TWI405745B - Method for producing water - soluble quick - acting organic fertilizer with activated sludge - Google Patents

Description

用活性污泥生產水溶性速效有機肥的方法

本發明為一種將活性污泥以二次化學水解方式處理，製成水溶性有機肥的方法，屬於有機廢棄物資源化綜合利用之領域。

利用化學水解法處理有機固體廢棄物，製取水溶性速效有機肥之中國發明專利申請號200910049445.8中，所述之化學催化水解方法為一次酸性水解。一次性酸性水解的不足之處，在於有機物的水解程度以及水溶性速效有機肥之功效，均不如鹼性和酸性二次水解，在鹼性溶液中，有利於蛋白質和腐植酸快速溶出，然後進行化學水解，在酸性溶液中互接，進行化學水解，有利於纖維素、半纖維素以及多醣類的化學水解；進行二次水解較完全，水解產物之效率優於一次水解，如原廢棄物中重金屬含量超過標準，一次水解後，水解液中之重金屬還要進行去除，技術較為複雜，二次水解則不用考慮去除重金屬，重金屬會留存在未水解的固體部分中，作為培養劑，如園藝綠化之營養劑等，可使技術流程簡化。

本發明所要解決的技術問題，在於利用二次化學水解技術，解決一次化學水解之不足，解決一次水解後，仍有未水解的有機質仍存在於固體部分的問題，可進一步提升水溶性有機肥之效率。

本發明處理之有機廢棄物如活性污泥，含菌體蛋白質比重較高，以鹼性溶液可使蛋白質和腐植酸先溶出，有利於鹼性化學水解，而且效率較高；纖維素、半纖維素、多醣類以及脂肪等，則有利於酸性化學水解。應用二次水解技術，使有機質水解完全，進一步提高水溶性速效有機肥的效率。

本發明所要解決之技術問題，可以通過下列之技術方案來實現：一種有機廢棄物如活性污泥，以二次化學水解處理，製成水溶性速效有機肥的方法，包括步驟如下：步驟1：活性污泥以超音波溶解，並進行固液分離。

活性污泥在pH值8~9的條件下，以超音波溶解裝置進行溶解，溶解的物質主要為蛋白質、腐植酸和水溶性醣類，超音波之頻率為10~100 KHz，溶解時間為10分鐘~1小時，溶解溫度為10~60℃，固液比為1:2~10，然後以各種形式之板框壓濾機、帶式壓濾機、或各種形式之離心機進行固液分離；如為板框壓濾機，壓力為0.5~1.0 MPa，溫度控制在20~100℃，如為離心機，則其轉速為1000~4000轉/分鐘。

步驟2：固液體分別進行鹼性及酸性化學水解。

超音波溶解並進行固液分離後，鹼性濾液進入鹼性化學水解裝置，進行化學水解，鹼性條件pH值控制在8~9，溫度控制在120~200℃，壓力控制在0.2~1.6 MPa，反應時間為1~8小時；於步驟1固液分離後之固體部分，如以板框壓濾機和帶式壓濾機形成之污泥餅，先經破碎後，再進入酸性化學水解裝置，如以離心機分離，固體部分直接進入酸性化學水解裝置，pH值控制在1~4，溫度控制在150~250℃，壓力控制在0.3~2.0 MPa，反應時間為1~8小時，固液比為1:2~10。

步驟3：進入機械過濾裝置進行過濾。

鹼性化學水解完成後，直接進入美拉德反應裝置；酸性化學水解完成後，經固液分離，如為板框式壓濾機，壓力為0.5~1.0 MPa，溫度控制在20~100℃，如為離心機，固體部分可以不用破碎，其轉速為1000~4000轉/分鐘。固液分離液進入美拉德反應裝置，進行分子重排之美拉德反應，形成碳氮複合物，反應之pH值控制在3~9，反應溫度為30~100℃，壓力為常壓，反應時間30分鐘~4小時，反應完成後，進入機械過濾裝置進行過濾；而機械過濾裝置之濾速控制在3~10 m/H，於步驟2中之二次化學水解過程中，產生的廢氣含揮發性脂肪酸，以自動化抽氣裝置輸送至吸收裝置，以石灰水吸收中和，石灰水之pH值控制在6~8，形成難溶的脂肪酸鈣，經固液分離後，液體部分循環使用，重新添加石灰作為吸收劑，脂肪酸鈣加入經化學水解後固液分離之固體部分，作為培養改良劑；機械過濾後之濾液，進入微孔膜過濾器，操作壓力為0.05~0.6 MPa，濾速為1~50 L/m² ，其透過液進入鈉濾膜過濾器，操作壓力控制在0.1~0.6 MPa，濾速為1~10 L/m² ，透過液進入逆滲透膜過濾器，操作壓力控制在1.0~3.0 MPa，濾速為1~10 L/m² ；步驟4：進入三效真空蒸發濃縮器。

