一种利用有机废物制备营养土的方法
技术领域
本发明属于有机废物资源处理领域，涉及一种利用有机废物制备营养土的方法。
背景技术
对于有机废物(如市政污水处理厂剩余污泥及餐厨垃圾)的处理，厌氧消化是一种重要的处理工艺。例如，利用厌氧消化可去除污泥中有机物并转化成沼气利用，可有效实现污泥的“四化”，但在利用厌氧消化工艺进行处理时，往往会产生大量的含钙、磷、镁的低C/N比废水，这些废水的后续处理需要生产单位投入大量的人力、物力，不仅增加了生产单位的运营成本，更加浪费了对植物生产产生良好效益的多类有益元素；同时，有机废物经厌氧消化处理后，绝大部分消化产物被用于填埋，未能实现资源化再利用。
中国专利文献(公告号为CN204897675U)公开了一种污泥连续化资源化处理装置，由除臭装置、压缩空气装置、污泥脱水装置、污泥输送装置、污泥料仓、预热反应器、换能器、主反应器、二级反应器、冷凝水闪蒸装置、物料闪蒸装置、物料暂存罐、加药装置、上清液浓缩装置、储水罐、水输送装置组成，可对污泥进行连续化处理。但是，该装置并不涉及厌氧消化装置，无法有效降解污泥中的有机物，也不能将污泥中的有机物转化成沼气以实现再利用，且还存在以下问题：无法保证可自行提供所需的部分或全部热能；未能从根本上解决系统中氨氮累积、氮元素循环的问题；未对热水解所产生的恶臭气体进行处理，存在二次污染环境的风险；所得富营养渣土还需添加外来物质才能制成有机肥。
中国专利文献(公告号为CN105859333A)公开了一种污泥堆肥资源化利用方法，通过将污泥与生物基辅料(纤维素、木质纤维素)混合并进行热解实现对污泥的预处理，并将预处理后的物料进行板框压滤脱水，得到滤液和压滤泥饼，其中预处理物料中的有机营养成分进入到滤液中；将脱水后的压滤泥饼进行好氧堆肥，生产有机肥营养土；将脱水产生的滤液进行厌氧消化，生产沼气和沼液，将所得沼气加工成压缩天然气，将所得沼液加工成液肥或排入污水处理厂降解。该方法中对脱水后得到的泥饼和滤液分别进行好氧堆肥处理和厌氧消化处理，其中将泥饼进行好氧堆肥制成有机肥营养土，其不足之处是好氧处理对能源的需求较高，且好氧堆肥过程中产生的气体容易造成二次污染；将滤液进行厌氧消化处理，其不足之处是：厌氧消化本身不具备去除氨氮的功能，有可能增加氨氮，而在厌氧处理后，滤液变成低C/N比的难处理废水，需重新添加碳源进行二次处理，或使用其他高能耗的如MVR或吹脱法进行处理，造成二次处理的高成本的同时也可能会带来新的污染风险，且无法有效利用滤液中的N、P等元素。另外，该方法中，通过将污泥与生物基辅料(纤维素、木质纤维素)混合，大大降低了污泥的流动性，不利于污泥在装置中的输送，并容易导致结构问题；同时，该方法中，需要燃烧压滤饼提供热能，这容易造成二次污染，且燃烧污泥的设备会增加整体工程的投资，此类设备一般成本较高，且需专人负责运行。
中国专利文献(公告号为CN104177145B)公开了一种有机固体废弃物热水解高温好氧堆肥处理工艺，通过对有机固体废弃物进行热水解处理、板块压滤、添加调理剂进行好氧堆肥，产生有机营养土。该工艺中并不涉及厌氧消化工艺，无法有效降解污泥中的有机物，也没有能将污泥中的有机物转化成沼气以实现再利用，且与中国专利文献(公告号为CN204897675U)一样也存在以下问题：无法保证可自行提供所需的部分或全部热能；未能从根本上解决系统中氨氮累积、氮元素循环的问题；未对热水解所产生的恶臭气体进行处理，存在二次污染环境的问题；所得富营养渣土还需添加大量外来物质才能制成有机肥。
