧式四区间稳定釜相比,可提高氧化剂与物料接触效率20倍以上,从而避免了在稳定釜300中处理物料时发生短路现象及供氧不足的问题。本领域技术人员应理解,立式稳定釜的数量可以是4个,也可以是2个、3个、5个或更多个。
本发明的稳定釜300,在使用加压空气作为氧化剂直接注入稳定釜300时,能够在极短时间内,如一般1-2分钟内,将压缩空气中气相的氧溶解至水中至近饱和溶氧量,且其溶氧速率能够供足够的溶氧量去满足稳定釜300的进料率。本发明的稳定釜300,在将空气先饱和溶解至高温高压回流的水中再注入反应釜作为氧化剂时,能够维持水中的小气泡存在于固液物料中且能延长小气泡在固液相中的停留时间,增进溶氧与固液相接触的机会,使稳定釜上部气相中的氧不停地快速继续溶入固液相中,从而获得高溶氧率及饱和溶氧量,使一般废弃物中有机物快速氧化。进一步地,快速氧化时若时间极短且有足够热含量能提温至反应温度,则反应可以连续发生,即所谓自续反应可产生,从而达到最佳的节能目的。本发明的稳定釜300中的溶氧量及溶氧率比常温常压下要高出数十至数百倍,非常有利于有机物的快速氧化。例如,若使用空气,在200℃及18.7atm情况下,与常温常压比时溶氧量可由约8ppm增至约355ppm;而在230℃及31atm情况下溶氧量可增至约532ppm。
在本发明的一个示例性实施例中,所述多个细长的立式稳定釜相互独立,允许选择性地使用所述多个细长的立式稳定釜中的一个或若干个,这种设计允许需要维修时不致影响操作中断。可选地,可根据需要选择使用立式稳定釜300中的一个或多个。例如,在如图3所示的实施例中,可根据进料成分的不同选择四个立式稳定釜300中的一个、两个、三个或四个。可选地,前一个立式稳定釜300处理后的出料可经由泵305注入下一个立式稳定釜300中。亦可单独选其中一个稳定釜做为制液态肥使用,此时若控制氧化参数,可在所选的稳定釜重复回流氧化产物以累积腐殖酸浓度在液态肥中。
可选地,如前所述,在稳定釜300中产生的氧化产物可经高压输送注入水解釜200的热交换器202中,用于将稳定釜300中产生的热能导向水解釜200。一般有机固体废弃物在稳定釜300中产生的热量足以满足水解釜200的热量要求,并能够由热交换器202,如盘管,充分且有效的导至水解釜200,以达节能目的。可选地,热交换器202可以是其他的形式,例如套管或列管热交换器或其他热交换器。若其他形式则换热器可在反应釜间安装。
在本发明的一个示例性实施例中,装置还包括在所述稳定釜300和所述活化釜500之间的蒸汽出口管线311,用于将所述稳定釜300中产生的蒸汽由出口308打入下一个需要蒸汽的反应釜中,如活化釜500,以进行热能回收及蒸汽再利用,如此亦可达到节能减排功效。若蒸汽热能足够,尚能经热管换热器导至水解釜及物化预处理槽。
稳定釜300中的氧化反应的时间可以根据不同的物料成分而确定。可选地,当同时使用四个立式稳定釜300时,物料在每个稳定釜中的停留时间可以是10至15分钟。若为了特殊目的,例如欲增加腐殖酸产量或调配酸碱度,可根据需要而变化物料在稳定釜300中的停留时间。
由稳定釜300中产生的氧化产物303已是很好的肥基。可选地,在稳定釜300中产生的氧化产物可以在水解釜200的热交换器202中进行热交换,然后,可再经过物化预处理槽100和稳定釜300之间的热交换器为物化预处理槽提温。降温后的氧化产物可导入固液分离器400中进行固液分离。该氧化产物可经固液分离器400脱水后做为高品质有机肥的原料,故有相当大的经济价值。
如前所述,现有HiROS技术中,对废弃物的水解和氧化通常是在同一反应釜中同时进行的,这种方式过程复杂且常导致水解速率与氧化速率不平衡。因有机固体废弃物的成分复杂且来源中成份多变,通常难以精确计算水解速率及程度、氧化速率及程度,其水解速率与氧化速率无法在同一反应釜中配合,使水解与氧化难以取得平衡,导致其反应效率低下。
为了克服这种的缺陷,在本发明的一个示例性实施例中,用于处理有机固体废弃物的装置,通过设置水解釜和氧化釜,将水解和氧化分开为两个不同但串联的操作程序,分别在水解釜和氧化釜中进行。这种方式避免了对物料在同一反应釜中同时进行水解和氧化操作时,水解速率与氧化速率无法配合的问题,从而使反应效率显著提高;使有机物的氧化更完整,对温度、压力及处理停留时间的要求也相对降低。因反应在密闭的釜中进行,能够使有机固体废弃物中的有毒有臭味的成份,如氨、硫化氢、及硫醇等,皆被氧化成硝酸盐、硫酸盐等无臭且可成为肥料的成份,而病毒、病菌、寄生虫亦会在一系列的高温水解及氧化过程中完全去除;且对固体有机废弃物的分解消除一般可在一小时之内完成,显著低于传统装置所需的约一个月至数个月的时间。
如图3所示,装置B包括固液分离器400,用于将所述氧化产物进行固液分离,获得固体氧化产物和液体氧化产物,所述固液分离器400包括进料口、固体氧化产物出料口401和液体氧化产物出料口402,所述固液分离器的进料口与所述稳定釜的出料口303相连接。可选地,固液分离器400适于执行方法A的固液分离步骤d。
可选地,固体氧化产物可以是已熟化的固体氧化产物,液体氧化产物可以是已熟化的液体氧化产物。其中,己熟化的固体氧化产物或已熟化液体氧化产物定义为有机固体废弃物中的易降解有机物的90%以上已被分解而产生的固体氧化产物或液体氧化产物。
如前所述,来自稳定釜300中的氧化产物是固液混合液403形式的氧化产物,固液混合液403形式的氧化产物可先用热交换器202,如盘管,在水解釜200提温。然后进一步在物化预处理槽提温。可选地,降温后的氧化产物一般采用压滤法或抽滤法进行固液分离,以增固态物料的干度及省能源。
经固液分离后的液体氧化产物404可作为高品质的有机液态肥或叶面肥,或作为稀释水注入物化预处理槽100。而固体氧化产物可继续进行活化操作以制成固态有机肥,故有相当大的经济价值。