三種膜過濾器之濃縮液，混合後，進入三效真空蒸發濃縮器，來自鍋爐蒸氣熱交換器之熱空氣，溫度為100~250℃，一效蒸發器溫度為80℃，二效為70℃，三效為60℃，真空負壓為0.1~0.8 MPa，濃縮液含水率控制在40~90%；步驟5：進入旋轉閃蒸乾燥機。

經三效真空蒸發濃縮器分離出來的濃縮液，進入旋轉閃蒸乾燥機，以鍋爐產生之熱空氣，將溫度控制在100~300℃，乾燥後物料含水率控制在5~30%，冷卻後進行計量包裝，即為水溶性速效有機肥料產品；酸性水解後固液分離之固體部分，加上機械過濾器之濾出物，以及廢氣吸收後固液分離的脂肪酸鈣，三部分混合起來，乾燥脫水並劑量包裝，即為土壤改良劑，如園藝綠化用之營養劑。

有關本發明之詳細說明及技術內容，現配合圖式說明如下：

請參閱第1圖所示，圖中見悉，係本發明用活性污泥生產水溶性速效有機肥的方法步驟流程示意圖，首先進行A步驟1：『活性污泥以超音波溶解，並進行固液分離』；活性污泥在pH值8~9的條件下，以超音波溶解裝置進行溶解，溶解的物質主要為蛋白質、腐植酸和水溶性醣類，超音波之頻率為10~100 KHz，溶解時間為10分鐘~1小時，溶解溫度為10~60℃，固液比為1:2~10，然後以各種形式之板框壓濾機、帶式壓濾機、或各種形式之離心機進行固液分離；如為板框壓濾機，壓力為0.5~1.0 MPa，溫度控制在20~100℃，如為離心機，則其轉速為1000~4000轉/分鐘。

再進行B步驟2：『固液體分別進行鹼性及酸性化學水解』；超音波溶解並進行固液分離後，鹼性濾液進入鹼性化學水解裝置，進行化學水解，鹼性條件pH值控制在8~9，溫度控制在120~200℃，壓力控制在0.2~1.6 MPa，反應時間為1~8小時；於A步驟1固液分離後之固體部分，如以板框壓濾機和帶式壓濾機形成之污泥餅，先經破碎後，再進入酸性化學水解裝置，如以離心機分離，固體部分直接進入酸性化學水解裝置，pH值控制在1~4，溫度控制在150~250℃，壓力控制在0.3~2.0 MPa，反應時間為1~8小時，固液比為1:2~10。

再進行C步驟3：『進入機械過濾裝置進行過濾』；鹼性化學水解完成後，直接進入美拉德反應裝置；酸性化學水解完成後，經固液分離，如為板框式壓濾機，壓力為0.5~1.0 MPa，溫度控制在20~100℃，如為離心機，固體部分可以不用破碎，其轉速為1000~4000轉/分鐘。固液分離液進入美拉德反應裝置，進行分子重排之美拉德反應，形成碳氮複合物，反應之pH值控制在3~9，反應溫度為30~100℃，壓力為常壓，反應時間30分鐘~4小時，反應完成後，進入機械過濾裝置進行過濾；而機械過濾裝置之濾速控制在3~10 m/H，於步驟2中之二次化學水解過程中，產生的廢氣含揮發性脂肪酸，以自動化抽氣裝置輸送至吸收裝置，以石灰水吸收中和，石灰水之pH值控制在6~8，形成難溶的脂肪酸鈣，經固液分離後，液體部分循環使用，重新添加石灰作為吸收劑，脂肪酸鈣加入經化學水解後固液分離之固體部分，作為培養改良劑；機械過濾後之濾液，進入微孔膜過濾器，操作壓力為0.05~0.6 MPa，濾速為1~50 L/m² ，其透過液進入鈉濾膜過濾器，操作壓力控制在0.1~0.6 MPa，濾速為1~10 L/m² ，透過液進入逆滲透膜過濾器，操作壓力控制在1.0~3.0 MPa，濾速為1~10 L/m² ；再進行D步驟4：『進入三效真空蒸發濃縮器』；三種膜過濾器之濃縮液，混合後，進入三效真空蒸發濃縮器，來自鍋爐蒸氣熱交換器之熱空氣，溫度為100~250℃，一效蒸發器溫度為80℃，二效為70℃，三效為60℃，真空負壓為0.1~0.8 MPa，濃縮液含水率控制在40~90%；再進行E步驟5：『進入旋轉閃蒸乾燥機』；經三效真空蒸發濃縮器分離出來的濃縮液，進入旋轉閃蒸乾燥機，以鍋爐產生之熱空氣，將溫度控制在100~300℃，乾燥後物料含水率控制在5~30%，冷卻後進行計量包裝，即為水溶性速效有機肥料產品；酸性水解後固液分離之固體部分，加上機械過濾器之濾出物，以及廢氣吸收後固液分離的脂肪酸鈣，三部分混合起來，乾燥脫水並劑量包裝，即為土壤改良劑，如園藝綠化用之營養劑。

