CN107500815A - 基于富氧和自由基强化的好氧低氮堆肥化方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于富氧和自由基强化的好氧低氮堆肥化方法及装置，在堆肥化过程中，将发酵原料设置在中空穿孔电极之间，通过中空穿孔电极外加电压的作用，产生微量自由基以促进堆肥化效果；同时通过中空穿孔电极向堆体鼓入空气，保证堆体处于充分好氧发酵状态，进而完成堆肥化；本发明方法和装置能提高堆肥化效率，强化堆肥化效果的同时还可降低重金属的毒性，实现有机物的资源化利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种有机废物好氧堆肥化方法及装置，即在富氧和强自由基条件下进行好氧低氮堆肥化处理，实现有机物的堆肥化过程，属于有机废物资源化利用领域。
背景技术
随着工农业的发展和人类生活水平的提高，产生的污染物也越来越多，其中有机废物污染占了很大的比重。这些有机废物内含有大量的致病菌、寄生虫卵等，随意排放会对人类健康造成危害；另一方面，有机废物中包含的有机物质具有一定的经济价值，可经过堆肥化处理后实现资源循环利用。普通的堆肥化技术是利用天然微生物的降解作用，在有氧条件下将不稳定的有机质转变为较稳定的有机质，但利用微生物自然发酵来降解有机废物耗时较长，效率较低，且该过程需要定期人工翻堆来保证氧气量，这种做法往往很难控制氧气的准确含量，易形成缺氧环境，影响堆肥化效果。
我国是农业大国，堆肥化处理是我国资源化处理有机固体废弃物的有效途径之一，近年来堆肥化处理技术发展迅速。如云南省农业科学院农业环境资源研究所发明的无动力自通风式好氧堆肥化技术，即利用筒内布置的通气管营造好氧环境以实现堆肥化过程。该技术无动力消耗，操作简单，但仅依靠微生物的自然发酵过程来降解有机废物会导致堆肥化过程耗时较长，效率较低；再如南开大学发明的快速好氧堆肥化处理技术，即利用传动装置将混合物料混合后送入反应仓内进行堆肥化处理，由上部送风口输入空气，下部排气口排出反应气体。该方法将物料混合均匀后才输入反应器避免了肥料大面积结块的问题，但是只由上部输入空气会导致反应器内氧气分布不均匀，底部容易形成厌氧环境，影响堆肥化效果。
发明内容
针对上述现有好氧堆肥化处理技术的局限性，即自然堆肥化过程历时较长导致的处理效率不高，同时人工翻堆导致的氧气含量不均匀，氧气含量无法控制等问题，本发明旨在提供一种基于富氧和自由基强化的好氧低氮堆肥化方法，即在富氧条件下处理有机废物的方法，同时利用电化学作用产生微量自由基，强化堆肥化效果的同时还可降低重金属的毒性，实现有机物的资源化利用，优化堆肥化处理条件。
本发明方法是在堆肥化过程中，将发酵原料设置在中空穿孔电极之间，通过中空穿孔电极外加电压的作用，产生微量自由基以强化堆肥化处理效果；并通过中空穿孔电极向堆体鼓入空气，保证堆体处于充分好氧发酵状态，进而完成堆肥化。
所述外加电压为0.1~10V。
所述中空穿孔电极为管壁上带有小孔的中空棒状电极，电极顶端设置有进气口和电极接头。
所述中空穿孔电极为单电极或双电极，单电极由阳极材料或阴极材料制得，双电极为阳电极和阴电极组成的复合电极，其有两个电极接头；双电极的组合方式有以下两种，一种是将板状阴电极和板状阳电极，成对平行地排列在中空管内，中空管由导电材料制成，阳电极通过导线与阳极接头连接，阴电极通过导线与阴极接头连接；另一种为一半由阴电极材料制成的阴电极和一半由阳电极材料制成的阳电极连接复合而成棒状中空电极；阳极材料或阴极材料均为常规电极材料。
