CN109650954A - 一种采用生物质炭化+两段式发酵组合工艺处理园林绿化固体有机废弃物的方法 - Google Patents

一种采用生物质炭化+两段式发酵组合工艺处理园林绿化固体有机废弃物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种采用生物质炭化+两段式发酵组合工艺处理园林绿化固体有机废弃物的方法，包括：将树枝、树干以及根茎从园林绿化固体有机废弃物中分离，分别得到树枝、树干以及根茎的混合物料和剩余物料；将混合物料进行破碎，并进行炭化处理得到木焦油、含冷凝水的木醋液、生物质炭和可燃气；将剩余物料进行破碎并与畜禽粪便、水、木焦油和含冷凝水的木醋液混匀得到发酵物料；再通过将发酵物料进行两段式发酵组合工艺处理，得到基础有机肥；该方法先进行分类处理，再结合多种工艺组合处理，能够很好的利用多工艺间的互补优势，制备得到多种资源利用产品，实现能源供需平衡，有效缩短发酵时间，提高发酵效率与终产品品质。

Description

一种采用生物质炭化+两段式发酵组合工艺处理园林绿化固 体有机废弃物的方法
技术领域
本发明实施例涉及园林绿化固体有机废弃物处理技术领域，具体涉及一种采用生物质炭化+两段式发酵组合工艺处理园林绿化固体有机废弃物的方法。
背景技术
近年来，随着城市园林绿化事业的飞速发展，园林绿化废弃物产量逐年飙升，而绝大部分废弃物都没有实现资源化转化与利用。园林绿化废弃物组成成分主要为有机物，是重要的生物质资源。
目前，现有园林绿化固体有机废弃物有效利用的主要处理方式包括采用新型菌种，利用传统的堆肥进行发酵；静态好氧一体箱堆肥发酵装备发酵处理；采用热水解加热的设备发酵处理。园林绿化固体有机废弃物采用以上工艺处理后的产出物一般作为普通的有机肥或农用基质粗放式的使用到农业生产过程中，用以改良土壤、培肥地力。
然而，园林绿化固体有机废弃物的组成相对较复杂，其中的林木枝条与大型根系多数为木质素含量较高的有机物料，发酵过程中很难被微生物降解腐熟，需进行外力破碎后使用，由于破碎能耗较高带来了过高的处理成本，难以实现园林绿化废弃物资源转化的经济性；而且由于园林绿化废弃物木质素成分含量高，传统堆肥发酵周期较长，一般发酵周期为50-60天；发酵过程需要外援加热，能耗较高。
此外，现有发酵技术在发酵过程有机物料的矿化率高，易产生恶臭气体，有效养分含量低；腐殖化率低，腐植酸含量少，有机质多数为大分子碳，产品施入土壤后，不能被土壤微生物直接利用，从而对土壤生物肥力的改善效果不佳。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种采用生物质炭化+两段式发酵组合工艺处理园林绿化固体有机废弃物的方法，以解决现有技术中由于园林绿化废弃物破碎能耗较高，导致的处理成本过高的问题，以及由于园林绿化废弃物中木质素含量较高，导致的发酵周期较长，发酵过程需要外援加热，且发酵过程中矿化率高，有效养分含量低的问题；此外，由于发酵参数以及菌种选择相对粗放，导致发酵过程腐殖化率低，腐植酸含量少，有机质多数为大分子碳，产品施入土壤后，不能被土壤微生物直接利用，从而对土壤生物肥力的改善效果不佳的问题。
为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
在本发明的实施方式的第一方面中，提供了一种采用生物质炭化+两段式发酵组合工艺处理园林绿化固体有机废弃物的方法，所述方法包括如下步骤：
(a)将树枝、树干以及根茎从园林绿化固体有机废弃物中进行分离，分别得到树枝、树干以及根茎的混合物料和剩余物料；
