CN109231754A - 一种协同处理城市脱水污泥和生活垃圾的生物干化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种协同处理城市污泥和生活垃圾的生物干化方法本发明方法可使混合物料的水分在15d内去除45.08~75.54%,对于污泥和生活垃圾的后续处理处置过程具有非常重要的现实意义,并在一定程度上减少了环境污染,避免了渗滤液的产生和有害气体的排放。同时,采用本发明可得到热值较高的生物干化产品,后续可进行能源化利用,替代部分化石能源,具有重要的节源作用。
Description
技术领域
本发明涉及城市污泥和生活垃圾处理领域,更具体涉及一种将城市污泥和生活垃圾进行联合处理,快速降低物料含水率的生物干化方法。
背景技术
随着我国工业化和城镇化的快速发展,污水产量逐年增加,加之污水处理比例的不断提高,随之产生的污泥处理处置问题愈加严峻。2013年,我国的污泥总产量已经突破3×108t(按含水率80%计),近十年内污泥总产量的平均增长速率达13%。同时,随着经济发展,我国的城市生活垃圾总量同样达到一个空前的水平。根据国家统计局数据,2012年我国城市生活垃圾清运量为17081万t,相比较1979年的2508万t增长了6倍多,年平均增长率为6.3%(欧盟国家年平均增长率为3%)。污泥和生活垃圾在我国均属于住房与城乡建设部管理,都具有高污染、高含水率的特点。若要保证污泥或者生活垃圾后续得到高效的处理处置,都必须先降低物料含水率。而生物干化技术,作为一种利用物料自身的生物能将水分蒸发,再辅以人工强制通风使水分去除的干化处理工艺,以其经济、节能、环保的工艺技术优势,在众多干化技术中正逐渐得到广泛的关注和应用。单独生物干化后的污泥或者城市生活垃圾,水分去除率最高可达75%左右。但是,污泥或者城市生活垃圾本身由于含水率过高,两者都并不适合单独进行生物干化处理;甚者,和城市生活垃圾相比,污泥中可生物降解有机质更少,水分更多,孔隙度更低,更不利于生物干化处理。因此,以污泥和城市生活垃圾一体化处理利用为目的,针对我国污泥、城市生活垃圾产量巨大且含水率高导致二者处理处置效率低、资源回收化利用率低等问题,将污泥和城市生活垃圾两种废物混合,互相补充碳源和微生物,并添加少量的农业玉米秸秆作为填充剂,调节含水率的同时控制过程臭气、渗滤液的产生,以期最大程度地提高水分去除率,优化生物干化效果,最终同时达到污泥和城市生活垃圾减量化与稳定化的目的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何同时处理城市脱水污泥和生活垃圾,有效快速地降低物料含水率,提高物料热值,而提供的一种将城市污泥和生活垃圾进行联合生物干化的方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供一种协同处理城市污泥和生活垃圾的生物干化方法,包括将脱水污泥、生活垃圾与一定比例的填充剂玉米秸秆完全混合,得到混合物料,再进行生物干化处理。
上述方法中,所述脱水污泥和生活垃圾的总用量占所述混合物料总重量的85%;进一步地,其中,生活垃圾的用量占所述混合物料总重量的0%~85%,优选42.5%,具体可选0%、15%、30%、42.5%、55%、70%、85%;脱水污泥的用量占所述混合物料总重量的0%~85%,优选42.5%,相对应地具体可选85%、70%、55%、42.5%、30%、15%、0%。
上述方法中,所述脱水污泥的含水率为80.17~84.23%,具体为83.14%;所述生活垃圾的含水率65.87~73.08%,具体为68.42%。
上述方法中,所述脱水污泥的C/N比为5.89~6.53,具体为6.36;所述污泥的有机质含量为50.12~54.38%,具体为52.09%。
上述方法中,所述生活垃圾的C/N比为13.56~19.21,具体为16.01;所述生活垃圾的有机质含量为69.51~71.23%,具体为70.07%。
上述方法中,所述填充剂玉米秸秆的用量占所述混合物料总重量的15~20%。
进一步地,添加前将玉米秸秆风干至含水率8~10%,具体为8.53%,然后粉碎至1~5cm。添加玉米秸秆可调节原料初始含水率,增加原料的孔隙度,有利于通风扩散,携带水分。