再請參閱「第2圖」所示，圖中見悉，係本發明用活性污泥生產水溶性速效有機肥的方法處理流程示意圖，該活性污泥100與5%之鹼液101同時進入超音波溶解裝置10，超音波之頻率為30 KHz，溶解時間為30分鐘，溫度為常溫(20℃)。溶解完成後，進入固液分離裝置11，即離心機進行分離，離心機之轉速為3600轉/分鐘，分離後的固體部分110，進入酸性化學水解裝置12，加入濃度20%之硫酸120，通入自鍋爐121產生的蒸氣122，溫度控制在180℃，壓力為1.5 MPa，反應時間2小時，反應完成後，進入固液分離裝置13，即離心機，離心機轉速3600轉/分鐘，離心後的固體部分130，以石灰水131加入中和裝置132內pH值為6.5後，進入乾燥脫水機14，以來自鍋爐121之熱空氣1210將溫度控制在250℃，然後進入冷卻機15，用常溫(20℃)空氣冷卻至40℃以下，然後進行劑量包裝150，即成土壤改良劑151，或園藝綠化營養劑152；於前述離心後的固體部分130同時進行中和攪拌者，尚有機械過濾器170濾出之濾渣178，以及二次化學水解廢氣161吸收淨化產生之脂肪酸鈣，可以加石灰水131至中和裝置132內pH值為7。

於二次化學水解所形成之廢氣161含揮發性脂肪酸，以自動化抽氣裝置輸送至吸收裝置162，以石灰水163吸收中和，石灰水163之pH值控制在6~8，形成難溶的脂肪酸鈣，經固液分離裝置164後，液體部分165循環使用，重新添加石灰水163作為吸收劑，脂肪酸鈣加入經化學水解後固液分離之固體部分166，作為培養改良劑。

超音波溶解並固液分離後之液體部分16，進入鹼性化學水解裝置160，用鍋爐121產生之蒸氣122，將溫度控制在180℃，壓力控制在1.8 MPa，pH值則控制在8，反應時間為1.5小時，反應完成後，與酸性水解液133一同進入美拉德反應裝置17，進行分子重排的美拉德反應，反應時間為2小時，反應溫度為常溫(20℃)，然後進入機械過濾器170，過濾速度為10 L/m² ，操作壓力為0.3 MPa，溫度為常溫(20℃)，所過慮之濾液171透過微孔膜過慮器172形成透過液173進入鈉濾膜過濾器174，操作壓力為0.25 MPa，溫度為40℃，濾速為4 L/m² ，最後進入逆滲透膜過濾器175，操作壓力為2.0 MPa，溫度為40℃，濾速為3 L/m² ，最後之滲透水176可以回收再利用177。三種膜過濾器之濃縮液179，平均濃度控制在固體含量15%左右，進入三效真空蒸發濃縮器18，進行蒸發濃縮，以來自鍋爐121之熱空氣1210，將溫度控制在250℃，一效溫度控制在80℃，二效溫度控制在70℃，三效溫度控制在60℃，真空負壓控制在0.6 MPa，濃縮液179濃度控制在固體含量80%，通過給料機進入旋轉閃蒸乾燥機180，進行乾燥脫水，熱空氣1210來自於鍋爐121熱交換器，溫度控制在250℃左右，乾燥脫水後之物料含水率控制在10%以內，經冷卻機181使存於儲料槽182中之物料冷卻至40℃以下時，進行劑量包裝183，即為水溶性有機肥184產品。

綜此，前述說明書中，本發明以特定具體實施例為參考來描述，然而顯然各種的修正與改變都不脫離本創作之寬廣的精神與範圍。而該對應之說明與圖示係用來加以說明而非限制本發明之範疇。因此，表示本發明應涵蓋所有出現在本發明之附加的申請專利範圍與其相等項之修正與變化。

