專利名稱：機械堆肥化處理的改進的制作方法
技術領域：
本發明涉及改進的堆肥化處理，特別是改進的機械堆肥化處理的設備或系統。
背景技術：
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用于處理這類材料，然而，大多數系統成本高，并且產生氣味，這意味著這些機器設備必須位于遠離城市的鄉村。
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生的，通過自然環境中的生物作用，經物質分解的腐殖化進行堆肥化處理。人類一直試圖采用人工集中堆積有機物，近來采用機械裝置集中堆積，來增強和加速這一過程。這是由于人口集中的結果，城市中農產品的有機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，并且使用壽命結束后污水池需修復，或城市侵入使它們不受歡迎。
將有機物作為堆肥而循環是維持地球未來的重要特征。無論采用何種施肥(fertigation)形式，當有機物被土壤生物體分解時能提供主要的養分保持能力，這正是所有自然和未受干擾的生態系統在其生長、死亡和衰變循環中的特征。
攪拌堆肥化處理的物質，在這些過程中消耗大量空氣和能量是目前機械堆肥化處理的特征。目前的專利和現有技術不勝枚舉，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械系統的堆肥化處理的技術和機械裝置的完整描述。
因此，本發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，并且該系統還可用作生物過濾系統。
由下面以舉例方式給出的描述可以理解本發明的其它目的和優點。
發明概述本發明提供了一種堆肥化處理系統，該系統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室和格柵，通過該格柵空氣可自行通入，并能定期地取出產物。
根據本發明另一方面，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，保持大于化學計量量的堆肥能；提取堆肥中釋放的氣體；通過組合循環厭氧/需氧操作，經常地保持生物膜；和以規則間隔取出生物體物質。
堆肥化處理系統操作為連續式，按照活塞式流動原理進行，在其下行通過垂直室期間利用生物體物質的控制收縮進行操作，使得對室壁的壓力效應可使用直的側壁代替本領域皆知的負向傾斜的壁，這樣可簡化構造方法，降低成本。
該系統以后稱作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，而對于積木式結構，可以多個單元共用一個進料系統平行操作。
每個室的底部配有一通風室和格柵系統，以控制空氣注入以及每天的產物取出。
保留的堆肥能(每一65m3VCU中7.8 G Joules)導致大于化學計量的空氣輸入量。自然發生的過量空氣流和放出的氣體可通過一個風扇控制，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要求時保障氣味控制。
有絕熱熱堆肥的連續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菌新陳代謝的需要(按化學計量算得的需氧量)。塔可以安裝在底座或開口的支撐結構上，或一個空穴上以達到這些目的。
VCU是對天候密封和防蟲的。低的產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)。
生物體物質不需攪拌，極大地降低了產生氣味的可能性。利用本申請人已知的任何現代容器內系統中的最小空氣速率，VCU可促進喜高溫和嗜熱細菌和真菌的活性，同時產生需氧和厭氧活性。厭氧活性產生的臭味氣體可作為VCU上部的高溫下喜高溫和嗜熱細菌的食物，使VCU濾去本身的氣味。
VCU考慮到保持從進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。
本文中術語“生物膜”指涂布不連續介質上的水的薄膜。氣相中的有機分子通過該生物膜被吸附到介質，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，因此對一定生產量需增加塔高。高引進空氣速率還增加氣體通過塔的速率，導致夾帶和散發生物氣溶膠顆粒和有臭味的廢氣。
設計第二室(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。采用積木式結構，系統設計成操作時使一個室進料，另一個用于堆肥熟化。在難以混合生物體進料或土壤改良情況下需要這種方法。這樣的慢循環分開在兩個串聯的VCU中進行，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處理的物料。
堆肥化處理系統連續進行每日循環的進料和產出活動(2班達到40m3/天產量)。VCU可在14天后產生可供使用的堆肥，但當實現長形料堆以及隨后的料堆翻轉時也可用作加速器(7-10天)(本設計為80-200m3/天)。
VCU的主要優點是可以使系統位于靠近城市地區，降低收集和處理成本，便于制得產品的銷售。還能在現場使用團體、工廠和研究機構的處理單元。
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，堆能可達到萬億焦耳。該熱能足以使“合適氣流”通過進口導管，(控制在“合適氣流+3-7％平均數)。VCU的原理是僅提取室內過程中放出的氣體，以及少量自然引起的過量空氣。
新南威爾士環境保護局試驗表明在沒有風扇操作下有3-7％過量空氣。