上述方法中,所述玉米秸秆的C/N比为50.09~53.44,具体为52.86;所述玉米秸秆的有机质含量为96.12~96.23%,具体为96.15%。
上述方法中,所述混合物料的C/N比为13~23。
上述方法中,所述混合物料的含水率为60%~73%;具体在60.24%~72.27%之间。
上述方法中,所述生物干化方法采用连续强制通风方式,通风速率为0.24~0.42L·kg-1DM·min-1。具体地,前期通风最低为0.24L·kg-1min-1,高温期中期通风量最高为0.42L·kg-1min-1,干化后期通风较低为0.36L·kg-1min-1。
上述方法中,所述生物干化处理至物料含水率为36%-68%为宜。
具体地,上述协同处理城市污泥和生活垃圾的生物干化方法包括如下步骤:将脱水污泥和生活垃圾按照一定的添加比例混合,再加入一定量的玉米秸秆,充分混匀得到混合物料,然后将得到的混合物料置于反应器内进行生物干化反应,期间采用连续强制通风,通风速率为0.24~0.42L·kg-1DM·min-1,周期为15-20d,每隔3-5d翻堆一次。
本发明还包括上述方法制得的生物干化产品。
(三)有益效果
本发明提供的污泥和生活垃圾联合生物干化降低物料含水率的生物干化方法,原料产量巨大、来源广泛,使用的玉米秸秆获取简单、成本低,15d的生物干化后水分去除率可达45.08~75.54%,对于污泥和生活垃圾的后续处理处置过程具有非常重要的现实意义,并在一定程度上减少了环境污染,避免了渗滤液的产生和有害气体的排放。同时,采用本发明可得到热值较高的生物干化产品,后续可进行能源化利用,替代部分化石能源,具有重要的节源作用。因此,将最大程度地降低含水率和尽可能多地保留物料能量成分综合考虑,脱水污泥和生活垃圾的最佳添加量分别为42.5%、42.5%,即脱水污泥和生活垃圾的最佳比例为1:1(湿重比)。本发明方法对生物干化原料和工艺条件要求低,成本低、适用面广、操作简单,具有良好的社会效益、经济效益和环境效益,具有推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明生物干化装置示意图;其中,1.筛板;2.通气口;3.冷凝水收集瓶;4.抽气泵;5.通风自动化控制系统;6.冷凝管;7.制冷冰箱;8.气体样采集口;9.温度自动采集计算机;10.绝热层;11.温度传感器;12.固体样采集口;13.生物干化原料;14.渗滤液收集口;
图2是实施例1生物干化过程中温度变化曲线图;
图3是实施例1生物干化过程中含水率变化曲线图;
图4是实施例1生物干化过程中VS变化曲线图;
图5是实施例1生物干化过程中热值变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不能用来限制本发明的范围。实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径获得。
以下试验中所用污泥取自北京市海淀区肖家河污水处理厂离心脱水后的污泥;所用生活垃圾取自北京市南城地区马家楼转运站筛分的0~80mm粒径段垃圾,经人工分选去除玻璃、金属等可回收部分;玉米秸秆取自中国农业大学上庄试验站,经前处理风干并机械粉碎至3cm。三种原料的理化性质如表1所示。
表1初始物料物理化学性质
注:含水率和密度以湿基计算;其它指标均为干基含量。TC表示总碳,TN表示总氮,C/N表示碳氮比,VS表示挥发性固体。
如图1所示,以下试验中所用反应器(即生物干化装置)均为容积为60L的不锈钢圆柱形罐(内径0.36m,高0.6m),发酵罐采用两层不锈钢制成,之间为绝热层,防止热量损失。距离发酵罐底部5cm处装有不锈钢的筛板,筛板上为3mm的气孔,便于气流输送。发酵罐盖设有两个口,一个用来通气,另一个用来收集渗滤液。发酵罐的顶端装有可密封的不锈钢盖,顶盖中间部位有两个孔,一个孔用来插入温度探头,在线连续监测生物干化过程中温度的变化,另外一个孔,用来测定罐内气体含量。发酵罐盖上弯头有排气口,排气口连接排气管,生物干化过程中热量携带的大量水蒸气通过塑料管,经过冷凝器冷凝后,用玻璃瓶收集冷凝水。
