CN114044702A - 一种自动控温式堆肥模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动控温式堆肥模拟方法，包括将待堆肥的固体有机废物放入与外界连通的反应装置中，利用水浴法对反应装置中的固体有机废物加热到设定值；定期监测反应装置中的氧含量，并对固体有机废物的底部进行均匀曝气供氧；在堆肥过程中产生的渗滤液能及时从固体有机废物堆肥主体中分离，分离的渗滤液能回流至反应装置中，以保证固体有机废物的含水率。本发明可以实现实验室堆肥过程精细化控制，反应器内部设置的长筒曝气管和微孔曝气盘可以有效维持反应器内部好氧状态，可以较好地模拟堆肥全过程，进而实现对堆肥过程物质元素转化归趋及微生物学机制的解析。

Description

一种自动控温式堆肥模拟方法

技术领域

本发明属于堆肥领域，具体涉及一种自动控温式堆肥模拟方法。

背景技术

随着城市化进程加快和生活水平提高，我国累计城市有机固废数量在持续上涨，2019年我国生活垃圾总量为23560.2万吨，其中厨余垃圾为10800万吨，占比超过50％。厨余垃圾仍在以每年5％-8％左右的速度递增，到2100年厨余垃圾产生量会超过1100万吨/天。传统生物质废物处理方法主要包括物理法、化学法以及微生物法等。相较传统物理化学法，合理选用微生物对生物质进行转化对环境二次污染小，因此堆肥是一种生态友好型的有机固废处理过程，可以实现有机固废的无害化和减量化。

然而由于堆肥过程物质复杂、菌群多变的特点，在大体积下对堆肥过程进行系统的物质转化和微生物机制研究较为困难。现有的实验室模拟装置时常会发生堆体体积过小导致高温期时间无法达到无害化标准等问题。此外，装置气密性的不良也阻碍了堆肥过程气体排放通量进行精准测。因此，缺乏适合的实验室模拟装置限制了对于堆肥过程物质转化及微生物学机制的研究。为进一步探究堆肥过程物质元素转化归趋及揭示堆肥过程微生物机制，需要使用一种能自动控温，自动检测数据，能在短时间维持密封的堆肥装置。因此设计一种自动控温式堆肥模拟装置对实现实验室模拟堆肥过程的精细化、自动化控制有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种自动控温式堆肥模拟方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

本发明提供了一种自动控温式堆肥模拟方法，其特征在于，具体如下：

将待堆肥的固体有机废物放入与外界连通的反应装置中，利用水浴法对反应装置中的固体有机废物加热到设定值，以模拟堆肥过程中不同的温度变化；定期监测反应装置中的氧含量，并对固体有机废物的底部进行均匀曝气供氧，以满足固体有机废物在不同阶段的曝气需求；在堆肥过程中产生的渗滤液能及时从固体有机废物堆肥主体中分离，以避免形成由于渗滤液积累导致的厌氧区域；分离的渗滤液能回流至反应装置中，以保证固体有机废物的含水率；当需要检测堆肥过程中的气体组分时，封闭反应装置使气体充分产生，当监测到反应装置中的氧含量低于5％时，从反应装置上方的气体空间收集气体，以实现气体组分的检测。

作为优选，所述曝气量为0.6l/min kg^-1至0.9l/min kg^-1。

作为优选，所述反应器主体中的氧含量大于10％。

作为优选，所述反应装置包括反应器主体、水浴锅和反应器盖板；反应器主体具有中空内腔，顶部通过反应器盖板实现封闭；反应器盖板上开设贯通的出气口，出气口处设有能实现开闭的阀门；反应器主体外部周向设有控温夹套，两者之间构成能使流体通过的流道；流道上分别开设第一进水口和第一出水口，第一进水口和第一出水口通过管路与水浴锅连通，并共同构成能给固体有机废物加热的水浴回路；反应器主体下部设有能给固体有机废物底部均匀曝气的微孔曝气盘；位于微孔曝气盘下方的反应器主体上开设第二出水口，第二出水口通过管路与反应器盖板上开设的第二进水口连通，构成用于回流渗滤液的渗滤液回路。

进一步的，所述曝气量为0.6l/min kg^-1至0.9l/min kg^-1。

进一步的，所述反应器主体中的氧含量大于10％。

进一步的，所述反应器主体包括由上至下相互连通的第一筒体和第二筒体，第一筒体为柱状结构，第二筒体为底部减缩的漏斗状结构。

更进一步的，所述第一筒体的底部设有微孔曝气盘，微孔曝气盘依次通过长筒曝气管和空气曝气阀与外部的空气曝气泵连接，空气曝气泵通过微孔曝气盘能对固体有机废物的底部曝气。

