CN104289497B

CN104289497B - 一种多段式半连续有机垃圾生物反应装置及方法

Info

Publication number: CN104289497B
Application number: CN201410508460.5A
Authority: CN
Inventors: 李爱民; 张雷; 马姣
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2014-09-28
Filing date: 2014-09-28
Publication date: 2017-07-11
Anticipated expiration: 2034-09-28
Also published as: CN104289497A

Abstract

本发明涉及一种多段式半连续有机垃圾生物反应装置及方法，本发明属于生活垃圾处理领域。该反应系统包括三级或以上主反应器、连接各级主反应的螺旋输送装置、反应器外部包覆保温材料、鼓风装置，废气出口处设有固液分离装置，并连有部分废气回流装置、主反应器上部覆盖波纹式冷凝面和集水槽，集水槽收集的冷凝水与固液分离的冷凝水送往废水处理单元。本发明进行各阶段优化控制，提高效率，反向双螺旋沟槽结构可实现物料在密封反应器内的输送混合，避免常规条槽堆肥反应器搅拌过程中的热量散失和臭气逸散；在主反应器上部设置波纹状冷凝单元，可收集冷凝水，有效防止其重新润湿上部物料，最终稳定干化后的物料可用作腐植土或制备衍生燃料。

Description

一种多段式半连续有机垃圾生物反应装置及方法

技术领域

本发明属于生活垃圾处理领域，涉及一种多段式半连续有机垃圾生物反应装置及方法，是将生物反应过程分阶段进行控制，通过微生物自身产热或结合热风辅助实现高含水率有机物料的水分高效脱除装置和方法。

背景技术

随着我国社会和经济的持续发展以及人们生活水平的不断提高，城市生活垃圾逐年增加，高含水率、高有机质及成分复杂等特性成为其难处理的重要因素，各地区正在寻求一种非常经济、节能、环保的生活垃圾减量化、稳定化、资源化技术。

生物干化技术依靠自身微生物的好氧发酵活动产生热能，不需外加热源，通过人为控制的强制鼓风，提高干化效率，缩短干化周期。产物含水率较低，减量化明显，可通过焚烧、填埋等常用方法最终处置或后续制备垃圾衍生燃料(RDF)，因其经济环保等特性，该技术逐渐受到人们的关注。目前人们主要针对生物干化工艺优化，以及过程控制等方面展开研究。如中国专利200710038264.6公开了一种生活垃圾的生物干燥方法。该方法采用传统的槽式堆肥反应器，再覆盖捆扎草垫和保温复合卷材，在卷材下粘接于冷却管连接的开孔橡胶尾气收集管。在干化过程中的第2天和第4天除去覆盖物进行翻堆操作。尽管该方法运行成本低，但存在上部冷凝水回流重新润湿物料的问题，另外翻堆过程中存在臭气逸散的污染。如中国专利201110205682.6公开了一种低强度连续曝气快速生物干化方法。通过向脱水污泥(含水率约为80％)中添加一定量的辅料，使搅拌均匀后物料初始含水率在50％-75％，连续曝气的曝气强度为每吨脱水污泥0.5m³/h-5m³/h，在污泥生物干化反应器内快速干化处理，经过6-15天的生物干化处理，物料含水率降低到40％以下。该方法存在辅料用量大，混合搅拌效果差、干化周期长得弊端。如中国专利201210185587.9公开了一种热风辅助的城市原生垃圾好氧生物干化方法与系统。利用热风所提供的氧气及所形成的高温环境，城市原生垃圾中的好氧微生物在高温生物调理剂的参与下将城市原生垃圾中的有机物分解为水分和其他无机物，并释放出热量，高温环境及热量使大部分水分受热蒸发为水蒸气并以湿热废气形式排出、另有部分水分形成垃圾渗滤液排出，达到城市原生垃圾好氧生物干化的目的。虽然该方法也存在反应过程波动较大，需要较频繁的参数调整，也存在过程中搅拌困难的问题。如中国专利201210038719.5公开了一种生活垃圾生物干化反应器及垃圾生物干化方法。对进排风进行在线调节气体流量和频次，并对进风空气进行除湿加热，管道上设置监测仪表实时监测空气温、湿度，压力等参数；干化产生的臭气集中收集统一处理；通过PLC工控机上位组态界面设定和调整翻堆频率，加速物料的干化；定期采集不同层次、不同深度物料的温度、水分数据，定期监测渗滤液产生量及成分；采用自动控制和手动控制两种控制方式，通过上位组态控制和监控设备仪表的运行。该工艺控制系统较为复杂，而且反应器的空间利用率低。综上可见，目前的生物干化为代表的生物反应器多为一段式，物料在反应其中经过较长的微生物的迟滞驯化期、高温发酵期、后期的衰减期，各个周期交替进行，为优化各阶段需要较为频繁的条件控制调整，极易造成微生物活性的波动变化；另外过程中的物料搅拌多需要打开反应器的上盖进行搅拌，不仅造成热量的损失，而且导致臭气污染控制困难；反应器设计中也存在上部冷凝水回流润湿上部物料的问题。因此，开发一种适合生物反应阶段性特点、而且解决密封搅拌和反应器中冷凝水回流收集的问题，是当前工艺设计和反应器开发的关键。