(b)将混合物料进行破碎，并将破碎后的混合物料进行炭化处理得到木焦油、含冷凝水的木醋液、生物质炭和可燃气，随后，将可燃气作为热源用于炭化处理，并收集高温尾气；
(c)将剩余物料进行破碎，并将破碎后的剩余物料、畜禽粪便、水、木焦油和含冷凝水的木醋液混匀得到发酵物料；
(d)将发酵物料置入滚筒内，并在发酵物料中添加发酵菌剂，采用高温尾气对滚筒内的发酵物料进行升温起爆，得到初级发酵产物；
(e)将初级发酵产物置入发酵槽中进行好氧堆肥处理，得到基础有机肥。
进一步地，所述步骤(b)中，破碎后的混合物料长度不大于13-17cm，且直径不大于4-6cm。
进一步地，所述步骤(c)中，破碎后的剩余物料粒径不大于0.8-1.2cm。
上述方法将园林绿化固体有机废弃物先进行分类处理，将木质素含量较高的树枝、树干以及根茎的混合物料进行破碎，并进行炭化处理，能够制备得到多种资源利用产品，包括木焦油、含冷凝水的木醋液、生物质炭和可燃气，可燃气能够作为热源用于炭化处理，解决了现有技术中木质素含量较高的树枝、树干、以及根茎进行破碎至较小粒径以便进行发酵处理所需能耗较高的问题；而针对木质素含量相对较低的剩余物料进行破碎，将炭化处理产生的高温尾气用于滚筒发酵快速升温，发酵物料通过滚筒内高温强化起爆腐熟后，进入槽式堆肥发酵过程，滚筒与槽式发酵工艺的组合有效缩短了发酵时间，能够有效缩短发酵时间，并提高发酵效率，提高终产品的质量。
本发明中对园林绿化固体有机废弃物不作严格限制，优选地，所述园林绿化固体有机废弃物是指在城市绿化美化和林业生产工作中所产生的树枝、树干、根茎、落叶、草屑和花瓣。
本发明中对剩余物料不作严格限制，优选地，所述剩余物料粉碎后的干基有机质含量不低于80％；含水量为25-40％；pH6-8；容重0.2-0.3g/cm3。
本发明中对畜禽粪便的种类不作严格限制，优选地，所述畜禽粪便选自鸡粪、鸭粪、鸽粪、兔粪中的任意一种或多种。
在本发明的一个实施例中，所述方法还包括：以生物质炭和基础有机肥作为原料制备生物菌肥载体。本发明通过将生物质炭和基础有机肥混合制备得到的生物菌肥载体，实现了惰性有机质与活性有机质的科学搭配，生产的生物菌肥载体不仅具有较高的孔隙率及较高的持水和留存矿物质元素的能力，并能够为微生物提供良好的栖息环境；而且还富含丰富的小分子碳，无需能量转化，能够直接被微生物利用，为微生物快速繁殖提供能量来源。
除此之外，上述生物菌肥载体还含有大分子碳，大分子碳能够为促进土壤团聚体的形成提供缓释营养物质以及为微生物(特别是菌根真菌)的快速繁殖提供保护场所；另外，该生物菌肥载体pH呈中性，适合微生物的生命活动与物质代谢；此外，该生物菌肥载体水分含量较低，并富含多种矿物质元素，能够为微生物繁殖及作物生长提供养分来源；按比例添加功能菌后可直接生产成商品化的生物菌肥。
进一步地，所述生物菌肥载体中生物质炭和基础有机肥的质量比为1∶(3.5-4.5)。更进一步地，将混合后的生物质炭和基础有机肥进行破碎；优选地，破碎细度为8目筛上物不大于5％。通过生物质炭与基础有机肥用量进一步限定，能够更好的提高生物菌肥载体的整体效果。
在本发明的另一实施例中，所述炭化处理为在无氧条件下，将混合物料在350-550℃下裂解8-12min。本发明通过将园林绿化固体有机废弃物进行炭化处理，能够制备得到多种资源利用产品，提高园林绿化固体有机废弃物的利用率；其中，炭化处理得到的木焦油和含冷凝水的木醋液能够作为发酵催化剂与水分调整材用于发酵处理中，不仅能够促进微生物的繁殖，还能够缩短发酵周期，并实现资源全利用与零排放；此外，将炭化处理产生的高温尾气用于滚筒发酵快速升温，避免造成能量的浪费以及发酵处理需要外援加热而产生的能耗；此外，通过炭化处理条件的限定，能够提高生物质炭的转化率。