所述中空穿孔电极上孔密度为10~30个/cm²，孔径大小为0.5~3mm。
实施本发明方法可以采用：（1）间歇式堆肥化方法：在堆肥化过程中，往反应堆体内插入棒状中空穿孔电极，通过中空电极外加微电压的作用，产生自由基等活性物质以促进堆肥化效果；并通过中空电极向堆体鼓入空气，保证堆体氧处于充分的好氧发酵状态。通入氧气的方式为间歇脉冲鼓气，外加电压一般在0.1~10V；（2）连续式堆肥化方法：堆肥化物料从发酵装置的入料口进入后，持续切割通过安装有中空穿孔电极棒阵列的发酵空间，电极棒生成的自由基加速堆肥化的速率，同时来自于中空穿孔电极棒阵列的空气较均匀的为好氧堆肥化过程提供必需的氧气，发酵完全的堆肥产品排出；通入氧气的方式为间歇脉冲鼓气，外加电压一般在0.1~10V。
本发明方法利用低电压强化堆肥化效果，即在0.1~10V的电压和通氧条件下，插入反应器的中空穿孔电极以堆料作为介质发生一系列电化学反应，产生自由基等活性物质，这些微量自由基的存在可有效提高好氧堆肥化过程中的微生物活性，有效促进微生物对有机废物的降解。电化学反应产生的自由基对于堆肥化后期的堆料还具有灭菌作用，且对于部分含有重金属的有机废物也有较好的处理效果，有效减少堆肥产品中的有害物质，提高堆肥产品品质。
本发明方法利用的阴电极或阳电极为棒状中空穿孔电极，可按需设计成电极横截面为矩形或圆形的棒状中空穿孔电极。中空穿孔电极可分为单电极和双电极的形式；单电极是由阳极材料或阴极材料制得中间呈中空状的电极，便于通入氧气，电极可插入堆料的部分设有小孔，孔径大小为0.5~3mm，孔密度为10~30个/cm2，电极尾部可做成尖的针状形式，便于插入反应堆料中。将阴极单电极和阳极单电极平行设置在反应堆料中，每对阴阳电极之间相隔5~10cm，利用导线将阴阳电极与外接电源连接，外加电源为0.1~10V低电压；双电极为阳极材料和阴极材料组合而成的一个电极，双电极有两个电极接头，利用导线将阴阳电极与外接电源相连，外加电源为0.1~10V低电压；将中空穿孔电极对均匀设置在反应堆中，每对中空穿孔电极对之间相隔5~10cm。
本发明方法通入氧气的方式为间歇脉冲鼓气，即利用空气泵上安装的脉冲阀门，形成一定压力条件将空气鼓入中空穿孔电极中；在泵与中空穿孔电极之间用密闭软管连接，在泵的气体输出一端设置一段较粗的主气管，主气管与各分支气管连接，各分支气管又与中空穿孔电极气体输入端相连，空气便可通过泵鼓入电极中。若需要投加药剂，可在主气管处投放，药剂便可随着气体的流动均匀地进入到各个电极中，并通过电极表面的小孔进入物料中；鼓气间歇时间和鼓气时间可按需调整，一般间隔时间设置在2~48h，每次鼓气5~25min。
本发明方法所述有机物的堆肥化过程分为以下两步：
第一步，有机废料从进料口投入反应器中，进料完成后打开空气泵向中空穿孔电极内鼓入空气，同时给电极通电，每对阴阳电极附近均发生氧化还原反应，产生自由基，自由基可将部分有机物质氧化成CO2、H2O或其他小分子有机物，同时微量自由基作为堆肥化过程中的活性物质，有效增强了微生物降解性能，提高生物酶活性，加速堆肥化过程；