10．．．超音波溶解裝置

100．．．活性污泥

101．．．鹼液

11．．．固液分離裝置

110．．．固體部分

12．．．酸性化學水解裝置

120．．．硫酸

121．．．鍋爐

122．．．蒸氣

13．．．固液分離裝置

130．．．固體部分

131．．．石灰水

132．．．中和裝置

14．．．乾燥脫水機

15．．．冷卻機

150．．．劑量包裝

151．．．土壤改良劑

152．．．園藝綠化營養劑

16．．．液體部分

160．．．鹼性化學水解裝置

161．．．廢氣

162．．．吸收裝置

163．．．石灰水

164．．．固液分離裝置

165．．．液體部分

166．．．固體部分

170．．．機械過濾器

178．．．濾渣

121．．．鍋爐

122．．．蒸氣

133．．．酸性水解液

17．．．美拉德反應裝置

170．．．機械過濾器

171．．．濾液

172．．．微孔膜過慮器

173．．．透過液

174．．．鈉濾膜過濾器

175．．．逆滲透膜過濾器

176．．．滲透水

177．．．回收再利用

179．．．濃縮液

18．．．三效真空蒸發濃縮器

180．．．旋轉閃蒸乾燥機

181．．．冷卻機

182．．．儲料槽

183．．．劑量包裝

184．．．水溶性有機肥

A．．．步驟1

B．．．步驟2

C．．．步驟3

D．．．步驟4

E．．．步驟5

第1圖：係本發明用活性污泥生產水溶性速效有機肥的方法之步驟流程示意圖。

第2圖：係本發明用活性污泥生產水溶性速效有機肥的方法之處理流程示意圖。

A．．．步驟1

B．．．步驟2

C．．．步驟3

D．．．步驟4

E．．．步驟5

Claims (8)

