專利名稱：機械堆肥系統(tǒng)的改進的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改進的堆肥(composting)裝置或系統(tǒng)，具體涉及改進的機械 堆肥裝置或系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當前，生物質(zhì)(biomass)，具體是食物廢料、木材廢料、木屑、污水污泥、 甚至某些有毒的廢物和其它物質(zhì)，非常難以處理，尤其難以進行大規(guī)模處理。
現(xiàn)在有很多可用于處理這類物質(zhì)的堆肥系統(tǒng)，然而，大多數(shù)這類系統(tǒng)操作 起來成本昂貴并且產(chǎn)生臭氣，這意味著這些裝置必須安裝在鄉(xiāng)下，遠離城市。
上千年以來人們用各種形式迸行生物質(zhì)堆肥。有些堆肥是自然進行的，比 如自然環(huán)境中通過生物作用進行的物質(zhì)腐爛的腐殖作用。人類進行了各種嘗 試，用手工集合起來的的有機物質(zhì)堆場以及最近的機械裝置來促進或加速這種 (堆肥)過程。人們之所以進行這些嘗試是因為人口的集中化和城市有機廢棄 物的富集， 一般這些廢棄物要進行廢渣填埋或垃圾處理，并且因為建立和運行 廢渣填埋操作的成本，需要減少填埋體積。作為堆肥的有機物質(zhì)再循環(huán)是地球 可持續(xù)發(fā)展的重要特征。不管所用何種土壤改良形式，當有機物質(zhì)被土壤微生 物分解時，其提供了基本的營養(yǎng)保留能力，這是所有天然的、未受侵擾的生態(tài) 系統(tǒng)在其生長、死亡、衰落的循環(huán)中的一個特征。
當前機械堆肥的一個特征是攪拌待混合的物質(zhì)和大量空氣，因此這些過程 中需要并消耗了能量。大量的通氣和攪拌加劇了堆肥物質(zhì)釋放臭氣?？稍诤芏?現(xiàn)有專利和現(xiàn)有技術(shù)中找到大量有關(guān)細節(jié)，但是申請人在此參考--篇關(guān)于堆肥 方法的描述Robert T. Haug ， "The practical Handbook of Compost Engineering'^堆肥工程實用手冊)，Lewis Publishers 1993， ISBN # 0-87371-373-7。這種手冊是關(guān)于堆肥(包括加速的機械系統(tǒng))的科學和技術(shù)性 細節(jié)的全面指南。
本發(fā)明的-一個目的是克服或至少大大改善現(xiàn)有技術(shù)中的一個或多個不足。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供一種堆肥系統(tǒng)和方法，包括至少一個保溫的
(insulated)、具有大體垂直平行邊的塔，該塔具有一個或多個類似的室，用于細 菌或真菌降解生物可降解物質(zhì)，所述生物可降解物質(zhì)以百分之五十(50)至百分之 八十(80) (w/w)的進料水分含量提供，其中以正壓空氣從堆肥生物質(zhì)之下提供 'j生物氧需要量相匹配的可變通風速率，各室的底部(base)配接有材料支撐指狀 橋輥機械結(jié)構(gòu)(material supporting finger bridge roller mechanism)， 通過該機械結(jié) 構(gòu)向室中引入濕度經(jīng)控制的空氣并定期取出產(chǎn)出的堆肥。
根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供利用上述第一方面的堆肥系統(tǒng)和方法將生物可降