第二步，堆肥化过程分为低温阶段、升温阶段、高温阶段和降温阶段，约在7~15天内完成。反应器内从上至下分为新鲜物料层、适应繁殖层、快速降解层、降解完全层。堆肥化所产生的气体通过反应器上方的排气口排出，整个过程经历升温再降温的过程，当降温后温度保持在较为稳定的范围时，表示堆肥化过程结束，反应器内的废水经过电化学处理，可从排水口直接排放，且电化学反应产生的自由基对后期物料具有一定灭菌作用，堆肥可从排料口排出。
本发明另一目的是提供一种完成上述方法的装置，其包括中空穿孔电极、脉冲气泵、电源、缓冲气罐、发酵罐，其中中空穿孔电极为一端设置有进气口和电极接头，管壁上带有小孔的中空棒状电极，脉冲气泵通过缓冲气罐与气管连接，气管与一个以上的中空穿孔电极的进气口连接，中空穿孔电极设置在发酵罐中，发酵罐上端设置有进料口、出气口，发酵罐下端设置有排水口、排料口，电源与中空穿孔电极的电极接头连接。
本发明方法的优点与效果如下：
（1）本发明方法反应条件为常温、常压、低电压，反应操作简便，不需要另设其他复杂的反应器，直接往反应堆体中插入中空穿孔电极即可，操作方便且灵活，同时电极具有一定保温作用，可保持部分发酵的热值；
（2）本发明方法堆肥化处理效果好，阴阳电极附近产生的微量自由基可有效提高好氧堆肥化过程中的微生物活性，有效促进好氧微生物的降解作用，更加经济高效；
（3）本发明方法利用产自由基加曝气一体的中空穿孔电极可让反应器内布气更均匀，堆体内的好氧微生物处于有利其生长的好氧环境中，有效控制厌氧微生物的硝化反硝化作用，减少氨氮气体的排放；
（4）本发明方法处理后的堆肥产品品质较高，微量自由基的存在可降低有机废物中的重金属毒性，也可通过投加药剂来提高堆肥产品质量，无须其他后续处理，处理后的堆肥可实现资源化利用。
附图说明
图1为中空穿孔单电极结构示意图；A图为带针尖状端部的，B图为棒状；
图2为中空穿孔双电机结构示意图；A图为中空管体内平行地排列成对板状阴电极和阳电极，B图为一半阴电极材料和一半阳电极材料连接复合而成的棒状中空电极；
图3为间歇式进料堆肥化处理装置示意图；
图4为连续式进料堆肥化处理装置示意图；
图中：1-进气口；2电极接头；3-小孔；4-针状端部；5-阴极接头；6-阳极接头；7-阴电极；8-阳电极；9-进料口；10-排水口；11-排料口；12-出气口；13-脉冲气泵；14-电源；15-缓冲气罐；16-气管；17-阴极导线；18-阳极导线；19-发酵罐。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
实施例1：基于富氧和自由基强化的好氧低氮堆肥化方法处理动物粪便，具体操作如下：
1、动物粪便
粪便中含有大量有机物，如纤维素、淀粉、糖类和脂肪蛋白质等，同时也含有部分微生物和无机盐类；其特点是N、P、S元素含量较高，且在厌氧环境下易产生恶臭物质，但有机物含量高，经济利益性高。
2、本方法处理动物粪便900kg
本方法采用连续式堆肥化方法，堆肥化物料从发酵装置的进料口进入后，持续切割通过安装有中空穿孔电极棒阵列的发酵罐，电极棒生成的微量自由基加速堆肥化的速率，同时来自于中空穿孔电极棒阵列的空气较均匀的为好氧堆肥化过程提供必需的氧气，发酵完全的堆肥产品排出；通入氧气的方式为间歇脉冲鼓气，外加电压为3V。
