一种厨余垃圾制备生物炭基有机肥的方法及系统

技术领域

本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种厨余垃圾制备生物炭基有机肥的方法及系统。

背景技术

厨余垃圾是指居民日常生活及食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生的垃圾废弃物，包括丢弃不用的菜叶、剩菜、剩饭、果皮、蛋壳、茶渣、骨头等，成分具有多源性、混杂性和不确定性。这些废弃物如不妥善处理处置，会造成严重的环境污染，同时会造成人和动物疾病传播。

现有厨余垃圾的处理方法以厌氧发酵(如专利文献CN112851411A)、好氧发酵(如专利文献CN106927977A)、好氧堆肥(如专利文献CN114057516A)、回转窑热解炭化(如专利文献CN109400375A)、固液分离协同焚烧为主。但这些方法存在以下缺点：(1)厌氧发酵中的厌氧细菌对细胞和组织内有机质分解速度慢，厌氧消化停留时间长、效率低，资源化利用程度低，厌氧消化后残留大量的沼渣、沼液处理成本高，末端消纳出路难；(2)好氧发酵和好氧堆肥方法需要添加大量辅料如秸秆、木屑等或利用能源将厨余垃圾的水分降到适合堆肥的条件，能源消耗大、过程臭气难管理，好氧堆肥腐熟时间长，占地面积大，难以达到大批量有机肥产品的标准指标，市场消纳出路难，仓储堆放成本高，易造成二次污染；(3)回转窑热解炭化方法和固液分离协同焚烧方法都需要将厨余垃圾水分汽化，耗能高，存在二噁英有害气体的排放风险，后端尾气处理难度大，投资成本高，直接焚烧有机物未能充分资源化利用。因此，现有厨余垃圾的处理方法普遍存在处理消纳不彻底、过程能耗高、尾气治理难、经济性价比低、循环经济指标低等缺点，无法满足更高标准的“无害化、减量化、资源化”政策需求。

生物炭基有机肥是由生物炭与来源于植物和/或动物的有机物料混合发酵腐熟，或与来源于植物和/或动物的经过发酵腐熟的含碳有机物料混合制成的肥料，因此，为了获得生物炭基有机肥，需要先制备生物炭，然后再将生物炭与有机物料混合，工艺流程复杂繁琐。其次，生物炭是由农作物秸秆、木屑等生物质材料在限氧或隔绝氧气的环境条件下，经热解而得到的固体产物，但由于秸秆和木屑的离地成本高，导致生物炭基有机肥价格高，限制了生物炭基有机肥的推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种厨余垃圾制备生物炭基有机肥的方法及系统，在不额外添加生物炭情况下，满足厨余垃圾“无害化、减量化、资源化”处理要求的同时，如何以厨余垃圾为原料制备生物炭基有机肥，降低生物炭基有机肥制备成本。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

本发明的一种厨余垃圾制备生物炭基有机肥的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，将厨余垃圾进行预处理，得到含水率为80％～99％的有机浆液；

步骤S2，在温度为150～340℃、压力为1～15Mpa条件下，将有机浆液与压缩空气或者氧气进行水热氧化反应和水热炭化反应，供氧量为有机浆液质量的0.2％～20％，反应时间为10～300min，得到悬混液；

步骤S3，将悬混液进行固液分离，得到固体的有机泥饼和澄清液体；

步骤S4，将有机泥饼进行微生物发酵堆肥，得到生物炭基有机肥。

进一步地，将所述澄清液体进行厌氧产沼，得到沼气。

优选地，步骤S1中的厨余垃圾预处理包括厨余垃圾的破碎、分选、制浆和匀质，可将厨余垃圾中的塑料、金属、沙砾和其它不可降解的生活垃圾杂物除去，将有机质和水调配制成具有一定流动性的均质有机浆液，所述有机浆液的含水率为88％～95％。

