專利名稱：機(jī)械堆肥化處理的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改進(jìn)的堆肥化處理，特別是改進(jìn)的機(jī)械堆肥化處理的設(shè)備或系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，生物體(biomass)，尤其是糧食廢物、木材廢物、木片、污泥、甚至有害廢物、以及其它材料特別難以大批處理。
目前有許多堆肥化處理系統(tǒng)用于處理這類材料，然而，大多數(shù)系統(tǒng)成本高，并且產(chǎn)生氣味，這意味著這些機(jī)器設(shè)備必須位于遠(yuǎn)離城市的鄉(xiāng)村。
多種形式的生物體堆肥化處理已實施了成千年。有些堆肥化處理是自然發(fā)生的，通過自然環(huán)境中的生物作用，經(jīng)物質(zhì)分解的腐殖化進(jìn)行堆肥化處理。人類一直試圖采用人工集中堆積有機(jī)物，近來采用機(jī)械裝置集中堆積，來增強(qiáng)和加速這一過程。這是由于人口集中的結(jié)果，城市中農(nóng)產(chǎn)品的有機(jī)廢物一般最終集中于地面填埋場或污水池。由于它們的建造費用和操作成本，這正好與近年降低地面填埋體積的要求相對立，并且使用壽命結(jié)束后污水池需修復(fù)，或城市侵入使它們不受歡迎。
將有機(jī)物作為堆肥而循環(huán)是維持地球未來的重要特征。無論采用何種施肥(fertigation)形式，當(dāng)有機(jī)物被土壤生物體分解時能提供主要的養(yǎng)分保持能力，這正是所有自然和未受干擾的生態(tài)系統(tǒng)在其生長、死亡和衰變循環(huán)中的特征。
攪拌堆肥化處理的物質(zhì)，在這些過程中消耗大量空氣和能量是目前機(jī)械堆肥化處理的特征。目前的專利和現(xiàn)有技術(shù)不勝枚舉，但我們可參考Robert T.Haug的堆肥化處理方法的匯編，“The practical handbook of compost engineering″，Lewis Publishers1993，ISBN#0-87371-373-7。該書中有包括加速機(jī)械系統(tǒng)的堆肥化處理的技術(shù)和機(jī)械裝置的完整描述。
因此，本發(fā)明目的是提供低成本的適合生物體范圍的堆肥化處理系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)還可用作生物過濾系統(tǒng)。
由下面以舉例方式給出的描述可以理解本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種堆肥化處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)中包括一個垂直絕熱的，有一個或多個室的堆肥處理塔，每個室的底部配備有一通風(fēng)室和格柵，通過該格柵空氣可自行通入，并能定期地取出產(chǎn)物。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供了堆肥化處理可生物降解廢物的方法，該方法采用活塞式流動原理，包括利用塔能使低速空氣流通過堆肥；利用堆肥中喜高溫(pyro)/嗜熱(thermopylic)微生物活性；通過控制通入的空氣流，保持大于化學(xué)計量量的堆肥能；提取堆肥中釋放的氣體；通過組合循環(huán)厭氧/需氧操作，經(jīng)常地保持生物膜；和以規(guī)則間隔取出生物體物質(zhì)。
堆肥化處理系統(tǒng)操作為連續(xù)式，按照活塞式流動原理進(jìn)行，在其下行通過垂直室期間利用生物體物質(zhì)的控制收縮進(jìn)行操作，使得對室壁的壓力效應(yīng)可使用直的側(cè)壁代替本領(lǐng)域皆知的負(fù)向傾斜的壁，這樣可簡化構(gòu)造方法，降低成本。