1. 一種用活性污泥生產水溶性速效有機肥的方法，先後經二次化學水解(即鹼性水解和酸性水解)，製成水溶性有機肥料、土壤改良劑或園藝綠化用培養土，包括下列步驟：步驟1：『活性污泥以超音波溶解，並進行固液分離』，活性污泥在pH值8~9的條件下，以超音波溶解裝置進行溶解，溶解的物質主要為蛋白質、腐植酸和水溶性醣類，超音波之頻率為10~100 KHz，溶解時間為10分鐘~1小時，溶解溫度為10~60℃，固液比為1:2~10，然後以各種形式之板框壓濾機、帶式壓濾機、或各種形式之離心機進行固液分離；如為板框壓濾機，壓力為0.5~1.0 MPa，溫度控制在20~100℃，如為離心機，則其轉速為1000~4000轉/分鐘；步驟2：『固液體分別進行鹼性及酸性化學水解』，超音波溶解並進行固液分離後，鹼性濾液進入鹼性化學水解裝置，進行化學水解，鹼性條件pH值控制在8~9，溫度控制在120~200℃，壓力控制在0.2~1.6 MPa，反應時間為1~8小時；於步驟1固液分離後之固體部分，如以板框壓濾機和帶式壓濾機形成之污泥餅，先經破碎後，再進入酸性化學水解裝置，如以離心機分離，固體部分直接進入酸性化學水解裝置，pH值控制在1~4，溫度控制在150~250℃，壓力控制在0.3~2.0 MPa，反應時間為1~8小時，固液比為1:2~10；步驟3：『進入機械過濾裝置進行過濾』，鹼性化學水解完成後，直接進入美拉德反應裝置；酸性化學水解完成後，經固液分離，如為板框式壓濾機，壓力為0.5~1.0 MPa，溫度控制在20~100℃，如為離心機，固體部分可以不用破碎，其轉速為1000~4000轉/分鐘。固液分離液進入美拉德反應裝置，進行分子重排之美拉德反應，形成碳氮複合物，反應之pH值控制在3~9，反應溫度為30~100℃，壓力為常壓，反應時間30分鐘~4小時，反應完成後，進入機械過濾裝置進行過濾；而機械過濾裝置之濾速控制在3~10/H，於步驟2中之二次化學水解過程中，產生的廢氣含揮發性脂肪酸，以自動化抽氣裝置輸送至吸收裝置，以石灰水吸收中和，石灰水之pH值控制在6~8，形成難溶的脂肪酸鈣，經固液分離後，液體部分循環使用，重新添加石灰作為吸收劑，脂肪酸鈣加入經化學水解後固液分離之固體部分，作為培養改良劑；機械過濾後之濾液，進入微孔膜過濾器，操作壓力為0.05~0.6 MPa，濾速為1~50 L/m² ，其透過液進入鈉濾膜過濾器，操作壓力控制在0.1~0.6 MPa，濾速為1~10 L/m² ，透過液進入逆滲透膜過濾器，操作壓力控制在1.0~3.0 MPa，濾速為1~10 L/m² ；步驟4：『進入三效真空蒸發濃縮器』，三種膜過濾器之濃縮液，混合後，進入三效真空蒸發濃縮器，來自鍋爐蒸氣熱交換器之熱空氣，溫度為100~250℃，一效蒸發器溫度為80℃，二效為70℃，三效為60℃，真空負壓為0.1~0.8 MPa，濃縮液含水率控制在40~90%；步驟5：『進入旋轉閃蒸乾燥機』，經三效真空蒸發濃縮器分離出來的濃縮液，進入旋轉閃蒸乾燥機，以鍋爐產生之熱空氣，將溫度控制在100~300℃，乾燥後物料含水率控制在5~30%，冷卻後進行計量包裝，即為水溶性速效有機肥料產品；酸性水解後固液分離之固體部分，加上機械過濾器之濾出物，以及廢氣吸收後固液分離的脂肪酸鈣，三部分混合起來，乾燥脫水並劑量包裝，即為土壤改良劑，如園藝綠化用之營養劑。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用活性污泥生產水溶性速效有機肥的方法，其中其特徵在於步驟1中超音波溶鹼性解裝置，其超音波頻率為10k Hz~100k Hz，溫度為20~60℃，溶解時間為10分鐘~1小時；而步驟2中鹼性水解pH值控制在8~9，溫度控制在120~200℃，壓力控制在0.2~1.6 MPa，反應時間控制在1~8小時；酸性水解pH值控制在1~4，溫度控制在150~250℃，壓力控制在0.3~2.0 MPa，反應時間控制在1~8小時，固液比控制在1:2~10。
3. 如申請專利範圍第1項所述之用活性污泥生產水溶性速效有機肥的方法，其特徵在於步驟3中之美拉德反應，pH值控制在3~9，溫度控制在30~100℃，壓力為常壓，反應時間控制在30分鐘~4小時；機械過濾器之濾速控制在3~10 m/H；而廢氣以石灰水中和之pH值控制在6~8。
4. 如申請專利範圍第1項所述之用活性污泥生產水溶性速效有機肥的方法，其特徵在於步驟1、2、3中的固液分離裝置，為各種形式之板框式壓濾機、帶式壓濾機、或各種形式之離心機，板框式壓濾機與帶式壓濾機之濾餅，須先經破碎後，才能進行水解，板框壓濾機之壓力控制在0.5~1.0 MPa，溫度控制在20~100℃，離心機轉速控制在1000~4000轉/分鐘。
5. 如申請專利範圍第1項所述之用活性污泥生產水溶性速效有機肥的方法，其特徵在於步驟4微孔膜過濾器的操作壓力為0.05~0.6 MPa，濾速為1~50 L/m² ；鈉過濾器的操作壓力為0.1~0.6 MPa，濾速為1~10 L/m² ；逆滲透膜過濾器的操作壓力為1.0~3.0 MPa，濾速為1~00 L/m² 。
6. 如申請專利範圍第1項所述之用活性污泥生產水溶性速效有機肥的方法，其特徵在於步驟4中三效真空蒸發濃縮器之操作溫度控制在100~300℃，一效溫度為80℃，二效溫度為70℃，三效溫度為60℃，真空壓力為0.1~0.8 MPa，濃縮液含水量控制在40~90%。
7. 如申請專利範圍第1項所述之用活性污泥生產水溶性速效有機肥的方法，其特徵在於步驟5中的旋轉閃蒸乾燥機，其熱空氣溫度控制在100~300℃，乾燥後物料含水量控制在5~30%。
8. 如申請專利範圍第1項所述之用活性污泥生產水溶性速效有機肥的方法，其特徵在於除活性污泥外，還可與包括有機生活垃圾、廚餘垃圾、禽畜糞尿、農作物截桿、漁業、食品業、油脂加工業、植物水解工業之有機殘渣等有機廢棄物，其中的一種或二種以上混合處理，亦可以僅單獨處理上述有機廢棄物其中的一種或二種以上混合物，進行鹼性和酸性的二次化學水解反應，製成水溶性有機肥料、土壤改良劑，以及園藝綠化營養劑。