解廢料堆肥的方法，包括以下步驟
以略超過BOD或略高于化學計量的水平，從所述室的底部、經(jīng)過堆肥的反應(yīng) 堆(pile)，提供受控正壓、受控濕度和加熱的空氣流；
通過生物膜維持和水分含量控制，在堆肥的反應(yīng)堆上部(upper level)為喜高 溫(pyrophilic)和耐熱微生物提供合適的生境，允許在堆肥的反應(yīng)堆內(nèi)發(fā)生需氧 和厭氧的混合作用，另外通過可調(diào)節(jié)的機械開口或閥門控制廢氣(exhaustgas)從 容器流出的多少，從而不使不利的臭氣從容器逸出到環(huán)境中；和
提供定期的進料和出料，根據(jù)輸出產(chǎn)物的性質(zhì)和所需產(chǎn)物的成熟度控制循環(huán) 滯留時間。
本發(fā)明另一方面提供-一種堆肥系統(tǒng)，包括至少一個保溫的、大體垂直的室， 該室在其底部或靠近底部配接有材料支撐指狀橋輥機械結(jié)構(gòu)，通過該機械結(jié)構(gòu)輸入 空氣并定期取出產(chǎn)物，其中所述堆肥系統(tǒng)配置為當降解進料水分含量為百分之五十 (50)至百分之八十(80) (w/w)的生物可降解物質(zhì)時，在所述室內(nèi)獲得45。C-8(TC 的運行溫度，其中正壓空氣流提供與生物質(zhì)的BOD相同的氧氣含量，并且需要時 可通過各室的可變開口排氣機械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)該氧氣含量以提供過量氧氣。
可根據(jù)堆肥物質(zhì)和/或室內(nèi)的氧氣、濕度或溫度傳感器的讀數(shù)自動調(diào)節(jié)排氣閥 的設(shè)置或由操作人員調(diào)節(jié)。
本發(fā)明需要利用已知的工程技術(shù)或通過提供機械封閉來密封所述室的底部， 從而在壓力下輸入濕度控制的熱空氣。
至少在優(yōu)選的形式中，本發(fā)明有利地提供適于多種生物質(zhì)并且可作為生物過 濾系統(tǒng)的低成本容器堆肥系統(tǒng)。另外，本發(fā)明有利地提供利用栓塞流(plug flow)原理的生物可降解廢棄物堆 肥方法，包括
從堆肥的反應(yīng)堆之下用加壓的空氣產(chǎn)生經(jīng)過堆肥反應(yīng)堆的可變空氣流動速
率；
通過控制空氣流與BOD相同或稍微超過BOD來保持反應(yīng)堆能量； 控制所述加壓空氣流的濕度水平；
通過熱交換器利用從該過程放出的熱空氣預熱進入的新鮮空氣； 通過低通風速率保持恒定的生物膜，促進厭氧/需氧生物活動的混合循環(huán)；和 以定期的間隔取出生物質(zhì)物質(zhì)；
利用堆肥反應(yīng)堆中耐高溫和常駐的(resident)喜高溫微生物活動。
本發(fā)明堆肥系統(tǒng)的操作優(yōu)選是連續(xù)的，并且其操作基于栓塞流原理，利用生 物質(zhì)在所述室中下降的過程中生物質(zhì)物質(zhì)的收縮和降解，從而加在室壁上的壓力的 作用意味著可采用直邊(straight sided)壁而不是本領(lǐng)域常用的負斜(negatively inclined)壁，這簡化了構(gòu)建方法并降低了成本。
如果包括第二個室，則其可用于堆肥的熟化或作為生物過濾器，與第一室操 作方式相同，或通過模塊構(gòu)建，在一個進料系統(tǒng)中可平行地運行很多獨立的單元。
連續(xù)流動的、大體垂直的堆肥塔形成為保溫的熱反應(yīng)堆并有利地保持與地面 分開(held clear of the ground)，允許加壓的、濕度受控的、加熱的空氣從反應(yīng)堆 底部以與反應(yīng)堆的降解過程所需要的(化學計量氧氣需要量)相同或略高的速率進 入生物質(zhì)。堆肥塔固定在密封的支撐結(jié)構(gòu)上以實現(xiàn)該目的。