該系統(tǒng)以后稱作VCU或垂直堆肥化處理單元。
第二室(如果包括)可用于堆肥熟化，其操作方式與第一室相同，而對于積木式結(jié)構(gòu)，可以多個單元共用一個進(jìn)料系統(tǒng)平行操作。
每個室的底部配有一通風(fēng)室和格柵系統(tǒng)，以控制空氣注入以及每天的產(chǎn)物取出。
保留的堆肥能(每一65m3VCU中7.8 G Joules)導(dǎo)致大于化學(xué)計量的空氣輸入量。自然發(fā)生的過量空氣流和放出的氣體可通過一個風(fēng)扇控制，并有組合冷凝器/滌氣器，以用于冷凝物去除，以及在需要時或法規(guī)要求時保障氣味控制。
有絕熱熱堆肥的連續(xù)流動垂直堆肥化處理塔有利于保持地面清潔，可使空氣自由地通過塔底部引入，其速率接近堆肥中細(xì)菌新陳代謝的需要(按化學(xué)計量算得的需氧量)。塔可以安裝在底座或開口的支撐結(jié)構(gòu)上，或一個空穴上以達(dá)到這些目的。
VCU是對天候密封和防蟲的。低的產(chǎn)出氣體速率可減小滌氣器的尺寸和成本，提高氣味去除效率。試驗時在堆中的氣味量通常是1-2DT(稀釋至極限)。
生物體物質(zhì)不需攪拌，極大地降低了產(chǎn)生氣味的可能性。利用本申請人已知的任何現(xiàn)代容器內(nèi)系統(tǒng)中的最小空氣速率，VCU可促進(jìn)喜高溫和嗜熱細(xì)菌和真菌的活性，同時產(chǎn)生需氧和厭氧活性。厭氧活性產(chǎn)生的臭味氣體可作為VCU上部的高溫下喜高溫和嗜熱細(xì)菌的食物，使VCU濾去本身的氣味。
VCU考慮到保持從進(jìn)口到出口的束縛活性水分的生物膜(一般為45-50％重量/重量)，該膜可防止熱解可能，促進(jìn)微生物活性。這對處理混合有糧食廢物或污泥的綠色廢物(green waste)尤其有效。
本文中術(shù)語“生物膜”指涂布不連續(xù)介質(zhì)上的水的薄膜。氣相中的有機(jī)分子通過該生物膜被吸附到介質(zhì)，微生物可在該膜中生存，并在所謂的“生物過濾”過程中消耗有機(jī)分子。
低空氣流會降低從底部輸入空氣的冷卻效果，對有效工作高度提供高效率。
一般采用的高輸入空氣速率使垂直熱堆的底部效率不高，因此對一定生產(chǎn)量需增加塔高。高引進(jìn)空氣速率還增加氣體通過塔的速率，導(dǎo)致夾帶和散發(fā)生物氣溶膠顆粒和有臭味的廢氣。
設(shè)計第二室(在較大的裝置中)用于堆肥熟化，第二室按照與第一室相同的原理操作。采用積木式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計成操作時使一個室進(jìn)料，另一個用于堆肥熟化。在難以混合生物體進(jìn)料或土壤改良情況下需要這種方法。這樣的慢循環(huán)分開在兩個串聯(lián)的VCU中進(jìn)行，以避免物料的過度壓實。
用帶門的活動底板向下傳遞每日循環(huán)處理的物料。
堆肥化處理系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行每日循環(huán)的進(jìn)料和產(chǎn)出活動(2班達(dá)到40m3/天產(chǎn)量)。VCU可在14天后產(chǎn)生可供使用的堆肥，但當(dāng)實現(xiàn)長形料堆以及隨后的料堆翻轉(zhuǎn)時也可用作加速器(7-10天)(本設(shè)計為80-200m3/天)。
VCU的主要優(yōu)點是可以使系統(tǒng)位于靠近城市地區(qū)，降低收集和處理成本，便于制得產(chǎn)品的銷售。還能在現(xiàn)場使用團(tuán)體、工廠和研究機(jī)構(gòu)的處理單元。
VCU使用“保溫”堆能量來“引入氣流”到“活塞式流動”熱堆肥塔。在較大的型號中，堆能可達(dá)到萬億焦耳。該熱能足以使“合適氣流”通過進(jìn)口導(dǎo)管，(控制在“合適氣流+3-7％平均數(shù))。VCU的原理是僅提取室內(nèi)過程中放出的氣體，以及少量自然引起的過量空氣。
