同步實現畜禽糞便堆肥中氮磷保存和溫室氣體N₂O減排的強制通風堆肥系統及方法

專利名稱：同步實現畜禽糞便堆肥中氮磷保存和溫室氣體N₂O減排的強制通風堆肥系統及方法
技術領域：
本發明屬于固體廢棄物處置和資源化技術領域，特別涉及畜禽糞便強制通風堆肥系統及其用于同步實現畜禽糞便堆肥中氮磷保存和溫室氣體N2O減排的方法。
背景技術：
隨著經濟發展，生活水平的提高，我國成為了世界上最大的肉、蛋生產國。近年來，我國集約化畜禽養殖場大量興起，截至2002年，全行業產值的60%為集約化養殖場創造。同時，集約化養殖場排放大量糞便所引起的大氣、水體和土壤污染等一系列環境問題也隨之而來。好氧堆肥化技術作為利用微生物在一定條件下分解有機固體廢棄物為腐殖質，使之達到無害化、資源化和穩定化的方法，廣泛應用于畜禽糞便中氮磷營養元素的資源化回 收利用，堆肥產品還田可改善土壤肥力(Wei Y. S. ,Fan Y. B. ,Wang M. J. , et al. Compostingand compost application in China. Resources, Conservation and Recycling，2000，30(4) :277 300)。然而堆肥過程中畜禽糞便所含有機氮易于被微生物分解轉化為氨氣，同時在硝化反硝化過程中產生溫室氣體N20(據國際氣候變化組織IPCC的報告，N20的增溫潛勢為CO2的296倍，為京都議定書中規定進行控制的六大溫室氣體之一)，造成氮素損失量大，而堆肥產品農田施用時又存在因暴雨徑流引起的磷流失情況，引發環境問題。隨著畜禽糞便排放量的增加(至2007年，畜禽養殖業糞便產生量達2. 43億噸)，堆肥處理過程中氮磷保存的問題受到廣泛關注，主要包括各種工藝參數的調控(如通風量及控制方式、初始C/N、含水率等)、調理劑的使用、化學添加劑以及微生物菌劑的添加。已有的針對氮素保存同時降低水溶態磷含量的研究較少。通常通過添加鎂鹽或磷鹽的化學試劑進行氮磷保存，但卻未考慮溫室氣體(N2O)的排放。因此，從減少環境污染和 實現有機固廢資源化利用出發，尋求化學試劑的替代材料，開發經濟高效的具有三效合一(保氮、固磷和溫室氣體(N2O)減排)的畜禽糞便堆肥技術，為我國畜禽糞便的無害化、減量化和資源化探索一條新途徑。

發明內容
本發明的目的之一在于改進和完善當前畜禽糞便等有機固體廢棄物處理及資源化技術，從而提供一種經濟高效的具有同步實現畜禽糞便堆肥中氮磷保存和溫室氣體N2O減排的強制通風堆肥系統。本發明的目的之二在于采用富含金屬鹽的工業廢棄物替代化學試劑的使用，并利用目的一的強制通風堆肥系統，從而提供一種同步實現畜禽糞便堆肥中氮磷保存和溫室氣體凡0減排的方法。本發明用來同步實現畜禽糞便堆肥中氮磷保存和溫室氣體N2O減排的強制通風堆肥系統如圖I所示；由獨立的兩部分組成，其一是強制通風堆肥反應器；其二是與堆肥反應器密閉連接的可拆卸的氣體靜態采集罩；包括強制通風堆肥反應器、空氣夾套、氣體靜態采集罩、NH3采樣口、N20采樣口、溫濕度巡檢儀、濕度傳感器、溫度傳感器、時間繼電器、空氣增壓泵、流量計、風室、第一測溫點和第二測溫點。