CN112608174A - 一种肠道仿生管式好氧堆肥设备、系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及易腐有机废弃物处理技术领域，具体涉及一种肠道仿生管式好氧堆肥设备、系统及方法。本发明的肠道仿生管式好氧堆肥设备包括依次设置的进料单元、主反应器和出料单元，主反应器设置由反应室构成折叠肠道仿生结构；本发明的好氧堆肥系统在肠道仿生管式好氧堆肥设备的基础上增加脱水除臭单元和强制通风单元，结合运行方法，集循环风、控制含水率、循环吸收降解臭气、精准控温等功能于一体。本发明保证前后物料不返混，经济有效地实现易腐有机废弃物减量化、无害化和资源化，解决了现有技术中的设备堆肥效率低下、运行成本高的问题。

Description

一种肠道仿生管式好氧堆肥设备、系统及方法
技术领域
本发明涉及易腐有机废弃物处理技术领域，具体涉及一种肠道仿生管式好氧堆肥设备、系统及方法。
背景技术
易腐有机废弃物也称为湿垃圾，是指生活中产生的易腐性垃圾,是日常生活垃圾中可分解的有机物质部分，具有含水率高、易腐烂、营养元素与有机质含量丰富等特征。随着我国经济的发展和人民生活水平的改善，从2015年起易腐有机废弃物产生量的复合增速达4.46％，到2018年易腐有机废弃物的产生量达到10800万吨，同比增长8.30％。与此同时，在实施垃圾分类前，易腐有机废弃物的处理技术中应用最多的仍是与其他垃圾一起填埋和焚烧，填埋和焚烧虽然能一定程度地实现易腐有机废弃物的减量化，但存在着更为严重的二次污染问题。在填埋过程中存在着作业环境恶劣、大量温室气体排放、渗滤液浓度高且难处理等问题；焚烧时易腐有机废弃物的高含水率导致垃圾热值下降，影响垃圾发电效率。
易腐有机废弃物中除有机质含量较高外，还富含N、P、K等矿物质元素，故具有巨大的资源和能源利用潜力。随着我国垃圾分类工作的不断推进，易腐有机废弃物的分离率大幅提高，如何更好地实现易腐有机废弃物的资源化则越来越受到人们的关注。厌氧发酵工艺具有无需通风、工艺简单、可生物质发电等特点，逐渐成为我国易腐有机废弃物主流的处理方式。但厌氧存在发酵速率慢、发酵时间长、处理成本高、处理不完全、发酵产物复杂，产品掺杂有大量的硫醚等各类蛋白质聚合物以及喜热细菌并会对环境产生污染等一系列问题，因此在垃圾分类模式下，厌氧发酵处理并没有很好地实现预期的易腐有机废弃物资源化和循环利用目标。
好氧堆肥是在控制垃圾的含水率、温度、通风量、碳氮比等工艺条件下，利用微生物对垃圾中的有机物进行降解，使其成为具有良好稳定性的有机肥料。其不仅能够解决易腐有机废弃物的污染问题，还能提供大量的有机肥，减少化肥的用量，具有广阔的发展前景。相对于厌氧发酵，好氧堆肥具有降解快、资源化效率高、发酵过程中无有害物质产生、过程可控制易操作、设备占地小运行费用低等特点。
好氧堆肥包括集中堆肥和分散堆肥两大模式。易腐有机废弃物集中堆肥处理模式存在诸多问题。一方面集中处理存在中转、压缩、运输等多个中间环节，成本较高；另一方面现有垃圾分类体系下资源化效率低，大量有害杂质的掺杂导致了堆肥产品品质低下，并伴有大量无法利用的残渣仍须进行焚烧处理。因此分散式的小型堆肥设备的研发逐渐被关注。目前，市场上已经研发出了一些以堆肥技术为核心实现易腐有机废弃物减量化、资源化的分散式装备，但仍存在前期物料与后期物料混合严重，停留时间不可控，出口产品质量差等诸多问题，严重制约了其发展前景。
