同步实现畜禽粪便堆肥中氮磷保存和温室气体N₂O减排的强制通风堆肥系统及方法

专利名称：同步实现畜禽粪便堆肥中氮磷保存和温室气体N₂O减排的强制通风堆肥系统及方法
技术领域：
本发明属于固体废弃物处置和资源化技术领域，特别涉及畜禽粪便强制通风堆肥系统及其用于同步实现畜禽粪便堆肥中氮磷保存和温室气体N2O减排的方法。
背景技术：
随着经济发展，生活水平的提高，我国成为了世界上最大的肉、蛋生产国。近年来，我国集约化畜禽养殖场大量兴起，截至2002年，全行业产值的60%为集约化养殖场创造。同时，集约化养殖场排放大量粪便所引起的大气、水体和土壤污染等一系列环境问题也随之而来。好氧堆肥化技术作为利用微生物在一定条件下分解有机固体废弃物为腐殖质，使之达到无害化、资源化和稳定化的方法，广泛应用于畜禽粪便中氮磷营养元素的资源化回 收利用，堆肥产品还田可改善土壤肥力(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)。然而堆肥过程中畜禽粪便所含有机氮易于被微生物分解转化为氨气，同时在硝化反硝化过程中产生温室气体N20(据国际气候变化组织IPCC的报告，N20的增温潜势为CO2的296倍，为京都议定书中规定进行控制的六大温室气体之一)，造成氮素损失量大，而堆肥产品农田施用时又存在因暴雨径流引起的磷流失情况，引发环境问题。随着畜禽粪便排放量的增加(至2007年，畜禽养殖业粪便产生量达2. 43亿吨)，堆肥处理过程中氮磷保存的问题受到广泛关注，主要包括各种工艺参数的调控(如通风量及控制方式、初始C/N、含水率等)、调理剂的使用、化学添加剂以及微生物菌剂的添加。已有的针对氮素保存同时降低水溶态磷含量的研究较少。通常通过添加镁盐或磷盐的化学试剂进行氮磷保存，但却未考虑温室气体(N2O)的排放。因此，从减少环境污染和 实现有机固废资源化利用出发，寻求化学试剂的替代材料，开发经济高效的具有三效合一(保氮、固磷和温室气体(N2O)减排)的畜禽粪便堆肥技术，为我国畜禽粪便的无害化、减量化和资源化探索一条新途径。

发明内容
本发明的目的之一在于改进和完善当前畜禽粪便等有机固体废弃物处理及资源化技术，从而提供一种经济高效的具有同步实现畜禽粪便堆肥中氮磷保存和温室气体N2O减排的强制通风堆肥系统。本发明的目的之二在于采用富含金属盐的工业废弃物替代化学试剂的使用，并利用目的一的强制通风堆肥系统，从而提供一种同步实现畜禽粪便堆肥中氮磷保存和温室气体凡0减排的方法。本发明用来同步实现畜禽粪便堆肥中氮磷保存和温室气体N2O减排的强制通风堆肥系统如图I所示；由独立的两部分组成，其一是强制通风堆肥反应器；其二是与堆肥反应器密闭连接的可拆卸的气体静态采集罩；包括强制通风堆肥反应器、空气夹套、气体静态采集罩、NH3采样口、N20采样口、温湿度巡检仪、湿度传感器、温度传感器、时间继电器、空气增压泵、流量计、风室、第一测温点和第二测温点。—穿孔板将一容器分割成上为所述的堆肥反应器(用于放置混合物料)，下为所述的风室；在所述的堆肥反应器的外部安装有所述的空气夹套(空气夹套用于增强反应器的保温效果)，在所述的堆肥反应器的顶部开有排气口 ；在所述的堆肥反应器中设置有所述的第一测温点、所述的第二测温点及所述的湿度传感器；在所述的第一测温点及所述的第二测温点处设置的内置温度传感器的温度控制器、和所述的湿度传感器均通过导线与所述的温湿度巡检仪相连接。在所述的堆肥反应器的上面密闭安装有一所述的气体静态采集罩，所述的堆肥反应器中的气体通过所述的排气口进入所述的密闭良好的气体静态采集罩，在气体静态采集罩上设置有所述的NH3采样口及所述的N2O采样口 ；所述的气体静态采集罩可拆卸。在所述的穿孔板下方的所述的风室的一侧安装有通风管，该通风管经由所述的流 量计与所述的空气增压泵的出气口连接；在所述的风室的底部安装有渗滤液导出管。