新南威爾士環(huán)境保護(hù)局試驗表明在沒有風(fēng)扇操作下有3-7％過量空氣。
本申請人的試驗結(jié)果已經(jīng)表明在垂直堆中的收縮和壓實過程中，形成活性厭氧囊是有好處的。這為嗜氧菌提供了額外的食物來源，這些嗜氧菌能吸附氣相中或溶解在生物膜中的這種食物。通過親中介態(tài)的細(xì)菌和厭氧菌形成的氣體具體是H2S和CH4(硫化氫和甲烷)，這些氣體是通常導(dǎo)致堆肥化處理系統(tǒng)的氣味和引起公害的氣體。
而且，在容器內(nèi)頂部的冷凝物滴落到進(jìn)行堆肥化處理的生物體保持了堆肥化處理基體中的活性生物膜。生物膜提供濕度含量大于常規(guī)系統(tǒng)的產(chǎn)物，同時該膜具有兩種重要功能。首先，它為細(xì)菌和真菌包括厭氧菌提供直至出口的活性水分/固體的界面。第二它為上述需氧菌提供活性水分/流動氣體的界面，這些需氧菌或在生物膜表面的“氣相”獲得其食物，或獲得溶解在其中的食物。這一作用為與該過程提供了對氣味的基本上完全的自過濾。
常規(guī)方法試圖使用大量空氣而保持65-70℃溫度。這將冷卻微生物過程，阻礙有益的高溫微生物，并在中間厭氧反應(yīng)中產(chǎn)生大量排出氣體。這一作用使清掃氣味的問題更大，更難以控制。引進(jìn)大量的過量空氣使垂直容器內(nèi)堆肥化處理系統(tǒng)在塔的較低部分效率很低，這樣的系統(tǒng)需要大量能量。
本申請人的計算機(jī)模型(表1)精確地預(yù)測這一能量過程以及所需空氣量。并在新南威爾士環(huán)保局的原型單元上進(jìn)行了測量。
由下面的描述將能更好地理解本發(fā)明的其它方面。
附圖簡述參考附圖(


圖1)所示的堆肥試驗裝置的一個實施例進(jìn)行下面的描述。
較好實施例描述下面給出對這樣裝置(
圖1)的說明典型商品規(guī)格(未列出小型民用和研究所用裝置)大小日產(chǎn)率(m3)0.2、1.0、5.0、25、50、100加速產(chǎn)率(m3)0.5、2.0、10、50、200室大小 5、20、50、250、500、1000空氣用量 一般為1.25scm/min(42scfm)能耗 空氣 10瓦/m3進(jìn)料/切碎機(jī)950瓦/m3控制器 5瓦/m3進(jìn)料系統(tǒng)將需處理的物料放入摻混機(jī)(1)，與添加劑混合在一起?；旌虾蟮奈锪嫌商畛涫酵七M(jìn)加料器(2)送入縱向推進(jìn)加料器(3)和橫向推進(jìn)加料器(4)。由旋轉(zhuǎn)盤(5)平均分配進(jìn)料。自動水平控制使有足夠的空間排空原料系統(tǒng)。加入物料后關(guān)閉原料斗，保持整個系統(tǒng)為負(fù)壓，避免殘留氣味。少量新鮮綠色廢物料通過該系統(tǒng)，翻松和清理摻混器和推進(jìn)加料器管。原料食物廢物、污泥、一些有害廢物、最多為食物廢物/污泥的85％重量/重量的填充劑(切碎的綠色廢物或木片)。水分含量為60-80％。腐殖酸60ml/m3和硝酸鈣銨150gm/m3，可根據(jù)食物廢物的百分?jǐn)?shù)變化。石膏150gm/m3。添加劑可根據(jù)原料分析變化。有時建議加入硫酸鎂。提取系統(tǒng)振動在通風(fēng)室(7)上面的液壓操作的格柵(6)，打開通風(fēng)室(7)，放料至下面的儲藏倉(未標(biāo)出)。一個較大的單室加速器裝置在其下可以有輪式裝卸器料倉。較大的系統(tǒng)還可以有一個地面螺旋清掃推進(jìn)器(12)和返回料推進(jìn)器(8)，用于放料至篩選以及篩上料返回裝置，以及篩選和篩上料返回裝置，和
圖1所示的完成堆肥的儲藏裝置。循環(huán)時間7-28天，取決于要求產(chǎn)品的粒度以及熟化方法。產(chǎn)物自覆蓋堆肥(未篩選)或在另外篩選裝置中分級的堆肥。篩上料可循環(huán)用作另外的填充劑或粉碎之。10mm堆肥的產(chǎn)量一般為粉碎的綠色廢物體積的85％，篩選后回收+10mm木碎片填充劑。有第二熟化室的系統(tǒng)得到的產(chǎn)品可以在不經(jīng)長形料堆熟化下使用。
