一种畜禽粪便脱水系统和方法与流程

本发明属于固废资源利用
技术领域：
，并且更具体地，涉及一种畜禽粪便脱水系统和方法。
背景技术：
：我国畜禽养殖业迅猛发展，规模日益扩大，剧增的畜禽粪便排泄量引起了广泛关注。据调查显示，2009年全国畜禽粪便产生量为32.64亿t，为同期工业固体废弃物产生总量的1.6倍。据估算，2020年全国畜禽粪便的产生量将达到42.44亿t。《全国第一次污染源普查公报》中指出，我国的畜禽饲养业的污染排放已经成为农业面源污染中最重要的污染源之一。而国内目前90％以上的规模化养殖场缺乏综合利用等必要的治污措施，大量粪便、污水未经处理或处理不达标便直接排放，对周围环境的水体、土壤、空气和作物造成严重污染，甚至成为人畜共患病的传染源，给环境和人类健康造成巨大威胁。对畜禽粪便进行资源化利用可以减少畜禽粪便对环境的污染，目前畜禽粪便资源化的利用主要有肥料化、饲料化以及能源化。非垫料或非冲洗畜禽粪便的含水量一般在60％～85％，但不同类型畜禽粪便的含水量又有所不同，例如，新鲜猪粪的含水量高达80％～85％，新鲜奶牛粪便含水率为83.2％～86.36％，干清粪时鸡粪含水率约为50％～75％，水冲粪时鸡粪含水率为95％～98％。另外，水分不仅增加了畜禽粪便的体积，随处堆放时会产生恶臭等影响环境，高的含水率还不利于粪便资源化利用，而且会增加使用时的运输费用等。所以降低含水率是畜禽粪便资源化利用的关键。国内外畜禽粪便脱水干燥的办法主要有3种：(1)重力脱水，如沙滤床；(2)机械干燥，如固液分离机、机械格栅、气流干燥设备等；(3)热力脱水，如晾晒、烘干、热喷、膨化、微波处理、生物干燥等。另外，还有一些其他的处理方法，如堆肥发酵法、高温干燥法、热喷法、动态充氧发酵法、沼气法、太阳能大棚发酵干燥法等。然而，这些方法各有优缺点，有的周期长、有的能耗高、有的产生二次污染等。由此可见，现有的畜禽粪便发酵方法，普遍采取简易敞开式堆放或通过静态通风法发酵，工艺落后，存在占地面积大，堆肥过程中的气体放散对环境污染较大。同时发酵周期一般较长(25d-30d)，能耗高，有时还会受环境气候影响。因此，密闭式、占地面积小、无二次污染、自动化程度高、发酵周期短的高效、环保、节能的发酵干燥工艺亟待开发。技术实现要素：针对上述问题，本发明提供一种畜禽粪便干燥脱水处置装置和技术，畜禽粪便依次经过3-7个(优选四个)串联式的堆肥发酵塔，即可完成堆肥发酵、灭菌、干燥过程。为了解决上述技术问题并且实现上述目的，本发明采用如下技术方案：根据本发明的一方面，提供一种畜禽粪便脱水系统，该系统包括：进料混合槽，该进料混合槽设置有入口和出口，入口用于添加物料；多个发酵罐，多个发酵罐中的每一个均设置有物料入口和物料出口，多个发酵罐中的每一个以串联的方式依次相连形成串联体，串联体首端处的发酵罐的物料入口与进料混合槽的出口连通，串联体末端处的发酵罐的物料出口部分地连通至进料混合槽；物料提升装置，物料提升装置设置在多个发酵罐的相邻两个发酵罐之间，与相邻的两个发酵罐连通；分层式搅拌装置，分层式搅拌装置设置在每个发酵罐内；循环水箱，循环水箱与每个分层式搅拌装置连通；空压装置，空压装置与每个分层式搅拌装置连通。在本发明的实施例中，每个发酵罐内的分层式搅拌装置规格相同或一致。根据本发明的一个实施例，分层式搅拌装置包括驱动电机、循环水双层夹套、空气供给主管道和空气供给支管道；循环水双层夹套与循环水箱连通，空气供给主管道设置在分层式搅拌装置的轴心，空气供给主管道与空压装置连通，空气供给支管道垂直于空气供给主管道的两侧水平布置并且与空气供给主管道连通，空气供给支管道用于向发酵罐内通入空气。根据本发明的一个实施例，分层式搅拌装置呈立式筒状结构。