中国专利文献(公告号为CN205893031U)公开了一种污泥或有机垃圾资源化循环利用系统，该系统对污泥或有机垃圾进行热水解+污泥高干脱水+滤液处理制作营养液、发泡剂等，但是该系统无法自行提供部分或全部热能；滤液仅仅是单纯通过砂率系统，无法对氮磷等元素进行回收，且最终的滤液浓缩液中含有大量重金属离子，不利于制作营养液或发泡剂等，无法完全实现资源化。
综上所述，现有技术中存在以下缺陷：(1)现有工艺中未能实现对有机废物的全过程处理，包括因此产生的废气和废水，如，若对处理过程中产生的高浓度滤液进行深度处理，存在处理难度大、处理效果不稳定、处理成本高等问题；若未对高浓度滤液、废气进行处理或未进行深度处理则无法有效保证高浓度滤液(废水)、废气的处理效果，不仅无法达到排放标准，也容易造成二次污染；(2)现有工艺中，对处理过程中产生的高浓度滤液的处理过于简单，无法回收其中所含的大量氮、磷、镁等营养元素，从而无法实现对氮、磷、镁等营养元素的有效再利用；(3)现有处理工艺中所制得的营养土中还需添加部分辅料以补偿各类营养元素，不利于降低生产成本；(4)现有工艺中，难以实现自持所需的热能。以上问题的存在，极大的限制了有机废物的无害化、稳定化和资源化进程，不利于实现有机废物的“四化”，因而解决这些问题是十分迫切的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种利用有机废物制备营养土的方法，该方法能够实现对有机废物的全过程处理，包括因此产生的废气和废水，能够实现对有机废物的资源化、稳定化及减量化，具有处理工艺简单、处理成本低、处理效果好且处理效果稳定等优点，同时能够充分利用有机废物中的各个营养成分(如氮、磷、镁等)以及处理过程中的调理剂即可制得营养土(缓释肥)。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种利用有机废物制备营养土的方法，包括以下步骤：
S1、将有机废物进行高温高压处理，使有机废物的含固率为12％～18％；
S2、将步骤S1中经高温高压处理的有机废物进行降温处理；
S3、调节步骤S2中经降温处理后的有机废物的含固率为4％～11％，对调节含固率后的有机废物进行厌氧消化处理；
S4、将步骤S3中经厌氧消化处理后的有机废物进行调质处理；
S5、将步骤S4中经调质处理后的有机废物进行干化处理；
S6、将步骤S5中经干化处理后的有机废物进行球磨，得到营养土。
上述的方法，进一步改进的，所述步骤S2中，将步骤S1中经高温高压处理的有机废物降温至35℃～38℃或58℃～62℃；
当降温至35℃～38℃时，所述降温处理为：往步骤S1中经高温高压处理的有机废物加水控制有机废物的含固率为3％～8％，同时采用换热器将稀释后的有机废物的温度降低至35℃～38℃，降温过程中所用的水为步骤S5中干化处理过程中产生的冷凝液经过两级A/O工艺处理后的出水；
当降温至58℃～62℃时，所降温处理为：采用换热器将步骤S1中经高温高压处理的有机废物的温度降低至58℃～62℃。
上述的方法，进一步改进的，所述步骤S2中降温至35℃～38℃时，所述步骤S3中，所述厌氧消化处理为：在温度为33℃～35℃下进行厌氧消化，停留20天～30天。
上述的方法，进一步改进的，所述步骤S2中降温至58℃～62℃时，所述步骤S3中，所述厌氧消化处理为：在温度为54.5℃～55.5℃下进行厌氧消化，停留15天～20天。
上述的方法，进一步改进的，所述步骤S1中，所述有机废物为市政污水处理厂剩余污泥和/或餐厨垃圾；所述高温高压处理为：在温度为105℃～168℃、压强为0.1MPa～0.8MPa下水热反应20min～30min。