圖1中給出倉庫(14)。倉庫有頂板覆蓋在三個側(cè)壁上。倉庫(14)可以包括一篩選機(jī)和任意的研磨機(jī)(15)。操作溫度主室(12)頂部80-85℃中部60-70℃底部45-50℃過濾與很低速率空氣流相結(jié)合的基本上通過堆肥原料的自過濾。當(dāng)對食物廢物/綠色廢物操作時，在風(fēng)扇出口(9)氣味勢(odourpotential)為1-2DT。(高斯彌散距離模型(Guassian DisoersionDistance Model))結(jié)果在20米距離處大大小于人類檢測閾值。
排出的氣體任選通過三重滌氣器(10)，該滌氣器含有NaOH、NaOCl、CH3COOH和水。滌氣器(10)可以是標(biāo)準(zhǔn)的填充噴霧塔。
滌氣器的流體由罐(11)泵壓再循環(huán)，當(dāng)活性通過帶出被中和時，罐要重新填充。經(jīng)濟(jì)合理的罐尺寸可給出約12-18個月的活性，罐是密封和鎖閉的。廢棄物對環(huán)境是無害的，因為使用化學(xué)制劑相互中和至pH為7。這種經(jīng)濟(jì)有效的氣體洗滌系統(tǒng)，僅需用于可能有腐蝕性的生物修補(bǔ)(bioremediation)法。
通常采用簡單的冷凝過濾器。這是因為與其它系統(tǒng)相比煙道氣是如此小，使它們在釋放到環(huán)境中時具有很大的稀釋因子。如果因操作上的失誤而產(chǎn)生臭味氣體，其效果會迅速分散到環(huán)境空氣，對附近的人沒有顯著的影響。
冷凝物將試驗阱置于冷凝器中。冷凝物為透明，幾乎無味，pH為5(平均)，沒有病原體或硝酸鹽，適合于灌溉或暴雨水的處理(Cawthron Institute Tests and NSW EPA Tests)。
瀝出物除非進(jìn)料濕度超過80％，沒有瀝出物。瀝出物的pH為6.5，有一些棕色腐殖土固體和硝酸鹽。生物需氧量(BOD)可忽略。
通過進(jìn)料管理可方便地控制瀝出物，但如果出現(xiàn)瀝出物，可包含瀝出物用于循環(huán)。
病原體假定沒有病原體，因為堆肥化處理的條件，而14天最短堆肥化處理周期是抗病原體的。由Cawthron Instutute and NSW EPA的病原體篩選證實病原體為零。
毒性指數(shù) 90％根長度(AS3743)發(fā)芽 99％(AS3743)(適用于制得完成的堆肥的帶熟化室的系統(tǒng))。
野草種子 14天后生存數(shù)為零。
后熟化時間準(zhǔn)備使用14-28天，取決于裝置位置和對熟化的要求。VCU可用于加速糧食廢物和污泥的分解(7-10天)，但是需要大面積用于后熟化的長形堆料。使用這一系統(tǒng)的這種類型意味著不可以在靠近城市的地區(qū)操作。
操作人員兩人可操作產(chǎn)量高達(dá)500m3的型號。
本申請人在操作試驗裝置(
圖1的典型裝置)時發(fā)現(xiàn)，大體積量的食物廢棄物或污泥可以和粉碎的綠色廢物混合。食品廢液使混合物的濕度含量達(dá)到理想程度(綠色廢物濕度一般小于50％，食物廢物可高達(dá)90％)。較大的糧食廢棄物如土豆、南瓜、洋蔥等需要粉碎。這樣可以顯著減小體積，增加表面積，使混合物含有高達(dá)80％(重量)的食物廢物/污泥，而沒有明顯增加總體積。這是因為變?yōu)闈{狀的食物廢物占據(jù)了粉碎的綠色廢物顆粒間的大多數(shù)空隙。大于80％的濕度有時會導(dǎo)致在底部通風(fēng)室8中有少量瀝出物(pH為6.5)并使產(chǎn)物較潮濕。當(dāng)排出物料時，水分會很快地閃蒸除去(45-55℃)，物料具有天然的泥土氣味。即使對食物廢物，堆肥中也只有很少量可檢測到的硝酸銨或亞硫氣味。通過控制進(jìn)料和添加劑，占優(yōu)勢的主要陽離子是鈣，沒有可檢測到的氮損耗。對所有營養(yǎng)物和痕量元素余量的養(yǎng)分分析(AS3743)均較高，但取決于輸入系統(tǒng)的物料的組合和分析。