在本发明的又一实施例中，所述发酵物料中包括如下重量份的原料：剩余物料40-45份、畜禽粪便15-20份、水16-18份、含冷凝水的木醋液19-21份、木焦油1-3份；更优选地，所述发酵物料中碳氮比为(25-30)∶1；含水量为50％-55％。本发明通过将步骤(b)产生的含冷凝水的木醋液与木焦油在发酵物料中的添加使用，不仅能够实现资源化产物全利用与零排放，而且还能够促进发酵过程中微生物的繁殖，缩短发酵周期；此外，通过对发酵物料中碳氮比例以及水含量的限定，能够促进微生物的繁殖，提高发酵效率，降低发酵周期。
在本发明再一实施例中，所述发酵菌剂与所述发酵物料质量比为0.3％-1.5％。
优选地，所述发酵菌剂选EM复合菌、日本酵素菌、生物腐植酸型肥力酵父腐熟剂中的任意一种或多种。
本发明通过对发酵菌剂的种类及用量的限定，能够提高基础有机肥中的有机质以及提高小分子活性有机质(易氧化有机质)的含量。
在本发明再又一实施例中，所述升温起爆为：将滚筒内的发酵物料在1.5-2h内升温至60-65℃，并保温2-3h；所述堆肥处理为将初级发酵物料在发酵槽中堆放8-12天，并且每天翻抛一次；优选地，在整个发酵过程中，进行通风处理，以保证氧含量不低于15％；本发明通过上述特定的发酵处理方式，能够提高有机质含量，特别是小分子水溶性有机质的含量。
根据本发明的实施方式，本发明具有如下优点：
(1)本发明通过将园林绿化固体有机废弃物先进行分类处理，将木质素含量较高的树枝、树干以及根茎的混合物料进行破碎，并进行炭化处理，能够制备得到多种资源利用产品，包括木焦油、含冷凝水的木醋液、生物质炭和可燃气，可燃气能够作为热源用于炭化处理，解决了现有技术中木质素含量较高的树枝、树干、以及根茎进行破碎至较小粒径以便进行发酵处理所需能耗较高的问题；而针对木质素含量相对较低的剩余物料进行破碎，将炭化处理产生的高温尾气用于滚筒发酵快速升温，发酵物料通过滚筒内高温强化起爆腐熟后，进入槽式堆肥发酵过程，滚筒与槽式发酵工艺的组合有效缩短了发酵时间，能够有效缩短发酵时间，并提高发酵效率，提高终产品的质量。
(2)本发明通过多工艺组合，将炭化工艺产生的木焦油和含冷凝水的木醋液作为发酵催化剂与水分调整材用于发酵处理过程，不仅能够促进微生物的繁殖，还能够缩短发酵周期，并实现资源全利用与零排放；此外，炭化处理中产生的高温可燃气附带有较高能量，该可燃气体附带的高温能量还能够为后续发酵处理提供能量的供应，避免造成能量的浪费以及发酵处理需要外援加热而产生的能耗。
(3)本发明通过将生物质炭和基础有机肥混合制备得到的生物菌肥载体，实现了载体中惰性有机质与活性有机质的科学搭配，不仅具有较高的孔隙率，以及具有较高的持水和留存矿物质元素的能力，并能够为微生物提供良好的栖息环境；此外，该生物菌肥载体还含有丰富的小分子碳，无需能量转化，能够直接被微生物利用，为微生物快速繁殖提供能量来源。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下各实施例采用的原料如下：
园林绿化固体有机废弃物：来源于北京市海淀区各大公园及道路、社区绿化养护产生的废弃物；主要包括树枝、树干、根茎、落叶、草屑和花瓣；
鸡粪：来源于市场购买生鸡粪；
发酵菌剂：购自北京嘉博文生物科技有限公司。
实施例1
本实施例为一种采用生物质炭化+两段式发酵组合工艺处理园林绿化固体有机废弃物的方法，该方法包括如下步骤：
(a)将树枝、树干以及根茎从园林绿化固体有机废弃物中进行分离，分别得到树枝、树干以及根茎的混合物料和剩余物料；