优选地，所述水热氧化反应和水热炭化反应在催化剂作用下进行，所述催化剂为非均相金属催化剂，例如：蜂窝状非均相金属催化剂；更优选地，所述催化剂的有效成分为金属铈、镧、钌或者钯中的一种或者数种，每种金属在所述催化剂中的质量分数为0.1％～3％。

优选地，所述压缩空气或者氧气与所述有机浆液的质量比为(1％～10％)：1，通过控制供氧量，使得有机浆液中部分有机物被氧化，放出大量热量，保证水热氧化和水热炭化反应的合适条件和合适的反应程度，使得最终产品中的碳含量和有机养分达到所要求的范围。

优选地，所述步骤S2中的反应温度为180～280℃，反应压力为2～9Mpa。厨余垃圾有机物中的纤维素和半纤维素炭化温度分别在220℃和300℃以上，蛋白质一般在50～70℃开始变性炭化，脂肪在200℃以上开始分解炭化，低分子糖类一般在180℃发生炭化，因此将反应温度设置在200～280℃范围，可以使大部分生物质得到炭化，通过控制反应温度、压力和反应时间，可以将厨余垃圾中的生物质分步炭化。通常温度越高，压力越高，炭化程度越高，产品中的含碳量增加，但是系统的制造成本和运行成本会大幅度上升。添加合适的催化剂催化，可以降低反应的温度和压力，保证产品的质量和产率的同时降低制造和运行成本。优选地，所述有机泥饼的含水率≤35％。

优选地，所述微生物发酵堆肥为静态主动供氧堆肥、机械翻堆静态堆肥和容器堆肥中一种或多种；其中，所述静态主动供氧堆肥是在有氧的条件下，将固体有机泥饼堆积，利用微生物发酵得到肥料，此法成本低；所述机械翻堆静态堆肥是利用搅拌机或其它设备进行通风排湿，使固体有机泥饼均匀接触空气，利用好氧性菌进行发酵，并使堆肥物料迅速分解，防止臭气产生，通常发酵时间为7～10天，翻堆次数为一天一次；所述容器堆肥是采用堆肥箱进行堆肥，使用“生物反应器”的原理可以控制其中的空气流量和温度，以保持最佳的需氧分解条件。

本发明还提供一种厨余垃圾制备生物炭基有机肥的系统，其特征在于，包括：预处理装置；与所述预处理装置相连接的热氧破壁炭化反应装置；与所述热氧破壁炭化反应装置相连接的固液分离装置；与所述固液分离装置的固相出料口相连接的微生物发酵装置，以及与其液相出料口相连接的厌氧产沼装置；

其中：所述热氧破壁炭化反应装置包括与所述预处理设备相连接的浆液罐，所述浆液罐的出料口通过管道与气液混合器的进料口相连接；所述气液混合器上还设有进气口，与压缩空气或者氧气供给设备相连接；所述气液混合器的出料口与管壳式换热器的管程进口相连接；所述管壳式换热器的管程出口与反应的进料口相连接；所述反应塔的出料口与所述管壳式换热器的壳程入口相连接；所述管壳式换热器的壳程出口与气液分离器的进料口相连接；所述气液分离器的液相出口与所述固液分离装置的进料口相连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过维持反应时的高温高压状态，增加了氧气在有机浆液中的溶解度，为水热氧化反应和水热炭化反应提供强大推动力，加快反应速度，减少反应时间。

(2)本发明通过水热氧化反应将有机浆液中的病毒和各类细胞充分破壁和彻底灭杀，病毒和细胞内水份和有机质被释放出来，部分溶解性或者不溶性的有机质发生氧化反应，分解成溶解性的小分子有机物或二氧化碳并放出热量；同时通过水热炭化反应将部分溶解性或者不溶性的有机质(纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、脂肪及低分子糖类等生物质)炭化成不溶性的生物炭颗粒悬浮于液体中，原本粘稠难固液分离的有机浆液变成了易固液分离的悬混液。