再进一步的，所述长筒曝气管竖直设于第二筒体中，空气曝气阀位于反应器主体外部。

进一步的，所述反应器盖板通过密封法兰与反应器主体的顶部封闭连接。

进一步的，所述反应器主体中还设有用于测量反应器主体中氧含量的氧含量探头、用于测量反应器主体中压力的压力探头和用于测量反应器主体中温度的温度探头。

进一步的，位于所述反应器主体外部的渗滤液回路上还设有渗滤液回流阀和渗滤液回流泵。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

现有实验室模拟装置中，堆体高温期时间会受到堆体体积的影响，过小的堆体体积会导致无害化不完全等问题的发生。此外，由于现有装置无法实现完全密封等问题，气体排放通量的计算也成为堆肥助力“碳中和”的一大障碍。缺乏适合的实验室模拟装置限制了对于堆肥过程物质转化及微生物学机制的研究。因此本发明通过反应器温度的精准控制，压力、温度和氧含量的在线监测实现了精细化的实验室堆肥。此外，为进一步探究堆肥过程物质转化归趋，本发明涉及的反应器还具备较好的密封性和气体收集能力，可以实现堆肥各阶段气体收集，解析物质转化归趋。

本发明可以实现实验室堆肥过程精细化控制，反应器内部设置的长筒曝气管和微孔曝气盘可以有效维持反应器内部好氧状态，可以较好地模拟堆肥全过程，进而实现对堆肥过程物质元素转化归趋及微生物学机制的解析。

本发明已应用于实验室堆肥模拟实验，在30天堆肥过程中温度得到了有效的控制，第30天成肥实现了无害化和稳定化。

附图说明

图1为反应装置的结构示意图；

图2为实施例堆肥过程中，反应装置内部的温度变化图；

图中：反应装置1、水浴锅2、反应器主体3、控温夹套4、氧含量探头5、压力探头6、温度探头7、反应器盖板8、密封法兰9、出气口10、阀门11、第二进水口12、第一进水口13、第一出水口14、第二出水口15、渗滤液回流阀16、渗滤液回流泵17、空气曝气泵18、空气曝气阀19、底部进气口20、长筒曝气管21、微孔曝气盘22。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本发明提供了一种自动控温式堆肥模拟方法，该堆肥模拟方法具体如下：

将待堆肥的固体有机废物放入与外界连通的反应装置1中，利用水浴法对反应装置1中的固体有机废物加热到设定值，以模拟堆肥过程中不同的温度变化。定期监测反应装置1中的氧含量，根据监测到的氧含量对固体有机废物的底部进行均匀曝气供氧，以满足固体有机废物在不同阶段的曝气需求。由于在堆肥过程中会产生渗滤液，产生的渗滤液应当能及时从固体有机废物堆肥主体中分离，以避免形成由于渗滤液积累导致的厌氧区域。分离的渗滤液能重新回流至反应装置1中，以保证固体有机废物的含水率，避免温度过高导致的含水率过低等问题，进而影响堆肥过程的有效进行。当需要检测堆肥过程中的气体组分时，封闭反应装置1使气体充分产生，当监测到反应装置1中的氧含量低于5％时，从反应装置1上方的气体空间收集气体，以实现气体组分的检测。

在实际应用时，为了保证更好的堆肥效果，应当将曝气量设置为0.6l/min kg^-1至0.9l/min kg^-1，将反应器主体3中的氧含量设置为大于10％。

基于上述自动控温式堆肥模拟方法，如图1所示，本发明还提供了一种用于自动控温式堆肥模拟方法的反应装置1，该反应装置1主要包括反应器主体3、水浴锅2和反应器盖板8。本发明的目的是通过在反应器上设置温度控制设备，避免堆体温度不达标的问题；通过在反应器内设置均匀曝气装备，实现堆体维持好氧状态；通过增设的反应器氧含量探头、反应器压力探头、反应器温度探头，实时检测和记录反应器运行情况；通过反应器盖板、密封法兰、出气口、出气口阀门使得反应器可以按需维持密封状态，便于气体收集和气体检测。下面将对反应装置的各部件结构和连接方式进行具体说明。

