CN112321342A - 一种臭气自净化多层塔式好氧堆肥反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种臭气自净化多层塔式好氧堆肥反应器，属于环保设备技术领域。该装置包括多层罐体、进出料装置、曝气装置、搅拌装置、喷淋装置、气体循环管路及中央控制系统，多层罐体为反应器主体，分为高温发酵仓层和腐熟脱臭仓层，通过气体循环管路连通各层罐体，多层罐体内设有温度、湿度、氧气、臭气浓度传感器，中央控制系统接收采集的堆肥信息后通过各装置调节堆肥条件，反应器将有机废物高温发酵阶段与腐熟阶段设置在不同仓层，通过设计反应器的物料填充率及气体循环管路，将高温发酵产生的含氨臭气依次引入不同腐熟除臭仓层，在满足物料耗氧速率的前提下，延长了气体停留时间，具有运行成本低、氧气利用率高、堆肥含氨臭气自净化等特点。

Description

一种臭气自净化多层塔式好氧堆肥反应器
技术领域
本发明涉及环保设备技术领域，特别是指一种臭气自净化多层塔式好氧堆肥反应器。
背景技术
近年来，我国固体废弃物，如城市生活垃圾、工业固体废物、农业废物以及绿化废物等产生总量日渐增多，其可持续管理成为当今社会面临的重大挑战之一。其中，有机废物，如餐厨垃圾、绿化垃圾、污水污泥、畜禽粪便等，占比固体废物总量最多可达46％。相比于填埋和焚烧处置固体废弃物会导致资源浪费和环境污染，堆肥作为一项可以将废弃物转化为资源的技术被建议广泛地应用于处置各类有机固体废物。
堆肥是将有机固体废弃物和填充剂按照一定比例混合后，在合适的通气供氧、水分含量条件下，利用微生物生长繁殖将有机物质降解。降解过程中会释放出大量热量提高堆体温度，从而杀死堆料中的病原菌和杂草种子，实现固体废弃物稳定化和腐殖化。在堆肥过程中，为保证好氧环境，堆料需要通过风机曝气进行强制通风供氧。然而，堆肥过程中主要的高温发酵阶段和腐熟阶段所需供氧量不同，且在强制通风下氧气在物料中停留时间短，氧气利用率低。
此外，堆肥过程中臭气问题始终限制着堆肥技术进一步推广应用。研究表明，堆肥臭气来自于有机物经历的复杂降解过程，主要由含硫化合物和氨气组成，对环境污染和人体健康造成危害。同时，臭气中含有大量氨气带来的氮素损失也是堆肥肥料中氮素含量低的主要原因。为解决大量含氨臭气排放问题，现有主要的堆肥技术如传统条垛式和槽式好氧堆肥工艺需要另建臭气净化设备来进行脱臭，导致工艺整体占地大、有机肥生产成本增高等问题。因此，通过合理技术手段提高氧气利用率、降低堆肥含氨臭气产生及实现臭气自净化对提高堆肥成品质量、降低有机肥料生产成本具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种臭气自净化多层塔式好氧堆肥反应器，通过腐熟肥料来吸收转化有机废物高温发酵阶段产生的含氨臭气，并通过优化气体循环管路设计，将含氨臭气依次引入各堆料腐熟层，延长含氨臭气塔内停留时间，同时通过反应器系统自动控制调节堆肥条件，保障反应器内有机废物好氧发酵正常,实现臭气自净化和氧气高效利用。
