一种水热碳化协同有机固废高温发酵减少碳排放的方法
技术领域
本发明属于固废处理
技术领域
，具体涉及一种水热碳化协同有机固废高温发酵减少碳排放的方法。背景技术
固体废物的安全利用一直是研究的重点，随着污水处理设备的不断完善，畜牧业的快速发展，居民生活垃圾分类推进等，每年都会产生大量的污泥、粪便和厨余垃圾等固废。处理有机固废的方法主要有厌氧消化法、焚烧法、好氧堆肥法和生物碳化、以及水热碳化技术等。其中，堆肥是一种生物和环境友好的过程，被视为一种有效和经济的处理固体废物的方式，好氧堆肥法因具有处理成本低、操作简单和资源化程度高等优点而被广泛应用。传统好氧堆肥法在高温阶段的温度仅为50℃到70℃，发酵温度低、发酵周期长、处理效率低，为了加快生物降解性，功能性的菌株接种可以改善腐殖化程度和成熟过程。另外，成熟堆肥产物因其经济优势，被广泛用于提高透气性和降低堆积密度的膨胀剂，成熟堆肥的回收明显为微生物活动创造了适宜的环境，并减少了氨排放，缩短了污泥堆肥周期。污泥水热碳化技术作为污泥水热技术中的一种，具有处理周期短，能源回收率高、占地面积小，产物可作为辅助燃料、肥料和土壤改良剂使用的优点，还可以稳定碳源、重金属、氮元素、磷元素，从而实现污泥处理的资源化。生物炭孔隙发达、比表面积大，且具有较强的吸附能力，可为堆肥过程中的微生物活动提供强大的空间，因此生物炭添加对污泥堆肥影响成为了研究的热点。
高温菌或超嗜热菌，是指在65℃以上，甚至超过100℃也可以生长的一类极端微生物。采用以有机固废为有机质的高温堆肥，可以缩短堆肥周期，提高堆肥成熟度，从而减少氮的损失，在堆肥质量和效率方面具有优势。从堆肥中孕育出的多功能嗜热微生物组合改善了有机质和木质纤维素的生物降解，显著提高了溶解有机质和腐殖质的稳定性和芳香性。但目前为止，利用水热碳化技术生成的生物炭与腐熟料代替辅料，并通过大比例腐熟料返混同步实现接种嗜热菌株进行高温堆肥的方法尚未得到系统应用研究。
发明内容
本发明目的在于克服传统好氧堆肥发酵温度低、发酵周期长、处理效率低以及添加辅料成本高等问题，进而提供一种高效、经济、低碳的新型高温堆肥方法，即一种水热碳化协同有机固废高温发酵减少碳排放的方法，为新型的固废生物处理技术的应用和发展提供了新思路和方法，最终使得污泥、畜禽粪便及厨余垃圾等有机固废得到减量化、无害化、资源化处理处置。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供了一种水热碳化协同有机固废高温发酵减少碳排放的方法，包括以下步骤：
(1)对固体废弃物进行水热反应，得到生物炭；
(2)向固体废弃物中加入高温菌剂、膨松剂及步骤(1)制备得到的生物炭，得到混合发酵物料A，进行高温发酵得到发酵腐熟料；
(3)向固体废弃物中加入步骤(2)所得发酵腐熟料作为返混料、步骤(1)制备得到的生物炭，得到混合发酵物料B，进行高温发酵得到最终发酵产物。
步骤(2)中由于加入高温菌剂进行发酵，并在步骤(3)中采用步骤(2)的发酵腐熟料继续进行发酵，使得步骤(2)和步骤(3)在发酵高温期，混合物料的温度达到75～120℃的高温，且会一直维持3～5天，达到真正的高温发酵的效果。
进一步地，步骤(1)中，所述固体废弃物的含水率为60～90wt％；所述水热反应的温度为100～200℃，压强为1.5～2.0MPa，时间为3～5h。
本发明所述水热碳化系统水热碳化温度控制为100～200℃，压力控制在1.5～2.0MPa，反应时间控制在3～5h。在一定的温度及压力作用下，有机物中微生物细胞被破碎，大分子有机物发生水解，细胞内水分被释放，通过脱挥发分、缩聚、脱氢、脱碳酸基等反应直接生成水热炭。
