CN113462393A

CN113462393A - 一种高寒高海拔地区湿有机质生物干化处理方法

Info

Publication number: CN113462393A
Application number: CN202110869662.2A
Authority: CN
Inventors: 刘树根; 陈越; 叶富英; 黄建洪; 刘庆龄; 吕学斌
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2021-10-01

Abstract

本发明公开了一种高寒高海拔地区湿有机质生物干化处理方法，属于固体废物处理及资源化利用技术领域。本发明将高寒高海拔地区湿有机质如污水厂污泥、畜禽粪便、城市湿垃圾中的任一种或多种按比例混合，并将部分待处理物料中掺混入青稞秸秆等农林废弃物以及粘结剂、发泡剂以制备球形颗粒状填充剂，生物干化进程中适量加入外源试剂以提升干化作用效果。生物干化体系中添加增氧剂，干化处理5‑10d，所得产物可用于焚烧发电；生物干化体系中添加增氧剂与调质改良剂，干化处理10‑15d，所得产物可用作园艺或矿区土壤修复的生物有机质。

Description

一种高寒高海拔地区湿有机质生物干化处理方法

技术领域

本发明属于固体废物处理及资源化利用技术领域，具体涉及一种高寒高海拔地区湿有机质生物干化处理方法。

背景技术

湿有机质广泛来源于人类日常生活、农业生产、市政工程等，随着社会不断发展、人们生活水平不断提高，高寒高海拔地区湿有机质的产量明显增长，如西藏拉萨地区2017年污泥产量达8.23×10⁴ t（含水率80%）。城市湿垃圾、污水厂污泥、畜禽粪便等水分含量高，最终焚烧或资源化利用前必须进行干化处理。若直接将污泥等水分含量高的湿有机质通过晾晒或自然堆存的方式加以处理，会占用大量土地，且晾晒时湿物料外部水分先行去除并形成胶粘层，从而阻碍内部水分的进一步去除。常规的热干化方式通过提供外部热源将湿物料中的水分蒸发，具有占地面积小、水分减量明显这类优点，但同样存在投资和运行费用高、换热效果低、设备运行能耗高等不足之处，因而没有在我国大面积推广应用。生物干化通过有机底物的好氧代谢维持体系的自热、高温状态，堆体的热量与水分由内向外进行传递，干化作用效果相对更为明显。从原理上看，湿有机质生物干化进程与好氧堆肥具有较大程度的相似性。现有专利CN2253347T、CN101200386A、CN10372427A针对不同类型的生活垃圾开发了好氧堆肥装置，解决堆肥过程通风供氧、翻堆、传感器等问题。针对好氧堆肥过程周期长、滤液液产生量大，并结合热干化过程能耗高等特点，CN102557764B公布了一种生活垃圾生物干化反应器及垃圾生物干化方法，通过实时监测通风***以及堆体内部环境，在线调整通风流量及翻堆频次，并通过PLC 自动控制实现物料的干化处理。

已有研究表明，湿有机质堆肥或干化处理进程中，有机质含量高或者通风、供氧不足等因素会导致堆体酸化现象甚为明显，进而导致堆体温度难以达到高温状态，即使延长处理周期也难以达到既定的作用效果；另外，填料（或填充剂）对有机质干化进程水分去除、有机物腐殖化均存在明显影响，以花生壳、玉米芯、秸秆等农林废弃物作为填充剂，这是生物干化体系通常采用的方式；但对高寒高海拔地区而言，以上废弃物料来源缺乏，湿物料生物干化过程所需的填充剂问题难以有效解决。

高寒高海拔地区具有气压低、昼夜温差大、氧含量相对较低这类典型特征，势必对湿有机质生物干化进程产生明显影响。若采取平原地区生物干化的通风速率，堆体往往会处于氧明显不足的状况；若明显加大通风速率，堆体会因低温空气进入量大而出现难以升温、高温期短这类不良后果。可以看出，目前开发的常规生物干化技术，尚难以有效满足高寒高海拔地区含水率高的湿有机质生物干化的内在需求。

发明内容

本发明提供一种高寒高海拔地区湿有机质生物干化技术方法，针对高寒高海拔地区氧含量较低、昼夜温差大等典型特征，生物干化体系中添加外源试剂以起到增氧、调节堆体酸碱度等作用，并利用待处理有机质物料与粘结剂、发泡剂混合制备填充剂，保证湿物料干化处理过程通风良好，所得干化产品可用于焚烧发电或用作园艺或矿区土壤修复的生物有机质。