該系統(tǒng)可以是氣密的(weather sealed)和防蟲的。低輸出空氣速率有利地降 低了洗滌器體積和成本并增加了除臭氣效率。
有利地，生物質(zhì)物質(zhì)不需要攪拌，大大減小了產(chǎn)生臭氣的可能。系統(tǒng)中相對 較低的通氣速率促進了喜高溫和耐熱細菌和真菌的高活性，使需氧和厭氧活動同時 發(fā)生。由厭氧活動產(chǎn)生的通常有味的氣體被用作所述室上部的高溫耐熱/喜高溫細 菌的食物，因此使得該系統(tǒng)可自身過濾臭氣。
該系統(tǒng)的加壓的、濕度受控的、加熱的空氣在輸入至輸出期間允許維持活性 的、結(jié)合有水分的生物膜(通常為45-50。X w/w)，這防止了熱解的可能性并有利 于微生物活性。這在處理綠色廢物和食物廢料或 水污泥的混合物時尤其有效。本文所用術(shù)語"生物膜"指覆蓋分離的介質(zhì)的水薄膜D氣相中的有機分子通過生物膜被 吸收到介質(zhì)中，微生物生活在該介質(zhì)中并通過一種叫做"生物過濾"的過程消耗這些 有機分子。在可控的每日循環(huán)中， 一系列材料支撐指狀橋輥機械結(jié)構(gòu)從處理室中將 材料傳遞下來。
所述堆肥系統(tǒng)是連續(xù)的，為工作人員每日循環(huán)提供輸入和輸出活動。有利地，
該系統(tǒng)產(chǎn)生可用在15-20天的處理周期中的堆肥，但是當堆料或靜態(tài)反應(yīng)堆的熟化 可行(viable)時，該系統(tǒng)也可用作加速器(5-IO天的處理周期)。
所述系統(tǒng)的一個主要優(yōu)點是能夠放置在離城市較近的地方，降低了收集、運 輸和處置的成本并增加了成品的銷售。
申請人的測試結(jié)果證明，允許在豎直的反應(yīng)堆的降解、收縮和壓縮處理過程 中發(fā)生小型厭氧活動(anaerobic pockets of activity)有一些優(yōu)點。這為需氧細菌提 供了額外的食物來源，這些需氧細菌能夠吸收氣相中或溶解在生物膜中的這些"食 物"。嗜溫性細菌和厭氧菌形成的具體氣體是H2S和CH4 (硫化氫和甲院)，它們是 通常導致堆肥系統(tǒng)氣味難聞和引起公害的氣體。
而且，所述室頂壁(roof)內(nèi)部的冷凝(物)重新滴落到堆肥生物質(zhì)中，在堆 肥基質(zhì)內(nèi)保持了活性生物膜。雖然比傳統(tǒng)系統(tǒng)提供濕度更大的輸出物，但所述生物 膜有兩個重要功能。第一，它為整個堆肥反應(yīng)堆/反應(yīng)柱/反應(yīng)物中的細菌和真菌(包 括厭氧細菌)提供活性的濕氣/固體界面。第二，它為需氧細菌提供活性的濕氣/氣 流動界面，這些細菌在該生物膜表面的氣相中獲得它們的食物或獲得溶解在生物膜 中的食物。該活動使得該堆肥過程實際上完全自身過濾了臭氣。
通過使用大量空氣使溫度保持在65-7(TC以下并在堆肥過程中冷卻整個微生物
活動的傳統(tǒng)方法阻礙了有利的高溫微生物，從中間的厭氧反應(yīng)中產(chǎn)生大量廢氣。正 是該活動使得臭氣的清除問題更大和更難以控制。
有利地，本發(fā)明系統(tǒng)的加壓的、濕度受控的氣體流保證了空氣在整個反應(yīng)堆 下表面的均勻分布。傳統(tǒng)系統(tǒng)的高通風速率引起了反應(yīng)堆中的不均勻通風，稱為"顫 動(rattling)，，。
有利地，本發(fā)明系統(tǒng)的加壓的、濕度受控的、加熱的迸入氣體保證了反應(yīng)堆 中生物質(zhì)快速降解所需的正確量的水蒸汽。