该装置包括多层罐体、进出料装置、曝气装置、喷淋装置、气体循环管路及中央控制系统，多层罐体为反应器主体，分别与进出料装置、曝气装置、喷淋装置及气体循环管路连接，中央控制系统对反应器整体进行控制，其中，多层罐体包含第一层罐体、第二层罐体、第三层罐体及第四层罐体，多层罐体设有温度传感器、湿度传感器、氧气及臭气浓度传感器，第一层罐体侧面铺设有加热装置；进出料装置包括上料装置、下料门、底部出料口，上料装置为丝杠螺母上料装置，包括进料箱、步进电机和提升滑轨，下料门包括顶部进料门和层级下料门，顶部进料门为弹簧双开下料门，层级下料门为直线电动推杆单开下料门；曝气装置包括传动电机、风机、空心转动轴及搅拌装置，搅拌装置由传动电机、小齿轮和大齿轮驱动，搅拌装置的转动轴为空心转动轴，空心转动轴末端连接带曝气孔和不带曝气孔的搅拌扇叶，带曝气孔的搅拌扇叶分布于第一层罐体及第四层罐体中，不带曝气孔的搅拌扇叶分布于第二层罐体和第三层罐体中，空心转动轴顶端连接风机，风机间歇曝气；第一层罐体产生的堆肥臭气通过臭气收集口收集，由位于多层罐体外部的气体循环管路分别传输至第二层罐体、第三层罐体和第四层罐体进行脱臭，净化气体达标后由第四层排气口排出；喷淋装置包括冷凝器、水箱及雾化喷头，冷凝器将多层罐体中第一层罐体排出的含氨臭气进行冷凝得到冷凝水，冷凝水储存于水箱并通过雾化喷头回用到第一层罐体的高温发酵物料中，雾化喷头位于第一层罐体顶部；中央控制系统包括控制柜、逻辑控制器，中央控制系统连接温度传感器、湿度传感器、氧气臭气浓度传感器。
中央控制系统中逻辑控制器为双位控制器，各个传感器设置位置分别为：温度传感器设置于多层罐体的第一层罐体内，采集堆体温度数据并传输给逻辑控制器；氧气及臭气浓度传感器中的氧气传感器设置于多层罐体的第一层罐体、第二层罐体、第三层罐体及第四层罐体内，采集氧气含量数据并传输回逻辑控制器；湿度传感器设置于多层罐体的第一层罐体内，采集含水率数据并传输回逻辑控制器；氧气及臭气浓度传感器中的臭气浓度传感器设置于多层罐体的第一层罐体及第四层罐体内，采集硫化氢和氨气浓度并传输回逻辑控制器。
中央控制器通过氧气传感器、双位逻辑控制器及曝气装置调节控制第一层罐体中氧气浓度为12％～18％以及第二层罐体、第三层罐体、第四层罐体中氧气浓度为10％～12％；中央控制器通过臭气浓度传感器、曝气装置及气体循环管路调控第四层罐体中外排到大气的气体中氨气浓度满足GB 14554-1993《恶臭污染排放标准》修订稿中厂界二级标准要求；中央控制器通过湿度传感器、喷淋装置调节第一层罐体中物料含水率为40％～60％；中央控制器调节加热装置使得第一层罐体中物料发酵温度在55℃～65℃并持续时长4～8天。
风机间歇曝气时间为5～20min，控制第一层罐体总曝气量为0.05～0.2Nm3/min·m3 垃圾，控制第四层罐体总曝气量为0～0.2Nm3/min·m3 垃圾。
第一层罐体为高温发酵仓，呈倒圆锥体，第一层罐体下面的第二层罐体、第三层罐体及第四层罐体为腐熟脱臭仓层，呈圆柱状，第一层罐体顶空体积与另外三层罐体上空总顶空体积比为1:2～1:8。
第一层罐体、第二层罐体、第三层罐体、第四层罐体中物料的填充率为0.2～0.6；第一层罐体产生的堆肥臭气在第二层罐体、第三层罐体、第四层罐体内的总气体停留时长为30～200min。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，利用多层塔式结构可以将堆肥高温发酵阶段和腐熟堆放阶段分开；利用腐熟肥料吸收堆肥高温发酵阶段产生的氨气，可以净化臭气，提高有机肥的含氮量；利用气体循环管路可以提高氧气利用率；可监测堆肥过程中温度、氧含量及含水率；可监测堆肥过程中臭气浓度，控制排出气体符合相应标准；可自动调节堆肥过程中温度、曝气量及补充水量；可有效控制堆肥过程挥发并凝结的水分，并将含氨冷凝水回用到高温发酵中，提高有机肥的含氮量；可实现自动进出物料。
附图说明
图1为本发明臭气自净化多层塔式好氧堆肥反应器的结构示意图。