如图1、4所示，完成本方法的装置包括中空穿孔电极、脉冲气泵13、电源14、缓冲气罐15、发酵罐19，其中中空穿孔电极为一端设置有进气口1和电极接头2，管壁上带有小孔3的中空棒状电极，中空穿孔电极为单电极（即由阳极材料或阴极材料制得的阳电极或阴电极），本装置中中空穿孔电极为2个阳电极8和2个阴电极7；脉冲气泵13通过缓冲气罐15与气管16连接，气管16与4个中空穿孔电极的进气口1连接，中空穿孔电极设置在发酵罐19中，发酵罐19上端设置有进料口9、出气口12，发酵罐下端设置有排水口10、排料口11，电源14的阳极通过阳极导线18与阳电极8的阳极接头6连接，电源14的阴极通过阴极导线17与阴电极7的阴极接头5连接。
发酵罐高度为0.8m，半径0.5m，中空穿孔电极上孔密度为20个/cm²，孔径大小为2mm；电极之间间隔8cm，2个阳电极和2个阴电极交替设置在发酵罐的动物粪便堆体内，补氧方式为间歇脉冲鼓气，每隔15小时便向中空穿孔电极柱内鼓入空气，鼓气时间为10分钟，外接电源电压控制在3V左右。
3、本装置使用过程如下：
（1）在常温下，将动物粪便由进料口9输入发酵罐19内，无需进行前处理，打开脉冲气泵13开关，往中空穿孔电极柱内通入空气，再打开电源14给中空穿孔电极通电，电压控制在3V左右；
（2）堆肥化过程分为低温阶段、升温阶段、高温阶段和降温阶段，反应罐内从上至下的堆肥分为新鲜物料层、适应繁殖层、快速降解层、降解完全层；在富氧条件下，中空穿孔电极反应产生的微量自由基可提高好氧堆肥化过程中的微生物活性，提高堆肥化处理效果。在堆肥化处理期间可根据发酵罐内部的温度检测计观察其温度变化趋势，发酵时间在12d左右；
（3）当发酵罐底部堆肥化过程处于降解完全的状态（即温度≤40℃）时，打开排水口10将反应后的水排出，发酵完全后的物料从排料口11排出进行资源化利用；此时堆肥产品中重金属Cd、Hg含量均≤3mg/kg，Pb、Cr含量≤30mg/kg，粪大肠菌值在10-1~10-2之间，含水率≤20%，堆肥产品的营养物质含量为：有机质（以C计）≥40%，总氮（以N计）≥1.0%，总磷（以P205计）≥1.5%。同时向发酵罐中加入新的未处理物料，继续进行堆肥化处理，整个堆肥化处理过程中的物料处于不断更新的状态。
实施例2：基于富氧和自由基强化的好氧低氮堆肥化方法处理水厂污泥，具体操作如下：
1、水厂污泥
随着城市污水的排放量空前增加，污水处理工艺所产生需排除系统外的剩余污泥量十分巨大。该污泥含水率较高、体积庞大、易腐烂、气味恶臭且含有大量的重金属、病菌等有毒有害物质，若不经过科学的处理处置而直接排放到外界环境中就会对地面水体、土壤、地下水和空气造成极大的污染，对人体健康造成不利影响，因此必须要对污泥进行无害化、减量化、稳定化的处理，并妥善处置，以免给环境造成二次污染。
在污泥处置过程中，要把握安全处置、因地制宜、节能降耗、循环利用的原则，目前污泥处置的技术有焚烧、卫生填埋、海洋倾倒、土地利用、制造建筑材料等等。而利用堆肥化处理污泥具有能量消耗低，搬运方便，设备简单等优点，具有较好的运用前景。
2、本方法处理水厂污泥800kg
本方法采用连续式堆肥化方法，堆肥化物料从发酵装置的进料口9进入后，持续切割通过安装有中空穿孔电极棒阵列的发酵罐，中空穿孔电极生成的自由基加速堆肥化的速率，同时来自于中空穿孔电极棒阵列的空气较均匀的为好氧堆肥化过程提供必需的氧气，发酵完全的堆肥产品排出；通入氧气的方式为间歇脉冲鼓气，在发酵后期可在缓冲气罐处加入脱水药剂，使药剂随气流均匀进入堆体内，以提高污泥的脱水率；外加电压为5V。
