CN117285397A

CN117285397A - 一种高效快速有机固体废弃物好氧堆肥装置和堆肥方法

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Publication number: CN117285397A
Application number: CN202311177260.1A
Authority: CN
Inventors: 张亚雷; 杨明超; 张涛; 周雪飞; 高峰; 褚华强; 陈家斌
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2023-09-12
Filing date: 2023-09-12
Publication date: 2023-12-26

Abstract

本发明属于有机废弃物好氧堆肥技术领域，提供了一种有机固体废弃物好氧堆肥方法和装置。方法包括：将有机固体废弃物与调理剂混合均匀并将混料含水率降低至20％‑30％，获得第一次混料；向上述所获得的堆体第一次混料中补充氧纳米气泡水使堆体含水率升至55％‑60％，获得第二次混料；向上述堆体混料内接种EM菌剂后并充分混匀，然后获得发酵原料；之后将上述所获得的发酵原料装入发酵装置内，进行好氧发酵并定期搅拌，待温度上升后打开曝气泵进行曝气，以保证物料能够充分发酵，直到发酵完成。本发明能够加快堆肥启动进程、缩短堆肥周期，实现堆肥能耗减少和运行成本降低，减少臭气排放和氮素流失，从而提高最终堆肥的肥效。

Description

一种高效快速有机固体废弃物好氧堆肥装置和堆肥方法

技术领域

本发明属于有机废弃物好氧堆肥技术领域，涉及一种好氧堆肥装置和堆肥方法。具体而言，本发明涉及一种高效快速有机固体废弃物好氧堆肥装置、堆肥方法及其应用。

背景技术

有机固体废弃物是指包括餐厨废弃物、城市污水处理厂污泥、畜禽粪便、秸秆以及园林绿化垃圾等有机废弃物，含有大量的有机质，这些有机质多数容易被微生物所利用。过去，处理这些有机固体废弃物的主要方法是填埋和焚烧，但这些方法都存在环境污染的问题。填埋会污染地下水资源，而焚烧会产生大量的有害气体对大气环境造成破坏。为了减少对环境的影响，需要采用更加环保的处理方式。好氧堆肥发酵是目前应用最广泛、经济性最好的有机固体废弃物的综合利用方法，是在有氧的条件下，利用有机固体废弃物中的有机物和生物残体为主要原料，通过微生物的降解作用，将有机残体转变为有机质产生二氧化碳和水，同时释放大量生物热的生物化学过程。但该过程若供氧不足，也会伴随着氨气、硫化氢等臭气产生，污染周边空气环境的同时还会造成堆体氮素的流失。

目前，堆肥的通气主要包括翻堆和强制曝气，强制曝气是通过鼓风机往堆肥装置中通入空气，曝气管道位置通常在堆体底部，且由于管道表面积小，物料跟空气的接触不均匀。此外，这类曝气方式在运行过程中通气孔也容易被物料堵塞，降低通气效果，从而影响堆肥发酵的进程，延长堆肥周期，且鼓风机的长时间运行能耗高，增加堆肥处理成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种有机固体废弃物好氧堆肥方法，解决传统好氧堆肥过程中堆肥启动慢、堆肥周期长、臭气问题严重和氮素损失较大等问题。

本发明要解决的第二个技术问题是提供用于上述有机固体废弃物好氧堆肥方法的有机固体废弃物好氧堆肥装置。

针对有机固体废弃物传统好氧堆肥过程中堆肥启动慢、堆肥周期长、臭气问题严重和氮素损失较大等问题现状，本发明提出了一种高效快速有机固体废弃物好氧堆肥装置和堆肥方法，该方法在堆肥过程中通过在堆肥原料中添加氧纳米气泡从而达到对堆体均质供氧目的，进而加快堆肥启动进程、缩短堆肥周期，实现堆肥能耗减少和运行成本降低。进一步地，通过改进曝气盘排布方式和采用封闭式装置构造，来确保堆体物料处于良好的好氧环境中，减少臭气排放和氮素流失，从而提高最终堆肥的肥效。本发明在上述研究基础上完成。

本发明提供了一种有机固体废弃物好氧堆肥方法，包括以下步骤：

步骤一、将有机固体废弃物与调理剂混合均匀并将混料含水率降低至20％-30％，获得第一次混料；

步骤二、向上述所获得的堆体第一次混料中补充氧纳米气泡水使堆体含水率升至55％-60％，获得第二次混料；

步骤三、向上述堆体混料内接种EM菌剂后并充分混匀，然后获得发酵原料；之后将上述所获得的发酵原料装入发酵装置内，进行好氧发酵并定期搅拌，待温度上升后打开曝气泵进行曝气，以保证物料能够充分发酵，直到发酵完成。