進入氣體的濕度控制使過濕的進料得到千燥并且防止非常濕的大氣使反應(yīng)堆的含量飽和。
通過下文的描述，本發(fā)明所有全新方面的其它方面將非常明顯。


下文將參考一種測試性堆肥單元，附圖(圖l)示意性顯示了所述單元的
例子。圖1顯示VIVC示意圖。
具體實施方式
測試性堆肥單元實例描述
對所述單元(圖l)的說明如下。
進料系統(tǒng)將待處理物置于攪拌器(1)中，與任意添加劑混合在一起。
然后混合物由傳送機(2)送至斜坡傳送機(3)和橫向傳送機(4)。由旋轉(zhuǎn) 盤(5)將進料均勻分布在塔中。自動水平控制允許足夠的空間以騰空進料系 統(tǒng)。填料后關(guān)閉并密封給料器。
進料食物廢料、污水污泥、動物副產(chǎn)品、 一些有毒有機廢物和一些蓬松
劑(碎的綠色廢物或木屑)至最大混合物密度為0.65T/m3。水分含量范圍為50 %-80%?？赡苄枰猵H調(diào)節(jié)化合物、礦物質(zhì)、營養(yǎng)物或元素等添加劑以改良廢
物以有利于加工或達到最終產(chǎn)物要求。
提取系統(tǒng)置于密封的內(nèi)置式(enclosed)室的底部的材料支撐指狀橋輥 機械結(jié)構(gòu)(6)支撐堆肥反應(yīng)堆。由配合在橋輥結(jié)構(gòu)(6)之下的傳送帶(7) 將材料傳送出所述室。傳送帶(7)出口在不用時封閉，以保持正常運行時加 壓的堆肥單元。
空氣流動大氣被導入到溫度控制單元(8)，然后經(jīng)過濕度和壓力控制 單元(9)。受控的空氣通過密封室(10)進入堆肥材料(11)。
循環(huán)時間4-28天，取決于待處理的廢物的類型和混合，所需產(chǎn)物的降解 和細化程度，以及所需的熟化水平。
輸出自我覆蓋(mulching)堆肥(未篩選的)或在獨立的篩選設(shè)備中分 級。超大尺寸可用作再循環(huán)中的額外蓬松劑或者被粉碎。10mm的堆肥產(chǎn)率中 85%體積是碎的綠色廢物，+10111111的木屑蓬松劑在篩選后被再循環(huán)。具有熟 化室的系統(tǒng)可即用而無需堆料/靜態(tài)反應(yīng)堆的熟化。空氣或生物過濾對食物廢料/綠色廢料進行操作時，通過活性的、熱的上
層進行大規(guī)模自我過濾。(Gausian分散距離模型(Gausian Dispersion Distance Model)-因此結(jié)果遠遠在人可檢測的閾值之下)在20米的距離。如果位點控制 和要求需要，排出的氣體通過或可通過作為生物過濾器的獨立的室。
冷凝物測試條位于冷凝器中。冷凝物是千凈的并且?guī)缀鯚o味，pH5 (平 均)，無病原體和氮化物，適于灌溉或雨水處理。(Cawthron Institute Tests and NSW EPA Tests (Cawthron學院測試和NSW EPA測試))。
瀝出物沒有，除非輸入的水分超過80%。瀝出物pH6.5，有一些褐色腐 殖質(zhì)固體和一些氮化物。生物氧需要量(BOD)可忽略。很容易通過管理氣體 輸入和排放來控制瀝出物，如果產(chǎn)生了瀝出物可進行再循環(huán)。
病原體推測在堆肥期第4天時沒有病原體，原因是堆肥條件，溫度超過 5(TC超過24小時，由于反應(yīng)堆濕氣因此熱傳導率高。通過Cawthron Institute & Australian NSW EPA進行病原體篩選，確認沒有病原體。
毒性系數(shù)90%根長。(AS3743)
發(fā)芽(germination) : 99% (AS3743)(用于帶有熟化室的系統(tǒng)，產(chǎn)生最 終產(chǎn)物)。