在本发明的一个示例性实施例中,可选地,装置B还包括重金属去除器700,如图3所示。重金属去除器700包括进料口和出料口805,重金属去除器的进料口与固液分离器400的液体氧化产物出料口402相连接。可选地,若液体氧化产物中重金属成分较高,可直接或部分导入重金属去除器700中以去除重金属。可选地,重金属去除器700可以是水处理的吸附器、阳离子交换器、电动萃取器、化学沉淀器、或膜滤器等重金属去除设备。重金属去除器700的选择以不影响肥份(NPK)、溶解性纤维素、及腐殖酸的去除为原则,如此所得的液态物为很高品质的有机液态肥。此液态物料可经出口805导至液态肥调配车间以制造高品质有机液态肥。可选地,对于厨余/餐厨废弃物,其物化预处理槽热交换后含温(一般仍高于90℃)的固液混合物可用于餐厨垃圾脱油及脱盐用。此含温的固液混合物亦可用于清洗垃圾车及垃圾倾倒房地板之用。上述脱油脱盐出来的物料,在油水分离之后可作为稀释水用途,此物料可进入物化预处理槽而导入本工艺技术的系统以处理所含的易降解有机物。
可选地,固体氧化产物经固液分离后的含水率一般控制在40至50%间。可选地,固体氧化产物可以用高压螺旋输送器802由固体氧化产物出料口401打入活化釜500中。
活化釜500可采用螺旋输送器将物料导入釜中。由稳定釜产生的蒸汽则由活化釜中顶部进入活化釜500中。活化釜500在操作时,其中物料大都在底部,必须将釜中底部的物料充分翻动和扬起以提供物料与蒸汽充分的接触机会。前述HiROS活化釜用螺旋搅拌器,以致造成总体的活化效果不佳。而且其活化釜也没有适当的固体小颗粒状添加剂能在高压下注入釜中的装置。此外,HiROS活化釜进料前的固液分离装置采用离心过滤法,因水解氧化后产生很多细小且分散的纤结素颗粒,需选用200目以下的过滤网孔,在操作时会造成滤网的堵塞,而时常需停止操作而清除滤网。本法则采用压滤或抽滤法予以改良。
如图3所示,装置B包括活化釜500,用于对所述固体氧化产物进行活化,获得活化产物,所述活化釜包括进料口和出料口,所述活化釜的进料口和所述固液分离器400的固体氧化产物出料口401相连接。可选地,活化釜500适于执行方法A中的活化步骤e。
在本发明的一个示例性实施例中,活化釜500包括卧式圆筒形釜体,该釜体的轴线从活化釜500的进料口到活化釜500的出料口是向下倾斜的。可选地,活化釜500的体积可设计为气相体积占总体积20至50%。
在本发明的一个示例性实施例中,活化釜包括位于釜体上方的固态添加剂进口503,用于加入固态颗粒或粉状添加剂,例如固态的活化剂。可选地,可以用高压加料器504,将固态的添加剂由固态添加剂进口503注入活化釜500中。可选地,活化釜500还包括位于固态添加剂进口503处的双重气锁阀507,用于控制压力及注入率。如图5B所示,固态添加剂503由本特殊设计的高压加料器504,经由漏斗进料容器509用双重气锁阀507控制压力,及由气锁阀转速控制器508及控制阀510控制注入率。活化釜的蒸汽505则由下方延着釜身均匀注入釜中。活化釜处理后的出料经自动控制阀506注入缓冲罐807。可选地,活化釜500包括位于釜体上方的液态添加剂进口502,用于将液态添加剂,例如增加纤维素强度的松软剂、中和酸碱度的中和剂、消除氧化剂的还原剂等,注入活化釜500中。类似地,活化釜可只包括固态添加剂进口503和液态添加剂进口502中的一个,也可同时包括固态添加剂进口503和液态添加剂进口502两者。
在本发明的一个示例性实施例中,活化釜500包括位于所述釜体内的搅拌器501,搅拌器501为十字形结构,搅拌器501具有C型叶片,所述C型叶片的朝向与搅拌器501的旋转方向一致,如活化釜截面图5A所示。这种搅拌器501可以有效地将釜体底部的物料充分翻动和扬起,可将物料由活化釜500的底部抛至活化釜500的处于气相状态的上部,从而增加物料与蒸汽及添加剂的接触机会以增进反应的几率,提高活化处理的效率,大大缩短活化处理的时间。
活化釜500的卧式釜体,以及釜体的轴线从进料口向出料口处向下倾斜,可以使每次由C型叶片抛出的物料落在釜体的前下方。可选地,卧式圆筒形釜体的倾角可根据活化釜500的直径、长度、及膨化频率、C型叶片可装物料体积、每一个搅拌器的叶片数量、及搅拌器转速等计算。
可选地,如图3所示,装置B可包括蒸汽锅炉(未示出),可以在活化釜500产生蒸汽不足时,为活化釜500提供蒸汽505,蒸汽505由下方延着釜体均匀注入釜中。活化釜内所需的蒸汽亦可用釜体外面装置电磁加热器而由釜中物料的含水量蒸发而来。活化釜内的蒸汽可用于活化釜500的活化或预脱水。活化釜500亦可用稳定釜300所用的空压机提压。活化釜500的压力一般比稳定釜300低3至7个大气压。可选地,活化釜500还包括在釜体下方末端的出料口处的出料自动控制阀506,用于控制出料口的出料频率及体积。
可选地,活化釜500处理后的活化产物经出料自动控制阀506注入缓冲罐807,出料频率控制为每三至四分钟出料一次,并以此频率进行后续的喷爆操作。
从活化釜500中获得的活化产物可作为极高品质的固态有机肥,经过精炼后可制成各式有机肥,例如各类的普通有机肥(不加肥份NPK)、或各类的有机无机复混肥等。
在本发明的一个示例性实施例中,装置B包括缓冲罐807,如图3所示,用于调整对所述活化产物进行喷爆的量与频率。缓冲罐807包括进料口和出料口,缓冲罐807的进料口和活化釜500的出料口相连接。
可选地,缓冲罐下端的出料口处装有出料自动控制阀601。可选地,缓冲罐以下述的操作程序完成每一次的喷爆操作:(1)先关闭缓冲器807的出料口,此可通过关闭出料自动控制阀601来控制;(2)打开活化釜500的出料口,此可通过打开出料自动控制阀506来控制;(3)利用活化釜500的压力以预定的每次喷爆量将活化产物注入缓冲罐807;(4)关闭活化釜500的出料口,此可通过关闭自动控制阀506来控制;(5)以预定的喷爆频率开启缓冲器807的出料口,此可通过开启出料自动控制阀601进行喷爆。