(b)将混合物料进行破碎至长度不大于13cm，且直径不大于4cm的混合物料,随后，将破碎后的混合物料置入炭化机中，在550℃下裂解8min，分离得到木焦油、含冷凝水的木醋液、生物质炭和可燃气，随后，将可燃气作为热源用于炭化处理，并收集高温尾气；
(c)将剩余物料进行破碎至粒径不大于0.8cm，随后，将破碎后的剩余物料45份、鸡粪15份、水16份、含冷凝水的木醋液21份、木焦油1份混匀得到发酵物料；
(d)将发酵物料置入滚筒内，并按照发酵菌剂与发酵物料质量比为0.3％在发酵物料中添加发酵菌剂，在滚筒转动下且氧含量不低于15％条件下，采用高温尾气在1.5-2h内将滚筒内发酵物料升温至60-65℃，并保温2-3h，得到初级发酵产物；
(e)将初级发酵产物置入发酵槽中，在氧气含量不低于15％条件下，进行好氧堆肥处理8天，并且每天翻抛一次，得到基础有机肥。
采用硫酸-混合加速剂-凯氏定氮法以及重铬酸钾氧化-外加热方法对发酵物料进行检测，检测结果为发酵物料中碳氮比为25∶1；含水量为50％。
本实施例的炭化工艺参数设置下，制备得到的生物质炭的产率为29％；含冷凝水的木醋液(包含冷凝水)的产率为33％；木焦油的产率为2％；可然气体产率为36％。
实施例2
本实施例为一种采用生物质炭化+两段式发酵组合工艺处理园林绿化固体有机废弃物的方法，该方法包括如下步骤：
(a)将树枝、树干以及根茎从园林绿化固体有机废弃物中进行分离，分别得到树枝、树干以及根茎的混合物料和剩余物料；
(b)将混合物料进行破碎至长度不大于17cm，且直径不大于6cm的混合物料,随后，将破碎后的混合物料置入炭化机中，在350℃下裂解12min，分离得到木焦油、含冷凝水的木醋液、生物质炭和可燃气，随后，将可燃气作为热源用于炭化处理，并收集高温尾气；
(c)将剩余物料进行破碎至粒径不大于1.2cm，随后，将破碎后的剩余物料40份、鸡粪20份、水18份、含冷凝水的木醋液19份、木焦油3份混匀得到发酵物料；
(d)将发酵物料置入滚筒内，并按照发酵菌剂与发酵物料质量比为1.5％在滚筒内发酵物料中添加发酵菌剂，在滚筒转动下且氧含量不低于15％条件下，采用高温尾气在1.5h内将滚筒内发酵物料升温至65℃，并保温3h，得到初级发酵产物；
(e)将初级发酵产物置入发酵槽中，在氧气含量不低于15％条件下，进行好氧堆肥处理12天，并且每天翻抛一次，得到基础有机肥；
(f)按照生物质炭和基础有机肥的质量比为1∶4.5将生物质炭和基础有机肥混匀，并破碎细度为8目筛上物为4％，得到生物菌肥载体。
采用实施例1的方法对上述发酵物料进行检测，检测结果为发酵物料中碳氮比为30∶1；含水量为55％。
在本实施例的炭化工艺参数设置下，制备得到的生物质炭的产率为40％；含冷凝水的木醋液(包括冷凝水)的产率为32％；木焦油的产率为3％；可然气体产率为29％。
实施例3
本实施例为一种采用生物质炭化+两段式发酵组合工艺处理园林绿化固体有机废弃物的方法，该方法包括如下步骤：
(a)将树枝、树干以及根茎从园林绿化固体有机废弃物中进行分离，分别得到树枝、树干以及根茎的混合物料和剩余物料；
(b)将混合物料进行破碎至长度不大于15cm，且直径不大于5cm的混合物料,随后，将破碎后的混合物料置入炭化机中，在450℃下裂解10min，分离得到木焦油、含冷凝水的木醋液、生物质炭和可燃气，随后，将可燃气作为热源用于炭化处理，并收集高温尾气；
(c)将剩余物料进行破碎至粒径不大于1cm，随后，将破碎后的剩余物料43份、鸡粪18份、水17份、含冷凝水的木醋液20份、木焦油2份混匀得到发酵物料；