所述的空气增压泵的控制开关通过导线与所述的时间继电器相连接；空气增压泵由时间继电器控制开启和关闭的状态及时间，由流量计控制通气量的大小，由穿孔板控制通气的均匀性。所述的穿孔板上的通气孔是均匀布设；所述的通气孔呈正三角形均匀布设，孔隙率为6%。所述的穿孔板是安装在容器壁上的承托支架上。所述的湿度传感器是设置在所述的第一测温点的上方，测定所述反应器内堆肥物料上方的空气湿度，与所述的堆肥物料无直接接触。本发明的利用上述强制通风堆肥系统，采用可同步实现畜禽粪便堆肥中氮磷保存和温室气体N2O减排的方法在畜禽粪便中加入调理剂，以调节加入调理剂后的畜禽粪便中的C元素与N元素的质量比(优选使加入调理剂后的畜禽粪便中的C元素与N元素的质量比值为20 30)，并使加入调理剂后的堆肥物料的含水率为55 65% (质量百分比)，然后加入经改性处理后的富含金属盐的工业废弃物，混合均匀的物料通过物料输送系统输送至所述同步实现畜禽粪便堆肥中氮磷保存和温室气体N2O减排的强制通风堆肥系统中的堆肥反应器中(所述系统如图I所示)进行堆肥化处理；在堆肥反应器中的由上述堆料形成的堆体内部(分别为堆体的中心和距离堆体底部以上IOcm处)放置有内置温度传感器的温度探测器，及在堆体的上方放置湿度传感器，通过温湿度巡检控制仪监测堆体温度和堆体上方的湿度在整个堆肥过程中的变化情况；堆肥过程采用时间反馈的强制通风控制方式向风室进行间歇通风，进入风室的空气经穿孔板均匀通过堆料；堆肥过程产生的N2O和NH3通过堆肥反应器顶部的排气口进入密闭安装在堆肥反应器上面的气体静态采集罩中，并通过气体静态采集罩上的N2O采样口及NH3采样口被收集。采样方法是静态箱平衡法。所述的富含金属盐的工业废弃物的改性处理是将粒径为0. 15 Imm的富含主要为镁、铁、铝和钙等金属离子的工业废弃物(包括铝土矿废料赤泥和/或耐火材料镁橄榄石等)浸泡于酸性溶液中进行酸化处理(硫酸溶液或其它酸性溶液)，处理后得到浸泡有富含镁、铁、铝和钙金属离子的工业废弃物的悬浊液的PH值一般控制范围在5 7之间，依据堆肥工艺需求确定。
所述的加入经改性处理后的富含金属盐的工业废弃物，优选是以加入所述的金属盐中的主要金属离子(镁、铁、铝和钙等金属离子)的总摩尔量约占畜禽粪便中的总氮量(摩尔)的15 30%的量加入。所述的堆体温度未进行强制控制，堆肥过程的温度依次经过自然升温、高温、降温(后腐熟)阶段，高温期温度达到50°C以上。所述的采用时间反馈的强制通风控制方式向风室进行间歇通风，是由时间继电器通过导线控制空气增压泵的开启与关闭的时间，由此控制向堆料通风和供氧。所述的畜禽粪便与调理剂的体积比为I : I I : 3。所述的畜禽粪便是畜禽的固体排泄物，包括猪粪、鸡粪、牛粪、羊粪或它们之间的任意混合物等。 所述的调理剂是粉碎后的农作物秸杆、粉碎后的枯枝落叶、粉碎后的玉米芯、稻壳、木屑、蘑菇渣、糠醛渣或它们之间的任意混合物等。本发明在畜禽粪便堆肥中，通过加入经过改性处理的富含金属盐的工业废弃物，同时利用工业废弃物中的镁、铁、铝和钙等金属离子与堆料中的氮、磷发生化学反应、物理吸附等以及生物作用，保存畜禽粪便中的氮元素、转变磷的形态并减少N2O的排放。在本发明的方法中采用富含金属离子的工业废弃物替代纯化学药剂金属盐，不仅实现了工业废弃物的再利用，并且可减少化学药剂的使用，从而降低了经济成本。经本发明的方法处理后，既保存了畜禽粪便堆肥中的氮磷营养元素，同时又减少了温室气体(N2O)的排放，提高了畜禽粪便堆肥产品的质量。本发明中的堆肥反应器的气体静态采集罩部件易于实现对所排放气体(包括温室气体、臭气等)的集中收集处理，降低环境危害风险。本发明的系统及方法满足占地面积小、处理时间短、环境影响小等多项要求，可改进畜禽粪便等有机固体废弃物处理及资源化技术中存在的不足，具有经济、环境友好、多效的优点。