可选地,缓冲罐807对所述活化产物进行喷爆操作时,可调节喷爆频率及每次喷爆量。可选地,喷爆频率为约每三至四分钟喷爆一次。可选地,可根据活化釜500中每个处理停留时间周期中的物料量,来调解喷爆频率,使物料以一定的喷爆次数平均喷爆。可选地,若活化釜500的处理停留时间为20分钟,喷爆频率为约20分钟/(3至4分钟)喷爆5至7次,使活化釜500中的物料在停留时间20分钟内,以5至7次平均喷爆。之后的活化产物可再用膨化器进一步松化所含的纤维素以活化物料。
在本发明的一个示例性实施例中,装置B还包括膨化器600,用于对喷爆后的所述活化产物进行膨化,所述膨化器600包括出料口和进料口,所述膨化器的进料口和所述缓冲罐的出料口相连接,如图3所示。可选地,膨化器600适于执行方法A中的膨化步骤f。
可选地,喷爆后的活化产物经缓冲罐807的出料自动控制阀601导入膨化器600时,瞬间减压至1大气压以达松散纤维素的效果,从而进一步提高有机肥的产品品质。
在本发明的一个示例性实施例中,膨化器600包括正立式锥形的上部部分和倒立式锥形的下部部分,如图3所示。膨化器600的这种设计,上下端体积小而中间体积大,便于膨化及物料收集。
可选地,在膨化器600的上部部分和下部部分之间的圆周处,设置有空气进出口603,用于在喷爆时,调整膨化器600在膨化时减压,并将膨化器600内的气压调节至特定压力,如1大气压,以接受下一轮的喷爆。可选地,空气进出口603的外侧设置有挡板,以避免喷爆时物料喷出。可选地,膨化后,可通过空气进出口603导入空气,以将膨化器600的维持在特定压力,如1大气压,以为下一个膨化操作做准备。
可选地,膨化器600包括设置在膨化器600顶部的蒸汽出口602。当喷爆时,喷爆为向下喷爆设计,膨化器600内的压力从由缓冲罐807的出料口的高压而瞬间降压,此时因压力骤降,生成蒸汽。可选地,此蒸汽可由膨化器600的蒸汽出口602导入附属的蒸汽冷凝设备及空气处理设备(未示出)。
膨化器600依不同的进料一般可将固态活化产物中的含水率降低10至20%。膨化后的物料806,即为本专利申请的所谓的活性有机肥,收集于倒立式锥形的下部部分,可用螺旋或其它输送器802经出口806送至下游的肥料精炼厂制造各类的有机肥产品,根据需要调高NPK总养份含量以制成各类有机复混肥,或制成特殊作物的专用肥。
通过使用根据本发明的实施方式的处理有机固体废弃物的装置B制造有机肥,可将大量产生的有机固体废弃物,如生活垃圾、污泥、养殖废弃物、秸秆等废弃物日产日清,从而解决了传统生化制肥法需时数周至数月之久的问题。
本发明提供了上述处理有机固体废弃物的装置。根据本发明的实施例的处理有机固体废弃物的装置,可根据废弃物的种类来根据需要调整单元操作及处理流程,可用于任何有机固体废弃物的处理,并可用于将废弃物资源化为高品质的各类有机肥产品,显著提高了效率;通过采用酸水解及热水解的综合效应,将废弃物水解,能够促进热水解速率并降低水解所需温度及时间需求,可在数小时内直接产生有机肥,明显地降低能源操作费用,且解决了强酸水解的操作费高、对反应釜材料腐蚀性高、及可能造成有机物的过度分解的问题,此外,酸化催化剂配合缓冲剂作用,可在水解过程同时萃取重金属,可避免再额外加重金属萃取剂,及酸化催化剂可循回使用,以降低操作成本;通过将水解步骤和氧化步骤分开为分别在水解釜和稳定釜中进行,避免了对物料同时进行水解和氧化操作时,如在同一反应釜中同时进行时,水解速率与氧化速率无法配合的问题,使有机物的氧化更完整,对温度、压力及处理停留时间的要求也相对降低,从而节省了大量的时间、成本,且反应效率显著提高,而且,对固体有机废弃物中有害的易降解有机物部分的分解消除一般可在一小时之内完成,可将大量产生的有机固体废弃物日产日清,从而解决了传统生化制肥法需时数周至数月之久的问题;将活化、氧化步骤所产生的热能传递到进行水解、物化预处理的反应釜中,从而避免热能的损失并提高利用效率;通过稳定釜搅拌器的设计,增加了物料与氧化剂的接触机会和时间,保证了供氧量与需氧量间的供需平衡,这些综合效果可提高超过数十至数百倍的溶氧量,解决了现有技术中供氧量不足,以及供氧量与需氧量间的供需不平衡的问题;通过多个立式稳定釜的这种设计,能够显著增加稳定釜中物料与氧化剂的接触效率,提高氧化剂与物料接触效率,从而避免了在氧化处理物料时发生短路现象及供氧不足的问题;通过将稳定釜设计为相互独立的多个细长的立式稳定釜,允许选择性地使用所述多个细长的立式稳定釜中的一个或若干个,这种设计允许需要维修时不致影响操作中断;以及活化釜的搅拌器的设计可以有效地将釜体底部的物料充分翻动和扬起,从而增加物料与添加剂及蒸汽的接触机会以增进反应的几率,提高活化处理的效率,大大缩短活化处理的时间。
实施例三
中国某县级市的生活垃圾目前运用卫生填埋法、及焚烧发电法以处理处置所产生的废弃物。但在进行生活垃圾处理时,发现其卫生填埋法的渗滤水仍严重地污染地下水源,产生的臭气也造成填埋场四周的污染。而且现有的填埋面积也只允许约二至三年的使用期,且目前也很难找到其他的填埋场址。现行的垃圾焚烧厂由企业经营,在操作数年后也发现月月亏损,且可能造成的空气污染。为了解决这些问题,该市将采用活性制肥方法,以处理产生的部分生活垃圾,计划一天处理100吨废弃物。
进行活性制肥时,首先需收集及分析该市产生的生活垃圾以获得设计本活化制肥处理厂所需的资料,如产量、物化成份分析资料等。经长期分析结果,都市垃圾的平均成份(%,以湿基计)及各成分含水率资料如下:金属0.35(3.03%含水率),玻璃2.41(2.56%),塑料14.31(52.15%),纺织品5.49(56.76%)橡胶、皮革0.82(10.24%),陶瓶0.11(1.15%),厨余65.16(68.64%),纸张10.45(54.63%)木头0.75(31.53%),煤灰0.08(3.07%),其他0.02(6.34%)。由以上分析结果,计算其生态垃圾含量为76.36%(含水率66.39%)。由BOD、COD、蛋白质、脂肪、糖类以及实验室水解、氧化后总量减少的分析测算,生态垃圾约含50%的易降解有机物含量。生态垃圾水解氧化后其固体部分的重金属(ppm,以干基计)含量为:Cd 0.47,Cr 19.0,Pb 9.93,As 1.8,Hg ND(无法测出)。水解氧化后剩余的蛋白质、脂肪、糖类总量约为原总量的9%。