在本发明的实施例中，进入到发酵罐内的空气加热采用双层夹套水循环间接加热形式。根据本发明的一个实施例，空气供给主管道的直径为50mm-100mm。在本发明的实施例中，空气供给支管道的直径为15mm-30mm，空气供给支管道从上至下设置有四层，相邻的空气供给支管道之间的距离为150mm-300mm，空气供给主管道一侧设置的空气供给支管道的长度是空气供给主管另一侧设置的空气供给支管道的长度的一半或两倍。根据本发明的一个实施例，循环水双层夹套包括内环进水夹套和外环出水夹套，内环进水夹套包裹空气供给主管道，外环出水夹套包裹内环进水夹套，内环进水夹套的容积与外环出水夹套的容积相同。在本发明的实施例中，进入到搅拌装置的循环水通过双层夹套结构实现循环流通，内环夹套包裹着整个空气供给主管道，空气供给主管道即作为内环夹套的内壁面(内夹层厚度δd1，10mm＜δd1＜30mm)。外环夹套包裹内环夹套，外环夹套内壁即为内环夹套外壁，外环夹套外壁直接与物料接触(外夹层厚度δd2，δd2根据δd1确定，原则为保证内环夹套和外环夹套容积相同)。根据本发明的另一方面，提供一种采用上述畜禽粪便脱水系统对畜禽粪便脱水的方法，包括以下步骤：1)将待干燥的鲜畜禽粪便、微生物菌种和添加剂加入到进料混合槽中充分混合；2)启动与每个发酵罐相关的物料提升装置、分层式搅拌装置、循环水箱和空压装置；3)将步骤1)中混合后的物料送入多个发酵罐中的第一发酵罐进行发酵，完成所述第一发酵罐内发酵的物料被送入第二发酵罐进行发酵，与此同时，空出的第一发酵罐再次投入新的物料，完成所述第二发酵罐内发酵的物料被送入下一个发酵罐进行发酵，如此循环进行，直至物料在最后一个发酵罐中完成发酵；4)待步骤3)中最后一个发酵罐完成发酵后，将发酵成品部分通过返料机构送入到进料混合槽中与待干燥的鲜畜禽粪便混合，重复上述步骤1)-3)，发酵罐内的废气经罐顶部废气引风管出口排出经除臭处理后排放。根据本发明的一个实施例，多个发酵罐为四个发酵罐。根据本发明的一个实施例，每个发酵罐的发酵周期为24h。根据本发明的一个实施例，通过返料机构送入到进料混合槽中的发酵成品的质量为全部发酵成品质量的一半。根据本发明的一个实施例，步骤1)中待干燥的鲜畜禽粪便的含水率为60％-85％。在本发明的实施例中，步骤2)中分层式搅拌装置的运行频率为0.5-2r/min，进入分层式搅拌装置中的水的温度为80℃-90℃，离开分层式搅拌装置的水的温度为50℃-60℃；步骤3)中发酵罐内温度为60℃-70℃，输入每个发酵罐的空气流量为0.5-2nm3/h。在本发明的实施例中，发酵罐中安装有温度在线测试装置、压力表等，并设采样口用于采样进行物料的快速水分、ph等指标测定。待干燥脱水的畜禽粪便(鲜)含水率：60-85％；发酵罐运行期间，罐内温度维持在：60-70℃；热水温度：80℃-90℃；出水温度：50℃-60℃；搅拌装置运行频率：0.5-2r/min；输入空气流量(单个发酵罐)：0.5-2nm3/h；发酵周期：4d；其他控制参数根据实际情况设定、调整。通过采用上述技术方案，本发明相比于现有技术具有如下优点：1)本发明采用密闭罐式发酵畜禽粪便，可充分利用发酵过程中的生物热能，较敞开式热能利用效率高。同时具备占地面积小、自动化程度高的优势。采用发酵罐形式，更易于实现废气集中处置，解决了发酵废气二次污染问题。连续化生产，每天都能产出脱完水的畜禽粪便，大大缩短了发酵周期，发酵周期仅为4d。2)本发明采用多个(优选4个)发酵罐串联的形式联结，实现了物料发酵程度的梯级控制，保证了产品质量，物料的能量损失小。采用4#罐成品部分(质量的1/2)返料，达到原料进发酵罐之前实现干湿混合，提高了物料的疏松程度，有益于发酵过程中原料和氧气更加均匀、充分地接触。