发明内容

针对传统生物反应器存在的上述问题，本发明提供了一种多段式半连续有机垃圾生物反应装置，通过工艺方法的分段设计，可以对生物反应过程进行分段优化控制，提高反应效率，另外开发了一种反向双螺旋结构，有效解决反应器物料在封闭系统内的输送搅拌混合问题，同时外反应器的设计中也成功解决了反应器上部冷凝水回流的问题。

本发明的一种多段式半连续有机垃圾生物反应装置，包括三级以上的具有反向双螺旋沟槽、搅拌输送机构和冷凝集水结构的反应器，实现进料、出料以及物料混合一体；反应器各级之间采用螺旋推进输料装置连接，一级到二级的螺旋推进输料装置和二级到三级的螺旋推进输料装置；各级反应器和各个螺旋推进输料装置的外部均包覆保温材料，同时设有储料罐、气体配给装置、进气口、出气口、冷凝水排放口和气液分离装置等单元；储料罐在一级反应器前端，用于储存原料；气体配给装置与各级反应器的进气口连接，各级反应器的出气口和冷凝水排放口在各级反应器的上端，气液分离装置在废气排路上。

各级反应器采用包覆保温材料的反应器沟槽箱体，内部设置反向双螺旋输送和搅拌机构实现进料、出料以及物料混合一体；其中双螺旋搅拌结构推进方向相反，在正向螺旋装置末端设有翻板机构，各级反应器的出料口设有开关；正向螺旋装置和反向螺旋装置通过螺旋驱动机械结构相连实现同步运行，其速度通过变频装置控制。各级反应器中反向双螺旋中的叶片之间增置横向和纵向的搅拌叶片或搅拌杆，其间距为0.1～1.0米不等，其疏密程度根据反应器尺寸和物料特性进行调整。

反应器中装有双螺旋沟槽箱体的上方安装带有倾斜角波纹结构的上盖，倾斜角为20～70度，内壁表面形成的冷凝水可自由流下，倾角低处末端平行设有集水槽或上部切割的圆管用以收集过程中产生的冷凝水；上盖外部的保温层和内部的冷凝面之间也可增设循环冷凝夹套进行强制冷凝。

在三级反应器系统的基础上，增设四级热辅助干燥反应器；各级反应器串联操作，定时搅拌，间歇性开启反应器间的螺旋推进输料装置控制各反应阶段停留时间。

各级反应器根据场地情况进行合理布置，沿竖直方向自上而下进行布设，各级反应器之间的物料输送也可采用重力输送代替螺旋推进输料装置；或采用水平布设，各级反应器之间通过螺旋推进输料装置连接。

各级反应器的容积大小可以根据物料的具体停留时间进行针对性设计，也可通过增设同级的反应器的个数来调整，增加的反应器与同级反应器进行并联操作，与上下级反应器进行串联操作，该方法可提高工艺的灵活性。

