CN112759437A

CN112759437A - 一种智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统

Info

Publication number: CN112759437A
Application number: CN202011629353.XA
Authority: CN
Inventors: 张庆军; 朱彤; 王有昭; 安宁; 肖清祥; 马峰
Original assignee: Liaoning Urban Construction Design Institute Corp ltd; Northeastern University China
Current assignee: Liaoning Urban Construction Design Institute Corp ltd; Northeastern University China
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2021-05-07
Anticipated expiration: 2040-12-31
Also published as: CN112759437B

Abstract

本发明公开了一种智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统及其用于处理污泥的方法，属于污泥堆肥技术领域。本发明的智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统包括污泥预处理系统、污泥发酵系统、污泥处置系统，预处理系统包括混料设施、传送带、微波辐射设施、调理剂添加设施和菌种添加设施，污泥发酵系统包括臭气收集设施、渗滤液处理设施、通风送氧设施、在线监测及智慧控制系统，污泥处置系统包括发酵产物收集设施、有机肥生产设施、元素添加设施。本发明将微波辐射与超高温堆肥工艺合理的组合在一起，提供一种节能、高效、稳定的污泥超高温堆肥系统，在市政污泥处理方面具有广阔的应用前景。

Description

一种智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统

技术领域

本发明属于污泥堆肥技术领域，具体涉及一种智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统。

背景技术

随着我国城镇化水平不断提高，污水处理量不断提高，处理过程中产生大量的剩余污泥，引起了越来越多研究人员的关注。市政污泥具有含水率高、有机物含量高、微生物种类丰富以及含有重金属等特点，处置不当会对大气、水资源和土壤造成一定程度的危害。目前处理市政污泥的方法主要有厌氧消化法、焚烧法、卫生填埋法和好氧堆肥法等。其中，好氧堆肥法具有处理成本低、操作简单和资源化程度高等优点而被广泛应用，但传统好氧堆肥法具有发酵温度低、发酵周期长和处理效率低等缺点。

超高温菌或超嗜热菌，是指在65℃以上，甚至超过100℃也可以生长的一类极端微生物。超高温菌发酵代谢快、世代时间短、活性高、酶的热稳定性好，能够通过生物代谢产生高温环境快速杀死致病菌及虫卵，高温下有利于有机物质的快速腐熟，具有较好的应用前景。

微波是一种电磁波，通常指频率从300MHz到300GHz，波长从lmm到lm左右的电磁波，微波电磁场与物料相互作用，为物料提供热能从而加热物料，同时抑制或激励物料中生物活性组成部分或混合物的生物活性。

然而，将微波辐射与超高温发酵技术相结合的污泥的处理系统的相关研究还未见报道。

发明内容

本发明目的在于克服传统污泥处理处置工艺造价、药物成本、人工维护费用高，且会造成二次污染等问题，提供一种可靠、经济、智慧的污泥堆肥系统，所述的智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统主要包括污泥预处理系统、污泥发酵系统、污泥处置系统，该系统结合了智慧控制系统，实现污泥堆肥的远程管理和控制。将微波辐射与超高温堆肥工艺合理的组合在一起，进而提供一种节能、高效、稳定的污泥超高温堆肥的新方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统，主要包括污泥预处理系统、污泥发酵系统、污泥处置系统，所述预处理系统包括混料设施、传送带、微波辐射设施、调理剂添加设施和菌种添加设施，所述污泥发酵系统包括污泥超高温好氧发酵设施、臭气收集设施、渗滤液处理设施、通风送氧设施、在线监测及智慧控制系统，所述污泥处置系统包括发酵产物收集设施、有机肥生产设施、元素添加设施等。

进一步的，所述的在线监测及智慧控制系统包括人机交互界面、PLC控制站、温度传感器、压力传感器、NH₃传感器、CH₄传感器、液位传感器、流量传感器、电压传感器。

进一步的，所述的在线监测及智慧控制系统通过人机交互界面完成系统初始化参数设置，PLC控制站实时采集温度传感器、压力传感器、NH₃传感器、CH₄传感器、液位传感器、流量传感器、电压传感器的数据，并根据温度、压力和气体浓度参数反馈调节通风送氧设施的风量及微波辐射设施的处理周期，实现超高温堆肥系统的智慧控制。

进一步的，所述智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统的系统程序包括初始化子程序，数据采集子程序，鼓风控制子程序，微波预处理子程序，臭气收集子程序，渗滤液处理子程序和报警子程序。