—穿孔板將一容器分割成上為所述的堆肥反應器(用于放置混合物料)，下為所述的風室；在所述的堆肥反應器的外部安裝有所述的空氣夾套(空氣夾套用于增強反應器的保溫效果)，在所述的堆肥反應器的頂部開有排氣口 ；在所述的堆肥反應器中設置有所述的第一測溫點、所述的第二測溫點及所述的濕度傳感器；在所述的第一測溫點及所述的第二測溫點處設置的內置溫度傳感器的溫度控制器、和所述的濕度傳感器均通過導線與所述的溫濕度巡檢儀相連接。在所述的堆肥反應器的上面密閉安裝有一所述的氣體靜態采集罩，所述的堆肥反應器中的氣體通過所述的排氣口進入所述的密閉良好的氣體靜態采集罩，在氣體靜態采集罩上設置有所述的NH3采樣口及所述的N2O采樣口 ；所述的氣體靜態采集罩可拆卸。在所述的穿孔板下方的所述的風室的一側安裝有通風管，該通風管經由所述的流 量計與所述的空氣增壓泵的出氣口連接；在所述的風室的底部安裝有滲濾液導出管。所述的空氣增壓泵的控制開關通過導線與所述的時間繼電器相連接；空氣增壓泵由時間繼電器控制開啟和關閉的狀態及時間，由流量計控制通氣量的大小，由穿孔板控制通氣的均勻性。所述的穿孔板上的通氣孔是均勻布設；所述的通氣孔呈正三角形均勻布設，孔隙率為6%。所述的穿孔板是安裝在容器壁上的承托支架上。所述的濕度傳感器是設置在所述的第一測溫點的上方，測定所述反應器內堆肥物料上方的空氣濕度，與所述的堆肥物料無直接接觸。本發明的利用上述強制通風堆肥系統，采用可同步實現畜禽糞便堆肥中氮磷保存和溫室氣體N2O減排的方法在畜禽糞便中加入調理劑，以調節加入調理劑后的畜禽糞便中的C元素與N元素的質量比(優選使加入調理劑后的畜禽糞便中的C元素與N元素的質量比值為20 30)，并使加入調理劑后的堆肥物料的含水率為55 65% (質量百分比)，然后加入經改性處理后的富含金屬鹽的工業廢棄物，混合均勻的物料通過物料輸送系統輸送至所述同步實現畜禽糞便堆肥中氮磷保存和溫室氣體N2O減排的強制通風堆肥系統中的堆肥反應器中(所述系統如圖I所示)進行堆肥化處理；在堆肥反應器中的由上述堆料形成的堆體內部(分別為堆體的中心和距離堆體底部以上IOcm處)放置有內置溫度傳感器的溫度探測器，及在堆體的上方放置濕度傳感器，通過溫濕度巡檢控制儀監測堆體溫度和堆體上方的濕度在整個堆肥過程中的變化情況；堆肥過程采用時間反饋的強制通風控制方式向風室進行間歇通風，進入風室的空氣經穿孔板均勻通過堆料；堆肥過程產生的N2O和NH3通過堆肥反應器頂部的排氣口進入密閉安裝在堆肥反應器上面的氣體靜態采集罩中，并通過氣體靜態采集罩上的N2O采樣口及NH3采樣口被收集。采樣方法是靜態箱平衡法。所述的富含金屬鹽的工業廢棄物的改性處理是將粒徑為0. 15 Imm的富含主要為鎂、鐵、鋁和鈣等金屬離子的工業廢棄物(包括鋁土礦廢料赤泥和/或耐火材料鎂橄欖石等)浸泡于酸性溶液中進行酸化處理(硫酸溶液或其它酸性溶液)，處理后得到浸泡有富含鎂、鐵、鋁和鈣金屬離子的工業廢棄物的懸濁液的PH值一般控制范圍在5 7之間，依據堆肥工藝需求確定。