其中：1-进料箱，2-步进电机，3-提升滑轨，4-第一层罐体，5-第二层罐体，6-第三层罐体，7-第四层罐体，8-底部出料口，9-传动电机，10-小齿轮，11-大齿轮，12-空心转动轴，13-不带曝气孔的搅拌扇叶，14-带曝气孔的搅拌扇叶，15-雾化喷头，16-氧气及臭气浓度传感器，17-湿度传感器，18-加热装置，19-风机，20-顶部进料门，21-一至二层下料门，22-二至三层下料门，23-三至四层下料门，24-第四层下料门，25-曝气孔，26-臭气收集口，27-一至二层管道，28-二至三层管道，29-三至四层管道，30-四至一层管道，31-冷凝器，32-水箱，33-温度传感器，34-直线电动推杆一，35-直线电动推杆二，36-直线电动推杆三，37-直线电动推杆四，38-直线电动推杆五，39-第四层排气口。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种臭气自净化多层塔式好氧堆肥反应器。
如图1所示，该装置包括多层罐体、进出料装置、曝气装置、喷淋装置、气体循环管路及中央控制系统，多层罐体为反应器主体，分别与进出料装置、曝气装置、喷淋装置及气体循环管路连接，中央控制系统对反应器整体进行控制，多层罐体包括第一层罐体4、第二层罐体5、第三层罐体6、第四层罐体7，第一层罐体4内部为倒圆锥体设计，所述第一层罐体4、第二层罐体5、第三层罐体6、第四层罐体7内部为圆柱体。
进出料装置包括进料箱1、步进电机2、提升滑轨3、顶部进料门20、一至二层下料门21、二至三层下料门22、三至四层下料门23、第四层下料门24、底部出料口8。进料箱1的容积根据每层堆肥量进行设计，所述步进电机2通过丝杠螺母传动机构带动进料箱1在提升滑轨3运动。所述提升滑轨3可引导进料箱1翻转，将肥料倒入第一层罐体4。所述进料门20根据进料箱1的形状进行设计，根据提升滑轨3的位置进行定位。所述进料门20内置弹簧，只有在进料时打开。所述一至二层下料门21设置在第一层罐体4底部，由直线电动推杆一34和直线电动推杆二35控制开闭。所述二至三层下料门22、三至四层下料门23、第四层下料门24分别由直线电动推杆三36、直线电动推杆四37、直线电动推杆五38控制开闭。所述出料口8根据第四层下料门24设计，导流所有排放的肥料至指定区域。所述二至三层下料门22、三至四层下料门23、第四层下料门24直径应该至少大于第四层罐体7半径。
搅拌装置包括传动电机9、小齿轮10、大齿轮11、空心转动轴12、不带曝气孔的搅拌扇叶13、带曝气孔的搅拌扇叶14。曝气系统包括曝气孔25、风机19、氧气及臭气浓度传感器16。所述传动电机9与小齿轮10刚性联动，所述小齿轮10与大齿轮11配合，所述大齿轮11与空心转动轴12刚性联动。所述空心转动轴12在每层分界处通过轴承与各罐体配合。不带曝气孔的搅拌扇叶13、带曝气孔的搅拌扇叶14均与空心转动轴12刚性联动。所述不带曝气孔的搅拌扇叶13、带曝气孔的搅拌扇叶14应当可以充分的搅拌物料，使任一小单位物料都有可能活动在罐体肥料堆内任一空间。所述空心转动轴12为中空设计，下部接风机19，带曝气孔的搅拌扇叶14为中空设计，且与中心轴内部联通。所述带曝气孔的搅拌扇叶14上开有曝气孔，可以给第一层提供氧气。
冷凝除臭装置包括臭气收集口26，一至二层管道27、二至三层管道28、三至四层管道29、四至一层管道30、冷凝器31。臭气收集口26应当布置在在一至二层管道27前，促进第一层罐体的气体流出，并带动气体循环。所述冷凝器31应当布置在一至二层管道27前臭气收集口26之后。补水装置包括湿度传感器17、雾化喷头15和水箱32。加热装置包括温度传感器33和电磁加热装置18。