进一步地，步骤(2)中，所述固体废弃物、生物炭及膨松剂的体积百分含量分别为80～85％、5～8％及7～15％，且三者体积百分含量之和为100％。
进一步地，步骤(2)中，所述高温菌剂的接种量为固体废弃物的2～3vol.％，所述高温菌剂为高温菌和极端嗜热菌组成的混合菌液，所述高温菌的重量为所述生物炭重量的0.2～0.8％，所述混合菌液中极端嗜热菌的浓度≥1.0×107CFU/mL；所述高温菌为Camiterricohi中的多种混合菌株，所述极端嗜热菌为Calditerricola，Thermusthermophilus所属混合菌株。
进一步地，步骤(2)中，所述混合发酵物料A的碳氮比为(25～35):1，pH为7.0～7.8，含水率＜60wt％，所述发酵时间为10～15天，每3天对发酵物料进行一次翻抛。
进一步地，步骤(2)中，曝气量为0.3～0.5Lmin-1kg-1。
进一步地，步骤(3)中，所述发酵腐熟料、固体废弃物与生物炭的体积比为(10～12)∶(10～12)∶(1～2)。
进一步地，步骤(3)中，所述混合发酵物料B的碳氮比为(25～35)∶1，pH为7.0～7.8，含水率＜60wt％，所述高温发酵时间为10～15天。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用水热碳协同高温发酵技术，利用水热碳余热为高温堆肥启动预热，同时为加快污泥堆肥初期升温提供有利条件，抗冲击能力强，满足高温堆肥持续高温的需求。
本发明使得氮素转化、堆肥成熟度和腐殖化水平均有改善。通过循环利用成熟堆肥，在早期接种嗜热菌株，接种周期短，温度、NO3 --N和GI均表现出较高的效率。同时，含有生物炭的堆肥产品总氮含量增加，堆肥质量更好。
本发明充分发挥了水热碳化优势，更有利于提高极端嗜热菌的活性、较好的保留废弃物中的N、P等作物生长所需要的营养物质，增加了地球碳汇。
本发明利用高温菌较强的难降解有机物代谢能力，成功将腐熟料进行大比例返混，同步实现高温菌剂接种并替代膨松剂，减少了有机膨松剂的用量，同时发挥了水热碳化与高温菌堆肥的协同作用，节约能耗，可行性高，操作简便，生产周期短，产品质量稳定，大大减少了碳排放。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例1的工艺流程图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明处理的固体废弃物及膨松剂来自沈阳苏家屯农场；所采用的高温菌为Camiterricohi中的多种混合菌株；所采用的极端嗜热菌为Calditerricola,Thermusthermophilus所属混合菌株，均采购自沈阳东源环境科技有限公司。
实施例1
如图1所示，本发明的水热碳化协同有机固废高温发酵的装置包括水热碳化系统1、高温发酵系统2与智慧控制系统3。其中水热碳化系统1包括水热碳化反应釜11、加热系统12及渗滤液处理设备13；高温发酵系统2包括混料系统21、辅料添加设备22、菌剂添加设备23、高温发酵床24、发酵产物收集设备25、通风送氧设备26及臭气收集设备27；智慧控制系统3分别与水热碳化系统1、高温发酵系统2连接。智慧控制系统3分别根据水热碳化系统1温度参数反馈调节加热系统12，根据高温发酵系统2溶解氧调节通风送氧设备26，根据渗滤液液位控制渗滤液处理设备13启停，根据除臭风量控制臭气收集设备27启停及报警；臭气收集设备27与渗滤液处理设备13采用配套的高温污泥堆肥渗滤液和臭气协同处理方法完成处理。进而保证系统正常高效运转，同时避免二次污染，最终进行土地利用，通过本发明的方法使污泥真正实现稳定化、无害化、资源化处理处置。
采用上述装置进行水热碳化协同有机固废高温发酵减少碳排放的方法，具体步骤为：