如公开号为CN99223087.X的专利公开了一种由破碎机构、搅拌机构和筒体组成的堆肥装置，其中破碎机构和搅拌机构共用一个主轴，一同安装于带有加热件的筒体内。该装置虽然能够实现堆肥功能，但在实际使用过程中，由于新旧物料都一并堆于反应腔内，因此无法控制物料堆肥停留时间，堆肥效率低下。
又如公开号为CN205518937U的实用新型专利公开了一种可实现固体废弃物层递式发酵的搅拌装置及反应器。该反应器虽然能够大大降低新旧物料的混合率，有效控制固体物料在反应器中的停留时间，提高输出物料的降解效率，提升最终产品质量，但搅拌桨叶所需的动力能耗较高，大幅提高了反应器运行成本。
发明内容
1.要解决的问题
为了解决现有技术中的设备堆肥效率低下、运行成本高的问题，本发明提供一种肠道仿生管式好氧堆肥设备，结合上下弯曲的管式结构实现物料缓速推流运动，保证前后物料不返混；以经济有效地实现易腐有机废弃物减量化、无害化和资源化，解决了现有技术中的设备堆肥效率低下、运行成本高的问题。
进一步地，本发明提供一种肠道仿生管式好氧堆肥系统，在上述设备的基础上增加了脱水除臭单元以及强制通风单元，集循环风、控制含水率、循环吸收降解臭气、精准控温等功能于一体，实现二次污染零排放的同时大幅降低系统运行能耗，有效节约系统运行成本。
进一步地，本发明提供上述肠道仿生管式好氧堆肥系统的运行方法，通过调整上述肠道仿生管式好氧堆肥系统的使用参数，优化物料处理效果，实现二次污染零排放和碳减排，降低系统运行能耗。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明提供一种肠道仿生管式好氧堆肥设备，包括依次设置的进料单元、主反应器和出料单元；主反应器侧壁由内层、中间保温层和外层三层组成；优选地，中间保温层布置厚度为8-10cm的保温棉，外层为镀锌铁皮结构，内层为碳钢结构；主反应器包括至少1个反应室；反应室包括依次连接的反应管Ⅰ、反应管Ⅱ、反应管Ⅲ和反应管Ⅳ，任意2个相邻的反应管通过连接端相连接，且任意2个相邻的反应管的中轴线相交，形成具有多段管状反应室的仿生肠道折叠结构，以保证前后物料互不混合，从而精准控制物料的停留时间；进料单元的折叠空间角度不定，包括水平折叠、垂直折叠、螺旋折叠，其中垂直折叠结构可以节省反应器占地面积，水平折叠结构可以降低空间高度，螺旋折叠结构可以减小物料前进阻力；反应管Ⅰ远离反应管Ⅱ的一端设置有进风段，进风段对应的侧壁设置有进风口，进风口可以设置多个进行多点均匀进风；出料单元设置有出风口。
优选地，主反应器包括至少2个反应室，上一级反应室的反应管Ⅳ的管径大于下一级反应室的反应管Ⅳ的管径，保证每段反应室风阻相同，实现均匀配风。
优选地，进料单元设置有螺旋输送器和进料口，进料口设置于进料单元的侧壁上；螺旋输送器提供动力使得物料推流前进，螺旋输送器型号根据物料每日投加量和停留时间进行调整，进而控制物料前进速度；进一步说明，为了保证每批发酵完成的体积V的易腐有机垃圾在时间t内输送到反应器末端料斗，调整后的螺旋输送速度v为V/t，其中，时间t优选为0.5h；出料单元设置有星型旋转启闭器，可以实现批次出料，同时避免循环风的逸出以保证系统整个运行过程的密闭性；星型启闭器的规格需满足在0.5-1h内完成当日易腐有机废弃物出料所需的处理量。
优选地，进风口对应设置有进风管，进风管的外径与进风口的内径相同；在出风口也可以对应设置有出风管，且出风管的外径与出风口的内径相同。
优选地，反应管Ⅳ靠近反应管Ⅲ的一端为反应管Ⅳ的物料进口，反应管Ⅳ远离反应管Ⅲ的一端为反应管Ⅳ的物料出口，物料进口与物料出口的距离为L，反应管Ⅳ的横截面积是关于L的连续增函数。