根据上述资料,该生态垃圾重金属未超出“城镇垃圾农用控制标准”(GB8172-87)。但为确定该生态垃圾的水解、氧化特性,及氧化后产品重金属是否会超标问题,代表性的样品进行数次取样并进行实验室水解/氧化平行测试。因本工艺技术的稳定釜本身在操作时除加氧化剂外,即使在不加其他添加剂的情况下,也有重金属萃取功能,试验结果显示固体及液体产品均未发现超标。若将固体产品作为肥基使用,其重金属含量亦低于NY525-2012的有机肥国标。若将来活性制肥厂的操作发现某种重金属超标,可酌量将适当的萃取剂加入水解釜或稳定釜中。此外,可进行重要物化指标的分析,例如NPK、热含量、需氧量、其他可能的有毒有机物种类及含量亦可以选择代表性样品进行分析。一般处理厂处理废弃物时,因废弃物产生的含量存在可变性,操作时的仪器监测及资料分析是不可或缺的。
在进行实际制肥生产操作时,首先将垃圾分拣处理。主要的分拣单元操作设备均经实地测试选用。分拣单元的主要流程为:经过垃圾倾倒及储存糟(含垃圾车在室内铁卷门关闭下进行负压倾倒垃圾以及附属的滤液收集槽)、大件物品及织物人工分拣、破袋、滚筒筛分拣(分成筛上物、2–6cm、及<2cm三部分)、筛上物人工分拣(分拣出>6cm的塑料及少部分大件金属及玻璃物品,进行回收,实际测试分析结果发现此部分约占垃圾总量的50%)、筛下物(即<2cm大小的垃圾成份,主要为米、豆、小叶片、小瓜壳、小果皮、细小有机物、蚌壳、鱼骨、沙土等,约占垃圾总量的10%)及筛中物人工分拣(拣出无机部分含小瓶、碎玻璃、小螺丝钉、瓶盖、打火机、小金属容器等及部分有机物如小塑料碎片、小塑料袋,留其他有机部分在生态垃圾中含小叶片、碎纸巾、蚌壳、小骨、果皮、残菜叶、筷子、残碎肉、树叶、虾壳、椰壳等,约占垃圾40%)、上三部分经分拣回收后剩余物品再合并,经磁选、金属探测器剔除金属、之后经研磨至<1mm的尺寸便成为本处理流程中的“生态垃圾”以储存备用。
经以上机械及人工预处理后的生态垃圾用输送带送入本发明的物化预处理槽中。酌量加水调至约90%含水率混合物料。可选地,物化预处理槽内的温度可由稳定釜产生的泥浆用盘管经水解釜后再用盘管在物化预处理槽升温至80至90℃。可选地,部分稳定釜产生的蒸汽亦可直接打入物化预处理槽升温。可选地,将湿润剂或鍵离剂加入槽中以助更进一步分离木质纤维素。物料在物化预处理槽中搅拌充分混合约20分钟之后用螺旋输送器或高压泵传送至水解釜中。
可选地,水解釜温度控制在140至180℃,以水解易降解有机成份。可选地,其温度可用稳定釜产生的泥浆用盘管在水解釜中升温或用套管换热器在釜外作热交换。物料在此水解釜中充分搅拌并停留约20分钟。可选地,若欲促进分解程度,可将硫酸或前述催化剂加入釜中。之后,物料用高压泵或螺旋输送器打入稳定釜中。
可选地,可在稳定釜中安装电热线圈作为初步升温装置。启动反应釜之搅拌及加氧设备,当温度上升到约160℃,自续反应产生,但继续升温至约200至210℃。此时稳定釜开始自动作用,压力也开始上升。可选地,可通过空气加压以相对减少蒸汽量由反应釜上方排出。将反应釜中物料维持在液、固状态进行氧化反应。可选地,可调节空气的进量,以维持在上述温度及压力下液态中的饱和含氧量。可选地,控制操作温度、压力、空气进量的稳定性并逐渐维持在200℃,18.7atm的范围,其误差在10%内不会造成产品品质的显著差异。在上述步骤启动之后,稳定釜便可维持在200℃,18.7atm的范围继续不停且稳定进行。维持在上述温压范围内揽拌,约20至30分钟的停留时间,至易降解有机物达90%以上的去除率。取样粗试反应结果是否臭味全消,并作COD测试、出口蒸汽中含氧量,以估计易降解有机物是否大致分解完成。
可选地,将上述易降解有机物大部分(>90%)去除后,产生的高温高压泥浆可经盘管热交换器先在水解釜、后在物化预处理槽升温。产生蒸汽可用于活化釜升温。多余的蒸汽亦可用热管换热器提温水解釜及物化预处理槽的进料温度。可选地,经热交换后降温的泥浆可用超高压过滤器脱水。试验证明经上水解、氧化后的物料可轻易脱水至40至50%含水率。可选地,此脱水后物料用螺旋输送器打入活化釜中。
可选地,可在活化釜中若需要时可注入足量的亚疏酸钾以消除多余的氧气成份,此亦可增加产品中的肥分钾含量。可选地,同时也可加入研磨至约在10至200目(约2至0.07mm)的褐煤作为活化剂,此亦可同时增加产品的肥份含量。可选地,褐煤粉粒的加量可在1至10%或更高。褐煤粉粒在反应釜中热处理后更会增加原有的吸附及吸水能力。可选地,若欲更提高产品品质,同时在釜中加入松软剂,含各1%的卵磷脂、聚乙二醇、及蔬菜油。可选地,若需要时可再加适量的碳酸钾作为中和剂及钾肥增加剂。
在活化釜中反应约15至20分钟后,即进行瞬间爆发操作。由自动控制的阀门及缓冲罐约每3分钟在膨化器中喷发一次。因压力瞬降至约大气压,纤维素可显著松解并减低物料湿度约10至15%。可选地,此物料可用螺旋输送器导入产品精炼炉中以调节湿度至各不同有机肥规定的含水量以下,再用旋转散热器降至室温。可选地,用活化釜所产生的蒸汽由导管导至产品精炼的干燥炉的热交换线圈导管中。可选地,降温后可加入碳酸铵进一步松软纤维素并增吸水、持水及吸附性能。此产物即可作为普通有机肥(例如付合NY-525国标)的产品。若生产复混肥,在旋转散热器中可加入适当的NPK化合物以将其含量增至法规规定的NPK肥分范围。可选地,产品可进一步进行包装及储存。以处理上述100吨/天垃圾量,每天约可生产20至25吨含30%含水率固态有机肥及约110吨的液态有机肥。可根据需求及肥料标准,将生产出的产品配出各不同有机无机复混肥及液态或叶面肥。