图I.本发明的同时实现畜禽粪便堆肥中氮磷元素的保存及N2O减排的堆肥系统示意图。图2.本发明实施例I的猪粪堆肥过程中堆体温度及环境温度的变化。图3.本发明实施例I的猪粪堆肥过程中含水率的变化。图4.本发明实施例I的猪粪堆肥过程中N2O累计排放量及以队0形式损失的N所占百分比。图5.本发明实施例I的猪粪堆肥过程中NH3累计排放量及以NH3形式损失的N所占百分比。图6.本发明实施例I的猪粪堆肥过程中总磷和正磷酸盐的变化。附图标记I.堆肥反应器 2.空气夹套3.气体静态采集罩4-1. NH3采样口 4-2. N2O采样口 5.温湿度巡检仪6.湿度传感器 7.温度传感器 8.时间继电器9.空气增压泵 10.流量计11.风室a.测温点b.测温点
具体实施例方式实施例I.请参见图I的猪粪堆肥所采用的强制通风堆肥反应器，包括堆肥反应器I、空气夹套2、气体静态采集罩3、NH3采样口 4-1、N2O采样口 4-2、温湿度巡检仪5、湿度传感器6、温度传感器7、时间继电器8、空气增压泵9、流量计10、风室11、测温点a和测温点b ；—均匀布设有通气孔的穿孔板(所述的穿孔板上的通气孔呈正三角形均匀布设，孔隙率为6% )将一圆柱体形容器分割成上为所述的堆肥反应器I (有效容积31. 8L，圆柱体形的高径比是I. 17)，下为所述的风室11，并且所述的穿孔板是安装在容器壁上的承托支架上；在所述的堆肥反应器的外部安装有所述的空气夹套2，顶部开有排气口 ；在所述的堆肥反应器中设置有所述的测温点a及所述的测温点b，并且在测温点a上方的所述的反应器中还设置有湿度传感器6(JSL-6ATD);在测温点a及测温点b处设置的内置温度传感器(JWB/P/C)的温度控制器7、和所述的湿度传感器6均通过导线与所述的温湿度巡检仪 5(KSL/D-04RP2V0B1，北京昆仑海岸公司)相连接，用来测定堆肥反应器中的由畜禽粪便与调理剂形成的堆料温度和堆体上方的湿度；在所述的堆肥反应器I的上面密闭安装有一个所述的气体静态采集罩3(容积30L，可拆卸)，在气体静态采集罩3上设置有所述的NH3采样口 4-1及所述的N2O采样口4-2 ；在所述的穿孔板下方的所述的风室的一侧安装有通风管，该通风管经由所述的流量计10与所述的空气增压泵的出气口连接；在所述的风室的底部安装有渗滤液导出管；所述的空气增压泵9的控制开关通过导线与所述的时间继电器8相连接；空气增压泵由时间继电器控制开启和关闭的状态及时间，由流量计10控制通气量的大小，由穿孔板控制通气的均匀性。利用上述强制通风堆肥系统，采用可同步实现畜禽粪便堆肥中氮磷保存和温室气体N2O减排的方法进行猪粪堆肥，用于保存猪粪堆肥过程中的氮磷元素及减排温室气体N2O0在猪粪堆肥过程中，堆肥反应器采用时间反馈的强制通风控制方式向风室进行间歇通风，由时间继电器8控制空气增压泵的开启和关闭的状态及时间；由流量计10控制通风量的大小。所用猪粪来自北京郊区某养猪场，调理剂采用北京郊区某木材加工厂的木屑。在猪粪中加入上述木屑以调节加入木屑后的猪粪中的C元素与N元素的质量比值为20 30，并使加入木屑后的猪粪的含水率为55 65% (质量百分比)；将木屑和猪粪混合(猪粪与木屑的体积比为I : I I : 3)均匀后均分成3堆，其中一份堆料中添加改性铝土矿废料赤泥(所述的改性是将粒径为0. 15 Imm的富含镁、铁、铝和钙等金属离子的铝土矿废料赤泥浸泡于硫酸溶液中进行酸化处理，直至用硫酸浸泡的铝土矿废料赤泥的悬浊液的PH值降至5. 0)，然后置于Rl堆肥反应器中；一份堆料中添加改性耐火材料镁橄榄石(所述的改性是将粒径为0. 15 Imm的富含镁、铁、铝和钙等金属离子的耐火材料镁橄榄石浸泡于硫酸溶液中进行酸化处理，直至用硫酸浸泡的耐火材料镁橄榄石的悬浊液的PH值降至7. 0)，然后置于R2堆肥反应器中；第三份堆料未添加任何金属盐作为对照组置于R3堆肥反应器中。