优选地，出料单元与主反应器之间设置有延长管，进一步地，延长管的管径与所连接的反应室的反应管Ⅳ的最大管径相同；延长管包括弯折部和延长部，弯折部与主反应器相连接；延长部与出料单元相连接，可根据实际需要调整延长部的方向和长度，进而调整出料单元的设计位置与出料方向；弯折部设置有进风口，实现物料经过延长管时的均匀配风。
本发明还提供一种肠道仿生管式好氧堆肥系统，包括上述的肠道仿生管式好氧堆肥设备、脱水除臭单元以及强制通风单元；脱水除臭单元包括碱液吸收室和生石灰干燥房，碱液吸收室的废气进口与出风口相连通，碱液吸收室的出气口与生石灰干燥房的进气口相连通；强制通风单元包括风机，风机的进口与生石灰干燥房的尾气出口通过风管相连通；优选地，采用风压风量较大的风机如离心风机鼓风进气，风管根据气体温度确定材质；优选地，风管设置有补气装置，补气装置包括氧含量监测模块和进气阀。
本发明还提供上述的肠道仿生管式好氧堆肥系统的运行方法：将废弃物与秸秆按质量比1:1-1:3混合后，投入肠道仿生管式好氧堆肥设备中进行发酵；强制通风单元为肠道仿生管式好氧堆肥设备提供干燥循环风和调控反应室的含氧量，干燥循环风用于干燥物料并为肠道仿生管式好氧堆肥设备供热，同时带走反应室内产生的臭气；脱水除臭单元用于对堆肥时产生的尾气脱水除臭，循环风首先进入脱水除臭系统的碱液吸收塔，去除循环风中的酸性挥发气体、氨气和二氧化碳，并通过温差作用析出部分水蒸气，再进入生石灰干燥室脱去循环风中的剩余水蒸气，生石灰干燥室中产生的部分热量被空气带入强制通风系统进入主反应器，用于主反应器的保温；脱水除臭单元用于对堆肥时产生的尾气脱水除臭；物料堆肥完成后由出料口排出。
优选地，发酵时间为7-14d，肠道仿生管式好氧堆肥设备中的发酵温度为40-50℃，肠道仿生管式好氧堆肥设备中的含氧量为15％-25％，可实现较好的处理效果。
优选地，补气装置的运行方法为：当氧含量监测模块检测到肠道仿生管式好氧堆肥设备中的含氧量≤12％时，补气装置的进气阀开启，开始补充氧气，从而为反应器提供持续良好的好氧反应条件；当氧含量监测模块检测到肠道仿生管式好氧堆肥设备中的含氧量≥15％时，补气装置的进气阀关闭，停止补充氧气。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种肠道仿生管式好氧堆肥设备，进料口和出料口之间的主反应器为折叠肠道仿生结构，上下弯曲的管式结构使物料在主反应器内部的任何位置都处于满流状态，水平推流时后方物料可以推动前方物料顺序前进，垂直推流时前后物料在重力作用下依次下落，确保前后物料不返混，精准控制物料停留时间，进而大幅提升物料的堆肥效率，实现易腐有机废弃物减量化、无害化和资源化，解决了现有技术中的设备堆肥效率低下、运行成本高的问题。
(2)本发明的一种肠道仿生管式好氧堆肥设备，垂直折叠结构极大地节省了反应器的占地面积，水平折叠结构可以降低空间高度，螺旋折叠结构可以最大程度减小物料前进阻力，极大地节省了投资成本。
(3)本发明的一种肠道仿生管式好氧堆肥设备，反应室设置有进风口，采用多点进气保证了反应器供氧的充足性和均匀性，一定程度上提升了系统堆肥效率。
(4)本发明的一种肠道仿生管式好氧堆肥系统，在肠道仿生管式反应器的基础上增加脱水除臭单元和强制通风单元，集循环风、控制含水率、循环吸收降解臭气、精准控温等功能于一体，实现二次污染零排放目的，同时大幅降低系统运行能耗，有效节约系统运行成本。
(5)本发明的一种肠道仿生管式好氧堆肥系统的运行方法，通过调整肠道仿生管式好氧堆肥系统的使用参数，优化物料处理效果，实现二次污染零排放和碳减排，降低系统运行能耗。
附图说明