草種14天的處理周期后無存活。
后熟化時間取決于所在位置和熟化要求，在14-120天中可用。
在操作測試單元(以圖l為代表)過程中，申請人已發(fā)現(xiàn)，大量的食物碎 屑或污泥可與碎的綠色廢物混合。食物廢料使混合物的水分含量達到理想水平 (綠色廢物通常低于50%水分含量，食物廢料高達90%)。大的食物廢料，例 如土豆、番瓜、洋蔥等優(yōu)選需要碎化。這大大減少了體積、增加了表面積，使 混合物含有高達80重量％的食物廢料而不大大增加整體體積。這是因為搗爛的 食物廢料填補了碎的綠色廢物顆粒之間的孔隙。有時，大于80%的水分可導致 在收獲傳送器(8)上產(chǎn)生少量的(10L每天)瀝出物(pH6.5)和略微潮濕(damper) 的堆肥終產(chǎn)物。當材料在45-55。C從室中取出時，這些水分迅速消失，具有中性 的土味。即使是食物碎屑，在堆肥中也幾乎檢測不到氮化銨或硫磺的氣味。通 過控制進料和添加劑，最主要的分解代謝(cat)離子是鈣，沒有可檢測量的氮損失。對于所有的營養(yǎng)和痕量元素平衡，營養(yǎng)分析(AS3743)均較高，但取決 于加入系統(tǒng)中的物質(zhì)的混合和分析。
因為提供的潮濕條件，真菌在底部的生長比較豐富。申請人已鑒定到轉(zhuǎn)化 鐵和硫的真菌。
本發(fā)明優(yōu)點如下
密閉保溫、大體垂直的反應(yīng)堆
栓塞流原理
保溫反應(yīng)堆保留熱能
控制濕度的、加壓熱空氣引入堆肥反應(yīng)堆的底部 高溫--利用耐熱-喜高溫微生物活動 恒定的生物膜維持 低能需求/消耗
足跡(footprint)和土地印跡(land print)小
模塊設(shè)計，— 一個進料/出料系統(tǒng)有幾個室
本發(fā)明體現(xiàn)的重要原理
低機械驅(qū)動的氣流速率，濕度受控的、熱空氣輸入
低能耗； 低運行成本；
足跡(footprint)和土地使用(landuse)少；
可忽略的臭氣(裝置可置于城市中)；
濕度受控的、加壓熱空氣提供到反應(yīng)堆底部
排氣的可調(diào)節(jié)開口控制
模塊設(shè)計 一個進料系統(tǒng)，幾個單元。
雖然說明書中描述了具體的機械或其它整數(shù)，但考慮包括它們的替代形 式，就如同這些形式已被單獨描述那樣。
已描述了本發(fā)明的具體實施方式
，考慮可進行改進和變化而不脫離本發(fā)明 的范圍。
權(quán)利要求
1.一種堆肥系統(tǒng)和方法，包括至少一個保溫的、具有大體垂直平行邊的塔，該塔具有一個或多個類似的室，用于細菌或真菌降解生物可降解物質(zhì)，所述生物可降解物質(zhì)以百分之五十(50)至百分之八十(80)(w/w)的進料水分含量提供，其中，以正壓空氣從堆肥生物質(zhì)之下提供的可變通風速率與生物氧需要量相匹配，各室的底部配接有材料支撐指狀橋輥機械結(jié)構(gòu)，通過該機械結(jié)構(gòu)向室中引入濕度經(jīng)控制的空氣并定期取出產(chǎn)出的堆肥。
2. 如權(quán)利要求1所述的堆肥系統(tǒng)和方法，其特征在于，運行是連續(xù)的，利用生 物質(zhì)在所述室內(nèi)下降過程中的生物消融作用產(chǎn)生的可控的收縮和壁壓力釋放，結(jié)合 定期取出產(chǎn)物，堆肥生物質(zhì)以栓塞流方式下降，不用在所述室內(nèi)以機械方式攪拌。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的堆肥系統(tǒng)和方法，其特征在于，加壓的、濕度控制 的熱空氣引入所述反應(yīng)堆底部，從生物反應(yīng)中產(chǎn)生氣體，通過所述反應(yīng)堆頂部的可 調(diào)節(jié)開口調(diào)節(jié)受控的空氣流，排除的氣體通過冷凝器以確保臭氣控制，以及從排除 的氣體中去除冷凝物以進行處理或在所述室內(nèi)再利用。
