CN114082768B - 一种沼渣低碳热循环生物干化系统及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沼渣低碳热循环生物干化系统及处理方法，在生物干化槽上设有加料口、出渣口以及循环出气口，生物干化槽内设有通气搅拌中轴，通气搅拌中轴上设有桨叶，生物干化槽的底部设有热水盘管；热水盘管与锅炉相连，锅炉使用的燃料为有机固废厌氧消化产生的剩余沼气；循环出气口与通气搅拌中轴之间连接有热循环除湿保温单元，热循环除湿保温单元包括热循环管和旁通的加氧管，热循环管上设有除湿器，加氧管上设有阀门。本发明利用剩余沼气用于加热生物干化槽，协同菌剂添加激活生物反应产生内源热，辅助热循环除湿保温单元以及通气搅拌中轴充氧促进生物干化，达到高效沼渣脱水干化的效果，处理后沼渣进行焚烧或堆肥利用。

Description

一种沼渣低碳热循环生物干化系统及处理方法

技术领域

本发明涉及有机固废处理技术领域，具体涉及一种沼渣低碳热循环生物干化系统及处理方法，具有节能低碳、系统运行稳定、操作维护简单、干化效果好等特点。

背景技术

近年来，全球燃烧化石燃料导致二氧化碳排放量增长、气温升高，有机固废有机质丰富、易生物降解、含水率较高且热值低，适用于厌氧消化做无害化、减量化及资源化处理；而，全球有机固废的有效处理率低，大量的碳资源被浪费，加剧了温室气体的排放。若采用厌氧消化工艺处理有机固废，通过沼气能源代替化石燃料可以实现碳减排约55亿吨CO₂(eq)/年，全球碳排放将减少约10%。

随着我国沼气工程的快速发展，沼渣资源亦将丰富起来。沼渣产量大、性质多变、碳氮比差、杂质多且粘稠、且处理成本较高（耗能占厌氧消化整体工艺的30-35%）；国外发达国家针对不同原料的沼渣已建立明确的主导工艺，相比之下，我国有机垃圾处理仍处在起步发展阶段，末端沼渣的处理处置制约着厌氧消化推广与应用。

打通沼渣处理处置路径，对大中型沼气工程的可持续发展，对解决有机垃圾的末端“梗阻”问题具有重要意义；但，现有明确禁止了沼渣/液（限种植业、养殖业、食品及饮料加工业）作为商用有机肥的原料，限制了沼渣资源化的消纳路径（尤其是厨余垃圾、污泥）；此外，对生活垃圾填埋场建设的限制，也进一步缩小了沼渣的消纳容量。另一方面，日益提升的垃圾焚烧处理能力为沼渣焚烧消纳提供了先决条件与保障，“沼渣干化+焚烧发电”或成为发展趋势；然而，高能耗的投入是制约沼渣干化技术发展的瓶颈。

现阶段，有机固废厌氧消化处理厂通常将多余沼气直接经过火炬燃烧后外排，造成了能源浪费与温室气体排放；另一方面，又在沼渣处理过程中额外输入大量能量（电能或热能），增加了能耗与运行费用。故亟需一种低能耗、绿色可持续的技术，为沼渣末端低碳处理处置提供新思路。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种沼渣低碳热循环生物干化系统及处理方法，其利用剩余沼气用于加热生物干化槽，协同菌剂添加激活生物反应产生内源热，辅助热循环除湿保温单元以及通气搅拌中轴充氧促进生物干化，达到高效沼渣脱水干化的效果，处理后沼渣进行焚烧或堆肥利用。

本发明公开一种沼渣低碳热循环生物干化系统，包括：生物干化槽以及设置在槽外部的锅炉和热循环除湿保温单元；

所述生物干化槽上设有用于加入沼渣和菌剂的加料口、用于干化后出沼渣的出渣口以及循环出气口，所述生物干化槽内设有通气搅拌中轴，所述通气搅拌中轴上设有桨叶，所述生物干化槽的底部设有热水盘管；

所述热水盘管与所述锅炉相连，所述锅炉使用的燃料为有机固废厌氧消化产生的剩余沼气；

所述循环出气口与所述通气搅拌中轴之间连接有所述热循环除湿保温单元，所述热循环除湿保温单元包括热循环管和旁通的加氧管，所述热循环管上设有除湿器，所述加氧管上设有阀门。

作为本发明的进一步改进，所述生物干化槽的槽底面为圆弧形，槽顶加盖密闭结构。

作为本发明的进一步改进，所述通气搅拌中轴水平设置在所述生物干化槽的中部，所述通气搅拌中轴的一端设有气动旋转接头，所述通气搅拌中轴上以螺旋形式布设有通气孔，所述通气孔上铺设土工布；所述热循环管通过气动旋转接头、通气搅拌中轴的中空内腔与所述通气孔相连通。