3)本发明采用分层式搅拌装置，保证了发酵过程中一直有充足的氧气供微生物进行氧化分解有机物。另外，采用双层夹套式水循环结构实现了对进入发酵罐的空气的加热，大大提高了发酵速率，缩短了整个工艺的周期。4)畜禽粪便进入到本发明的系统中，经过一个周期4d的有氧发酵后，可使畜禽粪便含水率降低20-30％。附图说明图1是根据本发明的优选实施例的畜禽粪便脱水方法的示意流程图；图2是根据本发明的优选实施例的畜禽粪便脱水系统的示意图；图3是发酵罐内分层式搅拌装置的结构示意图。附图标记说明1进料混合槽、11入口、12出口、2发酵罐(1#、2#、3#、4#)、21物料入口、22物料出口、23废气出口、3物料提升装置、4分层式搅拌装置、41驱动电机、42循环水双层夹套、421内环进水夹套、422外环出水夹套、43空气供给主管道、44空气供给支管道、45分层式搅拌装置空气进口、46分层式搅拌装置循环水进口、47分层式搅拌装置循环水出口、48空气供给支管道出口、5循环水箱、6空压装置。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。如图1-3所示，本发明提供一种畜禽粪便脱水系统，该系统包括：进料混合槽1，该进料混合槽1设置有入口11和出口12，入口11用于添加物料；多个发酵罐2，其中，多个发酵罐2中的每一个均设置有物料入口21和物料出口22，多个发酵罐以串联的方式依次相连形成串联体。如图2所示，串联体包括4个发酵罐，其中，串联体首端处的1#发酵罐2的物料入口21与进料混合槽的出口12连通，串联体末端处的4#发酵罐2的物料出口22部分地连通至进料混合槽1；物料提升装置3，物料提升装置3设置在每相邻两个发酵罐2之间，与相邻的两个发酵罐2连通；分层式搅拌装置4，分层式搅拌装置4设置在每个发酵罐2内；循环水箱5，循环水箱5与每个分层式搅拌装置4连通；空压装置6，空压装置6与每个分层式搅拌装置4连通。在本发明的实施例中，每个发酵罐2内的分层式搅拌装置4规格相同或一致。在本发明的实施例中，分层式搅拌装置4包括驱动电机41、循环水双层夹套42、空气供给主管道43和空气供给支管道44，循环水双层夹套42与循环水箱5连通，空气供给主管道43设置在分层式搅拌装置4的轴心，空气供给主管道43与空压装置6连通，空气供给支管道44垂直于空气供给主管道43的两侧水平布置并且与空气供给主管道43连通，空气供给支管道44用于向发酵罐2内通入空气。在本发明的实施例中，分层式搅拌装置4呈立式筒状结构。在本发明的实施例中，进入到发酵罐2内的空气加热采用双层夹套水循环间接加热形式。在本发明的实施例中，空气供给主管道43的直径为50mm-100mm；空气供给支管道44的直径为15mm-30mm，空气供给支管道44从上至下设置有四层，相邻的空气供给支管道44之间的距离为150mm-300mm，空气供给主管道43一侧设置的空气供给支管道44的长度是空气供给主管43另一侧设置的空气供给支管道44的长度的一半或两倍。在本发明的实施例中，循环水双层夹套42包括内环进水夹套421和外环出水夹套422，内环进水夹套421包裹空气供给主管道43，外环出水夹套422包裹内环进水夹套421，内环进水夹套421的容积与外环出水夹套422的容积相同。另外，本发明还提供一种采用上述畜禽粪便脱水系统对畜禽粪便脱水的方法，包括以下步骤：1)将待干燥的鲜畜禽粪便、微生物菌种和添加剂加入到进料混合槽1中充分混合；2)启动与每个发酵罐2相关的物料提升装置3、分层式搅拌装置4、循环水箱5和空压装置6；3)将步骤1)中混合后的物料送入多个发酵罐2中的第一发酵罐进行发酵，完成所述第一发酵罐内发酵的物料被送入第二发酵罐进行发酵，与此同时，空出的第一发酵罐再次投入新的物料，完成所述第二发酵罐内发酵的物料被送入下一个发酵罐进行发酵，如此循环进行，直至物料在最后一个发酵罐中完成发酵；4)待步骤3)中最后一个发酵罐完成发酵后，将发酵成品部分通过返料机构送入到进料混合槽1中与待干燥的鲜畜禽粪便混合，重复上述步骤1)-3)，发酵罐内的废气经罐顶部废气引风管出口排出经除臭处理后排放。