上述的多段式半连续有机垃圾生物反应装置处理有机垃圾的方法，包括以下步骤：先将储料罐中的有机垃圾原料与系统的出料进行配比进入一级反应器，气体经过进气口通过反应器底部设置的布气装置给物料供氧，反应中产生的饱和水蒸气通过出气口排出，并进入气液分离装置进行气水分离，一部分废气经过气体配给装置作为反应器进气代替新鲜空气，另一部分废气进行除臭处理；反应器上部产生的冷凝液经过集水槽收集，与气液分离装置排出的冷凝水合并送往废水处理单元；一级反应器中的物料在控制总体停留时间的情况下以半连续的方式排往二级反应器，二级反应器采用与一级反应器类似的运行模式，运行条件有所差别；当二级反应器中的物料转入三级反应器中后，三级反应器采用较大的通气量使大部分水分被带出，保证最终排出的物料含水率低于35％；

一级反应器为反应初期，微生物处于适应阶段，停留时间为1-2天，二级反应器为反应中期，微生物处于高温发酵阶段，停留时间1-3天，三级反应器为反应后期，处于水分吹扫去除阶段，停留时间为1天；各级反应器串联操作，定时搅拌，间歇性开启反应器间的螺旋推进输料装置和，控制各反应阶段停留时间；

进入一级反应器1的有机垃圾原料与系统的出料进行配比为1:0.5～3，以保证一级反应器中的物料含水率满足生物反应的要求；

1m³反应器需配备5-60m³/h鼓风机，根据反应阶段不同对各级反应器鼓入不同通风量，一级反应器通气量为5-20m³/h，二级反应器通气量为10-50m³/h，三级反应器通气量为30-60m³/h，使大部分水分被带出；

通过热电偶对反应器内温度实时在线采集，并与温控仪相连和各级进气装置相连，通过变频调节鼓气速率，当某反应器内部温度高于65℃时，经过预设鼓气档位调大鼓气速率；对于增设有热辅助干燥的反应器，其鼓气速率不受此限制，而对其设定150℃的安全上限温度，控制空气预热系统的工作。

本发明的多段式半连续有机垃圾生物反应装置及方法具有结构简单，操作简单，反应效率高等特点。本发明将生物反应过程的特点进行分段优化控制，提高反应效率，缩短了处理时间，反向双螺旋搅拌可实现在封闭系统内的搅拌操作，可以有效避免过程中的热量损失和污染物的排放，整个过程能源消耗少，冷凝积水面的设置提高水分的去除效率，过程中产生的低温冷凝水污染程度远低于常规的渗滤液，最终稳定干化后的物料可用作腐植土或制备衍生燃料。

附图说明

图1是多段式半连续有机垃圾生物反应装置系统流程图。

图2是多段式半连续有机垃圾生物反应装置中反应器箱体内部俯视图。

图3是多段式半连续有机垃圾生物反应装置中反应器侧视剖面图。

图4是翻板机构的内部结构示意图。

图中：1 一级反应器；2 二级反应器；3 三级反应器；4 储料罐；

5 冷凝水排放口；6 出气口；7 进气口；8 气液分离装置；

9 气体配给装置；10 一级到二级的螺旋推进输料装置；

11 二级到三级的螺旋推进输料装置；12 正向螺旋装置；13 反向螺旋装置；

14 翻板机构；15 螺旋驱动机械结构；16 反应器带有冷凝斜面的上盖；

17 冷凝液集水槽；18 反应器沟槽箱体。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施例。

实施例1

该处理方法中储料罐4中的有机垃圾原料与系统的出料进行配比进入一级反应器。进入一级反应器1的有机垃圾原料与系统的出料进行配比为1:0.5，以保证一级反应器1中的物料含水率满足生物反应的要求。