进一步的，本发明所述的污泥中的极性分子在波长为lm-lmm的超高频电磁波的作用下，按交变电磁场的高频变化致使分子的运动和相互磨擦从而产生热量，并且对有机物碳链结构具有整体穿透能力，因此可以迅速把能量传递给反应物的各官能团上，得到丰富的土壤改良剂表面含氧官能团；另一部分污泥中具有恒定极化或者感应极化复杂的吸波物质吸收微波能量，通过分子内部持续不断的震动和旋转使得微波能转变为热能。通过微波辐射预处理，污泥絮体结构和细胞壁得到破坏，泥中固体物转变为液相，使SCOD、浊度、VSS溶解率、胞外聚合物含量和无机氮含量增加，微波预处理污泥后进行污泥堆肥，进一步减少了超高温污泥堆肥所需天数，使堆肥提前进入高温期。加快了微生物利用碳与氨的速率，还促进了污泥中原有有机质的降解，提高了污泥碳源可生化性，强化微生物碳源利用能力，增加了微生物对氮素的需求，促进了堆肥初期和高温期氨氮向有机氮的转化过程，减少氨气挥发及N₂O的排放。同时通过微波辐射预处理降低重金属迁移速率，并能增加土壤的营养成分和生物活性。

本发明另一方面提供一种利用上述智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统用于处理污泥的方法，其具体步骤为：

(1)脱水污泥通过传送带进入混料设施，然后通过菌种添加设施投入超高温菌和菌种原料，通过调理剂添加设施添加污泥调理剂和堆肥熟料，控制含水率在55～65％，控制C/N比在20:1～30:1，最终通过混料设施得到预处理污泥；

(2)经过步骤(1)得到的预处理污泥通过安装有微波辐射设施的传送带转入污泥发酵系统，由通风送氧设施提供氧气，经超高温发酵处理，得到腐熟污泥产物，渗滤液引入渗滤液处理设施，臭气进入臭气收集设施；

(3)经过步骤(2)得到的腐熟污泥产物转入污泥处置系统，通过发酵产物收集设施进入有机肥生产设施，根据肥质检测情况通过元素添加设施添加微量元素，制备生物有机肥。

进一步的，步骤(1)中所述脱水污泥含水率为70～90％。

进一步的，步骤(1)中所述微波辐射设施的微波频率为300MHz～300GHz，微波处理时间为5～15s。

进一步的，步骤(1)中所述菌种原料投入量为初始污泥体积比的2％-3％，超高温菌的接种量为初始污泥重量的0.2％～0.8％，超高温菌的菌体浓度在1.90×10⁹CFU/g以上。

进一步的，步骤(1)中所述堆肥熟料投入量为初始污泥重量的200％。

进一步的，步骤(2)中的超高温发酵处理的天数为10天以上。

进一步的，步骤(2)中超高温发酵处理的条件为在65-100℃并持续5-7天，然后将物料进行静态发酵10-12天。

进一步的，步骤(2)中超高温发酵处理的堆体氧浓度≥5％。

本发明相对于现有技术具有的有益效果如下：

(1)本发明的智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统通过微波辐射耦合超高温好氧发酵方法对污泥进行处理，所得产品具有较高孔隙率，可以明显改善土壤结构和氧化还原性，增加土壤的通气性和含氧量，丰富的表面含氧官能团，能吸附重金属，降低重金属迁移速率。

(2)本发明的智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统能充分发挥极端嗜热菌的活性、较好的保留废弃物中的N、P等作物生长所需要的营养物质；通过微波辐射耦合超高温发酵处理，污泥中的病原微生物被完全灭活，恶臭物质被分解转化。

(3)本发明的智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统处理污泥的方法为推动微波在污泥堆肥处理技术中的应用和发展提供了新思路和方法，本发明所述方法节约能耗，可行性高，操作简便，生产周期短，产品质量稳定，实现了污泥减量化、无害化和资源化处理，真正实现了节能环保的技术目标。

(4)本发明的智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统采用智慧控制模式，整个发酵周期完全实现智慧化，实时反馈调节微波辐射预处理系统及鼓风机风量，保证发酵产品效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例涉及的附图进行简单地介绍。

图1为智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统结构示意图。

图2为智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统的硬件系统结构图，其中，Tm-微波预处理温度；Th-堆体温度；Te-环境温度；NH₃-氨气浓度；CH₄-甲烷浓度；Pp-风管压力；Air-鼓风机；Mic-微波磁控管控制器；Mix-搅拌系统。