上述的方法，进一步改进的，所述步骤S3中，所述厌氧消化过程中产生的沼气作为燃料，用于为步骤S1的高温高压处理提供所需的热量。
上述的方法，进一步改进的，所述步骤S4中，所述调质处理为：对步骤S3中经厌氧消化处理后的有机废物进行曝气，在曝气过程中加入磷酸盐和镁盐，并控制所得混合液的pH值为8.5～10.5；所述曝气的处理时间为12h～36h。
上述的方法，进一步改进的，所述曝气为：先利用空气对有机废物进行曝气，然后以曝气过程中产生的混合气体为循环气继续进行曝气，当循环气中甲烷的体积浓度超过50％时，将部分循环气排出，并通入等量的空气，以确保循环气中甲烷的体积浓度在20％～50％，按照上述操作对有机废物进行持续曝气，直至循环气中二氧化碳的体积浓度在5％以下且氧气的体积浓度在2％以下；所述曝气过程中排出的循环气导入到步骤S3厌氧消化处理所用的消化罐内，与步骤S3厌氧消化处理产生的沼气混合后，作为燃料用于为步骤S1的水热反应提供所需的热量。
上述的方法，进一步改进的，所述调质处理过程中所得混合液中镁与磷摩尔比为1.1～1.5∶1；所述磷酸盐为正磷酸盐；所述正磷酸盐为磷酸钠、磷酸镁、磷酸钾、磷酸钙中的至少一种；所述镁盐为氯化镁或氢氧化镁。
上述的方法，进一步改进的，所述步骤S5中，所述干化处理为：在温度为50℃～75℃下对有机废物进行干化处理，使有机废物的含固率为88％～95％；所述干化处理过程中产生的冷凝液经过两级A/O工艺处理后，作为稀释水用于调节有机废物的含固率，或用于降低有机废物的温度。
上述的方法，进一步改进的，所述步骤S6中，所述球磨为：将经干化处理后的有机废物破碎至粒径为0.5mm～2mm。
上述的方法，进一步改进的，所述营养土作为有机肥或绿化土，用于园林绿化或盆景栽培。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供了一种利用有机废物制备营养土的方法，将有机废物进行高温高压处理、降温处理、厌氧消化处理、调质处理、干化处理和球磨成型即可制得营养土。本发明中，通过高温高压处理实现对有机废物的破壁处理，以提高后续厌氧消化处理的效果，实现污泥的稳定化处理；通过厌氧消化处理，去除有机废物中的有机物，并将厌氧消化处理过程中产生的沼气作为燃料用于为高温高压处理提供热源，不仅能够实现热源的自给自足，同时沼气作用清洁能源，不会对环境造成二次污染；通过干化处理，降低有机废物的含水率，从而减少最终产物的体积，实现有机废物的减量化，同时干化处理过程中产生的冷凝液经过相关处理后可作为稀释水用于调节有机废物的含水率，实现水资源的重复利用；通过球磨，将有机废物制备成粒度合适的粉末状颗粒，即为本发明的营养土(缓释肥)，可作为有机肥或绿化土，用于园林绿化或盆景栽培。可见，本发明方法能够实现对有机废物的全过程处理，包括因此产生的废气和废水，能够实现对有机废物的资源化、稳定化及减量化，具有处理工艺简单、处理成本低、处理效果好且处理效果稳定等优点，同时能够充分利用有机废物中的各个营养成分(如氮、磷、镁等)以及处理过程中的调理剂即可制得营养土(缓释肥)。
(2)本发明中，有机废物为市政污水处理厂剩余污泥和/或餐厨垃圾，其中市政污水厂剩余污泥是活性污泥法处理生活污水的必然产物，具有产量大、有机质含量低、含沙量大等特点，存在处理难度大、处理成本高、无法有效资源化等不足，而餐厨垃圾具有有机质含量高、易腐蚀等特点，通常用于提取粗油，但是炼制过程中残留物仍需进行二次处理。基于上述问题，本发明将市政污水厂剩余污泥和餐厨垃圾混合，取长补短(如，利用餐厨垃圾中较多的有机物填补市政污水处理厂剩余污泥有机质的不足，以提高工艺的热能产出)，实现原料之间的优势互补，通过将这两类有机废物整合处理，不仅能够减少处理成本，还可充分利用双方的特性，形成二次产品，从而更有利于实现对有机废物的资源化、稳定化及减量化。本发明方法特别适用于市政污泥量较少且无法单独处理餐厨垃圾的地区，具有很好的应用前景。