EM菌剂也称为有效微生物菌剂，是一种混合菌剂，其中含有多种芽孢杆菌,放线菌,酵母菌,维生素,蛋白质,生物酶,松土剂,增效剂,氨基酸,微量元素等多种有效成分。具体可采用市场销售的EM粉末状菌剂，市场销售的EM的菌剂为塑料袋包装。

优选地，步骤一中的有机固体废弃物为畜禽粪便、餐厨垃圾、厕所粪污或污泥中的至少一种。

优选地，所述步骤一中的调理剂为植物类有机废弃物，其含水率低于5％，且要用粉碎机提前磨碎成粉末状。调理剂选自调理剂选自但不限于：秸秆、稻壳、锯末、花生壳。

优选地，所述步骤二中氧纳米气泡水中纳米气泡的平均粒径小于1μm。氧纳米气泡水可以通过在纳米水中增加溶解氧获得，例如使用曝气装置将制氧机获得的氧气与纳米水反应。将纳米气泡的平均粒径控制在1μm以下，纳米水的携氧能力能够满足本发明好氧堆肥的要求，提供EM菌剂所需耗氧量，同时能耗增加也较小，在可接受范围内。

纳米水是通过施加高压来分离水分子而产生的带电净水粒子，也叫纳米水离子。纳米水可以利用nanoe纳米水离子发生装置，聚集空气中的水分；冷却，并使之结露；通过给水施加高电压，逐步***水雾产生。纳米水比普通去离子水更保湿、水润。纳米水离子颗粒大小为水分子的10亿分之1，与一般负离子相比，稳定性高达6倍，具有弱酸性，PH值为5±0.5。本发明中使用氧纳米气泡水，相较于直接曝气有更好的氧化堆肥效果，氧气利用率更高，能耗更低。

优选地，所述步骤二中氧纳米气泡水与第一次混料均匀混合一起。

优选地，所述步骤三中当温度上升至50℃时，打开曝气装置。

优选地，所述步骤三中翻堆频率每4-6天翻堆搅拌一次，以保证物料能够充分发酵均匀。

优选地，当堆体温度降低至室温，关闭曝气泵，堆肥结束。

优选地，曝气装置的曝气流量为0.1-0.3L·min^-1·kg^-1。

本发明还提供了一种有机固体废弃物好氧堆肥装置，所述的有机固体废弃物好氧堆肥装置包括进料口1、冷凝盖2、e-PTFE(聚四氟乙烯)内膜3、冷凝水引流槽4、物料发酵仓5、引流槽排水管6、搅拌轴7、冷凝水收集箱10、搅拌机11、出料口14、排水管15。

进料口1和出料口14分别位于物料发酵仓5的两端；进料口1外部安置活动连接的冷凝盖2并设置冷凝水引流槽4，e-PTFE内膜3位于冷凝盖2内部；搅拌轴7贯穿物料发酵仓5中部，并与搅拌机11连接。冷凝盖2与冷凝水引流槽4相连，冷凝水沿冷凝盖2壁流入冷凝水引流槽4，接着通过引流槽排水管6将冷凝水排至冷凝水收集箱10中。

优选地，所述的有机固体废弃物好氧堆肥装置还包括搅拌叶8、曝气网盘9、电机12、中控箱13、车轮16中的一种或者多种。

优选地，所述的有机固体废弃物好氧堆肥装置还包括搅拌叶8，所述搅拌轴8均匀排布在搅拌叶7上。

优选地，曝气网盘9，曝气网盘9附在搅拌轴7表面。所述曝气网盘9的孔径直径为0.1-0.3cm。

优选地，搅拌机11与电机12和中控箱13连接。

优选地，车轮16位于整个有机固体废弃物好氧堆肥装置的下部。

优选地，所述物料发酵仓5的有效发酵空间为1-3m³。

优选地，所述冷凝盖2和e-PTFE内膜3之间设有第二密闭空间，且空间厚度为1-3cm。所述的e-PTFE是以聚四氟乙烯为原料经膨化拉伸形成的多微孔膜。PTFE膜表面布满原纤维状微孔，每一平方寸有多达90亿个微孔，截面是一种网络结构，在孔的三维结构上有网状联通、孔镶套、孔道弯曲等非常复杂的结构。水蒸气分子的直径为0.0004微米，而雨水中直径最小的轻雾的直径为20微米，毛毛雨的直径已经高达400微米，聚四氟乙烯微孔直径变化范围在0.1-0.5微米，孔隙直径在水蒸气和雨水之间。本发明的e-PTFE可以使用各种市售e-PTFE膜。