在本发明的实施例中，多个发酵罐为3-7个发酵罐，优选为4个发酵罐。在本发明的实施例中，每个发酵罐的发酵周期为24h，优选整个有氧发酵周期为4×24h，即4d。在本发明的实施例中，通过返料机构(未示出)送入到进料混合槽1中的发酵成品的质量为全部发酵成品质量的一半。在本发明的实施例中，步骤1)中待干燥的鲜畜禽粪便的含水率为60％-85％；步骤2)中分层式搅拌装置4的运行频率为0.5-2r/min，进入分层式搅拌装置4中的水的温度为80℃-90℃，离开分层式搅拌装置4的水的温度为50℃-60℃；步骤3)中发酵罐2内温度为60℃-70℃，输入每个发酵罐2的空气流量为0.5-2nm3/h。下面再次参照图1-3对本发明的系统和方法进行详细说明。本发明所述的是一种畜禽粪便干燥脱水处置装置和技术，畜禽粪便依次经过3-7个(优选四个)串联式的堆肥发酵塔，即可完成堆肥发酵、灭菌、干燥过程。具体工艺流程图见图1；生物发酵设备示意图见2；发酵罐内分层式搅拌装置结构示意图见图3。工艺流程：如图1所示，将畜禽粪便(鲜)、4#罐返回的畜禽粪便(初次发酵无该部分畜禽粪便)、微生物菌种、少量添加剂(稻壳等)投至进料混合槽1，上述物料在混合槽1内通过搅拌装置达到充分混合，至此，完成发酵前的配料工序。混合后的物料经传送装置送至1#发酵罐顶，物料进入到1#发酵罐内开始发酵，发酵周期为24h；完成1#罐内发酵的物料通过提升机3送至2#发酵罐顶，与此同时，空出的1#罐再次投新物料，保证了发酵罐工作的连续性。放物料进入到2#发酵罐内开始发酵，发酵周期为24h；完成2#罐内发酵的物料通过提升机3送至3#发酵罐顶，物料进入到3#发酵罐内开始发酵，发酵周期为24h；完成3#罐内发酵的物料通过提升机3送至4#发酵罐顶，物料进入到4#发酵罐内开始发酵，发酵周期为24h。至此，完成1-4#发酵罐的发酵工序。物料从开始进入到1#罐至从4#罐出料，整个有氧发酵周期为4×24h。特别地，4#发酵罐出料口即为畜禽粪便经过有氧发酵后的成品，将每一罐(4#)发酵后的畜禽粪便成品按其质量的1/2送至返料机构，进入到进料混合槽内与畜禽粪便(鲜)混合开始第2个发酵周期。发酵罐工作原理：发酵罐工作过程中，电机驱动物料搅拌装置在发酵罐内缓慢转动。热水首先从内环夹套层进入，热水在内环夹套流动过程中不断与空气供给主管道中流动的冷空气进行间接换热，换热完成后流动至外环夹套层，最后经循环水出口送至循环水箱重新被加热升温后进行下一个循环。来自空压装置的压缩空气首先进入到空气供给主管道，在主管道内被加热(循环水间接热交换)升温，冷空气在空气供给主管道内逐渐变为热空气。热空气沿着主管路继续被分配至每根空气供给支管，热空气沿着空气供给支管末端的孔道进入到发酵罐的主体。发酵罐内的废气经罐顶部废气引风管出口排出经除臭处理后排放。发酵罐中的物料在氧气充足、温度和湿度均适宜的条件下开始进行生物发酵。微生物分解有机物产生的热量促使粪便中的水分散发，从而实现干燥粪便降低水分的作用。发酵罐系统及其结构：如图2所示，发酵罐系统由发酵罐体(1-4#)、带循环水夹套和空气供给管的搅拌装置、循环水箱5、空压装置6、物料提升机3。每个发酵罐2内的分层式搅拌装置规格一致。如图3所示，分层式搅拌装置4主要由驱动电机41、循环水双层夹套42、空气供给主管道43和支管道44组成。