图3为智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统的主程序流程图。

图4为智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统的智慧控制系统示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细的说明，但本发明的实施方式不限于此，显而易见地，下面描述中的实施例仅是本发明的部分实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，获得其他的类似的实施例均落入本发明的保护范围。

实施例1：

一种智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统，主要包括污泥预处理系统1、污泥发酵系统2、污泥处置系统3，所述预处理系统包括混料设施11、传送带12、微波辐射设施13、调理剂添加设施14、菌种添加设施15，所述污泥发酵系统2包括臭气收集设施21、渗滤液处理设施22、通风送氧设施23、在线监测24及智慧控制系统25，所述污泥处置系统3包括发酵产物收集设施31、有机肥生产设施32、元素添加设施33。

其中，智慧控制系统25由人机交互界面251、PLC控制站252、温度传感器253、压力传感器254、NH₃传感器255、CH₄传感器256、液位传感器257、流量传感器258、电压传感器259构成。通过人机交互界面251完成系统初始化参数设置，PLC控制站252实时采集温度传感器253、压力传感器254、NH₃传感器255、CH₄传感器256、液位传感器257、流量传感器258、电压传感器259的数据，并根据温度、压力和气体浓度参数反馈调节通风送氧设施23的风量及微波辐射设施13的处理周期，实现超高温堆肥系统的智慧控制。

系统程序由初始化子程序，数据采集子程序，鼓风控制子程序，微波预处理子程序，臭气收集子程序，渗滤液处理子程序，报警子程序组成。系统主程序由进料开始，到超高温发酵完成出料结束。

表1智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统的参数值

当选择堆肥物料的特征参数C/N值为30，pH 7.60，挥发性有机物(VOC)为63％，物料的粒径4～8cm，含水率70％，污泥处理规模2t/d。产生渗滤液量0.2m³/d，渗滤液COD值在10000mg·L^-1左右、BOD₅的含量在6000mg·L^-1左右、NH⁴⁺-N含量在110.01mg·L^-1左右，溶液呈碱性，可生化性较高；臭气收集量为6m³/d，NH₃≤30mg/m³，H₂S≤50mg/m³，臭气浓度8000(无量纲)。

实施例2：

一种利用上述智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统处理污泥的方法，其具体步骤为：

(1)含水率80％脱水污泥通过传送带进入混料设施11，然后按照初始污泥体积比通过菌种添加设施15投加2％-3％菌种原料，超高温菌的接种量为初始污泥重量的0.2％～0.8％，并保证极端嗜热菌的菌体浓度在1.90×10⁹CFU/g以上。通过调理剂添加设施14添加污泥调理剂及200％堆肥熟料，保证含水率控制在60％左右，C/N比控制在20:1～30:1，最终通过混料设施11得到预处理污泥。

(2)经过步骤(1)得到的预处理污泥通过安装有微波辐射设施13的传送带12进入污泥发酵系统2，由通风送氧设施23提供氧气，将物料的温度维持在65-100℃并持续5-7天；然后将物料进行静态发酵10-12天，得到腐熟污泥产物。将渗滤液引进入渗滤液处理设施22，臭气进入臭气收集设施21。

(3)经过步骤(2)得到的腐熟污泥产物进入污泥处置系统3，发酵产物通过收集设施31进入有机肥生产设施32，根据肥质检测通过元素添加设施33添加微量元素，制备生物有机肥，最终用于土地利用，通过本发明所述的方法使污泥真正实现稳定化、无害化、资源化处理处置。

经过上述处理方法获得的污泥产物满足《农用污泥污染物控制标准》(GB 4284-2018)要求。

表2污泥产物的污染物浓度

序号	项目	单位	污染物浓度
				1	总镉(以干基计)	mg/kg	＜3
2	总汞(以干基计)	mg/kg	＜3
				3	总铅(以干基计)	mg/kg	≤300
4	总铬(以干基计)	mg/kg	＜500
				5	总砷(以干基计)	mg/kg	＜30
6	总镍(以干基计)	mg/kg	＜100
				7	总锌(以干基计)	mg/kg	＜1200
8	总铜(以干基计)	mg/kg	＜500
				9	矿物油(以干基计)	mg/kg	＜500
10	苯并(a)芘(以干基计)	mg/kg	＜2
				11	多环芳烃(PAHs)(以干基计)	mg/kg	＜5