本发明的实施步骤如下：

（1）将待处理湿有机质调整至含水率63-68%，得到预处理料；

（2）取步骤（1）中部分预处理料，按不同比例同时添加粘结剂与发泡剂，搅拌均匀后制作为1.5-3cm粒径的球形颗粒填充剂；

（3）将步骤（1）中剩余的预处理料与步骤（2）所得填充剂混合，再按比例加入外源试剂，混匀后送入生物干化装置中进行处理；

（4）出料所得干化产品部分返回步骤（1）中用于调配含水率，其余干化产品进行后续利用。

优选的，所述湿有机质为污水厂污泥、畜禽粪便、城市湿垃圾中的任一种或多种。

优选的，步骤（2）所述粘结剂为聚乙烯醇、树脂中的任一种或多种，其加入量的质量比为预处理料：粘结剂=(5-10)：1。

优选的，步骤（2）所述的粘结剂中还包括青稞秸秆，将青稞秸秆绞碎至长度为0.5-1cm，之后按照1：(40-60）的比例将青稞秸秆与预处理料混合。

优选的，步骤（2）加入碳酸盐发泡剂，发泡剂的添加量约为1-10%制备填充剂所用预处理料的质量；混合均匀后置于100-120℃条件下制作为1.5-3cm左右球形颗粒。

优选的，步骤（3）中填充剂与预处理料的混合比为1：(5-20)。

优选的，步骤（3）中外源试剂仅有增氧剂，生物干化装置内通风强度设定为0.5 Lmin^-1kg^-1，反应器转速为5-15 r/min，干化温度最高可达到72℃，干化周期为5-10d，所得干化产物部分返回步骤（1）中用于调配含水率，剩余部分用于焚烧发电。

优选的，步骤（3）中外源试剂为增氧剂和调质改良剂，生物干化装置内通风强度设定为0.5 L min^-1kg^-1，反应器转速为5-15 r/min，干化温度最高可达到72℃，干化周期为10-15d，所得干化产物部分返回步骤（1）中用于调配含水率，剩余部分用作园艺或矿区土壤修复的生物有机质肥料。

优选的，步骤（3）增氧剂为所述增氧剂为CaO₂或CaO₂、Na₂O₂的混合物优选的，增氧剂的添加量为增氧剂：预处理料=1：(100-150)；当所述增氧剂为CaO₂、Na₂O₂混合物时，二者质量比为CaO₂：Na₂O₂=(6-20)：1；反应式为：CaO₂+H₂O→2Ca(OH)₂+O₂↑, Na₂O₂+ H₂O→NaOH+O₂↑, 生成的氧气可供微生物好氧代谢，生成的碱可预防高有机质含量而导致的堆体酸化。

优选的，步骤（3）调制改良剂为水锰矿砂或赤铁尾矿，调制改良剂添加量为调制改良剂：预处理料= 1：(10-30)；水锰矿砂或赤铁尾矿中含有Mn、Fe等元素，堆体中少量Mn²⁺、Fe³⁺能促进糖和胺类物质缩合成Schiff碱，又不会因为过量将中间产物氧化，从而加快生物干化的腐殖化进程。

本发明技术效果：

1）采用生物干化技术处理高寒高海拔地区含水率高的城市湿垃圾、污泥厂污泥、畜禽粪便等，利用有机质氧化代谢内部放热而实现堆体自热升温，热量传递由内而外，有效防止堆体板结而导致内部水分被锁死。

2）混合处理的物料中添加外源含氧试剂，预防堆体酸化，同时有供氧、放热作用效果，加强堆体生物干化效果。

3）常规生物干化处理时，采用稻草、秸秆、花生壳等作为填充剂，高寒高海拔地区该类物料来源缺乏，因而将待处理的湿有机质与粘结剂、发泡剂混合以制备填充剂，其间还可以添加青稞秸秆作为填充剂骨料，干化处理进程中填充剂制备经济、简便，且有利于实现农林废弃物的资源化利用。

4）添加少量尾矿至生物干化体系中，促进糖和胺类物质缩合成Schiff碱，加快生物干化的腐殖化进程，所得干化产物适于用作园艺或矿区土壤修复的生物有机质。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作详细说明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于所述内容。

实施例1

将城市污水厂脱水污泥（含水率约80%）与熟污泥（含水率约20%的干化产物）进行混合，混合后得到含水率约为65%的预处理料，以花生壳为填充剂，填充剂的添加量以预处理料的质量比计，具体操作如下：