图1为本发明的反应室示意图；
图2为本发明系统主反应器立面图；
图3为本发明系统主反应器平面图；
图4为本发明系统主反应器三维结构示意图；
图5为本发明系统工艺流程图；
图中：
100、进料单元；110、进料口；120、螺旋输送器；
200、主反应器；210、反应室；211、反应管Ⅰ；212、反应管Ⅱ；213、反应管Ⅲ；214、反应管Ⅳ；215、连接段；220、进风段；221、进风口；
300、出料单元；310、出风口；320、出料口；330、延长管；331、弯折部；332、延长部。
具体实施方式
下面结合附图和示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。
实施例1
本发明提供一种肠道仿生管式好氧堆肥设备，包括依次设置的进料单元100、主反应器200和出料单元300。
如图2所示，主反应器200侧壁由内层、中间保温层和外层三层组成，中间保温层布置厚度为10cm的保温棉，外层为镀锌铁皮结构，内层为碳钢结构。在本实施例中，主反应器200包括3个反应室210，如图1所示，反应室210包括依次连接的反应管Ⅰ211、反应管Ⅱ212、反应管Ⅲ213和反应管Ⅳ214，任意2个相邻的反应管通过连接端215相连接，且任意2个相邻的反应管的中轴线相交，形成具有多段管状反应室210的仿生肠道折叠结构，以保证前后物料互不混合，从而精准控制物料的停留时间。本实施例中，主反应器200的折叠结构为水平折叠结构，反应管Ⅰ211和反应管Ⅲ213相对于设备安装面垂直，降低空间高度。反应管Ⅳ214靠近与反应管Ⅲ213的一端为反应管Ⅳ214的物料进口，反应管Ⅳ214远离反应管Ⅲ213的一端为反应管Ⅳ214的物料出口，物料进口与物料出口的距离为L，反应管Ⅳ214的横截面积是关于L的连续增函数。在本实施例中，不同反应室210的反应管Ⅳ214的最大直径由进料单元100至出料单元300递增，依次为600mm、700mm和800mm，第一级反应室210的反应管Ⅰ211的直径为300mm，下一级反应室210的反应管Ⅰ211的直径与上一级反应管Ⅳ214的最大直径相同。如图3所示，反应管Ⅰ211远离反应管Ⅱ212的一端设置有进风段220，进风段220对应的侧壁设置有3个进风口221，进风口221可以设置多个，进行多点均匀进风。进风口221对应设置有垂直进风口221方向的进风管，该进风管基本平行于反应管Ⅰ211或者延长部332的长度方向。进风管的外径与进风口221的内径相同，均为30mm，进风管位于反应管Ⅰ211内部的一端连接有伞状保护帽。
进料单元100设置有螺旋输送器120和进料口110，进料口110设置于进料单元100的侧壁上，直径为300mm。螺旋输送器120提供物料推流前进的动力，螺旋输送器120长2m，直径为250mm，螺旋输送器120型号根据物料每日投加量和停留时间进行调整以控制物料前进速度。进一步说明，为了保证每批发酵完成的体积V的易腐有机垃圾刚好在时间t内输送到出料单元300，时间t优选为0.5h，调整后的螺旋输送速度v为V/t。