所述的加入經改性處理后的富含金屬鹽的工業廢棄物，優選是以加入所述的金屬鹽中的主要金屬離子(鎂、鐵、鋁和鈣等金屬離子)的總摩爾量約占畜禽糞便中的總氮量(摩爾)的15 30%的量加入。所述的堆體溫度未進行強制控制，堆肥過程的溫度依次經過自然升溫、高溫、降溫(后腐熟)階段，高溫期溫度達到50°C以上。所述的采用時間反饋的強制通風控制方式向風室進行間歇通風，是由時間繼電器通過導線控制空氣增壓泵的開啟與關閉的時間，由此控制向堆料通風和供氧。所述的畜禽糞便與調理劑的體積比為I : I I : 3。所述的畜禽糞便是畜禽的固體排泄物，包括豬糞、雞糞、牛糞、羊糞或它們之間的任意混合物等。 所述的調理劑是粉碎后的農作物秸桿、粉碎后的枯枝落葉、粉碎后的玉米芯、稻殼、木屑、蘑菇渣、糠醛渣或它們之間的任意混合物等。本發明在畜禽糞便堆肥中，通過加入經過改性處理的富含金屬鹽的工業廢棄物，同時利用工業廢棄物中的鎂、鐵、鋁和鈣等金屬離子與堆料中的氮、磷發生化學反應、物理吸附等以及生物作用，保存畜禽糞便中的氮元素、轉變磷的形態并減少N2O的排放。在本發明的方法中采用富含金屬離子的工業廢棄物替代純化學藥劑金屬鹽，不僅實現了工業廢棄物的再利用，并且可減少化學藥劑的使用，從而降低了經濟成本。經本發明的方法處理后，既保存了畜禽糞便堆肥中的氮磷營養元素，同時又減少了溫室氣體(N2O)的排放，提高了畜禽糞便堆肥產品的質量。本發明中的堆肥反應器的氣體靜態采集罩部件易于實現對所排放氣體(包括溫室氣體、臭氣等)的集中收集處理，降低環境危害風險。本發明的系統及方法滿足占地面積小、處理時間短、環境影響小等多項要求，可改進畜禽糞便等有機固體廢棄物處理及資源化技術中存在的不足，具有經濟、環境友好、多效的優點。


圖I.本發明的同時實現畜禽糞便堆肥中氮磷元素的保存及N2O減排的堆肥系統示意圖。圖2.本發明實施例I的豬糞堆肥過程中堆體溫度及環境溫度的變化。圖3.本發明實施例I的豬糞堆肥過程中含水率的變化。圖4.本發明實施例I的豬糞堆肥過程中N2O累計排放量及以隊0形式損失的N所占百分比。圖5.本發明實施例I的豬糞堆肥過程中NH3累計排放量及以NH3形式損失的N所占百分比。圖6.本發明實施例I的豬糞堆肥過程中總磷和正磷酸鹽的變化。附圖標記I.堆肥反應器 2.空氣夾套3.氣體靜態采集罩4-1. NH3采樣口 4-2. N2O采樣口 5.溫濕度巡檢儀6.濕度傳感器 7.溫度傳感器 8.時間繼電器9.空氣增壓泵 10.流量計11.風室a.測溫點b.測溫點
具體實施例方式實施例I.請參見圖I的豬糞堆肥所采用的強制通風堆肥反應器，包括堆肥反應器I、空氣夾套2、氣體靜態采集罩3、NH3采樣口 4-1、N2O采樣口 4-2、溫濕度巡檢儀5、濕度傳感器6、溫度傳感器7、時間繼電器8、空氣增壓泵9、流量計10、風室11、測溫點a和測溫點b ；—均勻布設有通氣孔的穿孔板(所述的穿孔板上的通氣孔呈正三角形均勻布設，孔隙率為6% )將一圓柱體形容器分割成上為所述的堆肥反應器I (有效容積31. 8L，圓柱體形的高徑比是I. 