作为本发明的进一步改进，所述桨叶采用螺旋叶片结构，并通过搅拌支撑架安装在所述通气搅拌中轴的外壁上；所述热水盘管在槽的侧底部沿着长度方向以折线方式铺设。

作为本发明的进一步改进，所述菌剂由嗜热芽孢杆菌和栖热菌组成，所述嗜热芽孢杆菌和栖热菌的混合比例为4：1，所述菌剂投加量为沼渣的1%且仅需在系统首次启动时添加。

作为本发明的进一步改进，还包括：控制器；

所述控制器的输入端连接有用于监测所述生物干化槽工作参数的传感器组，所述传感器组包括温度传感器、湿度传感器和氧传感器；

所述控制器的输出端连接有用于执行设备，所述执行设备包括所述通气搅拌中轴的驱动设备、所述热循环除湿保温单元的输送泵、所述锅炉以及所述阀门。

本发明还公开了一种沼渣低碳热循环生物干化系统的处理方法，包括：

将脱水沼渣通过加料口加入生物干化槽中，同时加入菌剂，并启动搅拌；

开启锅炉，通过热水盘管对沼渣进行加热，加热至预设温度时，停止搅拌，并开启热循环除湿保温单元；其中，当生物干化槽内氧气含氧量低于预设含氧值时，开启所述阀门，向生物干化槽内补入氧气；

进入稳定运行阶段后，进行持续循环保温除湿与间歇式搅拌；

当生物干化槽内的相对湿度低于预设湿度值时，停止加热与循环保温，沼渣完成干化；

排出部分沼渣，剩余部分沼渣与下一批沼渣混合处理，此时无需再次添加菌剂。

作为本发明的进一步改进，所述预设温度为70℃，所述预设含氧值为12%，所述预设湿度值为10%。

作为本发明的进一步改进，所述间歇式搅拌为在1h内，以10-20rpm的搅拌速率搅拌20min，关闭40min。

作为本发明的进一步改进，沼渣完成干化后，将80%的沼渣排出，剩余20%与下一批沼渣混合处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明在热水盘管加热过程中，热量由生物干化槽外向内传；添加菌剂激活槽内生物内源呼吸后，生物热由内向外传；通过“热能的内外结合”充分促进水分蒸发，进一步降低含水率；

本发明采用搅拌方式防止物料结块，采用弧形槽结构利于搅拌；采用搅拌中轴打孔模式通入空气补充槽内氧气，促进生物反应；

本发明采用“热能-物料”双循环，保障生物干化系统稳定运行；其中，沼渣的水分通过水蒸汽排出，经过除湿后协同环境空气循环泵入反应槽，补充氧气促进生物干化反应；系统首次添加菌剂激活启动后，不再继续添加，通过20%的物料循环对后续物料进行接种，保障槽内生物活性，节约运行成本，处理后的沼渣含水率由初始的70-80%降低至40-50%；

本发明充分利用剩余沼气能源，借助生物内源呼吸产生并实施循环加热除湿过程，系统具有简单高效、低碳节能，干化效果好等优点。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的沼渣低碳热循环生物干化系统的结构示意图；

图2为图1中生物干化槽的侧视图；

图3为图1中通气搅拌中轴的结构示意图；

图4为本发明一种实施例公开的沼渣低碳热循环生物干化系统的控制示意图。

图中：

10、生物干化槽；11、通气搅拌中轴；12、桨叶；13、热水盘管；14、气动旋转接头；15、搅拌支撑架；16、土工布通气孔；20、锅炉；30、热循环除湿保温单元；31、热循环管；32、加氧管；33、除湿器；34、阀门。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

本发明提供一种沼渣低碳热循环生物干化系统及处理方法，处理对象为有机固废厌氧消化处理产生的脱水沼渣，其包括：生物干化槽以及设置在槽外部的锅炉和热循环除湿保温单元；有机固废厌氧消化产生的剩余沼气用于锅炉蒸汽加热生物干化槽，生物干化过程产生的生物热能协同干化沼渣；同时，通过热循环与环境空气的充氧进一步促进生物内源呼吸加强干化效果。本发明充分利用沼气能源并借助微生物内源呼吸产热，实现节能低碳运行，系统无需外加热源，且能在外界低温环境的条件下稳定运行；处理后的脱水沼渣含水率大约从80%降低到50%以下，利于后续焚烧或制肥处置，有助于彻底解决有机固废末端沼渣处理的梗阻问题。