如图2B、4所示，完成本方法的装置结构同实施例1，不同在于中空穿孔电极一端为针尖状；中空穿孔电极为双电极（一半阴电极材料和一半阳电极材料连接而成的复合棒状中空电极），双电极有两个电极接头2，即阳极接头6和阴极接头5；发酵罐高度为0.5m，半径0.6m，中空穿孔电极上孔密度为10个/cm²，孔径大小为1mm；电极之间间隔5cm，5个双电极设置在发酵罐的污泥堆体内，补氧方式为间歇脉冲鼓气，每隔20小时便向中空穿孔电极柱内鼓入空气，鼓气时间为20分钟，外接电源电压控制在5V左右。
3、本装置使用过程如下
（1）在常温下，将污泥输入发酵罐19内，无需进行前处理，打开脉冲气泵13开关，往中空穿孔电极柱内通入空气，再打开电源14给中空穿孔电极通电，电压控制在5V左右；
（2）堆肥化过程分为低温阶段、升温阶段、高温阶段和降温阶段，反应器内从上至下的堆肥分为新鲜物料层、适应繁殖层、快速降解层、降解完全层；在富氧条件下，中空穿孔电极反应产生的微量自由基可提高好氧堆肥化过程中的微生物活性，提高堆肥化处理效果。在发酵后期可在缓冲气罐15处加入脱水药剂，使药剂随气流均匀进入堆体内，以提高污泥的脱水率。在堆肥化处理期间可根据发酵罐内部的温度检测计观察其温度变化趋势，发酵时间在15d左右；
（3）当发酵罐底部堆肥化过程处于降解完全的状态（即温度≤40℃）时，打开排水口10将反应后的水排出，发酵完全后的物料从排料口11排出进行资源化利用；此时堆肥产品中重金属Cd、Hg含量均≤1mg/kg，Pb、Cr含量≤30mg/kg，粪大肠菌值在10-1~10-2之间，含水率≤25%，堆肥产品的营养物质含量为：有机质（以C计）≥30%，总氮（以N计）≥1.5%，总磷（以P205计）≥2.0%。同时向发酵罐中加入新的未处理物料，继续进行堆肥化处理，整个堆肥化处理过程中的物料处于不断更新的状态。
实施例3：基于富氧和自由基强化的好氧低氮堆肥化方法处理餐厨垃圾，具体操作如下：
1、餐厨垃圾
餐厨垃圾主要是指居民日常生活及除此以外的食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生的垃圾。餐厨垃圾包括废弃食用油脂和厨余垃圾。其中废弃食用油脂是指不可再食用的动植物油脂和各类油水混合物，而厨余垃圾是指食物残余和食品加工废料，主要为餐厨垃圾中的固体残留物。
由于厨余垃圾容易发酵、变质、腐烂，不仅产生大量的毒素，散发恶臭气体，还污染水体和大气，所以厨余垃圾如果得不到及时的处理，不仅影响城市市容和环境卫生，而且会传播疾病，危害人们的日常生活和身体健康。
2、本方法处理餐厨垃圾500kg
本方法采用间歇式堆肥化方法，在堆肥化过程中，往反应堆体内插入棒状中空穿孔电极，通过中空电极外加微电压的作用，产生自由基等活性物质以促进堆肥化处理；并通过中空电极向堆体鼓入空气，保证堆体氧处于充分的好氧发酵状态；通入氧气的方式为间歇脉冲鼓气，外加电压一般在0.5V；
如图2、3所示，完成本方法的装置结构同实施例1，不同在于中空穿孔电极一端为针尖状；中空穿孔电极为双电极，双电极包括导电中空管，阴电极和阳电极以板状形式平行交替排列在中空管内，双电极有两个电极接头2，即阳极接头6和阴极接头5，阳电极通过导线与阳极接头6连接，阴电极通过导线与阴极接头5连接；发酵罐高度为0.8m，半径1.0m，中空穿孔电极上孔密度为30个/cm²，孔径大小为3mm；电极之间间隔10cm，4个双电极设置在发酵罐的厨余垃圾堆体内，补氧方式为间歇脉冲鼓气，每隔5小时便向中空穿孔电极柱内鼓入空气，鼓气时间为10分钟，外接电源电压控制在0.5V左右。