反应器主体3为顶部敞开且具有中空内腔的结构，敞开的顶部上安装有反应器盖板2，通过反应器盖板2能实现反应器主体4中空内腔的封闭。在实际应用时，反应器主体3可以设置为如下结构：反应器主体3包括由上至下相互连通的第一筒体和第二筒体，第一筒体为柱状结构，用于实现固体有机废物的堆肥；第二筒体为底部减缩的漏斗状结构，以便于堆肥过程中产生的渗滤液能够顺着第二筒体的内壁滑落至底部，实现渗滤液的收集。反应器盖板8可以通过密封法兰9与反应器主体3的顶部封闭连接。

反应器盖板2上开设贯通的出气口10，出气口10的一端与反应器主体3的中空内腔连通，另一端通过设有阀门11的管路与外界连通，通过阀门11的开闭能控制反应器主体3与外界的连通情况，便于气体采集及气体产生通量的测定。

反应器主体3外部周向设有控温夹套4，两者之间具有间隔且构成能使流体通过的环形流道，流道上分别开设第一进水口13和第一出水口14，第一进水口13和第一出水口14通过管路与水浴锅2连通，并共同构成能给固体有机废物加热的水浴回路。在实际应用时，流道应当均匀环绕反应器主体3的四周，以便于水流能够在流道内与反应器主体3充分换热，进而通过热传递作用对反应器主体3内部的固体有机废物进行升温加热。第一进水口13和第一出水口14可以分别设置于流道相对的两侧，以便于换热更加充分。水浴锅2可以通过监测到的反应器主体内部的温度自动调节水浴温度，进而调节固体有机废物的加热温度，从而克服堆体过小导致的堆肥无害化不完全等问题。

反应器主体3下部设有能给固体有机废物底部均匀曝气的微孔曝气盘22。在本实施例中，可以在第一筒体的底部设置微孔曝气盘22，微孔曝气盘22依次通过长筒曝气管21和空气曝气阀19与外部的空气曝气泵18连接。第二筒体的底部开设底部进气口20，长筒曝气管21竖直设于第二筒体中。长筒曝气管21的一端与微孔曝气盘22连接，另一端通过底部进气口20并与外部的管路连通。空气曝气阀19位于反应器主体3外部，以便于控制曝气管路的开闭。空气曝气泵18通过微孔曝气盘22能对固体有机废物的底部曝气，从而给堆体提供了全好氧环境，其中长筒曝气管21可以避免渗滤液液面过高所导致的渗滤液倒灌现象，微孔曝气盘22使得布气更加均匀，有利于堆体保持好氧状态。

位于微孔曝气盘22下方的反应器主体3上开设第二出水口15，第二出水口15通过管路与反应器盖板8上开设的第二进水口12连通，构成用于回流渗滤液的渗滤液回路，从而使得渗滤液在堆体中实现回流，避免自动控温系统导致的水分快速损失。位于反应器主体3外部的渗滤液回路上还设有渗滤液回流阀16和渗滤液回流泵17。

为了实时监测反应器主体中固体有机废物的堆肥情况，反应器主体3中还设有用于测量反应器主体3中氧含量的氧含量探头5、用于测量反应器主体3中压力的压力探头6和用于测量反应器主体3中温度的温度探头7，从而可以实时监测反应器内部压力、氧含量和温度状态，并自动记录。通过氧含量探头的实时监测，应当确保堆体氧含量大于10％，以避免反应器处于厌氧状态。

实施例

本实施基于上述装置的结构，对固体有机废物进行了堆肥模拟。具体的，同步运行3个相同的反应装置，反应器直径120mm、高度300mm，总容积为3L，有效容积2.5L，长筒曝气管是5cm，微孔曝气盘厚度约0.5cm，初始堆体约为750g。温度依据常规堆肥温度控制，运行天数30天。

步骤具体如下：

反应装置依靠控温夹套进行温度控制，温度可以通过控制水浴锅温度而变化，水浴锅通过水浴回路实现对反应装置温度的控制，用来模拟堆肥过程不同的温度变化过程。

反应器中氧含量通过曝气部分的调节实现均匀布气，堆肥过程不同阶段曝气量大约在0.6l/min kg^-1至0.9l/min kg^-1，通过曝气泵的调节满足不同阶段的曝气需求。通过微孔曝气盘的布置实现堆肥过程的均匀曝气。

无需检测气体时，反应装置出气口阀门和曝气泵常开，使得产生的水气可以被空气带走。当需要采集气体的时候，需要先关闭反应器曝气泵和反应器出气口阀门，依据溶解氧探头的检测，当堆体氧含量低于5％时，外接抽气泵后打开出气口阀门进行气体的收集。