具体的：

如图1~3所示，本发明提供一种沼渣低碳热循环生物干化系统，包括：生物干化槽10、锅炉20和热循环除湿保温单元30；其中，

本发明的生物干化槽10上设有用于加入沼渣（有机固废厌氧消化处理产生的脱水沼渣）和菌剂的加料口（图中未示出）、用于干化后出沼渣的出渣口（图中未示出）以及循环出气口，其中，生物干化槽10的槽底面为圆弧形、槽深与直径比为1：1、槽顶加盖密闭结构，槽体结构内采用玻璃钢耐磨并防止物料结垢堵塞搅拌，槽体外壳采用304不锈钢材质。添加菌剂激活沼渣生物干化反应，菌剂由嗜热芽孢杆菌（Geobacillus sp.）和栖热菌(Thermus sp.)组成，混合比例为4:1，菌剂投加量为沼渣的1%，菌剂仅需在系统首次启动时添加。

本发明的生物干化槽10内设有通气搅拌中轴11，优选通气搅拌中轴11水平设置在生物干化槽10的中部，且外径可为φ100mm；通气搅拌中轴11上设有桨叶12，优选桨叶12采用螺旋叶片结构，并通过搅拌支撑架15安装在通气搅拌中轴11的外壁上；进一步，通气搅拌中轴11、桨叶12以及搅拌支撑架15构成的搅拌装置采用304不锈钢材质。

本发明的通气搅拌中轴11的一端设有气动旋转接头14，通气搅拌中轴11上以螺旋形式在轴上均匀布设φ20mm通气孔，通气孔间隔500mm，通气孔上铺设PP材料土工布，构成土工布通气孔16，该设计用于生物干化反应的充氧并防止物料倒流；热循环除湿保温单元30通过气动旋转接头、通气搅拌中轴11的中空内腔与土工布通气孔16相连通。本发明在生物干化槽10的底部设有热水盘管13，循环热水盘管13在槽的侧底部沿着长度方向以折线方式铺设，热水盘管13采用不锈钢304材质，以防止长时间使用的结垢与腐蚀，热水盘管13的加热模式利于温度控制且操作安全简单。

本发明的热水盘管13与锅炉20相连，锅炉20使用的燃料为有机固废厌氧消化产生的剩余沼气，锅炉20利用有机固废厌氧消化产生的剩余沼气产生的蒸汽并通过热水盘管13加热生物干化槽10内的沼渣。

本发明在循环出气口与通气搅拌中轴11之间连接有热循环除湿保温单元30，热循环除湿保温单元30包括热循环管31和旁通的加氧管32，热循环管31上设有除湿器33，加氧管32上设有阀门34；通过热循环除湿保温单元30，使生物干化槽10内的水分通过水蒸气的形式去除，达到沼渣干化目的，循环管路的设置减少热量损失。

如图4所示，本发明的沼渣低碳热循环生物干化系统还包括：控制器、传感器组和执行设备，控制器的输入端连接有用于监测生物干化槽工作参数的传感器组，传感器组包括监测生物干化槽温度的温度传感器、监测生物干化槽湿度的湿度传感器和监测生物干化槽内氧含量的氧传感器；控制器的输出端连接有用于执行设备，执行设备包括通气搅拌中轴的驱动设备、热循环除湿保温单元的输送泵、锅炉以及阀门。基于上述系统，当仓体内含氧量低于12%时，打开阀门34；持续性利用热水盘管加热与循环热保温除湿，间歇式搅拌（40分钟关/20分钟开，搅拌速率10-20rpm），间歇式通入环境空气（仓体含氧量低于12%时，打开阀门通气）；当仓体内相对湿度低于10%时，系统停止运行，由槽底部排出80%处理后物料，截留20%的物料进行后续干化的接种循环。

本发明提供一种沼渣低碳热循环生物干化系统的处理方法，包括：

步骤1、将脱水沼渣通过加料口加入生物干化槽10中，同时加入菌剂，并启动搅拌；

步骤2、开启锅炉20，通过热水盘管13对沼渣进行加热，加热至预设温度（优选为70℃）时，停止搅拌，并开启热循环除湿保温单元30；其中，当生物干化槽内氧气含氧量低于预设含氧值（优选为12%）时，开启阀门34，向中轴通入环境空气5-10分钟；

步骤3、进入稳定运行阶段后，进行持续循环保温除湿与间歇式搅拌；其中，间歇式搅拌为在1h内，以10-20rpm的搅拌速率搅拌20min，关闭40min。

步骤4、当生物干化槽内的相对湿度低于预设湿度值（优选为10%）时，停止加热与循环保温，沼渣完成干化；

步骤5、沼渣完成干化后，将80%的沼渣排出，剩余20%与下一批沼渣混合处理，此时无需再次添加菌剂。

具体的，进入锅炉的沼气为厂区内计划火炬燃烧的部分，即剩余的能源，不包括沼气锅炉加热厌氧消化罐的部分。沼气火炬燃烧造成了大量能源的浪费以及温室气体的排放，利用该剩沼气用于末端沼渣生物干化处理的加热保温，具有节能减碳、能源梯级利用等优点。