一级反应器1为反应初期，微生物处于适应阶段，停留时间约为1天；一级反应器1中的物料在控制总体停留时间的情况下以半连续的方式排往二级反应器2，二级反应器采用与一级反应器类似的模式运行，但是运行条件有所差别，该反应器微生物处于高温发酵阶段，二级反应器2为反应中期，微生物处于高温发酵阶段，停留时间约2天。三级反应器3为反应后期，处于水分吹扫去除阶段，停留时间为2天。各级反应器串联操作，定时搅拌，间歇性开启反应器间的螺旋推进输料装置10和11控制各反应阶段停留时间。

气体经过进气口7通过反应器底部设置的布气装置给物料供氧，反应中产生的饱和水蒸气通过出气口6排出，并进入气液分离装置8进行气水分离，一部分废气经过气体配给装置9作为反应器进气代替新鲜空气，另一部分废气进行除臭处理。1m³反应器需配备60m³/h鼓风机，根据反应阶段不同对各级反应器鼓入不同通风量，一级反应器1内微生物处于适应期，供给足够生长氧气，通气量为15m³/h，二级反应器2内微生物反应活性最高，通气量为20m³/h，三级反应器3内水分已蒸出，集中于物料表面，通气量约为40m³/h，使大部分水分被带出。

通过热电偶对反应器内温度实时在线采集，并与温控仪相连和各级进气装置相连，通过变频调节鼓气速率，当某反应器内部温度高于65℃时，经过预设鼓气档位调大鼓气速率5m³/h。

反应器上部产生的冷凝液经过集水槽17收集，与气液分离装置8排出的冷凝水合并送往废水处理单元。当二级反应器2中的物料转入三级反应器3中后，由于经过二级反应器2高效反应后，物料中的可降解有机物大幅降低，大量水分挥发去除，微生物的活性大幅降低，三级反应器3中的物料中水分多存在于物料表面，并且物料疏松，采用较大的通气量使大部分水分被带出，可保证最终的物料含水率低于35％。

实施例2

该处理方法中储料罐4中的有机垃圾原料与系统的出料进行配比进入一级反应器1。进入一级反应器1的有机垃圾原料与系统的出料进行配比为1:2，以保证一级反应器1中的物料含水率满足生物反应的要求。

一级反应器1为反应初期，微生物处于适应阶段，停留时间约为1；一级反应器1中的物料在控制总体停留时间的情况下以半连续的方式排往二级反应器2，二级反应器2采用与一级反应器1类似的模式运行，但是运行条件有所差别，该反应器微生物处于高温发酵阶段，二级反应器2为反应中期，微生物处于高温发酵阶段，停留时间2天。三级反应器3为反应后期，处于水分吹扫去除阶段，停留时间为1天。本方案中设置四级反应器采用热辅助强化干燥，进气温度120度，停留时间0.5天。各级反应器串联操作，定时搅拌，间歇性开启反应器间的螺旋推进输料装置控制各反应阶段停留时间。

气体经过进气口7通过反应器底部设置的布气装置给物料供氧，反应中产生的饱和水蒸气通过出气口6排出，并进入气液分离装置8进行气水分离，一部分废气经过气体配给装置9作为反应器进气代替新鲜空气，另一部分废气进行除臭处理。1m³反应器需配备60m³/h鼓风机，根据反应阶段不同对各级反应器鼓入不同通风量，一级反应器1内微生物处于适应期，供给足够生长氧气，通气量为15m³/h，二级反应器2内微生物反应活性最高，通气量为20m³/h，三级反应器3内水分已蒸出，集中于物料表面，通气量为40m³/h，使大部分水分被带出。本方案中设置四级反应器采用热辅助强化干燥，进气温度120度，通气量为20m³/h，停留时间0.5天。

反应器上部产生的冷凝液经过集水槽17收集，与气液分离装置8排出的冷凝水合并送往废水处理单元。当二级反应器2中的物料转入三级反应器3中后，由于经过二级反应器2高效反应后，物料中的可降解有机物大幅降低，大量水分挥发去除，微生物的活性大幅降低，三级反应器3中的物料中水分多存在于物料表面，并且物料疏松，采用较大的通气量使大部分水分被带出。增设的四级反应器采用热风辅助的方法达到进一步快速干燥物料的目的，由于绝大部分的水分在前三级反应器中通过生物热和部分空气夹带作用去除，因此四级反应器中的干燥负荷相对较小，能耗也相应较低，保证最终含水率25％以下。