具体实施方式
以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。本发明的实施例中，若无特别说明，所采用的工艺为常规工艺，所采用的设备为常规设备，所得数据均是三次以上试验的平均值。
实施例1
一种利用有机废物制备营养土的方法，包括以下步骤：
(1)将市政污水处理厂剩余污泥(简称市政污泥)和餐厨垃圾混合均匀，其中餐厨垃圾与市政污泥的质量比为1∶4，得到市政污水处理厂剩余污泥和餐厨垃圾的混合物，该混合物为本实施例中的有机废物；将上述有机废物进行高温高压处理，具体为：在温度为165℃、压强为0.7MPa(表压)下水热反应30分钟。经高温高压处理后，有机废物的含固率为12％。
(2)采用强制降温的方式对步骤(1)中经过水热反应后的有机废物进行降温处理，具体为：采用套管式换热器将步骤(1)中经过水热反应后的有机废物降温至60℃。
(3)将步骤(2)中经过降温处理后的有机废物与厌氧消化循环污泥(该污泥为厌氧消化处理所用消化罐中部的污泥，该污泥的温度55℃，含固率为8％)混合，使所得混合液的含固率为10％，并将该混合液进行厌氧消化处理，具体为：在温度为55℃下进行厌氧消化，停留时间为20天。厌氧消化处理过程中所产生的沼气作为燃料，用于为步骤(1)的水热反应提供所需的热量。
(4)将步骤(3)中经过厌氧消化后的有机废物进行调质处理，具体为：对步骤(3)中经过厌氧消化后的有机废物进行曝气，并同步加入磷酸钠和氯化镁调节有机废物，使所得混合液中镁与磷的摩尔比值为1.2∶1；同时根据pH的在线检测，适时加入适量的氢氧化钠溶液，使得混合液的pH值保持在9.2。曝气的具体步骤为：先利用空气对有机废物进行曝气，然后以曝气过程中产生的混合气体为循环气继续进行曝气，当循环气中甲烷的体积浓度超过50％时，将部分循环气排出，并通入等量的空气，以确保循环气中甲烷的体积浓度在20％～50％，按照上述操作对有机废物进行持续曝气，直至循环气中二氧化碳的体积浓度在5％以下且氧气的体积浓度在2％以下。本步骤中，曝气的处理时间为12h；同时，曝气过程中排出的循环气，可导入到步骤(3)厌氧消化处理所用的消化罐内，与步骤(3)厌氧消化处理产生的沼气混合后，作为燃料用于为步骤(1)的水热反应提供所需的热量，多余沼气也可用于其他用途。
(5)将步骤(4)中经过调质处理后的有机废物进行干化处理，具体为：在温度为70℃的条件下对有机废物进行干化处理，使最终出口有机废物的含固率为90％。
(6)将步骤(5)中干化处理后得到的有机废物进行球磨，将有机废物破碎至粒径为1mm，所得粉末状颗粒即为本发明的营养土。该营养土作为有机肥或绿化土，可直接用于园林绿化或盆景栽培。
(7)将步骤(5)中干化处理过程中产生的冷凝液经过两级A/O工艺处理后，作为稀释水回用至高温高压处理阶段，用于稀释有机废物。
实施例2
一种利用有机废物制备营养土的方法，包括以下步骤：
(1)将市政污水处理厂剩余污泥(简称市政污泥)和餐厨垃圾混合均匀，其中餐厨垃圾与市政污泥的质量比值为1∶3.8，得到市政污水处理厂剩余污泥和餐厨垃圾的混合物，该混合物为本实施例中的有机废物；将上述有机废物进行高温高压处理，具体为：在温度为135℃、压强为0.4MPa下水热反应30分钟。经高温高压处理后，有机废物的含固率为13％。