改性后的铝土矿废料赤泥和改性后的耐火材料镁橄榄石的金属阳离子含量明显高于改性前的含量。所述的加入经改性处理后的富含金属盐的工业废弃物，优选是以加入所述的金属盐中的主要金属离子(镁、铁、铝和钙等金属离子)的总摩尔量约占畜禽粪便中的总氮量(摩尔)的20%的量加入。猪粪堆肥过程的3个反应体系均采用时间反馈的强制通风控制方式，设置通风/关闭状态的时间为15s (通风)/IOmin (关闭)，通风量设定为0. 5L min^kg^OM,根据堆料中有机质含量，本系统通风量设定为I.堆肥过程分两个阶段，分别是升温+高温堆肥期21天和后腐熟期30天。堆肥过程进行温度的记录(2个温度传感器的探头分别探测由上述堆料形成的堆体中心及距离堆体底部以上IOcm处的温度)和堆体上方湿度的记录，每间隔2小时或4小时记录I次数据。堆肥过程产生的N2O和NH3通过堆肥反应器顶部的排气口进入密闭安装在堆肥反应器上面的气体静态采集罩中，利用气体静态采集罩，采用静态箱平衡法定期通过气体静态采集罩上的N2O采样口及NH3采样口采集堆肥过程排放的NH3和N2O样品并进行分析。研究结果表明，采用本堆肥系统并添加pH = 7. 0的改性镁橄榄石进行猪粪堆肥处理，有利于保存氮素和减排温室气体,N2O造成的N损失仅为0. 65%，明显优于添加pH =5. 0改性赤泥的8. 92%和对照的11. 22%。添加改性赤泥的RI堆肥系统，氨气排放量少于添加镁橄榄石的R2堆肥系统和对照R3堆肥系统。温度(图2)影响氨气的排放，这体现为堆肥高温阶段氨气排放量高(图5)。而凡0的显著排放主要出现在堆肥过程的前期和后腐熟期(图4)，且在后腐熟阶段因温度较低，排放量尤为明显，表现为排放量的激增。添加改性赤泥的Rl堆肥系统和添加改性镁橄榄石的R2堆肥系统中以NH3和N2O气体形式的损失均比对照R3堆肥系统少，分别占TKN的11. 07%和6. 38%。此外，这2种改性金属盐的添加均有利于降低水溶性正磷酸盐的含量。结果见图2 6。 图2 图6中的Rl对应添加改性赤泥的堆肥系统，R2对应添加改性镁橄榄石的堆肥系统，R3对应不添加的对照堆肥系统。
权利要求
1.一种同步实现畜禽粪便堆肥中氮磷保存和温室气体N2O减排的强制通风堆肥系统，包括强制通风堆肥反应器、空气夹套、气体静态采集罩、NH3采样口、N2O采样口、温湿度巡检仪、湿度传感器、温度传感器、时间继电器、空气增压泵、流量计、风室、第一测温点和第二测温点；其特征是 一穿孔板将一容器分割成上为所述的堆肥反应器，下为所述的风室；在所述的堆肥反应器的外部安装有所述的空气夹套，在所述的堆肥反应器的顶部开有排气口 ；在所述的堆肥反应器中设置有所述的第一测温点、所述的第二测温点及所述的湿度传感器；在所述的第一测温点及所述的第二测温点处设置的内置温度传感器的温度控制器、和所述的湿度传感器均通过导线与所述的温湿度巡检仪相连接； 在所述的堆肥反应器的上面密闭安装有一所述的气体静态采集罩，在气体静态采集罩上设置有所述的NH3采样口及所述的N2O采样口 ； 在所述的穿孔板下方的所述的风室的一侧安装有通风管，该通风管经由所述的流量计与所述的空气增压泵的出气口连接； 所述的空气增压泵的控制开关通过导线与所述的时间继电器相连接。
2.根据权利要求I所述的同步实现畜禽粪便堆肥中氮磷保存和温室气体N2O减排的强制通风堆肥系统，其特征是所述的穿孔板上的通气孔呈正三角形均匀布设，孔隙率为6%。
3.根据权利要求I所述的同步实现畜禽粪便堆肥中氮磷保存和温室气体N2O减排的强制通风堆肥系统，其特征是所述的气体静态采集罩可拆卸。