再一方面，本发明还提供了所述的有机固体废弃物好氧堆肥装置的应用。本发明用于有机固体废弃物堆肥化处理，提高堆肥效率，缩短了堆肥周期，降低了曝气装置运行能耗，减少臭气排放的同时也达到了保氮的目的。

本发明的高效快速有机固体废弃物好氧堆肥装置，它由进料口、冷凝盖、e-PTFE内膜、冷凝水引流槽、物料发酵仓、引流槽排水管、搅拌轴、搅拌叶、曝气网盘、冷凝水收集箱、搅拌机、电机、中控箱、出料口、排水管和车轮组成。其使用方法包括：一、将混合发酵料装入发酵仓中；二、通过中控箱控制搅拌频率、搅拌速率和曝气时间以保证物料发酵均匀；三、发酵腐熟料通过排料口排出收集。高效快速有机固体废弃物好氧堆肥装置使有机固体废弃物发酵均匀；提高堆肥效率，缩短堆肥周期，降低了曝气装置运行能耗，减少臭气排放的同时也达到了保氮的目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明的优点为：

(一)该封闭式好氧堆肥方法将有机固体废弃物加入调理剂及氧纳米气泡水混匀，于封闭式发酵装置中进行好氧发酵，通过e-PTFE(膨体聚四氟乙烯)膜将堆肥所产生臭气隔绝在内，阻止了好氧发酵产生的NH₃、SO₂、H₂S等臭气外溢，大大减少了堆肥周边臭气浓度。

(二)本发明在堆肥初始物料中混入氧纳米气泡水，保证堆肥初期氧气的均匀供应，减少了堆肥前期曝气环节，缩短了升温阶段时间，即本发明与常规堆肥技术相比，有效地加快了堆肥周期，去掉前期的曝气环节，既减少了热量的损失，又节约了能耗，结合水蒸汽凝结成水的物理作用，合理设置装置形状和尺寸，实现降低物料水分同时缩短了堆肥周期。本发明的装置和方法使用方便、操作简单，处理成本低，能耗低，具有极好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的每一幅附图针对本申请的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例1所述的高效快速有机固体废弃物好氧堆肥装置的结构示意图。

其中的附图标记为：进料口1、冷凝盖2、e-PTFE内膜3、冷凝水引流槽4、物料发酵仓5、引流槽排水管6、搅拌轴7、搅拌叶8、曝气网盘9、冷凝水收集箱10、搅拌机11、电机12、中控箱13、出料口14、排水管15和车轮16。

具体实施方式

本发明公开了一种高效快速有机固体废弃物好氧堆肥装置，包括进料口、冷凝盖、e-PTFE内膜、冷凝水引流槽、物料发酵仓、引流槽排水管、搅拌轴、搅拌叶、曝气网盘、冷凝水收集箱、搅拌机、电机、中控箱、出料口、排水管和车轮；所述物料发酵仓中心设置有搅拌轴，搅拌轴上设有搅拌桨，搅拌桨均匀排布以保证物料搅拌均匀；所述搅拌轴表面设有曝气网盘，曝气网盘能够随中轴搅拌过程旋转以保证不会被物料堵塞，且曝气网盘位于物料正中心，以保证实现堆体通气均匀，满足堆体的好氧需求；发酵仓顶部为冷凝盖，所述冷凝盖内侧附膨体聚四氟乙烯(e-PTFE)复合材料膜，一方面堆肥发酵过程所产生的水汽通过内膜后在盖内遇冷形成冷凝水沿盖壁流入冷凝水引流槽，另一方面复合膜可以阻止堆体发酵过程产生的氨气和挥发性有机物逸散到周围环境中，能够返回堆体进行二次发酵，冷凝水沿壁流入冷凝水引流槽通过引流槽排水管最终排入冷凝水收集箱；所述中控箱可以控制搅拌机搅拌频率、搅拌次数及曝气时长，发酵完成后物料通过底部出料口排出物料。