由于提供了潮濕條件，真菌在底部區(qū)域的生長較快。本申請人已辨別出可轉(zhuǎn)化的鐵和硫的真菌。本申請人相信，并將進(jìn)一步試驗，擴(kuò)大的高溫區(qū)顯示有利的處理條件，并且有一些至今未能鑒別的高溫分解有機(jī)物。這些研究項目將在NSW大學(xué)進(jìn)行。
Cawthron Institute在試驗這些真菌的初步討論中指出VCU確能創(chuàng)造并強(qiáng)化適合于喜高溫/嗜熱菌的環(huán)境，這些菌迄今還未被編類，在VCU提供的理想條件下它們會猛烈襲擊木素-纖維素結(jié)構(gòu)。
使用了計算機(jī)模型，并在所附表1中列出。它是
圖1所示的單室模型的VCU例子的物理熱力學(xué)模型。
本發(fā)明的優(yōu)點如下封閉的絕熱垂直堆；活塞式流動原理；絕熱堆能；由塔堆能引入氣流；低速率空氣流；高溫-利用喜高溫/嗜熱微生物活性；僅提取排放的氣體；維持恒定的生物膜；低的能量需求/消耗；生產(chǎn)空間需要較小的土地面積組合的厭氧/需氧操作循環(huán)；可忽略的氣味和排放產(chǎn)物；積木式設(shè)計一共用一個進(jìn)料/排放系統(tǒng)的數(shù)個室。
本發(fā)明實施中的關(guān)鍵原則低空氣速率，高溫；低能耗；低操作成本；較小的土地占用面積；可忽略的氣味(可能設(shè)于城市)；
由塔能引入空氣；僅用風(fēng)扇去除放出的氣體；積木式設(shè)計數(shù)個單元共用一個進(jìn)料系統(tǒng)。
說明書中描述了具體的機(jī)械或其它整體，但應(yīng)理解為包含各種變動如同其各自提出的一樣。
描述了本發(fā)明的一些具體例子，應(yīng)理解在不偏離本發(fā)明范圍下可以有各種修改和變動。
因此，本發(fā)明提供了改進(jìn)的機(jī)械堆肥化處理單元。
權(quán)利要求
1.一種堆肥化處理系統(tǒng)，它包括一個垂直絕熱的有一個或多個室的堆肥化處理塔，每一室的底部配備一通風(fēng)室和格柵，通過該格柵可引進(jìn)空氣并每天取出產(chǎn)物。
2.如權(quán)利要求1所述的堆肥化處理系統(tǒng)，其特征在于所述的操作是連續(xù)的，并按照活塞式流動原理，利用生物體物質(zhì)下行通過垂直室期間的控制收縮進(jìn)行操作。
3.如權(quán)利要求1或2所述的堆肥化處理系統(tǒng)，其特征在于如果包括第二室，它可用于堆肥熟化，并按照與第一室相同的方式操作。
4.如權(quán)利要求3所述的堆肥化處理系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)是積木式的，具有共用一個進(jìn)料系統(tǒng)的可平行或串聯(lián)操作的數(shù)個單元。
5.如前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的堆肥化處理系統(tǒng)，其特征在于每一室的底部配備通風(fēng)室和格柵系統(tǒng)，以控制空氣注入和每天產(chǎn)物的取出。
6.如前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的堆肥化處理系統(tǒng)，其特征在于保留的堆肥能導(dǎo)致大于化學(xué)計量的空氣輸入量。
7.如前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的堆肥化處理系統(tǒng)，其特征在于自然發(fā)生的過量空氣速率和放出的氣體可通過一個風(fēng)扇控制，該風(fēng)扇有用于冷凝物移出以及保障氣味控制的組合冷凝器/滌氣器。