本申請人的試驗結果已經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。通過親中介態的細菌和厭氧菌形成的氣體具體是H2S和CH4(硫化氫和甲烷)，這些氣體是通常導致堆肥化處理系統的氣味和引起公害的氣體。
而且，在容器內頂部的冷凝物滴落到進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系統的產物，同時該膜具有兩種重要功能。首先，它為細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，并在中間厭氧反應中產生大量排出氣體。這一作用使清掃氣味的問題更大，更難以控制。引進大量的過量空氣使垂直容器內堆肥化處理系統在塔的較低部分效率很低，這樣的系統需要大量能量。
本申請人的計算機模型(表1)精確地預測這一能量過程以及所需空氣量。并在新南威爾士環保局的原型單元上進行了測量。
由下面的描述將能更好地理解本發明的其它方面。
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)的說明典型商品規格(未列出小型民用和研究所用裝置)大小日產率(m3)0.2、1.0、5.0、25、50、100加速產率(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進料/切碎機950瓦/m3控制器 5瓦/m3進料系統將需處理的物料放入摻混機(1)，與添加劑混合在一起。混合后的物料由填充式推進加料器(2)送入縱向推進加料器(3)和橫向推進加料器(4)。由旋轉盤(5)平均分配進料。自動水平控制使有足夠的空間排空原料系統。加入物料后關閉原料斗，保持整個系統為負壓，避免殘留氣味。少量新鮮綠色廢物料通過該系統，翻松和清理摻混器和推進加料器管。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，可根據食物廢物的百分數變化。石膏150gm/m3。添加劑可根據原料分析變化。有時建議加入硫酸鎂。提取系統振動在通風室(7)上面的液壓操作的格柵(6)，打開通風室(7)，放料至下面的儲藏倉(未標出)。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。較大的系統還可以有一個地面螺旋清掃推進器(12)和返回料推進器(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。循環時間7-28天，取決于要求產品的粒度以及熟化方法。產物自覆蓋堆肥(未篩選)或在另外篩選裝置中分級的堆肥。篩上料可循環用作另外的填充劑或粉碎之。10mm堆肥的產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得到的產品可以在不經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壁上。倉庫(14)可以包括一篩選機和任意的研磨機(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合的基本上通過堆肥原料的自過濾。當對食物廢物/綠色廢物操作時，在風扇出口(9)氣味勢(odourpotential)為1-2DT。(高斯彌散距離模型(Guassian DisoersionDistance Model))結果在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)可以是標準的填充噴霧塔。
滌氣器的流體由罐(11)泵壓再循環，當活性通過帶出被中和時，罐要重新填充。經濟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。廢棄物對環境是無害的，因為使用化學制劑相互中和至pH為7。這種經濟有效的氣體洗滌系統，僅需用于可能有腐蝕性的生物修補(bioremediation)法。
通常采用簡單的冷凝過濾器。這是因為與其它系統相比煙道氣是如此小，使它們在釋放到環境中時具有很大的稀釋因子。如果因操作上的失誤而產生臭味氣體，其效果會迅速分散到環境空氣，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。
通過進料管理可方便地控制瀝出物，但如果出現瀝出物，可包含瀝出物用于循環。
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 90％根長度(AS3743)發芽 99％(AS3743)(適用于制得完成的堆肥的帶熟化室的系統)。
野草種子 14天后生存數為零。
后熟化時間準備使用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。使用這一系統的這種類型意味著不可以在靠近城市的地區操作。
操作人員兩人可操作產量高達500m3的型號。
本申請人在操作試驗裝置(
圖1的典型裝置)時發現，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到理想程度(綠色廢物濕度一般小于50％，食物廢物可高達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。這是因為變為漿狀的食物廢物占據了粉碎的綠色廢物顆粒間的大多數空隙。大于80％的濕度有時會導致在底部通風室8中有少量瀝出物(pH為6.5)并使產物較潮濕。當排出物料時，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。通過控制進料和添加劑，占優勢的主要陽離子是鈣，沒有可檢測到的氮損耗。對所有營養物和痕量元素余量的養分分析(AS3743)均較高，但取決于輸入系統的物料的組合和分析。