进一步，所述装置内部发酵空间为1-3m³，所述冷凝盖内侧覆盖有e-PTFE制成的内膜，内膜和冷凝盖之间行成第二密闭空间；

进一步，所述冷凝盖和进料口之间设有冷凝水引流槽，所述冷凝水引流槽可通过导流管将冷凝水排入冷凝水收集箱；

进一步，所述搅拌轴上均匀排布有搅拌桨，且搅拌轴上布有曝气网盘；

本发明利用上述一种高效快速有机固体废弃物好氧堆肥装置进行好氧堆肥方法，按以下步骤进行：

1)向有机固体废弃物中添加调理剂将混料含水率降低至20％-30％，获得初混料；

进一步，所述步骤1)方法中有机固体废弃物应包括畜禽粪便、餐厨垃圾、厕所粪污或污泥；

进一步，所述步骤1)方法中的调理剂含水率应低于5％，且要用粉碎机提前磨碎成粉末状；

2)向上述所获得的堆体初混料中补充氧纳米气泡水使堆体含水率升至55％-60％；

进一步，所述步骤2)方法中氧纳米气泡水中纳米气泡平均粒径应小于1μm；

进一步，所述步骤2)方法中氧纳米气泡水应与初混料均匀混合一起；

3)向上述堆体混料内接种EM菌剂后并充分混匀，然后获得发酵原料；

4)将上述所获得的发酵原料装入发酵装置内，进行好氧发酵并定期搅拌，待温度上升至50℃以上打开曝气泵进行曝气，以保证物料能够充分发酵。

进一步，所述步骤4)方法中曝气流量为0.1-0.3L·min^-1·kg^-1；

进一步，所述步骤4)方法中翻堆频率每4-6天翻堆搅拌一次，以保证物料能够充分发酵均匀。

进一步，所述步骤4)方法中堆体温度降低至室温，关闭曝气泵，堆肥结束。

下面将通过本申请的实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分优选实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本申请的保护范围。

实施例1

如图1所示，本实施例的高效快速有机固体废弃物好氧堆肥装置，它由进料口1、冷凝盖2、e-PTFE内膜3、冷凝水引流槽4、物料发酵仓5、引流槽排水管6、搅拌轴7、搅拌叶8、曝气网盘9、冷凝水收集箱10、搅拌机11、电机12、中控箱13、出料口14、排水管15和车轮16组成；

所述冷凝盖2和e-PTFE膜3之间的第二密闭空间厚度为1cm；

所述冷凝盖与冷凝水引流槽相连接，且冷凝水引流槽中冷凝水可通过引流槽排水管导入冷凝水收集箱中；

所述物料发酵仓5的有效容积为1m³；

所述搅拌轴7表面均匀排布有曝气网盘9，以保证曝气均匀，且搅拌桨叶8均匀排布在搅拌轴上。

猪粪中有机质含量高，是好氧堆肥常用的有机废弃物原料，但猪粪碳氮比较低，因此在堆肥过程中容易出现氮素以氨气的形式大量挥发，造成氮素损失的同时又会污染周边的空气环境。且猪粪含水率较高，须添加大量调理剂来降低物料含水率。常用的调理剂有锯末、稻壳、米糠等，当然也可以采用其他本领域常用的调理剂。

传统的好氧发酵手段升温启动慢且堆肥周期长，能耗高。本实施例采用封闭式好氧堆肥装置和方法，在装置顶部设施双层盖子，内层为e-PTFE(聚四氟乙烯)膜，且膜上均匀布置有＜0.2μm的微孔可透过水蒸气但是不能透过雨水，可有效阻止好氧发酵产生的NH₃、SO₂、H₂S等臭气外溢，大大减少堆肥周边臭气浓度。在物料初步混匀后，再通过添加氧纳米气泡水，使堆体含水率升至60％。堆体迅速升温，热量使堆体内水分以水蒸汽透过e-PTFE膜，同时外层冷凝盖可使透过膜孔的水蒸汽有效冷凝沿壁流入冷凝水引流槽，再通过导管排入收集箱中，从而降低物料的含水率。

当堆肥温度上升至50℃以上时，打开鼓风机进行曝气，通风速率设置为0.18L·min^-1·kg^-1以保证堆体内氧气充足，满足好氧菌(EM菌剂购自瀚邦生物)的生存需求，之后每5天搅拌一次以保证物料发酵均匀。

经过30天的发酵之后，在温度开始下降并接近环境温度，且含水率下降到35％以下，认为堆肥即将结束，同时关闭曝气装置。

实施例2

本实施例做出以下改进：

所述搅拌轴上可设置温度传感器和氧气传感器；当温度/氧气达到设定阈值后，装置可自动启动曝气装置以保证堆体内好氧条件稳定，保持好氧微生物持续稳定在高活性状态，加速堆肥进程。以传统堆肥作为对照组进行堆肥试验，堆肥温度降至室温视为堆肥结束。

表1堆肥过程中物料基本理化的变化

从表1数据可知，本实施例在好氧堆肥发酵过程中，处理组第一天堆肥温度就能达到50℃以上(无害化处理温度最低要求)，高温期可维持15天左右，然后温度逐渐降至室温，整个堆肥周期一共持续30天，对照组的高温期只有7天，总周期达45天，本发明可缩短15天的发酵周期，大大减少堆肥时间；处理组堆肥的总氮变化从初始的3.41％,经过30天发酵后，总氮含量增加至4.07％，而对照组不经任何处理，总氮含量从初始3.44％降低至2.39％；此外，处理组的最终发芽指数为116.52％，比对照组高27.49％。