以下试验中各指标的监测指标及测定方法为:实验过程中堆体温度由温度探头通过传感器每隔2h自动采集一次。分别在生物干化开始、结束以及每次翻堆时,对罐体称重、收集渗滤液和冷凝水,同时采样,采集样品约300g,分2部分保存。一部分为新鲜样品,用于测定含水率,备用时4℃保存。另一部分自然风干,粉粹后过0.5mm筛,用于测定挥发性固体(VS),元素含量以及热值(高位热值和低位热值)。各个指标测定方法:含水率采用烘箱烘干燥法,105℃烘干至恒重;固相挥发性固体VS含量采用马弗炉灼烧法,在550℃灼烧6个小时至恒重;罐体物料重量、渗滤液以及冷凝水采用电子称进行称重;样品元素(C、N、S和H)含量采用元素分析仪测定(Elementar Analysensysteme,Hanau,德国);热值的测定采用氧弹燃烧法(ZDHW~YT8000,美国)。
实施例1
本实施例共设置7个处理,7个处理中玉米秸秆添加量均为总物料重的15%,脱水污泥和生活垃圾共占总物料重的85%,从处理1到处理7,生活垃圾的添加量依次为0%、15%、30%、42.5%、55%、70%、85%,相应地脱水污泥添加量依次为85%、70%、55%、42.5%、30%、15%、0%,依次标记为处理T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7。将脱水污泥、生活垃圾和玉米秸秆按比例充分混合,得到混合物料(即生物干化原料)。将所有原料装填进60L的反应器内进行生物干化反应。通风方式采用连续通风,通风速率为0.24~0.42L·kg-1min-1,具体地,根据堆体温度及出气口氧气含量控制通风速率(前期通风最低为0.24L·kg-1min-1,高温期中期通风量最高为0.42L·kg-1min-1,干化后期通风较低为0.36L·kg-1min-1)。实验共进行15d,每隔3d人工翻堆1次。实验结果见图2-图5。
参见图2(ambient表示环境温度),物料中脱水污泥和生活垃圾的比例不同,温度具有明显不同的变化趋势。当物料中具有更多的脱水污泥时(T1-T3),堆体温度升温快,在第2d就能达到温度高峰,峰值为66.7~71.5℃;第2d以后,温度呈现明显下降趋势,高温期可持续7~9d。相比之下,当物料中具有更多的生活垃圾时(T5-T7),堆体升温稍慢,这3个处理在第4d才达到温度高峰,峰值为68.1~73.5℃;之后,堆体温度均能在峰值温度下维持3~4d后再下降,高温期可达9~12d。T4处理中,污泥和垃圾含量相当,初期升温快,高温期可持续8d。相比于垃圾,污泥中具有大量的微生物,但是污泥的含水率较高,有机质含量较低。T1-T4处理堆体内部的微生物含量较多,能够迅速适应环境,利用周围有机质降解产热,因此初期升温更快;但是,T1-T4处理中总体可利用有机物质较少,C/N比较较低,因此高温期较短。而T5-T7处理的堆体中,有机质含量充足,当微生物经过短暂的适应环境后,新陈代谢剧烈,因此存在一个明显的高温持续期,且在后期堆体温度明显高于其余处理。研究表明,生物干化过程中,维持高温更加有利于物料中水分的蒸发过程,对于干化效率有极大地促进作用。
参见图3,随着实验的开始,微生物利用堆体内的有机质进行好氧分解活动,同时释放大量的热量。此时,堆体的水分子受热蒸发汽化,而在强制通风的作用下,气流可以将水蒸汽带出反应器。因此,所有处理的含水率随着干化的进行,都呈现出明显下降的趋势。处理T1-T3的含水率在15d内下降了3~14%,而T4-T7的含水率在15d内均下降了23%左右。实验结束时,所有处理的水分去除率为0.33~0.48kg水/kg物料。其中,处理T4的水分去除率最高,为0.48kg水/kg物料。
参见图4,生物干化反应的实质是微生物的好氧发酵活动,在这个过程中,有机质被不断消耗。因此,所有处理的VS含量在15d内呈现明显的下降趋势。经过15d的生物干化,所有处理的VS降解率为39~44%。在生物干化过程中,有机质降解产热是水分去除的主要能量来源。T1-T7处理单位有机质降解能够去除的水分含量分别为3.97,4.42,4.45,4.75,3.75,3.30,3.18kg。可以发现,原料中污泥更多的处理(T1-T3)单位有机质降解能够去除的水分高于原料中垃圾更多的处理(T5-T7)。而处理T4的原料中污泥和垃圾含量相同,其有机质降解产热利用率最高,单位有机质降解能够去除的水分最多。