该发明装置的使用方法如下：
将有机固体废弃物与特定比例填充剂投入本装置的进料箱，进料箱沿提升滑轨将堆料抬升后倒入到4层罐体的高温发酵仓层中。堆料在高温发酵仓层中进行高温发酵，并由中央控制系统调节堆肥条件。高温发酵仓层中产生含氨臭气经气体循环管路先通过冷凝器后输送到腐熟发酵仓层中。得到的冷凝液流入到水箱中后通过喷淋装置回用到高温发酵仓层的发酵堆料中。高温发酵结束后，高温发酵仓层打开层级下料门，腐熟肥料在搅拌扇片推动下落入下一层罐体。腐熟除臭仓层为腐熟肥料堆放罐体层，各层的腐熟肥料在搅拌扇片作用下依次从底层到高层落入到下一层中，最终落到底层罐体并通过出料口出料。来自高温发酵仓层的含氨臭气在腐熟除臭仓层的腐熟肥料作用下将氨通过硝化作用转化为硝酸根，实现臭气净化和提高有机肥料中氮素含量。
下面结合具体实施例予以说明。
实施例1
采用上述装置对菌渣进行好氧堆肥处理。将菌渣、木屑、菌糠按湿重比例4:4:2混合，并加入复合菌剂(投加量为混合物料干重的0.5％)，得到C/N比为20:1～30：1的堆肥原料并将其倒入到进料箱中，堆肥时长为48天。
上述装置共有4层，高温发酵仓层即第一层罐体4顶空体积与腐熟除臭仓层即第二、三、四层上空总顶空体积比值为1:4。进料箱1沿提升滑轨3将堆料抬升后倒入到第一层罐体4中。根据湿度传感器17采集的含水率信息，中央控制系统通过雾化喷头15调节第一层罐体4中堆肥物料的含水率为55％-60％；通过带曝气孔的搅拌扇叶14搅匀物料并提供曝气，曝气方式为间歇曝气，间歇时间为15min，曝气总量为0.1Nm3/min·m3 垃圾；通过电磁加热装置18，维持第一层高温发酵堆体温度在55～60℃之间。通过氧气传感器检测第一层罐体中氧气含量浓度，当氧气浓度低于12％时，加大曝气量，当氧气浓度大于18％时，曝气风机19停止曝气，并保持正常运行模式。第一层中设有上下4片带有曝气孔的搅拌扇叶，该搅拌扇叶相邻两片之间夹角为90度，设置转动速率为10～20rpm/h。第一层罐体中高温含氨气体经一至二层管道27从一层出气口排出后先经过冷凝器31，再通入到第二层罐体5中。冷凝器31中得到的含氮液体流入储存在水箱32中，通过雾化喷头15再回用到第一层罐体4高温发酵物料中。经臭气浓度传感器检测，第一层罐体内顶空气体中氨气浓度为60～80mg/m3,硫化氢浓度为3～5mg/m3。
第一层的物料经高温发酵12天结束后，依次操作为打开四层出料口排出腐熟肥料后关闭出料口，打开三至四层下料门通过搅拌扇叶将三层物料扫下至第四层后关闭下料口，打开二至三层下料门通过搅拌扇叶将二层物料扫下至第三层后关闭下料口，打开一至二层下料门通过搅拌扇叶将一层物料扫下至第二层后关闭下料口，打开顶部下料门配合进料斗倒入新的堆肥物料。物料在第二、三、四层累计停留时间为36天。多层罐体中第二、三、四层罐体中装有高温发酵后的物料及腐熟物料，通过设置第二、三、四层中搅拌扇叶转速在30～60rpm/h之间，使得第二、三、四层中物料填充为0.5～0.6之间。
一层的含氨臭气经第二层物料吸收之后，依次通过第二至三层导气管经第三层物吸收，第三至四层导气管经第四层物料吸收，最终从第四层罐体达标排出。含氨臭气在第二、三、四层中停留时间累计为60min，根据第四层臭气浓度传感器检测，排出气体中氨气浓度低于2mg/m3,硫化氢浓度低于0.01mg/m3。
经检测，第四层罐体最终产出肥料pH值为8.12，符合腐熟肥料pH值标准；种子发芽指数大于80％，表示基本不具有生物毒性；总氮浓度为23g/kg干物料，相比于未使用本装置同样堆肥原料的堆肥过程，提高总氮含量45％，表明提高氮素效果良好。