本发明的优点为：

本发明在热水盘管加热过程中，热量由生物干化槽外向内传；添加菌剂激活槽内生物内源呼吸后，生物热由内向外传；通过“热能的内外结合”充分促进水分蒸发，进一步降低含水率；

未生物干化处理前的沼渣含水率高、粘度较大、孔隙率较低，现有通常方式为添加大量辅料（如秸秆）进行混合，但这增加了额外的运营成本；为此，本发明采用搅拌方式防止物料结块，采用弧形槽结构利于搅拌；

生物干化需要消耗氧气，常规方式为槽底部打孔通气，然而经常出现物料堵塞的问题；为此，本发明采用搅拌中轴打孔模式通入空气补充槽内氧气，促进生物反应；

本发明采用“热能-物料”双循环，保障生物干化系统稳定运行；沼渣的水分通过水蒸汽排出，经过除湿后协同环境空气循环泵入反应槽，补充氧气促进生物干化反应；系统首次添加菌剂激活启动后，不再继续添加，通过20%的物料循环对后续物料进行接种，保障槽内生物活性，节约运行成本，处理后的沼渣含水率由初始的70-80%降低至40-50%；

本发明充分利用剩余沼气能源，借助生物内源呼吸产生并实施循环加热除湿过程，系统具有简单高效、低碳节能，干化效果好等优点。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种沼渣低碳热循环生物干化系统的处理方法，其特征在于，

所述沼渣低碳热循环生物干化系统包括：生物干化槽以及设置在槽外部的锅炉和热循环除湿保温单元；

所述生物干化槽上设有用于加入沼渣和菌剂的加料口、用于干化后出沼渣的出渣口以及循环出气口，所述生物干化槽内设有通气搅拌中轴，所述通气搅拌中轴上设有桨叶，所述生物干化槽的底部设有热水盘管；

所述热水盘管与所述锅炉相连，所述锅炉使用的燃料为有机固废厌氧消化产生的剩余沼气；

所述循环出气口与所述通气搅拌中轴之间连接有所述热循环除湿保温单元，所述热循环除湿保温单元包括热循环管和旁通的加氧管，所述热循环管上设有除湿器，所述加氧管上设有阀门；

所述处理方法，包括：

将脱水沼渣通过加料口加入生物干化槽中，同时加入菌剂，并启动搅拌；

开启锅炉，通过热水盘管对沼渣进行加热，加热至预设温度时，停止搅拌，并开启热循环除湿保温单元；其中，当生物干化槽内氧气含氧量低于预设含氧值时，开启所述阀门，向生物干化槽内补入氧气；其中，预设温度为70℃，所述预设含氧值为12％；

进入稳定运行阶段后，进行持续循环保温除湿与间歇式搅拌；其中，所述间歇式搅拌为在1h内，以10-20rpm的搅拌速率搅拌20min，关闭40min；

当生物干化槽内的相对湿度低于预设湿度值时，停止加热与循环保温，沼渣完成干化；其中，预设湿度值为10％；

排出80％沼渣，剩余20％沼渣与下一批沼渣混合处理，此时无需再次添加菌剂。

2.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述生物干化槽的槽底面为圆弧形，槽顶加盖密闭结构。

3.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述通气搅拌中轴水平设置在所述生物干化槽的中部，所述通气搅拌中轴的一端设有气动旋转接头，所述通气搅拌中轴上以螺旋形式布设有通气孔，所述通气孔上铺设土工布；所述热循环管通过气动旋转接头、通气搅拌中轴的中空内腔与所述通气孔相连通。

4.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述桨叶采用螺旋叶片结构，并通过搅拌支撑架安装在所述通气搅拌中轴的外壁上；所述热水盘管在槽的侧底部沿着长度方向以折线方式铺设。

5.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述菌剂由嗜热芽孢杆菌和栖热菌组成，所述嗜热芽孢杆菌和栖热菌的混合比例为4：1，所述菌剂投加量为沼渣的1％且仅需在系统首次启动时添加。

6.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，还包括：控制器；

所述控制器的输入端连接有用于监测所述生物干化槽工作参数的传感器组，所述传感器组包括温度传感器、湿度传感器和氧传感器；

所述控制器的输出端连接有用于执行设备，所述执行设备包括所述通气搅拌中轴的驱动设备、所述热循环除湿保温单元的输送泵、所述锅炉以及所述阀门。

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