模拟装置运行过程中，渗滤液回流系统常开，避免温度过高导致的含水率过低等问题。

在装置运行过程中，反应装置内部的温度变化图如图2所示，从图中可以看出，3个堆体装置温度变化均匀，不同处理间温度差异小，表明装置可以实现较好的温控效果；所有处理高温期(>50℃)天数均超过10天，符合国家标准中对于堆肥无害化的规定，表明采用该装置可以较好的实现堆肥无害化。

由此可见，本实施例的反应装置在30天堆肥过程中，温度得到了有效的控制，且在第30天成肥实现了无害化和稳定化。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自动控温式堆肥模拟方法，其特征在于，具体如下：

将待堆肥的固体有机废物放入与外界连通的反应装置(1)中，利用水浴法对反应装置(1)中的固体有机废物加热到设定值，以模拟堆肥过程中不同的温度变化；定期监测反应装置(1)中的氧含量，并对固体有机废物的底部进行均匀曝气供氧，以满足固体有机废物在不同阶段的曝气需求；在堆肥过程中产生的渗滤液能及时从固体有机废物堆肥主体中分离，以避免形成由于渗滤液积累导致的厌氧区域；分离的渗滤液能回流至反应装置(1)中，以保证固体有机废物的含水率；当需要检测堆肥过程中的气体组分时，封闭反应装置(1)使气体充分产生，当监测到反应装置(1)中的氧含量低于5％时，从反应装置(1)上方的气体空间收集气体，以实现气体组分的检测。

2.根据权利要求1所述的一种自动控温式堆肥模拟方法，其特征在于，所述反应装置(1)包括反应器主体(3)、水浴锅(2)和反应器盖板(8)；反应器主体(3)具有中空内腔，顶部通过反应器盖板(2)实现封闭；反应器盖板(2)上开设贯通的出气口(10)，出气口(10)处设有能实现开闭的阀门(11)；反应器主体(3)外部周向设有控温夹套(4)，两者之间构成能使流体通过的流道；流道上分别开设第一进水口(13)和第一出水口(14)，第一进水口(13)和第一出水口(14)通过管路与水浴锅(2)连通，并共同构成能给固体有机废物加热的水浴回路；反应器主体(3)下部设有能给固体有机废物底部均匀曝气的微孔曝气盘(22)；位于微孔曝气盘(22)下方的反应器主体(3)上开设第二出水口(15)，第二出水口(15)通过管路与反应器盖板(8)上开设的第二进水口(12)连通，构成用于回流渗滤液的渗滤液回路。

3.根据权利要求1或2所述的一种自动控温式堆肥模拟方法，其特征在于，所述曝气量为0.6l/min kg^-1至0.9l/min kg^-1。

4.根据权利要求1或2所述的一种自动控温式堆肥模拟方法，其特征在于，所述反应器主体(3)中的氧含量大于10％。

5.根据权利要求2所述的一种自动控温式堆肥模拟方法，其特征在于，所述反应器主体(3)包括由上至下相互连通的第一筒体和第二筒体，第一筒体为柱状结构，第二筒体为底部减缩的漏斗状结构。

6.根据权利要求5所述的一种自动控温式堆肥模拟方法，其特征在于，所述第一筒体的底部设有微孔曝气盘(22)，微孔曝气盘(22)依次通过长筒曝气管(21)和空气曝气阀(19)与外部的空气曝气泵(18)连接，空气曝气泵(18)通过微孔曝气盘(22)能对固体有机废物的底部曝气。

7.根据权利要求6所述的一种自动控温式堆肥模拟方法，其特征在于，所述长筒曝气管(21)竖直设于第二筒体中，空气曝气阀(19)位于反应器主体(3)外部。

8.根据权利要求2所述的一种自动控温式堆肥模拟方法，其特征在于，所述反应器盖板(8)通过密封法兰(9)与反应器主体(3)的顶部封闭连接。

9.根据权利要求2所述的一种自动控温式堆肥模拟方法，其特征在于，所述反应器主体(3)中还设有用于测量反应器主体(3)中氧含量的氧含量探头(5)、用于测量反应器主体(3)中压力的压力探头(6)和用于测量反应器主体(3)中温度的温度探头(7)。

10.根据权利要求2所述的一种自动控温式堆肥模拟方法，其特征在于，位于所述反应器主体(3)外部的渗滤液回路上还设有渗滤液回流阀(16)和渗滤液回流泵(17)。

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