Claims

1.一种多段式半连续有机垃圾生物反应装置，其特征在于，包括三级以上的具有反向双螺旋沟槽、搅拌输送机构和冷凝集水结构的反应器，实现进料、出料以及物料混合一体；反应器各级之间采用螺旋推进输料装置连接；各级反应器和螺旋推进输料装置的外部均包覆保温材料，同时设有储料罐、气体配给装置、进气口、出气口、冷凝水排放口和气液分离装置；储料罐在一级反应器前端，用于储存原料；气体配给装置与各级反应器的进气口连接，各级反应器的出气口和冷凝水排放口在各级反应器的上端，气液分离装置在废气排路上；反向双螺旋沟槽中双螺旋搅拌结构推进方向相反，正向螺旋装置末端设有翻板机构，各级反应器的出料口设有开关，正向螺旋装置和反向螺旋装置通过螺旋驱动机械结构相连实现同步运行，其速度通过变频装置控制；双螺旋搅拌轴承通过传动螺杆相连实现同步运行，其速度通过变频装置控制。

2.根据权利要求1所述的一种多段式半连续有机垃圾生物反应装置，其特征在于，各级反应器中反向双螺旋中的叶片之间增置横向和纵向的搅拌叶片或搅拌杆，其间距为0.1～1.0米，其疏密程度根据反应器尺寸和物料特性进行调整。

3.根据权利要求1或2所述的一种多段式半连续有机垃圾生物反应装置，其特征在于，反应器中装有双螺旋沟槽箱体的上方安装带有倾斜角波纹结构的上盖，倾斜角为20～70度，内壁表面形成的冷凝水可自由流下，倾角低处末端平行设有集水槽或上部切割的圆管用以收集过程中产生的冷凝水；上盖外部的保温层和内部的冷凝面之间增设循环冷凝夹套进行强制冷凝。

4.根据权利要求1或2所述的一种多段式半连续有机垃圾生物反应装置，其特征在于，增设第四级热辅助干燥反应器，各级反应器串联操作，定时搅拌，间歇性开启反应器间的螺旋推进输料装置控制各反应阶段停留时间。

5.采用权利要求1或2或3或4所述的一种多段式半连续有机垃圾生物反应装置处理有机垃圾的方法，其特征在于以下步骤：

先将储料罐中的有机垃圾原料与系统的出料进行配比进入一级反应器，气体经过进气口通过反应器底部设置的布气装置给物料供氧，反应中产生的饱和水蒸气通过出气口排出，并进入气液分离单元进行气水分离，一部分废气经过气体配给装置作为反应器进气代替新鲜空气，另一部分废气进行除臭处理；反应器上部产生的冷凝液经过集水槽收集，与气液分离单元排出的冷凝水合并送往废水处理单元；一级反应器中的物料在控制总体停留时间的情况下以半连续的方式排往二级反应器，二级反应器采用与一级反应器类似的运行模式，但是运行条件有所差别；当二级反应器中的物料转入三级反应器中后，三级反应器采用较大的通气量使大部分水分被带出，保证最终排出的物料含水率低于35％；

一级反应器为反应初期，微生物处于适应阶段，停留时间为1-2天，二级反应器为反应中期，微生物处于高温发酵阶段，停留时间1-3天，三级反应器为反应后期，处于水分吹扫去除阶段，停留时间为1天；各级反应器串联操作，定时搅拌，间歇性开启反应器间的螺旋推进输料装置控制各反应阶段停留时间；

进入一级反应器的有机垃圾原料与系统的出料进行配比为1:0.5～3，以保证一级反应器中的物料含水率满足生物反应的要求；

通过热电偶对反应器内温度实时在线采集，并与温控仪相连和各级进气装置相连，通过变频调节鼓气速率，当某反应器内部温度高于65℃时，经过预设鼓气档位调大鼓气速率；对其设定150℃的安全上限温度，控制空气预热系统的工作。