（1）将花生壳和预处理料按1：20比例混合，搅拌均匀后送入生物干化装置，通气强度设定为0.5 L min^-1kg^-1，检测干化装置中心段的堆体温度；

（2）堆体温度维持在32-68℃，干化5d后堆体含水率约为55%；

设置湿有机质-牛粪作为对照组，对照组与实验组工况条件一致。干化5d时堆体最高温度可达70℃，干化8天时堆体平均含水率下降至53%。

实施例2

将牦牛粪便（含水率约84%）与其干化产物（干牛粪含水率22%）混合后得到含水率67%的预处理料，以花生壳或球形颗粒作为填充剂，填充剂添加量以预处理料的质量比计，具体操作如下:

（1）将85%预处理料与5%聚乙烯醇和10%酚醛树脂搅拌混合均匀，揉搓至无裂缝，成型为1.5-3cm粒径的球形颗粒后置于110-120℃烘箱内烘烤8h，使其受热定型，所得产品命名为球形颗粒A；

（2）生物干化开始前，将花生壳或球形颗粒A分别与预处理料按1：15比例混合，搅拌均匀，得到物料1和物料2；

（3）将物料1, 2分别送入生物干化装置T1，T2中进行干化处理，通气强度设定为0.5 L min^-1kg^-1，检测干化装置中心段的堆体温度；

（4）生物干化处理进程中，反应器T1温度维持在32-70℃，干化周期为5d; 反应器T2温度维持在33-71℃，干化周期为8d；

试验结果表明，填充剂类型对反应温度及干化完成后堆体的含水率有一定影响。反应器T1、T2在干化完成后含水率分别为53%、56%，在既定工况条件一致时，花生壳为更优的填充剂。

实施例3

将31.2%熟污泥（含水率20%）、68.8%牦牛粪便（含水率84%）进行混合，得到含水率为64%的预处理料，以球形颗粒A作为填充剂，填充剂添加量以预处理料的质量比计，具体操作如下：

（1）球形颗粒A制作方法与实施例2相同；

（2）生物干化开始前，将球形颗粒A与预处理料按1：5或1：10的比例混合，搅拌均匀，得到物料1与物料2；

（4）生物干化处理进程中，反应器T1温度维持在35-68℃，干化周期为8d; 反应器T2温度维持在36-69℃，干化周期为8d；

试验结果表明，填充剂比例影响干化体系的反应温度以及堆体的含水率。反应器T1、T2在干化完成后含水率分别下降至52 %、50%。

实施例4

本实施例所述增氧剂由以下原料按质量百分比制备得到：增氧剂A: 100% CaO₂；增氧剂B: 80%CaO₂，20% Na₂O₂。

将城市污水厂脱水污泥（含水率约80%）与熟污泥（含水率约20%的干化产物）进行混合，得到含水率65%的预处理料，以球形颗粒为填充剂，填充剂和增氧剂的添加量以预处理料的质量比计，具体操作如下：

（1）将87.5%预处理料与10%酚醛树脂混合，再加入2.5%的1cm青稞秸秆，搅拌混合均匀后揉搓至无裂缝，成型为2-3cm粒径的球形颗粒后置于110-120℃的烘箱内烘烤8h，使其受热定型，得到球形颗粒B；

（2）生物干化开始前，将增氧剂和预处理料按1：150混合并搅拌均匀；之后，将填充剂和预处理料按1：5的比例混合，并搅拌均匀；

（3）混匀后的物料送入生物干化装置中进行处理，通气强度设定为0.5 L min^-1kg^-1，检测干化装置中心段的堆体温度；

（4）生物干化处理进程中，堆体温度维持在35-70℃，干化周期为5d；

（5）处理1：本实施例增氧剂A处理；处理2：本实施例增氧剂B处理；

试验结果表明，添加增氧剂能有效降低生物干化体系堆体的含水率。添加增氧剂A或增氧剂B的两个反应器干化处理5d后，含水率分别下降至51.5%、52.3%。

实施例5

本实施例所述增氧剂A为CaO₂。

将城市湿垃圾（含水率68%）破碎筛分后与牦牛粪便（含水率84%）、熟污泥（含水率20%）混合得到含水率66%的预处理料，以球形颗粒为填充剂，本实施例所有外源试剂及填充剂量以预处理料的质量比计，具体操作如下：

（1）将80%预处理料与10%酚醛树脂混合，再加入5%的1cm青稞秸秆和5%的碳酸氢钠，搅拌混匀后揉搓至无裂缝，成型为2-3cm粒径的球形颗粒后置于110-120℃的烘箱内烘烤8h，使其受热定型，所得球形颗粒命名为球形颗粒C；