4.根据权利要求I所述的同步实现畜禽粪便堆肥中氮磷保存和温室气体N2O减排的强制通风堆肥系统，其特征是所述的风室的底部安装有渗滤液导出管。
5.根据权利要求I所述的同步实现畜禽粪便堆肥中氮磷保存和温室气体N2O减排的强制通风堆肥系统，其特征是所述的湿度传感器是设置在所述的第一测温点的上方。
6.一种利用权利要求I 5任意一项所述的同步实现畜禽粪便堆肥中氮磷保存和温室气体N2O减排的方法，其特征是 在畜禽粪便中加入调理剂，以调节加入调理剂后的畜禽粪便中的C元素与N元素的质量比，并使加入调理剂后的畜禽粪便的含水率为55 65% (质量百分比)；然后加入经改性处理后的富含金属盐的工业废弃物，混合均匀的物料通过物料输送系统输送至所述同步实现畜禽粪便堆肥中氮磷保存和温室气体N2O减排的强制通风堆肥系统中的堆肥反应器中进行堆肥化处理；在堆肥反应器中的由上述堆料形成的堆体内部放置有内置温度传感器的温度探测器，及在堆体的上方放置湿度传感器，通过温湿度巡检控制仪监测堆体温度和堆体上方的湿度在整个堆肥过程中的变化情况；堆肥过程采用时间反馈的强制通风控制方式，通过控制空气增压泵的开启和关闭使空气经过穿孔板对堆料进行通风；堆肥过程产生的N2O和NH3通过堆肥反应器顶部的排气口进入密闭安装在堆肥反应器上面的气体静态采集罩中，并通过气体静态采集罩上的N2O采样口及NH3采样口被收集； 所述的加入经改性处理后的富含金属盐的工业废弃物，是以加入所述的金属盐中的镁、铁、铝和钙金属离子的总摩尔量占畜禽粪便中的总氮量(摩尔)的15 30%的量加入。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征是所述的富含金属盐的工业废弃物的改性处理是将粒径为0. 15 Imm的富含镁、铁、铝和钙金属离子的工业废弃物浸泡于酸性溶液中进行酸化处理，处理至浸泡有富含镁、铁、铝和钙金属离子的工业废弃物的悬浊液的pH值控制范围在5 7之间。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征是所述的富含金属盐的工业废弃物为铝土矿废料赤泥和/或耐火材料镁橄榄石。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征是所述的加入调理剂后的畜禽粪便中的C元素与N元素的质量比值为20 30。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其特征是所述的畜禽粪便包括猪粪、鸡粪、牛粪、羊粪、马粪或它们之间的任意混合物； 所述的调理剂是粉碎后的农作物秸杆、粉碎后的枯枝落叶、粉碎后的玉米芯、稻壳、木屑、蘑菇渣、糠醛渣或它们之间的任意混合物。
全文摘要
本发明涉及畜禽粪便强制通风堆肥系统及其用于同步实现畜禽粪便堆肥中氮磷保存和温室气体N2O减排的方法。所述畜禽粪便强制通风堆肥系统由独立的两部分组装而成，其一是强制通风堆肥反应器；其二是与堆肥反应器密闭连接的可拆卸的气体静态采集罩。所述方法通过在畜禽粪便堆肥过程中添加富含金属盐的改性工业废弃物以同步实现保氮、固磷和温室气体N2O减排三效合一的目标。该方法包括富含金属盐工业废弃物的改性处理，以提高工业废弃物中可利用金属离子含量。本发明的畜禽粪便强制通风堆肥系统及方法处理畜禽粪便，可达到堆肥过程中氮素保存与固磷效果，提高堆肥产品质量，并具有温室气体N2O减排功效，减少环境危害，促进畜禽粪便的资源化。
文档编号C05G3/00GK102757271SQ20111011069
公开日2012年10月31日 申请日期2011年4月29日 优先权日2011年4月29日
发明者郑嘉熹, 魏源送 申请人:中国科学院生态环境研究中心