图5给出了生物干化过程中物料低位热值(LHV)和高位热值(HHV)的变化情况。所有处理初始HHV为12~16MJ/kg,且随着原理中垃圾含量的增加,HHV越大。这主要是因为垃圾中有机质含量高于污泥。干化过程中有机质不断被降解,实验结束时的HHV降低至11~14MJ/kg。有机质的降解伴随着产热,从而使堆体中水分的不断去除,当水分去除的效率高于有机质降解速率时,物料的LHV明显提高。本试验中,初始物料的LHV仅为1589~5120kJ/kg,结束时增加至1576~8379kJ/kg。其中,由于处理T4的单位有机质降解水分去除率最高,在实验结束时其LHV增加率最大,为52%。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种协同处理城市污泥和生活垃圾的生物干化方法,其特征在于,包括将脱水污泥、生活垃圾与一定比例的填充剂玉米秸秆完全混合,得到混合物料,再进行生物干化处理。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述混合物料的C/N比为13~23;和/或,含水率为60%~73%。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述脱水污泥和生活垃圾的总用量占所述混合物料总重量的85%;
优选地,生活垃圾的用量占所述混合物料总重量的0%~85%,脱水污泥的用量占所述混合物料总重量的0%~85%;
进一步优选地,生活垃圾的用量占所述混合物料总重量的0%、15%、30%、42.5%、55%、70%或85%;
更进一步优选地,生活垃圾、脱水污泥的用量分别占所述混合物料总重量的42.5%。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法,其特征在于,所述填充剂玉米秸秆的用量占所述混合物料总重量的15~20%。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法,其特征在于,所述脱水污泥的C/N比为5.89~6.53,优选为6.36;和/或,
所述污泥的有机质含量为50.12~54.38%,优选为52.09%;和/或,
所述脱水污泥的含水率为80.17~84.23%,优选为83.14%。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法,其特征在于,所述生活垃圾的C/N比为13.56~19.21,优选为16.01;和/或,
所述生活垃圾的有机质含量为69.51~71.23%,优选为70.07%;和/或,
所述生活垃圾的含水率65.87~73.08%,优选为68.42%。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法,其特征在于,所述玉米秸秆的含水率为8~10%,优选为8.53%;和/或,
所述玉米秸秆的C/N比为50.09~53.44,优选为52.86;和/或,
所述玉米秸秆的有机质含量为96.12~96.23%,优选为96.15%;和/或,
所述玉米秸秆粉碎至1~5cm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法,其特征在于,所述生物干化处理方法采用连续强制通风方式,通风速率为0.24~0.42L·kg-1DM·min-1;
优选地,前期通风最低为0.24L·kg-1min-1,高温期中期通风量最高为0.42L·kg-1min-1,干化后期通风较低为0.36L·kg-1min-1;和/或,
优选地,所述生物干化处理至物料含水率为36%-68%。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法,其特征在于,包括:将脱水污泥和生活垃圾按照一定的添加比例混合,再加入一定量的玉米秸秆,充分混匀得到混合物料,然后将得到的混合物料置于反应器内进行生物干化反应,期间采用连续强制通风,通风速率为0.24~0.42L·kg-1DM·min-1,周期为15-20d,每隔3-5d翻堆一次。
10.权利要求1-9任一项所述方法制得的生物干化产品。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190118 |
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