(1)首先通过高压污泥泵将含水率为75wt％的固体废弃物输送至水热碳化反应釜11，然后通过智慧控制系统3开启加热系统12，将水热碳化系统1运行参数调控为温度200℃，压力控制在2.0MPa，反应时间控制在3h；经过水热碳化反应得到的生物炭含水率为35wt％，污泥体积减量为70％，根据需要，通过智慧控制系统3开启渗滤液处理设备13，将废液收集到渗滤液处理设备13进行处理；水热碳化反应釜11通过油浴加热，热源采用电热及后续高温堆肥回收热；
(2)经步骤(1)得到的生物炭直接进入高温发酵系统2的混料系统21，在混料系统21内与堆肥原料混合降温，同步实现高温堆肥的预热启动目的：按照固体废弃物体积百分比为85％、步骤(1)得到的生物炭体积百分比为5％，膨松剂体积百分比为10％向混料系统中加料，其中膨松剂通过辅料添加设备22进行添加，同时将高温菌剂通过菌剂添加设备23添加到混料系统21中，高温菌剂为高温菌和极端嗜热菌组成的混合菌液，添加量为固体废弃物的2vol.％，其中高温菌的添加量为生物炭重量的0.5％，混合菌液中极端嗜热菌的浓度≥1.0×107CFU/mL；然后将混料系统中的混合物料传送至高温发酵床24；混合物料C/N控制在30:1，pH控制在7.5，混合料含水率55wt％，DO浓度为4mg/L，曝气量为0.4Lmin-1kg-1，发酵15天，每3日进行一次翻抛，入料与翻抛采用指针动态分布模式进行。经测量，发酵前5天，物料温度最高达到120℃，高温期物料温度维持在75℃以上，经高温发酵堆肥得到第一批高温发酵腐熟料；
(3)经步骤(2)得到高温堆肥腐熟料，按照体积比为5∶50∶45向混料系统21投加步骤(1)得到的生物炭、步骤(2)得到的腐熟料及固体废弃物得到混合物料，混合物料C/N控制在30:1，pH控制在7.5，混合料含水率55wt％，DO浓度为3mg/L，曝气量为0.3Lmin-1kg-1，发酵15天，每3日进行一次翻抛。经测量，发酵前5天，物料温度最高达到120℃，高温物料温度维持在75℃以上，经发酵得到最终污泥发酵产物，即生物炭有机肥。
本实施例的工艺流程图如图1所示。
实施例2
装置同实施例1，采用上述装置进行水热碳化协同有机固废高温发酵减少碳排放的方法，具体步骤为：
(1)首先通过高压污泥泵将含水率为60wt％的固体废弃物输送至水热碳化反应釜11，然后通过智慧控制系统3开启加热系统12，将水热碳化系统1运行参数调控为温度100℃，压力控制在1.5MPa，反应时间控制在5h；经过水热碳化反应得到的生物炭含水率为30wt％，污泥体积减量为75％，根据需要通过智慧控制系统3开启渗滤液处理设备13，将废液收集到渗滤液处理设备13进行处理；水热碳化反应釜11通过油浴加热，热源采用电热及后续高温堆肥回收热；
(2)经步骤(1)得到的生物炭直接进入高温发酵系统2的混料系统21，在混料系统21内与堆肥原料混合降温，同步实现高温堆肥的预热启动目的：按照固体废弃物体积百分比为80％、步骤(1)得到的生物炭体积百分比为8％，膨松剂体积百分比为12％向混料系统中加料，其中膨松剂通过辅料添加设备22进行添加，同时将高温菌剂通过菌剂添加设备23添加到混料系统21中，高温菌剂为高温菌和极端嗜热菌组成的混合菌液，添加量为固体废弃物的3vol.％，其中高温菌的添加量为生物炭重量的0.2％，混合菌液中极端嗜热菌的浓度≥1.0×107CFU/mL；然后将混料系统中的混合物料传送至高温发酵床24；混合物料C/N控制在25:1，pH控制在7.0，混合料含水率55wt％，DO浓度为3mg/L，曝气量为0.3Lmin-1kg-1，发酵10天，每3日进行一次翻抛，入料与翻抛采用指针动态分布模式进行。经测量，发酵前5天，物料温度最高达到120℃，高温期物料温度维持在75℃以上经高温发酵堆肥得到第一批高温发酵腐熟料；