实施例2
该臭气自净化多层塔式好氧堆肥反应器应用于餐厨垃圾处理，餐厨垃圾和填充剂放入到进料箱中，通过步进电机带动进料箱延滑轨将物料通过进料门倒入第一层罐体，进行高温发酵。同时第二、三、四层罐体中装有腐熟阶段的物料。在第一层罐体中，当氧气传感器显示浓度在10～15％时，停止曝气；小于10％时，启动外接曝气风机，通过搅拌扇叶上的曝气孔向第一层罐体曝气；当浓度达到15％时，停止曝气，此时第四层罐体气体从第四层排气口排出。
第一层罐体中加热带工作维持物料55℃～65℃5天以上，当温度传感器显示温度下降至55℃以下，接通加热带装置进行加热，达到60℃停止加热。
第一层罐体中喷淋装置工作维持物料含水率在50～60％，当含水率传感器显示含水率低于50％，开启外接水箱水泵，通过雾化喷头向第一层罐体中的物料补水。
第一层罐体在高温发酵阶段产生大量氨气时，开启风机，气体经过冷凝装置后经过第一、二层罐体连接管道、第二、三层罐体连接管道、第三、四层罐体连接管道、第四、一层罐体连接管道在各层罐体中循环流动。
当第一层罐体内的有机物料经过传感器数据判断，高温发酵阶段已结束，第四层罐体中的有机肥料排出。通过直线推杆电机控制开启第四层出料口打开，通过搅拌扇叶将有机物料全部从出料口排出，再将出料口关闭。通直线推杆电机控制依次将第三到四层、第二到三层、第一到二层的下料口打开，将物料排至下一层。最终完成底层肥料排出，顶层高温发酵结束堆料下排过程。
检测表明：该装置可有效降低发酵反应产生的臭气对环境的危害，气体在反应器内停留时间为90min，远大于氨气去除最小停留时间，最终产出肥料满足一应有机肥腐熟标准，相比于对照组总氮含量提高38％。
实施例3
本实施方式为实施例2的进一步改进，主要改进之处在于：
(1)在实施例2中，可在第四层罐体内加装氧气传感器和曝气系统，检测氧气浓度，在循环反应期间，氧气浓度较低时及时补充氧气，确保第四层物料吸收臭气的效果。
(2)在实施例2中，为了确保臭气在循环之中充分反应，可以在各个管道之中都加装风机，增加气体循环速度。取消四至一层管道，设置四至二层管道，并且在四至二层管道中设置排气支路。当一层不曝气时，关闭一至二层管道，四至二层管道通向第二层，气体在二三四层中间循环。当一层曝气时，开启一至二层管道，四至二层管道排出气体，使原第四层气体排出。原第一层的气体进入第二层，停止曝气后原第一层臭气进入二三四气体循环。自此形成一个循环。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种臭气自净化多层塔式好氧堆肥反应器，其特征在于：包括多层罐体、进出料装置、曝气装置、喷淋装置、气体循环管路及中央控制系统，多层罐体为反应器主体，分别与进出料装置、曝气装置、喷淋装置及气体循环管路连接，中央控制系统对反应器整体进行控制，其中，多层罐体包含第一层罐体(4)、第二层罐体(5)、第三层罐体(6)及第四层罐体(7)，多层罐体设有温度传感器(33)、湿度传感器(17)、氧气及臭气浓度传感器(16)，第一层罐体(4)侧面铺设有加热装置(18)；进出料装置包括上料装置、下料门、底部出料口(8)，上料装置为丝杠螺母上料装置，包括进料箱(1)、步进电机(2)和提升滑轨(3)，下料门包括顶部进料门(20)和层级下料门，顶部进料门(20)为弹簧双开下料门，层级下料门为直线电动推杆单开下料门；曝气装置包括传动电机(9)、风机(19)、空心转动轴(12)及搅拌装置，搅拌装置由传动电机(9)、小齿轮(10)和大齿轮(11)驱动，搅拌装置的转动