进入到发酵罐2内的空气加热采用双层夹套水循环间接加热形式，整个搅拌装置4呈立式筒状结构，空气供给主管道43位于整个搅拌装置4的轴心。空气供给主管道43(直径为d1，50mm＜d1＜100mm)上布置着与其连通的空气供给支管道44(直径为d2，15mm＜d2＜30mm)，支管道44方向与主管道43方向垂直呈水平布置，相邻支管道44间的距离保持固定(距离为l，150mm＜l＜300mm)。沿轴线对称布置的支管道44长度不同(一根为对称另一根的1/2)，支管道44由上至下共布置4层，采用该方法布置，解决了发酵过程中的空气分层均匀供给问题。特别地，为保证空气升温效果，空气供给主管道43进口与第一根空气供给支管道44之间必须保证足够的距离。进入到搅拌装置的循环水通过双层夹套结构实现循环流通，内环进水夹套421包裹着整个空气供给主管道43，空气供给主管道43即作为内环进水夹套421的内壁面(内夹层厚度δd1，10mm＜δd1＜30mm)。外环出水夹套422包裹内环进水夹套422，外环出水夹套422内壁即为内环夹套外壁，外环夹套外壁直接与物料接触(外夹层厚度δd2，δd2根据δd1确定，原则为保证内环夹套和外环夹套容积相同)。热水(80℃-90℃)首先进入到内环进水夹套421中，热水与主管道43完成换热后变为冷水流动至外环出水夹套422中(50℃-60℃)后经出口排出，冷水进入到循环水箱5被加热后进行下一个循环。运行参数控制：发酵罐2中安装有温度在线测试装置、压力表等，并设采样口用于采样进行物料的快速水分、ph等指标测定。待干燥脱水的畜禽粪便(鲜)含水率：60-85％；发酵罐运行期间，罐内温度维持在：60-70℃；热水温度：80℃-90℃；出水温度：50℃-60℃；搅拌装置运行频率：0.5-2r/min；输入空气流量(单个发酵罐)：0.5-2nm3/h；发酵周期：4d；其他控制参数根据实际情况设定、调整。下面参照具体实施例，对本发明进行说明。实施例以某集约化养殖场的鸡粪为原料，采用本发明的上述系统和方法进行生物发酵干燥。利用水分快速分析仪和烘箱在105℃下进行烘干实验，测定样品含水率，如表1所示。同时进行了工业分析和元素分析，如表2所示。表1鸡粪原料含水率数据表鸡粪水快速分析仪烘箱1#烘箱2#含水率75.5％76.0％75.0％表2鸡粪原料工业分析和元素分析具体运行控制参数为：待干燥脱水的畜禽粪便(鲜)含水率：75％；发酵罐运行期间，罐内温度维持在：65-70℃；热水温度：85℃-90℃；出水温度：50℃-55℃；搅拌装置运行频率：0.5r/min；输入空气流量(单个发酵罐)：0.5nm3/h；发酵周期：4d；发酵罐处理能力：5t/单次投料量(5t/d)首次运行时，将鸡粪、微生物菌种、少量添加剂(稻壳等)投至进料混合槽1(待第一个发酵周期完成时，再将4#罐返回的畜禽粪便每次混到混合槽内)，上述物料在混合槽1内通过搅拌装置达到充分混合，至此，完成发酵前的配料工序。混合后的物料经传送装置送至1#发酵罐顶，物料依次(由1#罐至4#罐，每隔24h)进入到下一个发酵罐，完成整个发酵过程。物料从进入1#发酵罐至从4#罐出料，完成整个有氧发酵的周期为4×24h。发酵期间，每隔3h分别从每个发酵罐2采样进行含水率和ph值的快速测定。根据测定结果调整分层式搅拌装置4的转速、循环水流量、空气流量等控制参数，从而保证发酵过程中物料处于温度、湿度均适宜的条件，提高原料的发酵效果。发酵后成品，质地均匀，呈棕褐(黑)色，发酵后物料的ph介于7.5-8.5之间，含水率降至40％左右。并对发酵后鸡粪进行了工业分析和元素分析，如表3所示。表3发酵后鸡粪工业分析和元素分析以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。当前第1页12