由于提供了潮濕條件，真菌在底部區域的生長較快。本申請人已辨別出可轉化的鐵和硫的真菌。本申請人相信，并將進一步試驗，擴大的高溫區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物。這些研究項目將在NSW大學進行。
Cawthron Institute在試驗這些真菌的初步討論中指出VCU確能創造并強化適合于喜高溫/嗜熱菌的環境，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-纖維素結構。
使用了計算機模型，并在所附表1中列出。它是
圖1所示的單室模型的VCU例子的物理熱力學模型。
本發明的優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；生產空間需要較小的土地面積組合的厭氧/需氧操作循環；可忽略的氣味和排放產物；積木式設計一共用一個進料/排放系統的數個室。
本發明實施中的關鍵原則低空氣速率，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(可能設于城市)；
由塔能引入空氣；僅用風扇去除放出的氣體；積木式設計數個單元共用一個進料系統。
說明書中描述了具體的機械或其它整體，但應理解為包含各種變動如同其各自提出的一樣。
描述了本發明的一些具體例子，應理解在不偏離本發明范圍下可以有各種修改和變動。
因此，本發明提供了改進的機械堆肥化處理單元。
權利要求
1.一種堆肥化處理系統，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室和格柵，通過該格柵可引進空氣并每天取出產物。
2.如權利要求1所述的堆肥化處理系統，其特征在于所述的操作是連續的，并按照活塞式流動原理，利用生物體物質下行通過垂直室期間的控制收縮進行操作。
3.如權利要求1或2所述的堆肥化處理系統，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.如權利要求3所述的堆肥化處理系統，其特征在于所述系統是積木式的，具有共用一個進料系統的可平行或串聯操作的數個單元。
5.如前述權利要求中任一權利要求所述的堆肥化處理系統，其特征在于每一室的底部配備通風室和格柵系統，以控制空氣注入和每天產物的取出。
6.如前述權利要求中任一權利要求所述的堆肥化處理系統，其特征在于保留的堆肥能導致大于化學計量的空氣輸入量。
7.如前述權利要求中任一權利要求所述的堆肥化處理系統，其特征在于自然發生的過量空氣速率和放出的氣體可通過一個風扇控制，該風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.如前述權利要求中任一權利要求所述的堆肥化處理系統，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菌新陳代謝的需要。
9.如權利要求8所述的堆肥化處理系統，其特征在于所述堆肥化處理塔安裝在底座、開口的支撐結構上，或開口空穴上面。
10.如前述權利要求中任一權利要求所述的堆肥化處理系統，其特征在于所述系統是對天候密封和防蟲的。
11.如權利要求3-10中任一權利要求所述的堆肥化處理系統，其特征在于系統設計成積木式的，使一個室進料，另一個用于堆肥熟化。
12.如前述權利要求中任一權利要求所述的堆肥化處理系統，其特征在于所述系統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量中經處理的物料。
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，保持大于化學計量量的堆肥能；提取堆肥中釋放的氣體；通過組合循環厭氧/需氧操作，保持恒定的生物膜；和以規則間隔取出生物體物質。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于所述方法包括通過控制風扇保持自然發生的過量空氣速率和放出的氣體，該風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.如權利要求13-15中任一權利要求所述的方法，其特征在于所述方法包括從進料到產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，促進微生物活性。
17.如權利要求13-15中任一權利要求所述的方法，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具有高效率。
18.一種如權利要求13-17中任一權利要求所述和基本按前面所述的方法。
19.一種如權利要求1所述和基本按前面參考附圖所述的堆肥化處理系統。
全文摘要
一種堆肥化處理系統和方法,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室和格柵,通過該格柵可引進空氣并每天取出產物。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計量量的堆能。利用堆肥堆中的揮發氣體提取,結合循環厭氧/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 優先權日1997年7月18日
發明者P·布朗, G·F·威爾遜 申請人:威爾森布朗同仁有限公司