(3)本发明可以通过调整供氧与有机浆液的质量比，以调节有机浆液中的氧含量，进而改变水热氧化反应与水热炭化反应的比例，可以制备出不同生物炭产率的生物炭基有机肥，以满足不同土壤改良或培肥的需求；

(4)本发明将厨余垃圾中的含碳有机物在水热炭化反应中直接转化为生物炭，无需额外添加生物炭；既可将厨余垃圾转变成生物炭基有机肥，将厨余垃圾变废为宝，与现有技术的厨余垃圾处理方法相比，又不产生有毒有害物质，满足了厨余垃圾“无害化、减量化、资源化”的处理要求，还大幅度降低了生物炭基有机肥的制备成本；

(5)本发明中氧化后所得到的悬混液经过固液分离如板框压滤机过滤后得到纯净、低SS和可生化性极好的澄清液体及35％含水率以下的固体有机泥饼。固液分离所得澄清液体的悬浮物含量很低(低于0.1g/L)，富含小分子化合物，适合采用IC或者UASB等高效液体厌氧反应器进行厌氧产沼。相较于固液全混式厌氧产沼，可缩短70％以上的厌氧反应时间；设备的投资和运行成本降低60％以上。所得固体有机泥饼含有较高含量的有机质和生物炭，孔隙率高，微生物发酵过程中无需添加大量辅料(木屑)和额外脱水。

(6)有机浆料和压缩空气进入反应塔后发生水热氧化反应，放出大量热量，不仅为水热炭化反应提供充足的能量，反应后的物料在管壳式换热器内与未反应的冷物料进行逆流间壁换热，起到冷却热态物料和预热冷态物料的双重效果，从而实现热量自平衡。除了在启动阶段需要外加热源，正常运行阶段无需额外添加热源就能实现“细胞破壁液化、大分子分解成小分子、部分炭化”过程，从而极大的节约能耗，降低运行成本。

附图说明

图1为本发明实施例中厨余垃圾制备生物炭基有机肥方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中厨余垃圾制备生物炭基有机肥装置的示意图；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

另外，术语“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。

如图2所示，本发明的一种厨余垃圾制备生物炭基有机肥的系统，包括：预处理装置；与所述预处理装置相连接的热氧破壁炭化反应装置；与所述热氧破壁炭化反应装置相连接的固液分离装置；与所述固液分离装置的固相出料口相连接的微生物发酵装置，以及与其液相出料口相连接的厌氧产沼装置；热氧破壁炭化反应系统用于进行水热氧化反应和水热炭化反应，固液分离系统用于将悬混液进行固液分离，生物发酵系统用于将固体有机泥饼进行微生物发酵堆肥，厌氧产沼系统用于将澄清液体厌氧产沼；

其中：所述热氧破壁炭化反应装置包括与所述预处理设备相连接的浆液罐1，所述浆液罐1的出料口通过管道与气液混合器3的进料口相连接；所述气液混合器3上还设有进气口，与压缩空气或者氧气供给设备9相连接；所述气液混合器3的出料口与管壳式换热器4的管程进口相连接；所述管壳式换热器4的管程出口与反应塔5下部的进料口相连接；所述反应塔5上部的出料口与所述管壳式换热器4的壳程入口相连接；所述管壳式换热器4的壳程出口与气液分离器6的进料口相连接；所述气液分离器6的液相出口与所述固液分离装置8的进料口相连接。

进一步地，所述浆液罐1与所述气液混合器3相连接的管道上设有浆液输送泵2；所述气液分离器6与所述固液分离装置8相连接的管道上设有悬浊液输送泵7。

优选地，所述反应塔5内装填有固体的催化剂，所述催化剂为非均相金属催化剂，例如：蜂窝状非均相金属燃烧催化剂。

所述浆液罐1内储藏有机浆液，所述浆液输送泵2用于将有机浆液输送到所述气液混合器3中，所述压缩空气或者氧气供给设备9用于将压缩空气或者氧气输送到气液混合器中。优选地，所述浆液输送泵2和所述压缩空气或者氧气供给设备9通过变频器来控制有机浆液的流量和压缩空气或者氧气流量，从而控制热氧破壁炭化反应系统内有机浆液与氧气的质量比。