其中，发芽指数按下列公式计算：

发芽指数(GI，％)＝(样品发芽率×平均根长)/(对照发芽率×平均根长)×100。

综上，可以发现本实施例不但堆肥启动快，保温效果好，堆肥效率高，而且前期无需曝气，操作简单，无臭气、废水等二次污染物排出。

以上所述的实施例仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本申请公开的技术范围内，可以不通过创造性劳动即能够联想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以本申请中权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种有机固体废弃物好氧堆肥方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的有机固体废弃物好氧堆肥方法，其特征在于，步骤一中的有机固体废弃物为畜禽粪便、餐厨垃圾、厕所粪污或污泥中的至少一种；

所述步骤一中的调理剂为植物类有机废弃物，其含水率低于5％，且要用粉碎机提前磨碎成粉末状。

3.根据权利要求1所述的有机固体废弃物好氧堆肥方法，其特征在于，所述步骤二中氧纳米气泡水中纳米气泡平均粒径小于1μm；或者，

所述步骤二中氧纳米气泡水与第一次混料均匀混合一起。

4.根据权利要求1所述的有机固体废弃物好氧堆肥方法，其特征在于，所述步骤三中当温度上升至50℃时，打开曝气装置；

所述步骤三中翻堆频率每4-6天翻堆搅拌一次，以保证物料能够充分发酵均匀；或者，

当堆体温度降低至室温，关闭曝气泵，堆肥结束。

5.根据权利要求1所述的有机固体废弃物好氧堆肥方法，其特征在于，调理剂选自调理剂选自但不限于：秸秆、稻壳、锯末、花生壳；或者，曝气装置的曝气流量为0.1-0.3L·min^-1·kg^-1。

6.一种有机固体废弃物好氧堆肥装置，其特征在于，所述的有机固体废弃物好氧堆肥装置包括进料口(1)、冷凝盖(2)、e-PTFE内膜(3)、冷凝水引流槽(4)、物料发酵仓(5)、引流槽排水管(6)、搅拌轴(7)、冷凝水收集箱(10)、搅拌机(11)、出料口(14)、排水管(15)；

进料口(1)和出料口(14)分别位于物料发酵仓(5)的两端；进料口(1)外部安置活动连接的冷凝盖(2)并设置冷凝水引流槽(4)，e-PTFE内膜(3)位于冷凝盖(2)内部；搅拌轴(7)贯穿物料发酵仓(5)中部，并与搅拌机(11)连接；

冷凝盖(2)与冷凝水引流槽(4)相连，冷凝水沿冷凝盖(2)壁流入冷凝水引流槽(4)，接着通过引流槽排水管(6)将冷凝水排至冷凝水收集箱(10)中。

7.根据权利要求6所述的有机固体废弃物好氧堆肥装置，其特征在于，所述的有机固体废弃物好氧堆肥装置还包括搅拌叶(8)、曝气网盘(9)、电机(12)、中控箱(13)、车轮(16)中的一种或者多种；

所述的有机固体废弃物好氧堆肥装置还包括搅拌叶(8)，所述搅拌叶(8)均匀排布在搅拌轴(7)上；

曝气网盘(9)，曝气网盘(9)附在搅拌轴(7)表面；

搅拌机(11)与电机(12)和中控箱(13)连接；

所述搅拌轴(7)上设置温度传感器和氧气传感器；当温度/氧气达到设定阈值后，自动启动曝气装置以保证堆体内好氧条件稳定，保持好氧微生物持续稳定在高活性状态，加速堆肥进程；或者，

车轮(16)位于整个有机固体废弃物好氧堆肥装置的下部。

8.根据权利要求7所述的有机固体废弃物好氧堆肥装置，其特征在于，所述物料发酵仓(5)的有效发酵空间为1-3m³；

所述冷凝盖(2)和e-PTFE内膜(3)之间设有第二密闭空间，且空间厚度为1-3cm；

所述曝气网盘(9)的孔径直径为0.1-0.3cm。

9.权利要求1所述的有机固体废弃物好氧堆肥方法的应用，其特征在于，本发明用于有机固体废弃物堆肥化处理，使有机固体废弃物发酵均匀；提高堆肥效率，缩短堆肥周期。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，降低了曝气装置运行能耗，减少臭气排放的同时也达到了保氮的目的。