4. 利用如權(quán)利要求l-3中任一項所述的堆肥系統(tǒng)和方法用生物可降解廢料堆肥 的方法，包括以下步驟從所述室的底部，用加壓的、濕度受控和加熱的、略超過BOD的空氣引入空 氣速率，經(jīng)過堆肥反應(yīng)堆；通過生物膜維持和水分含量控制，在堆肥的反應(yīng)堆上部為喜高溫和耐熱微生 物提供合適的生境，允許在堆肥的反應(yīng)堆內(nèi)發(fā)生需氧和厭氧的混合作用而不使不利 的臭氣逸出到環(huán)境中；和定期地進料和出料，根據(jù)輸出產(chǎn)物的性質(zhì)和所需產(chǎn)物的成熟度控制循環(huán)滯留 時間。
5. 利用如權(quán)利要求3所述的堆肥系統(tǒng)和方法用生物可降解廢料堆肥的方法，包 括以下步驟在輸入至輸出期間維持基質(zhì)覆蓋的結(jié)合有水分的生物膜，這防止了熱 解的可能性并有利于高溫微生物活性。
6. 利用如權(quán)利要求l-3中任一項所述的堆肥系統(tǒng)和方法用生物可降解廢料堆 肥的方法，其特征在于，進料氣體的相對濕度在進入氣體集管之前下降，使得進料水分含量高達80% (w/w)。
7. 利用如權(quán)利要求l-3中任一項所述的堆肥系統(tǒng)和方法用生物可降解廢料堆肥的方法，其特征在于，在進料氣體進入氣體集管之前用通過熱交換器獲得的排出 氣體的廢熱升高其溫度。
8. —種堆肥系統(tǒng)和方法，包括保溫的、大體垂直的一個或多個室，該室配接 有材料支撐指狀橋輥機械結(jié)構(gòu)，通過該機械結(jié)構(gòu)將加壓的、濕度控制的熱空氣輸入 反應(yīng)堆底部并定期取出產(chǎn)物，其中所述堆肥系統(tǒng)配置為當降解進料水分含量為百分 之五十(50)至百分之八十(80) (w/w)的生物可降解物質(zhì)時，在所述室內(nèi)獲得 45r-8(TC的運行溫度，其中輸入所述反應(yīng)堆底部的濕度控制的空氣提供與堆肥過 程的生物氧需要量相同或略高的氧氣含量。
9. 如權(quán)利要求8所述的堆肥系統(tǒng)和方法，其特征在于，利用已知的工程技術(shù)或 通過提供機械封閉來密封所述室的底部，從而在壓力下輸入濕度控制的熱空氣。
10. 如權(quán)利要求1或8中任何一項所述的堆肥系統(tǒng)和方法，基本如本文前面參考附圖所描述的。
全文摘要
一種堆肥系統(tǒng)和方法，包括至少一個保溫的、具有大體垂直平行邊的機械密封塔，該塔具有一個或多個類似的室，用于細菌或真菌降解生物可降解物質(zhì)。生物可降解物質(zhì)以百分之五十(50)至百分之八十(80)(w/w)的進料水分含量提供。以正壓空氣從堆肥生物質(zhì)之下提供與所需生物氧相配的可變的通風速率。各室的底部配接有材料支撐指狀橋輥機械結(jié)構(gòu)，通過該機械結(jié)構(gòu)向室中引入濕度經(jīng)控制的空氣并定期取出產(chǎn)出的堆肥。
文檔編號C05F17/02GK101624304SQ20081013142
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月10日
發(fā)明者保羅·安東尼·布朗, 史蒂芬·尼爾·莫克森, 詹姆士·麥肯齊·凱特 申請人:保羅·安東尼·布朗;史蒂芬·尼爾·莫克森;詹姆士·麥肯齊·凱特