（2）生物干化开始前，将增氧剂和预处理料按1：100或1：130比例混合，同时再添加填充剂（填充剂：预处理料=1：5）搅拌均匀后分别命名物料1与物料2；

（3）将物料1, 2分别送入生物干化装置T1，T2中进行处理，通气强度设定为0.5 Lmin^-1kg^-1，检测干化装置中心段的堆体温度；

（4）生物干化处理进程中，反应器T1温度维持在32-71℃，干化周期为5d; 反应器T2温度维持在31-67℃，干化周期为5d;

对比试验结果表明，增氧剂比例对反应温度及干化完成后堆体的含水率均有影响。反应器T1、T2干化完成后含水率分别为51.9%、51.3%，但反应器T2高温期持续时间比T1延长了1d。

实施例6

将城市污水厂脱水污泥（含水率约80%）与熟污泥（含水率约20%的干化产物）进行混合，得到含水率65%的预处理料，以球形颗粒C作为填充剂，本实施例所有外源试剂及填充剂量以预处理料的质量比计，具体操作如下:

（1）球形颗粒C制作方法与实施例5相同;

（2）生物干化前，将外源试剂、填充剂、预处理料按如下方式进行处理：

处理1：将1：150的CaO₂、1：20的水锰矿砂、1：5的填充剂与预处理料混合均匀，得到物料1；

处理2：将1：150的CaO₂、1：30的水锰矿砂、1：5的填充剂与预处理料混合均匀，得到物料2；

（4）生物干化处理进程中，反应器T1温度维持在30-70℃，干化周期为12d; 反应器T2温度维持在32-69℃，干化周期为12d;

对比试验结果表明，调质改良剂比例对干化体系的反应温度及堆体含水率无明显影响，但干化产品的腐殖化进程有所不同。反应器T1在干化完成后含水率为51.5%，腐殖酸含量为12.1%；而反应器T2在干化完成后含水率为51%，腐殖酸含量为10.2%。

各实施例数据对比如上表。

Claims

1.一种高寒高海拔地区湿有机质生物干化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将待处理湿有机质调整至含水率63-68%，得到预处理料；

（3）将步骤（1）中预处理料与步骤（2）所得填充剂混合，再按比例加入外源试剂，混匀后送入生物干化装置中进行处理；

（4）出料所得干化产物部分返回步骤（1）中用于调配含水率，其余干化产物进行后续利用。

2.根据权利要求1所述的高寒高海拔地区湿有机质生物干化处理方法，其特征在于所述湿有机质为污水厂污泥、畜禽粪便、城市湿垃圾中的任一种或多种。

3.根据权利要求1所述的高寒高海拔地区湿有机质生物干化处理方法，其特征在于步骤（2）所述粘结剂为聚乙烯醇、树脂中的任一种或多种，加入量的质量比为预处理料：粘结剂=(5-10)：1。

4.根据权利要求1所述的高寒高海拔地区湿有机质生物干化处理方法，其特征在于步骤（2）所述的粘结剂中还包括青稞秸秆，将青稞秸秆绞碎至长度为0.5-1cm，之后按照1：（40-60）的质量比将青稞秸秆与预处理料混合。

5.根据权利要求1所述的高寒高海拔地区湿有机质生物干化处理方法，其特征在于步骤（2）中按照制备填充剂所用预处理料1-10%质量比添加碳酸盐发泡剂。

6.根据权利要求1所述的高寒高海拔地区湿有机质生物干化处理方法，其特征在于步骤（3）中填充剂与预处理料的混合比为1：(5-20)。

7.根据权利要求1所述的高寒高海拔地区湿有机质生物干化处理方法，其特征在于步骤（3）中外源试剂为增氧剂，其添加量为增氧剂：预处理料=1：(100-150)，干化周期为5-9d；所得干化产品部分返回步骤（1）中用于调配含水率，剩余部分用于焚烧发电。

8.根据权利要求1所述的高寒高海拔地区湿有机质生物干化处理方法，其特征在于步骤（3）中外源试剂为增氧剂和调质改良剂，调制改良剂为水锰矿砂或赤铁尾矿；两类外源试剂添加量分别为：增氧剂：预处理料=1：(100-150)，调制改良剂：预处理料= 1：(10-30)，干化周期为10-15d，所得干化产品部分返回步骤（1）中用于调配含水率，剩余部分用作园艺或矿区土壤修复的有机质肥料。

9.据权利要求7或8所述的高寒高海拔地区湿有机质生物干化处理方法，其特征在于所述增氧剂为CaO₂或CaO₂、Na₂O₂的混合物，当所述增氧剂为CaO₂、Na₂O₂混合物时，二者质量比为CaO₂：Na₂O₂=(6-20)：1。