轴为空心转动轴(12)，空心转动轴(12)末端连接带曝气孔和不带曝气孔的搅拌扇叶，带曝气孔的搅拌扇叶(14)分布于第一层罐体(4)及第四层罐体(7)中，不带曝气孔的搅拌扇叶(13)分布于第二层罐体(5)和第三层罐体(6)中，空心转动轴(12)顶端连接风机(19)，风机(19)间歇曝气；第一层罐体(4)产生的堆肥臭气通过臭气收集口(26)收集，由位于多层罐体外部的气体循环管路分别传输至第二层罐体(5)、第三层罐体(6)和第四层罐体(7)进行脱臭，净化气体达标后由第四层排气口(39)排出；喷淋装置包括冷凝器(31)、水箱(32)及雾化喷头(15)，冷凝器(31)将多层罐体中第一层罐体(4)排出的含氨臭气进行冷凝得到冷凝水，冷凝水储存于水箱(32)并通过雾化喷头(15)回用到第一层罐体(4)的高温发酵物料中，雾化喷头(15)位于第一层罐体(4)顶部；中央控制系统包括控制柜、逻辑控制器，中央控制系统连接温度传感器(33)、湿度传感器(17)、氧气及臭气浓度传感器(16)。
2.根据权利要求1所述的臭气自净化多层塔式好氧堆肥反应器，其特征在于：所述逻辑控制器为双位控制器。
3.根据权利要求1所述的臭气自净化多层塔式好氧堆肥反应器，其特征在于：所述温度传感器(33)设置于第一层罐体(4)内，采集堆体温度数据并传输给逻辑控制器；氧气及臭气浓度传感器(16)中的氧气传感器设置于第一层罐体(4)、第二层罐体(5)、第三层罐体(6)及第四层罐体(7)内，采集氧气含量数据并传输回逻辑控制器；湿度传感器(17)设置于第一层罐体(4)内，采集含水率数据并传输回逻辑控制器；氧气及臭气浓度传感器(16)中的臭气浓度传感器设置于第一层罐体(4)及第四层罐体(7)内，采集硫化氢和氨气浓度并传输回逻辑控制器。
4.根据权利要求1所述的臭气自净化多层塔式好氧堆肥反应器，其特征在于：所述中央控制器调节控制第一层罐体(4)中氧气浓度为12％～18％，控制第二层罐体(5)、第三层罐体(6)和第四层罐体(7)中氧气浓度为10％～12％；中央控制器通过臭气浓度传感器、曝气装置及气体循环管路调控第四层罐体(7)中外排到大气的气体中氨气浓度满足GB 14554-1993《恶臭污染排放标准》修订稿中厂界二级标准要求；中央控制器通过湿度传感器(17)、喷淋装置调节第一层罐体(4)中物料含水率为40％～60％；中央控制器调节加热装置(18)使第一层罐体(4)中物料发酵温度在55℃～65℃并持续时长4～8天。
5.根据权利要求1所述的臭气自净化多层塔式好氧堆肥反应器，其特征在于：所述风机(19)间歇曝气时间为5～20min，控制第一层罐体总曝气量为0.05～0.2Nm3/min·m3 垃圾，控制第四层罐体总曝气量为0～0.2Nm3/min·m3 垃圾。
6.根据权利要求1所述的臭气自净化多层塔式好氧堆肥反应器，其特征在于：所述第一层罐体(4)为高温发酵仓，呈倒圆锥体，第一层罐体(4)下面的第二层罐体(5)、第三层罐体(6)及第四层罐体(7)为腐熟脱臭仓层，均为圆柱状，第一层罐体(4)顶空体积与另外三层罐体上空总顶空体积比为1:2～1:8。
7.根据权利要求1所述的臭气自净化多层塔式好氧堆肥反应器，其特征在于：所述第一层罐体(4)、第二层罐体(5)、第三层罐体(6)、第四层罐体(7)中物料的填充率为0.2～0.6；第一层罐体(4)产生的堆肥臭气在第二层罐体(5)、第三层罐体(6)、第四层罐体(7)内的总气体停留时长为30～200min。
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