实施例四
某县级市污水处理厂处理含生活及工业二类的混合污水。污水二级处理沉淀池每天产生约100吨污泥。化验结果显示含N 4.33%(以干基计),P2O52.08%(以干基计),K2O0.55%(以干基计),有机质35.13%(以干基计),纤维素18%(以干基计),热值13,300J/g,含水率在压滤前为96.0%,压滤后为82.1%,pH7.39,COD 1205mg/g,BOD 125mg/g,Na0.83%,Cl0.15%。元素分析结果为C 27.46%,N 4.53%,H 4.40%,S 1.15%,及O21.46%。重金属含量以mg/Kg干基计为Cr 513.86,Pb 23.85,Cd 0.12,As 36.44,Hg 0.36,Cu 160.91,Ni86.85,及Zn 1183.3。由气相色谱质谱(GC/MS)检出的微量有机物以μg/Kg干基计为苯酚2,400,对甲酚34,500,邻苯二甲酸二2-乙基己酯1,900,甲苯47,丙酮58,多氯联苯ND,二恶英ND。这些资料显示此种污泥的一些重金属及挥发性有机物可能超标。此污泥也产生恶臭、粘度高、且含水量高,不经脱水很难直接填埋、焚烧或用传统堆肥法处理。而其纤维素含量很低,无法制造高品貭有机肥。
使用本发明的活性制肥法可在数小时之内生产高品质有机肥。通过制肥过程中高温高压水解/氧化的作用,可以破坏污泥中细胞壁,能够使污泥轻易脱水至法规规定;同时通过水解/氧化过程降低pH,可选地使用酸水解以更降低pH,能够萃取重金属;而且通过高温高压氧化作用亦可分解污泥中所含有机物,能够实现污泥的资源化。
为了增加有机肥料产品的有机质,可将污泥与秸秆以固体含量的干重1:1或其他比例的进料比例混合,可生产出高品质的有机肥。首先将秸秆与约1%秸秆量的膨润土一起加入切割机中切碎并研磨至约1mm以下的颗粒尺寸。再将此机械预处理后的秸秆与污泥进料在物化预处理槽中酌量加水,调至约90%含水率混合物料并进行搅拌。可选地,物化预处理槽的温度可通过由稳定釜产生的泥浆用盘管或其他换热器经水解釜后,再用盘管或其他换热器在物化预处理槽将其升温至80至90℃。可选地,部分稳定釜产生的蒸汽亦可直接打入物化预处理槽升温。可选地,在研磨时加入膨润土,此时膨润土开始膨涨,有助于更进一步分离纤维素。可选地,若需要时可将湿润剂或鍵离剂亦加入槽中以助更进一步分离木质纤维素。物料在槽中搅拌充分混合约20分钟之后用螺旋输送器或高压泵传送至水解釜中。
可选地,水解釜温度控制在140至180℃间,以水解易降解有机成份。可选地,其温度可用稳定釜产生的泥浆用盘管或其他换热器在水解釜中升温。物料在此釜中充分搅拌并停留约20分鈡。因进料污泥的部分重金属超标,为促进重金属的萃取,可选地,将约1%硫酸的混合液含量加入釜中;或可选地,将釜中pH控制在约2左右。可选地,为避免不锈钢材质中重金属释出,水解釜材质选用哈氏合金或钛材。可选地,处理后物料用高压泵或螺旋输送器打入稳定釜中。
可选地,稳定釜中安装电热线圈作为初步升温启动装置。可选地,因由水解釜来的进料含低pH值,本釜材料亦选用哈氏合金或钛材制造以避免腐蚀及重金属释出。反应釜启动后,启动搅拌及加氧(或空气)设备。当温度上升到约150℃,自续反应产生,继续升温至约200至210℃。此时稳定釜的氧化及释热功能应开始作用,压力也开始上升。可选地,通过加压或将过剩的蒸汽由反应釜上方排出,来抑制蒸汽的产生,并以本工艺技术特制的搅拌及气体缓升器将反应釜中物料维持在气、液、固充分混合的状态。在上述步骤完成后,控制操作温度、压力、空气进量的稳定性并逐渐维持在200℃,18.7atm的范围,其误差在10%内不会造成产品品质的显著差异。操作时控制需氧量及供氧量的平衡。依本进料所含易降解有机物元素含量资料计算,每一吨进料需氧量为约0.116吨。或每一吨易降解有机物需约1.745吨的需氧量。可选地,此需氧量由空压机提供。因本发明的四个串联稳定釜皆有溶氧分布器及气体缓升及气泡搅碎作用,在高温高压配合下,饱和溶解氧可在1至2分钟内达到。可选地,在本操作状况下溶解氧可维持在约355ppm。维持进料在稳定釜中约15至20分钟的停留时间。取样以测试反应结果是否臭味全消,并作COD测试以估计易降解有机物是否分解接近(>90%)完成。实验室已预测,稳定釜在上情况下可将超标的有毒有机物均分解完成。为确定有毒有机物分解至法规标准,定时取样做GC/MS品质管制亦需进行。并定时抽检稳定釜出料进行熟化及有机肥功能测试。在因污泥中纤维已经细化,且秸秆的纤维素较易在上述温压下水解及氧化并进一步分离,经上述操作,产品做为有机肥可轻易达成有机肥的上述七大功能。
进料经水解/氧化之后形成约90%含水率的高温(约200℃)高压(约1.8MPa)的泥浆。可选地,此泥浆的热能可应用盘管或其他传统热交换使水解釜提温。水解釜提温后的泥浆温度约在140℃以上。可选地,此泥浆热含量可继续循环到物化预处理槽提温,以确保能量回收再利用。经计算及试验结果,证明本进料热值在水解/氧化后产生的热量足以将水解釜及物化预处理槽提温。在提温后泥浆温度应尚在约90℃。此泥浆经由超压过滤脱水后可达40至50%的含水率。
可选地,将上述脱水后的半干物料用螺旋输送器压入活化釜中。试验证明此物料粘度已大大降低,可在活化釜中进一步优化产品品质。根据本发明的活化釜能够恢复及增加进料的吸附性(即吸水、持水、吸肥、持肥等),恢复及增加纤维强度,中和(视产品需求),去氧化剂,增加固态腐殖质含量,及进一步减少产品含水率(节能考虑)至约30%含水率。