表3污泥产物的卫生学指标

序号	项目	单位	参数值
				1	蛔虫卵死亡率	/％	≥95
2	粪大肠菌群值	mg/L	≥0.01

表4污泥产物的理化指标

序号	项目	单位	参数值
				1	含水率	/％	≤40
2	pH		5.5～8.5
				3	粒径	/mm	≤10
4	有机质(以干基计)	/％	≥20

经过上述处理方法获得的渗滤液排放满足《污水排入城镇下水道水质标准》(GBT31962-2015)，同时满足污水综合排放标准(GB-8978-1996)要求的一级标准。

表5污染物最高允许排放浓度

序号	项目	单位	参数值
				1	化学需氧量CODcr	mg/L	≤100
2	生物需氧量BOD5	mg/L	≤30
				3	悬浮物SS	mg/L	≤70
4	氨氮NH<sub>3</sub>		≤15
				5	pH		6～9

经过上述处理方法获得的臭气经过处理后排放，达到《恶臭污染物排放标准》(GB14554-93)中规定的二级标准：详见表6；有组织排放执行恶臭污染物排放标准，详见表7。

表6恶臭污染物厂界标准值

表7恶臭污染物排放标准值

序号	控制项目	排气筒高度(m)	最高允许排放速率(kg/h)
				1	硫化氢	15	0.33
2	氨	15	4.9
				3	臭气浓度	15	2000(无量纲)

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统，其特征在于，其主要包括污泥预处理系统、污泥发酵系统、污泥处置系统，所述污泥预处理系统包括混料设施、传送带、微波辐射设施、调理剂添加设施和菌种添加设施，所述污泥发酵系统包括污泥超高温好氧发酵设施、臭气收集设施、渗滤液处理设施、通风送氧设施、在线监测及智慧控制系统，所述污泥处置系统包括发酵产物收集设施、有机肥生产设施、元素添加设施。

2.根据权利要求1所述的污泥堆肥系统，其特征在于，所述的在线监测及智慧控制系统包括人机交互界面、PLC控制站、温度传感器、压力传感器、NH₃传感器、CH₄传感器、液位传感器、流量传感器、电压传感器。

3.根据权利要求2所述的污泥堆肥系统，其特征在于，所述的在线监测及智慧控制系统通过人机交互界面完成系统初始化参数设置，PLC控制站实时采集温度传感器、压力传感器、NH₃传感器、CH₄传感器、液位传感器、流量传感器、电压传感器的数据，并根据温度、压力和气体浓度参数反馈调节通风送氧设施的风量及微波辐射设施的处理周期，实现超高温堆肥系统的智慧控制。

4.根据权利要求1所述的污泥堆肥系统，其特征在于，所述智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统的系统程序包括初始化子程序，数据采集子程序，鼓风控制子程序，微波预处理子程序，臭气收集子程序，渗滤液处理子程序和报警子程序。

5.权利要求1-4任一项所述的智慧型微波辐射耦合超高温污泥堆肥系统用于处理污泥的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将脱水污泥转入混料设施，然后通过菌种添加设施投入超高温菌和菌种原料，通过调理剂添加设施添加污泥调理剂和堆肥熟料，控制含水率在55～65％，控制C/N比在20:1～30:1，最终通过混料设施得到预处理污泥；

(2)将步骤(1)得到的预处理污泥通过安装有微波辐射设施的传送带转入污泥发酵系统，由通风送氧设施提供氧气，经超高温发酵处理，得到腐熟污泥产物，渗滤液引入渗滤液处理设施，臭气进入臭气收集设施；

(3)将步骤(2)得到的腐熟污泥产物转入污泥处置系统，通过发酵产物收集设施进入有机肥生产设施，根据肥质检测情况通过元素添加设施添加微量元素，制备生物有机肥。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述脱水污泥含水率为70～90％。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述微波辐射设施的微波频率为300MHz～300GHz，微波处理时间为5～15s。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述菌种原料投入量为初始污泥体积的2％-3％，超高温菌的接种量为初始污泥重量的0.2％～0.8％，超高温菌的菌体浓度在1.90×10⁹CFU/g以上。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述堆肥熟料投入量为初始污泥重量的200％。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述超高温发酵处理的条件为在65-100℃持续5-7天，然后静态发酵10-12天；步骤(2)中超高温发酵处理的堆体氧浓度≥5％。