17)，下為所述的風室11，并且所述的穿孔板是安裝在容器壁上的承托支架上；在所述的堆肥反應器的外部安裝有所述的空氣夾套2，頂部開有排氣口 ；在所述的堆肥反應器中設置有所述的測溫點a及所述的測溫點b，并且在測溫點a上方的所述的反應器中還設置有濕度傳感器6(JSL-6ATD);在測溫點a及測溫點b處設置的內置溫度傳感器(JWB/P/C)的溫度控制器7、和所述的濕度傳感器6均通過導線與所述的溫濕度巡檢儀 5(KSL/D-04RP2V0B1，北京昆侖海岸公司)相連接，用來測定堆肥反應器中的由畜禽糞便與調理劑形成的堆料溫度和堆體上方的濕度；在所述的堆肥反應器I的上面密閉安裝有一個所述的氣體靜態采集罩3(容積30L，可拆卸)，在氣體靜態采集罩3上設置有所述的NH3采樣口 4-1及所述的N2O采樣口4-2 ；在所述的穿孔板下方的所述的風室的一側安裝有通風管，該通風管經由所述的流量計10與所述的空氣增壓泵的出氣口連接；在所述的風室的底部安裝有滲濾液導出管；所述的空氣增壓泵9的控制開關通過導線與所述的時間繼電器8相連接；空氣增壓泵由時間繼電器控制開啟和關閉的狀態及時間，由流量計10控制通氣量的大小，由穿孔板控制通氣的均勻性。利用上述強制通風堆肥系統，采用可同步實現畜禽糞便堆肥中氮磷保存和溫室氣體N2O減排的方法進行豬糞堆肥，用于保存豬糞堆肥過程中的氮磷元素及減排溫室氣體N2O0在豬糞堆肥過程中，堆肥反應器采用時間反饋的強制通風控制方式向風室進行間歇通風，由時間繼電器8控制空氣增壓泵的開啟和關閉的狀態及時間；由流量計10控制通風量的大小。所用豬糞來自北京郊區某養豬場，調理劑采用北京郊區某木材加工廠的木屑。在豬糞中加入上述木屑以調節加入木屑后的豬糞中的C元素與N元素的質量比值為20 30，并使加入木屑后的豬糞的含水率為55 65% (質量百分比)；將木屑和豬糞混合(豬糞與木屑的體積比為I : I I : 3)均勻后均分成3堆，其中一份堆料中添加改性鋁土礦廢料赤泥(所述的改性是將粒徑為0. 15 Imm的富含鎂、鐵、鋁和鈣等金屬離子的鋁土礦廢料赤泥浸泡于硫酸溶液中進行酸化處理，直至用硫酸浸泡的鋁土礦廢料赤泥的懸濁液的PH值降至5. 0)，然后置于Rl堆肥反應器中；一份堆料中添加改性耐火材料鎂橄欖石(所述的改性是將粒徑為0. 15 Imm的富含鎂、鐵、鋁和鈣等金屬離子的耐火材料鎂橄欖石浸泡于硫酸溶液中進行酸化處理，直至用硫酸浸泡的耐火材料鎂橄欖石的懸濁液的PH值降至7. 0)，然后置于R2堆肥反應器中；第三份堆料未添加任何金屬鹽作為對照組置于R3堆肥反應器中。
改性后的鋁土礦廢料赤泥和改性后的耐火材料鎂橄欖石的金屬陽離子含量明顯高于改性前的含量。所述的加入經改性處理后的富含金屬鹽的工業廢棄物，優選是以加入所述的金屬鹽中的主要金屬離子(鎂、鐵、鋁和鈣等金屬離子)的總摩爾量約占畜禽糞便中的總氮量(摩爾)的20%的量加入。豬糞堆肥過程的3個反應體系均采用時間反饋的強制通風控制方式，設置通風/關閉狀態的時間為15s (通風)/IOmin (關閉)，通風量設定為0. 5L min^kg^OM,根據堆料中有機質含量，本系統通風量設定為I.堆肥過程分兩個階段，分別是升溫+高溫堆肥期21天和后腐熟期30天。堆肥過程進行溫度的記錄(2個溫度傳感器的探頭分別探測由上述堆料形成的堆體中心及距離堆體底部以上IOcm處的溫度)和堆體上方濕度的記錄，每間隔2小時或4小時記錄I次數據。