出料单元300靠近主反应器200的一侧顶部设置有3个出风口310，出风口310直径为150mm，间距为20mm。每个出风口310均设置一根垂直进风口221方向的出风管，外径为150mm，出风管位于装置内部的一端连接有伞状保护帽。出料单元300的出料口320直径为800mm，设置有星型旋转启闭器，可以实现批次出料，同时避免循环风的逸出以保证系统整个运行过程的密闭性。星型启闭器的规格需满足在0.5-1h内完成当日易腐有机废弃物出料所需的处理量，在本实施例中，星型启闭器的直径为400mm，高800mm。本实施例中，如图2和图4所示，出料单元300与主反应器200之间设置有延长管330，延长管330的管径与所连接的反应室210的反应管Ⅳ214的最大管径相同，即延长管330的管径为800mm。延长管330包括弯折部331和延长部332，弯折部331与主反应器200相连接，并设置有进风口221，实现延长管330内均匀配风。弯折部331用于连接主反应器200和延长管330，同时可以改变物料由反应管Ⅳ214进入延长管330时的运动方向。延长部332与出料单元300相连接，在本实施例中，如图3所示，延长管330为一段弯管，使得出料单元300的出料口320向下设置。
根据上述肠道仿生管式好氧堆肥设备，本发明进一步提供一种肠道仿生管式好氧堆肥系统，增设脱水除臭单元和强制通风单元。脱水除臭单元包括碱液吸收室和生石灰干燥房，碱液吸收室的废气进口与出风口310相连通，碱液吸收室的出气口与生石灰干燥房的进气口相连通。强制通风单元由风机、风管和补气装置组成。风机出口接风机出风管与每段反应室210底部的进风管相连，从每段反应室210底部进风，废气经主反应器200出风管进入脱水除臭单元。风机进口与风机进风管相连，风机进风管接脱水除臭单元出风口310使空气循环回到主反应器200。补气装置设置在生石灰干燥室与风机进口相连的进风风管处，包括氧含量监测模块和进气阀。
本实施例还提供了一种肠道仿生管式好氧堆肥系统的运行方法，如图5所示，物料通过密封法兰圆盘进入主反应器200，以天为单位批次进料，开启位于进料口110一侧的螺旋输送器120使物料持续推流前进。与此同时，持续开启风机鼓风进气，干燥循环风从底部进气口进入主反应器200后，通过蒸发作用带走堆肥物料中的部分水分成为饱和循环风，从出风口310排出，进入脱水除臭单元的碱液吸收塔，吸收循环风中的酸性挥发气体、氨气和二氧化碳，并通过降温析出部分水稀释碱液。再进入生石灰干燥室脱去循环风中的水分，产生的热量用于加热循环风，加热后的循环风通过强制通风单元重新回到主反应器200为其保温。循环过程中，含氧量不足时，自动开启补气装置，用于补充适量空气。物料在主反应器200好氧堆肥完成后，通过旋转出料口320的星型旋转启闭器完成出料，出料结束后将其恢复原状，保证整个运行过程系统的密闭性。
本实施例中，强制通风单元的氧含量监测模块检测到反应器氧气浓度不足10％时，补气装置进气阀自动开启用于补充氧气浓度使含氧量控制在20％左右。物料在主反应器200好氧堆肥完成后，通过旋转出料口320的星型旋转启闭器在0.5h内完成出料，出料结束后将其恢复原状。系统总通风量为36m3/h；物料停留时间为7天。物料经本实施例的系统发酵后，出料耗氧速率0.06％-0.08％O2/min，种子发芽指数65％-75％，能够满足《生活垃圾堆肥处理技术规范》(CJJ 52-2014)要求。
以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明的创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种肠道仿生管式好氧堆肥设备，其特征在于：包括依次设置的进料单元(100)、主反应器(200)和出料单元(300)；
所述主反应器(200)包括至少1个反应室(210)；所述反应室(210)包括依次连接的反应管Ⅰ(211)、反应管Ⅱ(212)、反应管Ⅲ(213)和反应管Ⅳ(214)，任意2个相邻的反应管通过连接端(215)相连接，且任意2个相邻的反应管的中轴线相交；