(2)采用直接降温和强制降温相结合的方式对步骤(1)中经过水热反应后的有机废物进行降温处理，具体为：将水加入到步骤(1)中经过水热反应后的有机废物中，调节有机废物的含固率为8％，同时采用板式换热器将用水稀释后的有机废物的温度降低至37℃。降温处理过程中所用的水可以为步骤(7)中经过两级A/O工艺处理的出水。
(3)将步骤(2)中经过降温处理后的有机废物与厌氧消化循环污泥(该污泥为厌氧消化处理所用消化罐中部的污泥，该污泥的温度34℃，含固率为4％)混合，使所得混合物的含固率为6％，并将该混合物进行厌氧消化处理，具体为：在温度为34℃下进行厌氧消化，停留时间为30天。厌氧消化处理过程中所产生的沼气作为燃料，用于为步骤(1)的水热反应提供所需的热量。
(4)将步骤(3)中经过厌氧消化后的有机废物进行调质处理，具体为：对步骤(3)中经过厌氧消化后的有机废物进行曝气，并同步加入磷酸钠和氯化镁调节有机废物，使所得混合液中镁与磷的摩尔比值为1.2∶1；同时根据pH的在线检测，适时加入适量的氢氧化钠溶液，使得混合液的pH值保持在9.2。曝气的具体步骤为：先利用空气对有机废物进行曝气，然后以曝气过程中产生的混合气体为循环气继续进行曝气，当循环气中甲烷的体积浓度超过50％时，将部分循环气排出，并通入等量的空气，以确保循环气中甲烷的体积浓度在20％～50％，按照上述操作对有机废物进行持续曝气，直至循环气中二氧化碳的体积浓度在5％以下且氧气的体积浓度在2％以下。本步骤中，曝气的处理时间为12h；同时，曝气过程中排出的循环气，可导入到步骤(3)厌氧消化处理所用的消化罐内，与步骤(3)厌氧消化处理产生的沼气混合后，作为燃料用于为步骤(1)的水热反应提供所需的热量，多余沼气也可用于其他用途。
(5)将步骤(4)中经过调质处理后的有机废物进行干化处理，具体为：在温度为70℃的条件下对有机废物进行干化处理，使最终出口有机废物的含固率为90％。
(6)将步骤(5)中干化处理后得到的有机废物进行球磨，将有机废物破碎至粒径为1mm，所得粉末状颗粒即为本发明的营养土。该营养土作为有机肥或绿化土，可直接用于园林绿化或盆景栽培。
(7)将步骤(5)中干化处理过程中产生的冷凝液经过两级A/O工艺(常规工艺)处理后，作为稀释水回用至降温处理阶段，用于稀释有机废物和降温。
表1不同处理方式得到的营养土的性能对比表
由表1可知，相比原始市政污泥和餐厨垃圾的混合物，采用本发明方法进行处理后，有机物含量下降至原市政污泥的49％～56.6％，含固率提高了至少4.2倍。相比现有常规方法(如普通固化处理)，本发明中仅添加了磷酸钠、镁盐和少量碱液，几乎不会对有机废物的减量化造成影响，且本发明中含固率显著增加，这更有利于实现有机废物的减量化。另外，本发明方法中不仅可以利用处理过程中生产的沼气实现自身工艺所需热能的自给自足，且还能剩余沼气，如实施例2中沼气的剩余量高达16Nm3/t，同时，本发明方法制得的营养土占进料总量的1/4，具有较高的产率。因此，本发明方法不仅实现了对污泥和餐厨垃圾的协同处理，也实现了有机废物的稳定化、减量化、资源化。
综上可知，本发明方法能够实现对有机废物的全过程处理，包括因此产生的废气和废水，能够实现对有机废物的资源化、稳定化及减量化，具有处理工艺简单、处理成本低、处理效果好且处理效果稳定等优点，同时能够充分利用有机废物中的各个营养成分(如氮、磷、镁等)以及处理过程中的调理剂即可制得营养土(缓释肥)。本发明方法特别适用于市政污泥量较少且无法单独处理餐厨垃圾的地区，具有很好的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