所述管壳式换热器4为多级串联的列管式换热器，在其管程中流动的是未反应的冷态原料(有机浆料和压缩空气或者氧气)，与在其壳程中流动的反应后的热态物料进行逆向间壁换热，起到冷却热态物料和预热冷态物料的双重效果。未反应的冷态物料预热至所需温度后，进入所述反应塔5，发生水热氧化反应，放出大量热量，为水热炭化反应提供充足的能量；完成反应后的热态物料从所述反应塔5上部的出料口排入所述管壳式换热器4中，进行冷却和热量回收，从而实现所述热氧破壁炭化反应装置的热量自平衡。除了在启动阶段需要外加热源将系统预热至所需反应温度外，所述热氧破壁炭化反应装置在正常运行阶段无需额外添加热源，就能实现“细胞破壁液化、大分子分解成小分子、部分炭化”过程，从而极大的节约能耗，降低运行成本。

所述气液分离器6用于分离反应产物的气相与固液相；分离得到的气体送入后续的尾气处理系统，处理达标后安全排放；分离得到的固液相即为所述悬混液。

所述固液分离装置为板框压滤机、加压立式叶片过滤机、离心机或者自动压滤机中的一种或多种；由于浆液经过氧化反应和炭化反应后，得到很好的破壁脱水和液化效果，物料性质得到根本改变，无需加药，采用以上固液分离系统就可以实现很好的固液分离，得到含水率小于35％的固体泥饼和澄清液体。

热氧破壁炭化反应系统能实现24小时不间断进料和出料，可以连续化自动运行，厨余垃圾处置和生物炭基有机肥的制备过程具备24小时连续运行能力。

实施例1

一种厨余垃圾制备生物炭基有机肥的方法，工艺流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1，将100吨厨余垃圾进行破碎、分选、制浆和匀质预处理，将厨余垃圾中的塑料、金属、沙砾和其它不可降解的生活垃圾杂物除去，并将有机质和稀释水调配制成220吨具有一定流动性的含水率为91.8％的均质有机浆液，储存在浆液罐1内；

步骤S2，通过浆液输送泵2将220吨有机浆液以10方/小时的速度送入气液混合器3内；同时，通过空压机9将压缩空气以720标方/小时的速度送入气液混合器3内与有机浆液进行混合；再将所述有机浆液通过管壳式换热器4的管程，送入装填有蜂窝状非均相金属镧催化剂(镧含量2.37％)的反应塔5中，保持在反应温度210℃、压力3.5Mpa下进行水热氧化反应和热炭化反应，反应时间为30min，得到218吨悬混液；

水热氧化反应将有机浆液中的病毒和各类细胞充分破壁和彻底灭杀，病毒和细胞内水份和有机质被释放出来，部分溶解性或者不溶性的有机质发生氧化分解反应，得到溶解性的小分子有机物或二氧化碳并放出热量；水热炭化反应将溶解性或者不溶性的有机质(纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、脂肪及低分子糖类等生物质)炭化成不溶性的生物炭颗粒悬浮于液体中，原本粘稠难固液分离的有机浆液变成了易固液分离的悬混液；

步骤S3，采用隔膜板框压滤机8将悬混液进行固液分离，最大过滤压力1Mpa，最大压榨压力1.4Mpa，得到6.3吨含水率28.9％的固体有机泥饼和211.7吨澄清液体；澄清液体通过UASB厌氧产沼系统制成6800方56％甲烷含量的沼气和沼液，沼液经过水处理系统达标后排放；