8.如前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的堆肥化處理系統(tǒng)，其特征在于有熱堆肥的絕熱堆肥化處理塔可保持地面清潔，可自由地引入空氣通過塔底部，其速率接近堆肥中細(xì)菌新陳代謝的需要。
9.如權(quán)利要求8所述的堆肥化處理系統(tǒng)，其特征在于所述堆肥化處理塔安裝在底座、開口的支撐結(jié)構(gòu)上，或開口空穴上面。
10.如前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的堆肥化處理系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)是對天候密封和防蟲的。
11.如權(quán)利要求3-10中任一權(quán)利要求所述的堆肥化處理系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)設(shè)計成積木式的，使一個室進(jìn)料，另一個用于堆肥熟化。
12.如前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的堆肥化處理系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括帶門的活動底板或其它排放裝置，用于向下傳遞受控的每日循環(huán)量中經(jīng)處理的物料。
13.一種堆肥化處理可生物降解廢物的方法，該方法采用活塞式流動原理，包括利用塔能使低速空氣流通過堆肥；利用堆肥中高溫/嗜熱微生物活性；通過控制通入的空氣流，保持大于化學(xué)計量量的堆肥能；提取堆肥中釋放的氣體；通過組合循環(huán)厭氧/需氧操作，保持恒定的生物膜；和以規(guī)則間隔取出生物體物質(zhì)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于所述方法包括通過控制風(fēng)扇保持自然發(fā)生的過量空氣速率和放出的氣體，該風(fēng)扇有用于冷凝物移出以及保障氣味控制的組合冷凝器/滌氣器。
15.如權(quán)利要求13或14所述的方法，其特征在于所述生物體物料無需攪拌。
16.如權(quán)利要求13-15中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述方法包括從進(jìn)料到產(chǎn)出保持束縛活性水分的生物膜(一般為45-50％重量/重量)步驟，該膜可防止熱解可能，促進(jìn)微生物活性。
17.如權(quán)利要求13-15中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于低速率空氣流減小了底層中輸入空氣的冷卻效果，使有效的工作高度內(nèi)具有高效率。
18.一種如權(quán)利要求13-17中任一權(quán)利要求所述和基本按前面所述的方法。
19.一種如權(quán)利要求1所述和基本按前面參考附圖所述的堆肥化處理系統(tǒng)。
全文摘要
一種堆肥化處理系統(tǒng)和方法,它包括有一個或多個室的垂直絕熱堆肥化處理塔。每一室的底部配備通風(fēng)室和格柵,通過該格柵可引進(jìn)空氣并每天取出產(chǎn)物。堆肥化處理可生物降解廢物的方法利用活塞流動原理,包括采用塔能使低速率空氣流通過堆肥堆。該方法利用在堆肥堆中高溫/嗜熱微生物的活性,并通過控制引入的空氣流保持大于化學(xué)計量量的堆能。利用堆肥堆中的揮發(fā)氣體提取,結(jié)合循環(huán)厭氧/需氧操作保持恒定生物膜。
文檔編號C05F9/02GK1269774SQ98808793
公開日2000年10月11日 申請日期1998年7月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月18日
發(fā)明者P·布朗, G·F·威爾遜 申請人:威爾森布朗同仁有限公司