(3)经步骤(2)得到高温堆肥腐熟料，按照体积比为8∶40∶52向混料系统21投加步骤(1)得到的生物炭、步骤(2)得到的腐熟料及固体废弃物得到混合物料，其中膨松剂通过辅料添加设备22添加，混合物料C/N控制在25:1，pH控制在7.0，混合料含水率55wt％，DO浓度为3mg/L，曝气量为0.3Lmin-1kg-1，发酵10天，每3日进行一次翻抛。经测量，发酵前5天，物料温度最高达到120℃，高温期物料温度维持在75℃以上，经发酵得到最终污泥发酵产物，即生物炭有机肥。
实施例3
装置同实施例1，采用上述装置进行水热碳化协同有机固废高温发酵减少碳排放的方法，具体步骤为：
(1)首先通过高压污泥泵将含水率为90wt％的固体废弃物输送至水热碳化反应釜11，然后通过智慧控制系统3开启加热系统12，将水热碳化系统1运行参数调控为温度150℃，压力控制在2.0MPa，反应时间控制在4h；经过水热碳化反应得到的生物炭含水率为40wt％，污泥体积减量为83％，根据需要通过智慧控制系统3开启渗滤液处理设备13，将废液收集到渗滤液处理设备13进行处理；水热碳化反应釜11通过油浴加热，热源采用电热及后续高温堆肥回收热；
(2)经步骤(1)得到的生物炭直接进入高温发酵系统2的混料系统21，在混料系统21内与堆肥原料混合降温，同步实现高温堆肥的预热启动目的：按照固体废弃物体积百分比为85％、步骤(1)得到的生物炭体积百分比为8％，膨松剂体积百分比为7％向混料系统中加料，其中膨松剂通过辅料添加设备22进行添加，同时将高温菌剂通过菌剂添加设备23添加到混料系统21中，高温菌剂为高温菌和极端嗜热菌组成的混合菌液，添加量为固体废弃物的2.5vol.％，其中高温菌的添加量为生物炭重量的0.8％，混合菌液中极端嗜热菌的浓度≥1.0×107CFU/mL；然后将混料系统中的混合物料传送至高温发酵床24；混合物料C/N控制在35:1，pH控制在7.8，混合料含水率50wt％，DO浓度为5mg/L，曝气量为0.5Lmin-1kg-1，发酵12天，每3日进行一次翻抛，入料与翻抛采用指针动态分布模式进行。经测量，发酵前5天，物料温度最高达到120℃，高温期温度可维持在75度以上，经高温发酵堆肥得到第一批高温发酵腐熟料；
(3)经步骤(2)得到高温堆肥腐熟料，按照体积比为10∶60∶30向混料系统21投加步骤(1)得到的生物炭、步骤(2)得到的腐熟料及固体废弃物得到混合物料，混合物料C/N控制在35:1，pH控制在7.8，混合料含水率50wt％，DO浓度为3mg/L，曝气量为0.3Lmin-1kg-1，发酵12天，每3日进行一次翻抛。经测量，发酵前5天，物料温度最高达到120℃，高温期温度可维持在75℃以上，经发酵得到最终污泥发酵产物，即生物炭有机肥。
对比例1
同实施例1，区别在于，不包括步骤(1)，步骤(2)及步骤(3)中不添加生物炭。
对比例2
同实施例1，区别在于，将步骤(2)中的高温菌剂替换为同体积不含高温菌的培养液，其他参数均与实施例1相同，即在不接种高温菌情况下，进行大比例返混发酵。
对比例3
同实施例1，区别在于，只进行步骤(1)和步骤(2)，并将步骤(2)的发酵天数延长为30天，即不采用腐熟料作为返混料，只进行传统的高温菌接种堆肥。
对实施例1～3及对比例1～3制备得到的有机肥中的C、N、P含量进行检测，结果如表1所示。
表1
项目
实施例1
实施例2
实施例3
对比例1
对比例2
对比例3
C含量
26.11％
27.83％
25.96％
12.15％
17.12％
19.92％
N含量
1.43％
1.65％
1.42％
0.81％