(d)将发酵物料置入滚筒内，并按照发酵菌剂与发酵物料质量比为1％在滚筒内发酵物料中添加发酵菌剂，在滚筒转动下且氧含量不低于15％条件下，采用高温尾气在2h内将滚筒内发酵物料升温至60℃，并保温2h，得到初级发酵产物；
(e)将初级发酵产物置入发酵槽中，在氧气含量不低于15％条件下，进行好氧堆肥处理10天，并且每天翻抛一次，得到基础有机肥；
(f)按照生物质炭和基础有机肥的质量比为1∶4将生物质炭和基础有机肥混匀，并破碎细度为8目筛上物为3％，得到生物菌肥载体。
采用实施例1的方法对上述发酵物料进行检测，检测结果为发酵物料中碳氮比为28∶1；含水量为53％。
在本实施例的炭化工艺参数设置下，制备得到的生物质炭的产率为33％；含冷凝水的木醋液(包含冷凝水)的产率为30％；木焦油的产率为4％；可然气体产率为33％。
实验例1
按照NY525-2012检测标准，分别对实施例1-3中制备得到的生物质炭进行检测，检测结果如表1所示：
表1实施例1-3生物质炭技术指标
组别 实施例1 实施例2 实施例3
容重(g/cm<sup>3</sup>) 0.75 0.75 0.78
有机质(％) 71 62 67
pH 9.9 8.6 9.5
水分(％) 3.3 3.5 3.2
N(％) 1.74 1.69 1.75
P2O5(％) 0.5 0.3 0.2
K2O(％) 2.6 3.0 2.9
由表1可知：
在相同的裂解时间下，实施例1-3中园林绿化固体有机废弃物制备的生物质炭的特点表现基本一致：容重小，呈碱性，多孔结构，比表面积较大，富含碳元素，80％以上的有机碳为惰性碳，并含有一定量矿物质元素，钾含量较高，具备较强的吸附特性和较强的抵抗土壤微生物分解的稳定性。同样，实施例1-3的生物质炭指标之间也存在着明显的差异性，主要表现在实施例2的生物质炭的有机质含量与pH值最低，相反地，实施例1的生物质炭的两项指标的含量最高，研究表明，生物质炭有机质含量与pH值与裂解温度呈正比。
实验例2
按照NY525-2012检测标准，分别对实施例1-3中制备得到的基础有机肥中有机质、N、P2O5、K2O、水分、pH进行检测，并按照NY/T2876-2015检测标准，分别对实施例1-3中制备得到的基础有机肥中小分子活性有机质(易氧化有机质)进行检测，检测结果如表2所示：
表2实施例1-3基础有机肥技术指标
组别 实施例1 实施例2 实施例3
容重(g/cm<sup>3</sup>) 0.54 0.53 0.55
有机质(％) 80.4 88.4 84.2
易氧化有机质(％) 34.2 38.5 34.6
N(％) 1.74 1.58 1.64
P2O5(％) 0.50 0.52 0.52
K2O(％) 0.27 0.19 0.21
水分(％) 29.8 34.2 32.1
pH 7.2 7.0 7.2
由表2可知：
实施例1-3的基础有机肥具备类似特点：有机质含量较高，含量均在80％以上，富含较高含量的易氧化有机质(小分子水溶性有机质)，含量均在30％以上，pH呈中性。
实验例3
按照NY525-2012检测标准，分别对实施例2和3中制备得到的生物菌肥载体中有机质、水分、pH和总养分进行检测，并按照NY/T2876-2015检测标准，分别对实施例2和3中制备得到的生物菌肥载体中小分子活性有机质(易氧化有机质)进行检测，检测结果如表3所示：
表3实施例2-3制备的菌肥载体技术指标
组别 实施例2 实施例3
容重(g/cm<sup>3</sup>) 0.62 0.58
有机质(％) 82.6 80.5
易氧化有机质(％) 30.4 27.8
pH 7.4 7.4
总养分(％) 2.85 3.01
水分(％) 28.5 27
由表3可知：