3、本装置使用过程如下
（1）在常温下，将破碎后的餐厨垃圾输入发酵罐19内，打开脉冲气泵13开关，往中空穿孔电极柱内通入空气，再打开电源14给中空穿孔电极通电，电压控制在0.5V附近；
（2）堆肥化过程分为驯化阶段、升温阶段、高温阶段和腐熟阶段；在富氧条件下，中空穿孔电极反应产生的微量自由基可提高好氧堆肥化过程中的微生物活性，强化堆肥化处理效果；在堆肥化处理期间可根据发酵罐内部的温度检测计观察其温度变化趋势，发酵时间在8d左右；
（3）当发酵罐底部堆肥化过程处于降解完全的状态（即温度≤40℃）时，打开排水口10将反应后的水排出，发酵完全后的物料从排料口11排出进行资源化利用；此时堆肥产品中重金属Cd、Hg含量均≤0.5mg/kg，Pb、Cr含量≤10mg/kg，粪大肠菌值在10-1~10-2之间，含水率≤15%，堆肥产品的营养物质含量为：有机质（以C计）≥35%，总氮（以N计）≥1.5%，总磷（以P205计）≥2.5%。
Claims (8)
1.一种基于富氧和自由基强化的好氧低氮堆肥化方法，其特征在于：在堆肥化过程中，将发酵原料设置在中空穿孔电极之间，通过中空穿孔电极外加电压的作用，产生自由基以促进堆肥化效果；同时通过中空穿孔电极向堆体鼓入空气，保证堆体处于充分好氧发酵状态，进而完成堆肥化。
2.根据权利要求1所述的基于富氧和自由基强化的好氧低氮堆肥化方法，其特征在于：外加电压为0.1~10V。
3.根据权利要求1所述的基于富氧和自由基强化的好氧低氮堆肥化方法，其特征在于：中空穿孔电极为一端设置有进气口和电极接头，管壁上带有小孔的中空棒状电极。
4.根据权利要求3所述的基于富氧和自由基强化的好氧低氮堆肥化方法，其特征在于：中空穿孔电极为单电极或双电极，单电极为由阳极材料或阴极材料制得的电极，双电极为阳电极和阴电极组成的复合电极，双电极有两个电极接头。
5.根据权利要求4所述的基于富氧和自由基强化的好氧低氮堆肥化方法，其特征在于：中空穿孔电极上孔密度为10~30个/cm²，孔径大小为0.5~3mm。
6.根据权利要求1所述的基于富氧和自由基强化的好氧低氮堆肥化方法，其特征在于：鼓入空气的方式为间歇脉冲鼓气。
7.根据权利要求1所述的基于富氧和自由基强化的好氧低氮堆肥化方法，其特征在于：中空穿孔电极一端为针尖状。
8.完成权利要求1~7任一项所述的基于富氧和自由基强化的好氧低氮堆肥化方法的装置，其特征在于：包括中空穿孔电极、脉冲气泵（13）、电源（14）、缓冲气罐（15）、发酵罐（19），其中中空穿孔电极为一端设置有进气口和电极接头，管壁上带有小孔的中空棒状电极，脉冲气泵（13）通过缓冲气罐（15）与气管（16）连接，气管（16）与一个以上的中空穿孔电极的进气口连接，中空穿孔电极设置在发酵罐（19）中，发酵罐（19）上端设置有进料口（9）、出气口（12），发酵罐（19）下端设置有排水口（10）、排料口（11），电源（14）与中空穿孔电极的电极接头连接。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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