0.96％
1.07％
P含量
0.52％
0.68％
0.53％
0.38％
0.39％
0.32％
由表1可以看出，本发明得到的生物炭有机肥的C、P、N含量较高，而不添加生物炭，或者在不接种高温菌情况下进行大比例返混发酵，或者不采用腐熟料作为返混料，只进行传统的高温菌接种堆肥，得到的生物炭有机肥的C、N、P含量相对较低。这是由于添加生物炭直接增加了碳源，同时生物炭吸附作用减少了N、P渗滤液的淋洗流失，并且生物炭有利于固N代谢微生物得到强化，进而实现了保氮作用。不接种高温菌的情况下进行大比例返混发酵时，由于传统堆肥中微生物群落难以把返混料中大量的难降解有机物作为碳源，其初次发酵得到的腐熟料大比例返混用于再次发酵时，不能实现菌种的接种，无法很好地启动二次发酵过程，因此不能达到良好的发酵效果。不采用腐熟料作为返混料，只进行传统的高温菌接种堆肥时，需要额外添加大量的膨松剂，同时需要再次接种，不仅导致资源浪费，同时增加了启动周期。
本发明中通过采用高温菌剂进行初发酵，所得的腐熟料大比例返混继续进行二次发酵时，能够成功实现高温菌剂在二次发酵物料中的接种，并继续发挥活性，实现对固废中难降解有机物的代谢，从而不但省略了二次接种，并可以在二次发酵过程中省略其它大量辅料的基础上依然能够获得较好的发酵效果。
对实施例1～3及对比例1～2制备得到的有机肥中污染物浓度、卫生学指标、理化指标进行检测，符合《城镇污水处理厂污泥处置分类》(GB/T23484-2009)、《生活垃圾堆肥处理技术规范》(CJJ52-2014)及《畜禽粪便堆肥技术规范》(NY/T3442-2019)的要求，具体满足的标准如表2～4所示。
表2有机肥中污染物浓度
序号
项目
单位
污染物浓度
1
总镉(以干基计)
mg/kg
＜3
2
总汞(以干基计)
mg/kg
＜3
3
总铅(以干基计)
mg/kg
≤300
4
总铬(以干基计)
mg/kg
＜500
5
总砷(以干基计)
mg/kg
＜30
6
总镍(以干基计)
mg/kg
＜100
7
总锌(以干基计)
mg/kg
＜1200
8
总铜(以干基计)
mg/kg
＜500
9
矿物油(以干基计)
mg/kg
＜500
10
苯并(a)芘(以干基计)
mg/kg
＜2
11
多环芳烃(PAHs)(以干基计)
mg/kg
＜5
表3有机肥的卫生学指标
序号
项目
单位
参数值
1
蛔虫卵死亡率
％
≥95
2
粪大肠菌群值
mg/L
≥0.01
表4有机肥的理化指标
序号
项目
单位
参数值
1
含水率
wt％
≤40
2
pH
5.5～8.5
3
粒径
mm
≤10
4
有机质(以干基计)
wt％
≥20
对实施例1～3及对比例1～2排放的渗滤液进行检测，满足《污水排入城镇下水道水质标准》(GB T31962-2015)，同时满足污水综合排放标准(GB-8978-1996)要求的一级标准，具体如表5所示。
表5渗滤液中污染物最高允许排放浓度
序号
项目
单位
参数值
1
化学需氧量CODcr
mg/L
≤100
2
生物需氧量BOD5
mg/L
≤30
3
悬浮物SS
mg/L
≤70
4
氨氮NH<sub>3</sub>
≤15
5
pH
6～9
实施例1～3及对比例1～2中臭气经过处理后排放，达到《恶臭污染物排放标准》(GB14554-93)中规定的二级标准：详见表6；有组织排放执行恶臭污染物排放标准，详见表7。
表6
表7
由上述可知，本发明最终发酵产物及附属产物满足国家相应标准要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
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