堆肥過程產生的N2O和NH3通過堆肥反應器頂部的排氣口進入密閉安裝在堆肥反應器上面的氣體靜態采集罩中，利用氣體靜態采集罩，采用靜態箱平衡法定期通過氣體靜態采集罩上的N2O采樣口及NH3采樣口采集堆肥過程排放的NH3和N2O樣品并進行分析。研究結果表明，采用本堆肥系統并添加pH = 7. 0的改性鎂橄欖石進行豬糞堆肥處理，有利于保存氮素和減排溫室氣體,N2O造成的N損失僅為0. 65%，明顯優于添加pH =5. 0改性赤泥的8. 92%和對照的11. 22%。添加改性赤泥的RI堆肥系統，氨氣排放量少于添加鎂橄欖石的R2堆肥系統和對照R3堆肥系統。溫度(圖2)影響氨氣的排放，這體現為堆肥高溫階段氨氣排放量高(圖5)。而凡0的顯著排放主要出現在堆肥過程的前期和后腐熟期(圖4)，且在后腐熟階段因溫度較低，排放量尤為明顯，表現為排放量的激增。添加改性赤泥的Rl堆肥系統和添加改性鎂橄欖石的R2堆肥系統中以NH3和N2O氣體形式的損失均比對照R3堆肥系統少，分別占TKN的11. 07%和6. 38%。此外，這2種改性金屬鹽的添加均有利于降低水溶性正磷酸鹽的含量。結果見圖2 6。 圖2 圖6中的Rl對應添加改性赤泥的堆肥系統，R2對應添加改性鎂橄欖石的堆肥系統，R3對應不添加的對照堆肥系統。
權利要求
1.一種同步實現畜禽糞便堆肥中氮磷保存和溫室氣體N2O減排的強制通風堆肥系統，包括強制通風堆肥反應器、空氣夾套、氣體靜態采集罩、NH3采樣口、N2O采樣口、溫濕度巡檢儀、濕度傳感器、溫度傳感器、時間繼電器、空氣增壓泵、流量計、風室、第一測溫點和第二測溫點；其特征是 一穿孔板將一容器分割成上為所述的堆肥反應器，下為所述的風室；在所述的堆肥反應器的外部安裝有所述的空氣夾套，在所述的堆肥反應器的頂部開有排氣口 ；在所述的堆肥反應器中設置有所述的第一測溫點、所述的第二測溫點及所述的濕度傳感器；在所述的第一測溫點及所述的第二測溫點處設置的內置溫度傳感器的溫度控制器、和所述的濕度傳感器均通過導線與所述的溫濕度巡檢儀相連接； 在所述的堆肥反應器的上面密閉安裝有一所述的氣體靜態采集罩，在氣體靜態采集罩上設置有所述的NH3采樣口及所述的N2O采樣口 ； 在所述的穿孔板下方的所述的風室的一側安裝有通風管，該通風管經由所述的流量計與所述的空氣增壓泵的出氣口連接； 所述的空氣增壓泵的控制開關通過導線與所述的時間繼電器相連接。
2.根據權利要求I所述的同步實現畜禽糞便堆肥中氮磷保存和溫室氣體N2O減排的強制通風堆肥系統，其特征是所述的穿孔板上的通氣孔呈正三角形均勻布設，孔隙率為6%。
3.根據權利要求I所述的同步實現畜禽糞便堆肥中氮磷保存和溫室氣體N2O減排的強制通風堆肥系統，其特征是所述的氣體靜態采集罩可拆卸。
4.根據權利要求I所述的同步實現畜禽糞便堆肥中氮磷保存和溫室氣體N2O減排的強制通風堆肥系統，其特征是所述的風室的底部安裝有滲濾液導出管。
5.根據權利要求I所述的同步實現畜禽糞便堆肥中氮磷保存和溫室氣體N2O減排的強制通風堆肥系統，其特征是所述的濕度傳感器是設置在所述的第一測溫點的上方。