活化釜的进料在活化釜中再行升温至160至180℃间。可选地,其升温可由产生的蒸汽及外加热线圈达成。可选地,物料在釜中停留约20分钟。因饱和蒸汽压的形成,釜中压力可达9.5至约13atm间。可选地,活化釜的出料约每3分钟由自动控制阀泄至缓冲罐中。此物料再由缓冲罐由自动控制阀瞬间减压到膨化器中。在瞬间减压过程中,产生蒸汽可进一步降低物料含水率。可选地,此蒸汽可导入物化预处理槽中或产品精炼炉中提温,或直接经由冷却塔及活性碳吸附器去除任何残存的挥发性有机物而排入空气中。可选地,活化釜中若含氧化剂量过高,可注入足量的亚疏酸钾以消除多余的氧气成份(可抽检釜中空气样品来测量,也可安装自动氧气监测仪连续监测),此亦可增加产品中肥分钾的含量。可选地,活化釜中可加入研磨至约在10至200目(约2至0.07mm)的褐煤作为活化剂,以进一步促进产品功能。加褐煤或类似原料可同时增加产品的肥份含量。因褐煤粉粒价钱较廉,加量可高些,一般1至10%或更高。褐煤粉粒在反应釜中热处理后,可增进其吸附能力。此操作同时可释出褐煤中有机氮而形成植物可吸收的无机氮。处理后的褐煤更会增加有机肥产品的NPK吸附及吸水能力。
可选地,膨化后的物料可用螺旋输送器导入产品精炼炉中,以调节湿度至30%以下或符合法规标准规定。可选地,可将所产生的蒸汽由导管导至干燥炉的热交换线圈导管中。可选地,物料再用旋转散热器降至室温,降温后同时可加入碳酸铵进一步松软纤维素并增吸水、持水及吸附肥分性能。可选地,若生产复混肥,在旋转散热器中可加入适当的NPK化合物,以增其含量至市场接受的有机复混肥肥分范围。产品可进一步进行包装及储存。
本发明的附图中各部件、成分、制肥方案,与其相应的附图编号如下:
有机固体废弃物种类:
1:生活垃圾;2:厨余/餐厨;3:污泥;4:农业废弃物;5:养殖废弃物。
操作步骤:
6:分拣回收;7:重力固液分离糟;9:切碎/研磨;10:固液分离器;11:物化预处理糟;12:热水解/催化酸水解糟;13:稳定釡;14:活化釜;15:膨化器;16:有机肥产品精炼设备;17:密闭式储糟;18:溶氧器;19:重金属去除器;20:盐分去除器;29:污水处理;54:喷淋洗涤;55:高压脱水;56:除油;57:除高有机物含量;58:盐浓缩。
添加剂及回流物料:
21:键离剂;22:有机质(例如秸秆)添加料;23:稀释水;24:酸解催化剂;25:氧化剂;26:滤水;27:活化剂;28:蒸汽;59:盐液回收。
直接回收物料:
30:塑料/橡胶;31:金属;32:玻璃;33:泥沙;34:水泥砖;35:饲料;36:油。
资源化方案:
37:生产肥基方案;38:生产液态肥方案;39:生产有机肥方案;40:生产饲料方案;41:生产绿色食品肥基方案;42:生产绿色食品有机肥方案;43:生产绿色食品液态肥方案。
资源化产品种类:
44:肥基;45:液态肥;46:普通有机肥;47:有机复合肥;48:有机复混肥;49:绿色食品肥基;50:绿色食品液态肥;51:绿色食品普通有机肥;52:绿色食品有机复合肥;53:绿色食品有机复混肥。
三废:
29:污水(回用、处理、或排除);60:浓缩盐液:回收或排除。
装置的部件:
100:物化预处理糟;
200:酸/热水解釜;
300:稳定釜;
400:固液分离器;
500:活化釜;
600:膨化器;及
700:重金属去除器。
101:搅拌器;
102:添加剂进口;
103:截止阀;
104:回流稀释水;
105:球阀;
106:泵;
201:搅拌器;
202:盘管热交换器;
203:进料口;
204:出料口;
205:球阀;
206:截止阀;
207:添加剂进口;
301:搅拌及气体缓升器;
302:进料口;
303:出料口;
304:氧化剂入口;
305:泵;
306:截止阀;
307:添加剂进口;
308:蒸汽出口;
309:出口到固液分离器;
310:表面曝气叶片;
311:蒸汽出口管线用以回收热能到下个反应釜;312:十字型隔板叶片;
313:通气孔;
401:固体氧化产物出料口;
402:液体氧化产物出料口;
403:稳定釜处理后的固液混合液;
404:液体氧化产物回收;
501:搅拌器;
502:液态添加剂进口;
503:固态添加剂进口;
504:高压加料器;
505:蒸汽;
506:出料自动控制阀;
507:气锁阀;
508:气锁阀转速控制器;
509:漏斗进料器;
510:控制阀;
601:出料自动控制阀;
602:蒸汽出口;
603:空气进出口;
801:输送带或输送管;
802:螺旋输送器;
803:加热器;
804:高压氧化剂发生器;
805:到液态肥调配车间的出口;
806:到固态有机肥精炼厂的出口;及
807:缓冲罐;
在此提供的方法和装置不与系统或者设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述,构造这类装置所要求的结构是显而易见的。应当明白,上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
在此处所提供的说明书中,说明了大量具体细节。然而,能够理解,本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中,并未详细示出公知的方法、结构和技术,以便不模糊对本说明书的理解。
类似地,应当理解,为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个,在上面对本发明的示例性实施例的描述中,本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而,并不应将该公开的方法解释成反映如下意图:即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说,如权利要求书所反映的那样,发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此,遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式,其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域那些技术人员可以理解,可以对实施例中的装置中的部件进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个装置中。可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述,本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的替代特征来代替。