步骤S4，采用机械翻堆静态堆肥将6.3吨固体有机泥饼进行微生物发酵堆肥3个月，得到5.6吨生物炭基有机肥。

实施例2

一种厨余垃圾制备生物炭基有机肥方法，包括以下步骤：

步骤S1，将100吨厨余垃圾进行破碎、分选、制浆和匀质预处理，将厨余垃圾中的塑料、金属、沙砾和其它不可降解的生活垃圾杂物除去，并将有机质和稀释水调配制成226吨具有一定流动性的含水率为90.9％的均质有机浆液，储存在浆液罐1内；

步骤S2，通过浆液输送泵3将226吨有机浆液以10方/小时的速度送入气液混合器3内；同时，通过空压机9将压缩空气以780标方/小时的速度送入气液混合器3内与有机浆液进行混合；再将所述有机浆液通过管壳式换热器4的管程，送入装填有蜂窝状非均相金属钌-铈催化剂(钌含量0.15％，铈含量1.25％)的反应塔5中，保持在反应温度250℃、压力6Mpa下进行水热氧化反应和水热炭化反应，反应时间为30min，得到223吨悬混液；

步骤S3，采用板框压滤机8将悬混液进行固液分离，得到5.4吨28.5％含水率的固体有机泥饼和220.6吨澄清液体，澄清液体通过UASB厌氧产沼系统制成5900方58％甲烷含量的沼气和沼液，沼液经过水处理系统达标后排放；

步骤S4，采用机械翻堆静态堆肥将5.4吨固体有机泥饼进行微生物发酵堆肥3个月，得到4.6吨生物炭基有机肥。

实施例3

一种厨余垃圾制备生物炭基有机肥方法，包括以下步骤：

步骤S1，将100吨厨余垃圾进行破碎、分选、制浆和匀质预处理，将厨余垃圾中的塑料、金属、沙砾和其它不可降解的生活垃圾杂物除去，并将有机质和稀释水调配制成221吨具有一定流动性的含水率为91.9％的均质有机浆液，储存在浆液罐1内；

步骤S2，通过浆液输送泵3将221吨有机浆液以10方/小时的速度送入气液混合器3内；同时，通过空压机9将压缩空气以980标方/小时的速度送入气液混合器3内与有机浆液进行混合；再将所述有机浆液通过管壳式换热器4的管程，送入反应塔5中，反应塔5内不装填催化剂；保持在反应温度280℃、压力8Mpa下进行水热氧化反应和水热炭化反应，反应时间为60min，得到219吨悬混液；

步骤S3，采用板框压滤机8将悬混液进行固液分离，得到4.7吨29.7％含水率的固体有机泥饼和216.3吨澄清液体，澄清液体通过UASB厌氧产沼系统制成4600方57％甲烷含量的沼气和沼液，沼液经过水处理系统达标后排放；

步骤S4，采用机械翻堆静态堆肥将4.7吨固体有机泥饼进行微生物发酵堆肥3个月，得到4.1吨生物炭基有机肥。

对实施例1至实施例3得到的生物炭基有机肥分别进行检测，检测方法参考中华人民共和国农业行业标准《生物炭基有机肥料-NY/T3618-2020》，得到的结果见表1。

表1生物炭基有机肥检测结果

从实施例1和实施例2的生物炭基有机肥检测结果数据可知，采用实施例1和实施例2的工艺参数都可以制备满足Ⅰ型标准和Ⅱ型标准的生物炭基有机肥。与实施例1相比，实施例2在制备过程中增加了部分能耗，生物炭基有机肥的生物炭质量分数(以固定碳含量计)和品质都得到了提高，通过调整生产技术参数以满足不同生物炭基有机肥的市场需求。其中，反应温度越高，反应压力越高，有机浆液中的炭化程度越高，生物炭的质量分数越高。从实施例3与实施例1-2比较可知，没有装填催化剂时，反应要求的温度和压力较高，反应时间较长，产品产率较低，产品质量不如装填催化剂时的产品质量，单位产品的生产成本较高。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。