6.一種利用權利要求I 5任意一項所述的同步實現畜禽糞便堆肥中氮磷保存和溫室氣體N2O減排的方法，其特征是 在畜禽糞便中加入調理劑，以調節加入調理劑后的畜禽糞便中的C元素與N元素的質量比，并使加入調理劑后的畜禽糞便的含水率為55 65% (質量百分比)；然后加入經改性處理后的富含金屬鹽的工業廢棄物，混合均勻的物料通過物料輸送系統輸送至所述同步實現畜禽糞便堆肥中氮磷保存和溫室氣體N2O減排的強制通風堆肥系統中的堆肥反應器中進行堆肥化處理；在堆肥反應器中的由上述堆料形成的堆體內部放置有內置溫度傳感器的溫度探測器，及在堆體的上方放置濕度傳感器，通過溫濕度巡檢控制儀監測堆體溫度和堆體上方的濕度在整個堆肥過程中的變化情況；堆肥過程采用時間反饋的強制通風控制方式，通過控制空氣增壓泵的開啟和關閉使空氣經過穿孔板對堆料進行通風；堆肥過程產生的N2O和NH3通過堆肥反應器頂部的排氣口進入密閉安裝在堆肥反應器上面的氣體靜態采集罩中，并通過氣體靜態采集罩上的N2O采樣口及NH3采樣口被收集； 所述的加入經改性處理后的富含金屬鹽的工業廢棄物，是以加入所述的金屬鹽中的鎂、鐵、鋁和鈣金屬離子的總摩爾量占畜禽糞便中的總氮量(摩爾)的15 30%的量加入。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征是所述的富含金屬鹽的工業廢棄物的改性處理是將粒徑為0. 15 Imm的富含鎂、鐵、鋁和鈣金屬離子的工業廢棄物浸泡于酸性溶液中進行酸化處理，處理至浸泡有富含鎂、鐵、鋁和鈣金屬離子的工業廢棄物的懸濁液的pH值控制范圍在5 7之間。
8.根據權利要求6或7所述的方法，其特征是所述的富含金屬鹽的工業廢棄物為鋁土礦廢料赤泥和/或耐火材料鎂橄欖石。
9.根據權利要求6所述的方法，其特征是所述的加入調理劑后的畜禽糞便中的C元素與N元素的質量比值為20 30。
10.根據權利要求6或7所述的方法，其特征是所述的畜禽糞便包括豬糞、雞糞、牛糞、羊糞、馬糞或它們之間的任意混合物； 所述的調理劑是粉碎后的農作物秸桿、粉碎后的枯枝落葉、粉碎后的玉米芯、稻殼、木屑、蘑菇渣、糠醛渣或它們之間的任意混合物。
全文摘要
本發明涉及畜禽糞便強制通風堆肥系統及其用于同步實現畜禽糞便堆肥中氮磷保存和溫室氣體N2O減排的方法。所述畜禽糞便強制通風堆肥系統由獨立的兩部分組裝而成，其一是強制通風堆肥反應器；其二是與堆肥反應器密閉連接的可拆卸的氣體靜態采集罩。所述方法通過在畜禽糞便堆肥過程中添加富含金屬鹽的改性工業廢棄物以同步實現保氮、固磷和溫室氣體N2O減排三效合一的目標。該方法包括富含金屬鹽工業廢棄物的改性處理，以提高工業廢棄物中可利用金屬離子含量。本發明的畜禽糞便強制通風堆肥系統及方法處理畜禽糞便，可達到堆肥過程中氮素保存與固磷效果，提高堆肥產品質量，并具有溫室氣體N2O減排功效，減少環境危害，促進畜禽糞便的資源化。
文檔編號C05G3/00GK102757271SQ20111011069
公開日2012年10月31日 申請日期2011年4月29日 優先權日2011年4月29日
發明者鄭嘉熹, 魏源送 申請人:中國科學院生態環境研究中心