此外,本领域的技术人员能够理解,尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征,但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如,在权利要求书中,所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制,并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中,不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (56)

1.一种处理有机固体废弃物的方法,包括步骤:
(a)物化预处理:在所述废弃物中加入水和添加剂,提温并搅拌;
(b)水解:将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物;
(c)氧化:氧化所述水解产物,获得氧化产物;
(d)固液分离:将所述氧化产物进行固液分离,获得固体氧化产物和液体氧化产物;
(e)活化:在加温加压、蒸汽、及加添加剂的情况下,对所述固体氧化产物进行活化,获得活化产物;
其中,水解步骤(b)和氧化步骤(c)被分开为两个不同但串联的操作程序。
2.如权利要求1所述的方法,其中在所述物化预处理的步骤(a)之前,所述方法还包括:对所述废弃物进行分拣回收。
3.如权利要求1所述的方法,其中在所述物化预处理的步骤(a)之前,所述方法还包括:对所述废弃物进行切割或研磨。
4.如权利要求1所述的方法,其中所述物化预处理的步骤(a)还包括在所述废弃物中加入湿润剂和键离剂。
5.如权利要求1所述的方法,其中所述水解的步骤(b)包括采用热水解将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物。
6.如权利要求1所述的方法,其中所述水解的步骤(b)包括采用热水解和酸水解将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物。
7.如权利要求6所述的方法,其中所述水解的步骤(b)包括:
在物化预处理后的所述废弃物中加入酸化催化剂,或加入具有酸化和催化功能的添加剂,将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物。
8.如权利要求7所述的方法,其中所述酸化催化剂由弱碱强酸盐类与缓冲剂组成。
9.如权利要求8所述的方法,其中所述弱碱强酸盐类包括铝、钙、镁的氯化盐、硝酸盐、及硫酸盐中的一种或多种。
10.如权利要求5或6所述的方法,其中所述水解的步骤(b)包括:
在物化预处理后的所述废弃物中加入水解催化剂,将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物。
11.如权利要求10所述的方法,其中所述水解催化剂包括金属氧化物。
12.如权利要求11所述的方法,其中金属氧化物包括氧化铝、氧化铁、二氧化钛、氧化锌、氧化铜、氧化镁、氧化锆中的一种或多种。
13.如权利要求1所述的方法,其中所述水解的步骤(b)包括在120℃-160℃之间的温度将物化预处理后的所述废弃物水解2分钟至30分钟,获得水解产物。
14.如权利要求1所述的方法,其中所述水解的步骤(b)包括在140℃-180℃之间的温度将物化预处理后的所述废弃物水解2分钟至20分钟,获得水解产物。
15.如权利要求5或6所述的方法,其中所述废弃物包括蛋白质,且所述水解的步骤(b)包括在120℃-230℃之间的温度将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物。
16.如权利要求15所述的方法,其中所述水解产物包括氨基酸、低聚肽、糖蛋白碳水化物侧链、消旋蛋白中的一种或多种。
17.如权利要求5或6所述的方法,其中所述废弃物包括脂肪,且所述水解的步骤(b)包括在80℃-180℃之间的温度将物化预处理后的所述废弃物水解数分钟至2小时,获得水解产物。
18.如权利要求17所述的方法,其中所述水解产物包括重组的多不饱和脂肪酸、三链单脂肪酸中的一种或多种。
19.如权利要求5或6所述的方法,其中所述废弃物包括糖类,且所述水解的步骤(b)包括在140℃-230℃之间的温度将物化预处理后的所述废弃物水解数分钟至2小时,获得水解产物。
20.如权利要求19所述的方法,其中所述水解产物包括溶解的肝糖、溶解的淀粉、分解后的单糖中的一种或多种。
21.如权利要求5或6所述的方法,其中所述废弃物包括木质纤维素,且所述水解的步骤(b)包括在160℃-180℃之间的温度将物化预处理后的所述废弃物水解数分钟至2小时,获得水解产物。
22.如权利要求21所述的方法,其中所述木质纤维素包括木质素,且所述水解产物包括木质素、高分子木聚糖、腐殖质、脂肪酸、类固醇、香草 醛、丁香醛、植物蛋白质、糖醛中的一种或多种。
23.如权利要求21所述的方法,其中所述木质纤维素包括半纤维素,且所述水解产物包括木糖、木糖低聚体、酯类分解物中的一种或多种。
24.如权利要求1所述的方法,其中所述氧化的步骤(c)包括根据预先计算的需氧量,加入氧化剂,氧化所述水解产物,获得氧化产物。
25.如权利要求24所述的方法,其中所述氧化剂包括空气、氧气、过氧化氢、臭氧中的一种或多种。