本发明制备得到的生物菌肥载体具有如下优点：1)有机质含量较高，且30％以上的小分子活性有机质、15％以上的惰性有机质，50％以上的大分子腐殖质，实现了大分子腐殖质碳与小分子活性碳的合理搭配，即能满足微生物快速繁殖对小分子活性碳的需求，又能在施入土壤后促进土壤团聚体的快速形成，为微生物的繁殖提供保护场所；(2)pH值呈中性，适合微生物的生命活动与物质代谢需求。(3)富含磷、钾、钙、镁等多种矿物质元素，可为微生物繁殖及作物生长提供养分来源；(4)水分含量低，添加合适比例的功能菌后可直接生产商品化菌肥。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例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 (9)

1.一种采用生物质炭化+两段式发酵组合工艺处理园林绿化固体有机废弃物的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)将树枝、树干以及根茎从园林绿化固体有机废弃物中进行分离，分别得到树枝、树干以及根茎的混合物料和剩余物料；
(b)将混合物料进行破碎，并将破碎后的混合物料进行炭化处理得到木焦油、含冷凝水的木醋液、生物质炭和可燃气，随后，将可燃气作为热源用于炭化处理，并收集高温尾气；
(c)将剩余物料进行破碎，并将破碎后的剩余物料、畜禽粪便、水、木焦油和含冷凝水的木醋液混匀得到发酵物料；
(d)将发酵物料置入滚筒内，并在发酵物料中添加发酵菌剂，采用高温尾气对滚筒内的发酵物料进行升温起爆，得到初级发酵产物；
(e)将初级发酵产物置入发酵槽中进行好氧堆肥处理，得到基础有机肥。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：以生物质炭和基础有机肥作为原料制备生物菌肥载体。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述生物菌肥载体中生物质炭和基础有机肥的质量比为1∶(3.5-4.5)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发酵物料中包括如下重量份的原料：剩余物料40-45份、畜禽粪便15-20份、水16-18份、含冷凝水的木醋液19-21份、木焦油1-3份。
5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述发酵物料中碳氮比为(25-30)∶1；含水量为50％-55％。
6.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述炭化处理为在无氧条件下，将混合物料在350-550℃下裂解8-12min。
7.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述发酵菌剂与所述发酵物料质量比为0.3％-1.5％。
8.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述发酵菌剂选自EM复合菌、日本酵素菌、生物腐植酸型肥力酵父腐熟剂中的任意一种或多种。
9.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述升温起爆为：将滚筒内的发酵物料在1.5-2h内升温至60-65℃，并保温2-3h；所述堆肥处理为将初级发酵物料在发酵槽中堆放8-12天，并且每天翻抛一次。
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