所述反应管Ⅰ(211)远离反应管Ⅱ(212)的一端设置有进风段(220)，所述进风段(220)对应的侧壁设置有进风口(221)；所述出料单元(300)设置有出风口(310)。
2.根据权利要求1所述的一种肠道仿生管式好氧堆肥设备，其特征在于：所述主反应器(200)包括至少2个反应室(210)，上一级反应室(210)的反应管Ⅳ(214)的管径大于下一级反应室(210)的反应管Ⅳ(214)的管径。
3.根据权利要求1所述的一种肠道仿生管式好氧堆肥设备，其特征在于：所述进料单元(100)设置有螺旋输送器(120)和进料口(110)，所述进料口(110)设置于进料单元(100)的侧壁上，和/或
所述出料单元(300)设置有出料口(320)，所述出料口(320)设置有星型旋转启闭器。
4.根据权利要求1所述的一种肠道仿生管式好氧堆肥设备，其特征在于：所述进风口(221)对应设置有进风管，所述进风管的外径与进风口(221)的内径相同，和/或
所述出风口(310)对应设置有出风管，所述出风管的外径与出风口(310)的内径相同。
5.根据权利要求1所述的一种肠道仿生管式好氧堆肥设备，其特征在于：所述反应管Ⅳ(214)靠近反应管Ⅲ(213)的一端为反应管Ⅳ(214)的物料进口，所述反应管Ⅳ(214)远离反应管Ⅲ(213)的一端为反应管Ⅳ(214)的物料出口，物料进口与物料出口的距离为L，所述反应管Ⅳ(214)的横截面积是关于L的连续增函数。
6.根据权利要求1所述的一种肠道仿生管式好氧堆肥设备，其特征在于：所述出料单元(300)与主反应器(200)之间设置有延长管(330)，所述延长管(330)包括弯折部(331)和延长部(332)，所述弯折部(331)与主反应器(200)相连接；所述延长部(332)与出料单元(300)相连接；所述弯折部(331)设置有进风口(221)。
7.一种肠道仿生管式好氧堆肥系统，其特征在于：包括权利要求1-6任意一项所述的肠道仿生管式好氧堆肥设备、脱水除臭单元以及强制通风单元；
所述脱水除臭单元包括碱液吸收室和生石灰干燥房，所述碱液吸收室的废气进口与出风口(310)相连通，所述碱液吸收室的出气口与生石灰干燥房的进气口相连通；
所述强制通风单元包括风机，所述风机的进口与生石灰干燥房的尾气出口通过风管相连通；风管设置有补气装置，所述补气装置包括氧含量监测模块和进气阀。
8.权利要求7所述的肠道仿生管式好氧堆肥系统的运行方法，其特征在于：将废弃物与秸秆按质量比1:1-1:3混合后，投入肠道仿生管式好氧堆肥设备中进行发酵；
强制通风单元为肠道仿生管式好氧堆肥设备提供干燥循环风和调控反应室(210)的含氧量，所述干燥循环风用于干燥物料并为肠道仿生管式好氧堆肥设备供热；
脱水除臭单元用于对堆肥时产生的尾气脱水除臭；
物料堆肥完成后由出料口(320)排出。
9.根据权利要求8所述的一种肠道仿生管式好氧堆肥系统的运行方法，其特征在于：发酵时间为7-14d，肠道仿生管式好氧堆肥设备中的发酵温度为40-50℃，肠道仿生管式好氧堆肥设备中的含氧量为15％-25％。
10.根据权利要求8所述的一种肠道仿生管式好氧堆肥系统的运行方法，其特征在于，所述补气装置的运行方法为：当氧含量监测模块检测到肠道仿生管式好氧堆肥设备中的含氧量≤12％时，补气装置的进气阀开启，开始补充氧气；当氧含量监测模块检测到肠道仿生管式好氧堆肥设备中的含氧量≥15％时，补气装置的进气阀关闭，停止补充氧气。
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