26.如权利要求24所述的方法,其中所述氧化剂是加压空气。
27.如权利要求1所述的方法,其中所述氧化的步骤(c)包括氧化所述水解产物,并通过以下方式中的一种或多种来控制氧化程度,获得氧化产物:
在选定氧化反应温度后控制氧化反应时间、在选定氧化反应时间后控制氧化反应温度、在选定实测生化需氧量与化学需氧量的比值后控制所述氧化产物的化学需氧量、控制进行所述氧化步骤(c)的反应釜顶出气的含氧量,及控制所述氧化产物的残氧量。
28.如权利要求1所述的方法,其中所述氧化的步骤(c)包括:在140℃-300℃之间的温度氧化水解产物10-30分钟。
29.如权利要求1所述的方法,其中所述氧化的步骤(c)包括:在180℃-230℃之间的温度氧化水解产物10-20分钟。
30.如权利要求1所述的方法,其中所述氧化的步骤(c)还包括:将氧化所述水解产物所产生的热能传递到进行水解步骤(b)的反应釜中。
31.如权利要求1所述的方法,其中所述固液分离的步骤(d)包括采用抽滤法或压滤法将所述氧化产物进行固液分离,获得固体氧化产物和液体氧化产物。
32.如权利要求1所述的方法,其中所述活化的步骤(e)包括在加温加压、蒸汽的情况下,对所述固体氧化产物进行以下操作中的一种或多种:脱氧,中和,分离或分散所述固体氧化产物中的木质纤维素,软化、曝露和/或分散所述固体氧化产物中的纤维素,分离或分散所述固体氧化产物中的半纤维素,活化所述固体氧化产物中的纤维素表面的吸附性/离子交换性。
33.如权利要求1所述的方法,其中所述活化的步骤(e)包括在加温加压、蒸汽的情况下,加入松软剂和活化剂,对所述固体氧化产物进行活化,获得活化产物。
34.如权利要求1所述的方法,其中所述活化的步骤(e)包括:在饱和蒸汽下、160℃至210℃之间的温度,对所述固体氧化产物进行活化,反应时间为少于一小时。
35.如权利要求1所述的方法,所述方法还包括膨化的步骤(f):对所述活化产物进行膨化。
36.如权利要求1所述的方法,所述方法还包括精炼的步骤(g):对所述活化产物进行精炼,获得精炼产物。
37.一种处理有机固体废弃物的装置,包括:
物化预处理槽,用于容纳和混合所述废弃物和水,所述物化预处理槽包括进料口和出料口;
水解釜,用于将物化预处理后的所述废弃物进行水解,获得水解产物,所述水解釜包括进料口和出料口,所述水解釜的进料口与所述物化预处理槽的出料口相连接;
稳定釜,用于氧化所述水解产物,获得氧化产物,所述稳定釜包括进料口和出料口,所述稳定釜的进料口与所述水解釜的出料口相连接;
固液分离器,用于将所述氧化产物进行固液分离,获得固体氧化产物和液体氧化产物,所述固液分离器包括进料口、固体氧化产物出料口和液体氧化产物出料口,所述固液分离器的进料口与所述稳定釜的出料口相连接;以及
活化釜,用于对所述固体氧化产物进行活化,获得活化产物,所述活化釜包括进料口和出料口,所述活化釜的进料口和所述固液分离器的出料口相连接;
其中,在水解釜中的水解和在稳定釜中的氧化被分开为两个不同但串联的操作程序。
38.如权利要求37所述的装置,所述装置包括在所述物化预处理槽和所述稳定釜之间的第一管道,用于将所述稳定釜中产生的热能导向所述物化预处理槽。
39.如权利要求37所述的装置,所述水解釜用于将物化预处理后的所述废弃物进行酸水解和热水解。
40.如权利要求37所述的装置,所述水解釜包括连接所述水解釜和所述稳定釜的热交换器,用于将所述稳定釜中产生的热能导向所述水解釜。
41.如权利要求40所述的装置,所述热交换器是设置在所述水解釜内的盘管热交换器,或设置在所述水解釜外的套管热交换器。
42.如权利要求37所述的装置,所述稳定釜包括在所述稳定釜底部的氧化剂入口。
43.如权利要求37所述的装置,所述稳定釜包括搅拌器,所述搅拌器还包括沿轴线排列的多个帽状气体缓升器,每个帽状气体缓升器具有十字型隔板叶片,且所述隔板叶片具有孔。
44.如权利要求43所述的装置,所述搅拌器还包括设置在每个帽状气体缓升器之上的表面曝气叶片。
45.如权利要求37所述的装置,所述稳定釜包括多个细长的立式稳定釜,所述多个细长的立式稳定釜彼此串联。
46.如权利要求45所述的装置,所述多个细长的立式稳定釜相互独立,允许选择性地使用所述多个细长的立式稳定釜中的一个或若干个。
47.如权利要求37所述的装置,所述装置还包括第二管道,用于将经稳定釜、水解釜和物化预处理槽热交换后的物料导至所述固液分离器进行固液分离。
48.如权利要求37所述的装置,所述装置还包括重金属去除器,所述重金属去除器包括进料口和出料口,所述重金属去除器的进料口与所述固液分离器的液体氧化产物出料口相连接。
49.如权利要求37所述的装置,所述活化釜包括卧式圆筒形釜体,所述釜体的轴线从所述活化釜的进料口到所述活化釜的出料口是向下倾斜的。
50.如权利要求49所述的装置,所述活化釜包括位于所述釜体上方的固态添加剂进口和/或液态添加剂进口。
51.如权利要求49所述的装置,所述活化釜包括位于所述釜体内的搅拌器,所述搅拌器为十字形结构,所述搅拌器具有C型叶片,所述C型叶片的朝向与搅拌器的旋转方向一致。
52.如权利要求37所述的装置,所述装置还包括缓冲罐,用于调节对所述活化产物进行喷爆操作的速率与量,所述缓冲罐包括进料口和出料口,所述缓冲罐的进料口和所述活化釜的出料口相连接。
53.如权利要求52所述的装置,所述装置还包括膨化器,用于对所述活化产物进行膨化,所述膨化器包括出料口和进料口,所述膨化器的进料口 和所述缓冲罐的出料口相连接。
54.如权利要求53所述的装置,所述膨化器包括正立式锥形的上部部分和倒立式锥形的下部部分。
55.如权利要求54所述的装置,所述膨化器包括设置在所述上部部分和所述下部部分之间的圆周处的空气进出口。
56.如权利要求55所述的装置,所述空气进出口的外侧设置有挡板。
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