一种高掺量煤矸石基好氧堆肥及其制备方法和设备

本发明属于发酵设备以及固体废弃物资源化利用，具体涉及的是一种高掺量煤矸石基好氧堆肥及其制备方法和设备。

背景技术：

1、煤矸石是煤炭开采、洗选过程中产生的大宗固体废弃物，约占原煤产量的20%，大量煤矸石长期堆存不仅占用宝贵的土地资源，其含有的铅、汞、铬等重金属及酸性物质还会通过淋溶、渗透等方式污染土壤和地下水，引发边坡失稳、自燃等生态安全隐患，对周边群众生产生活构成严重威胁，煤矸石的规模化、资源化利用已成为亟待解决的重大环境与资源问题。

2、目前，煤矸石资源化利用路径主要包括发电、建材生产、井下回填及土地复垦等。其中，煤矸石发电需依赖热值高于一定标准的原料，随着煤炭洗选水平提升，适配发电的矸石量逐年减少，且存在污染排放难控制、设备磨损严重、运输半径受限等问题；建材生产领域，煤矸石制砖、制骨料等产品受传统建材市场竞争挤压，存在“产得出、卖不掉”的困境，且整体利用量有限；井下回填与土地复垦虽能消纳大量矸石，兼具生态修复效益，但存在施工复杂、监管难度大、环评周期长、实施成本高的缺陷，导致煤矿企业积极性不足，当前仅占总利用量的10%左右。总体而言，现有利用路径普遍存在用量低、利用水平低、附加值低的“三低”问题，难以满足煤矸石大规模消纳与高值化利用的需求。

3、煤矸石的主要成分为二氧化硅（sio2，含量45%-60%）以及三氧化二铝（al2o3，含量15%-25%），同时含有钙、镁、钾、磷等植物生长所需的营养元素，且其多孔结构具有良好的吸附性能和载体特性，具备作为堆肥原料的天然优势。近年来，国内外学者开始探索煤矸石肥料化利用路径，相关专利技术陆续涌现，但现有技术仍存在诸多不足，核心缺陷集中在煤矸石掺量低，难以实现规模化消纳。

4、专利文献“一种煤矸石有机肥及其制备方法”（申请公布号：cn119191914a），公开了将改性煤矸石、农林废弃物与微生物菌剂混合，然后进行高温好氧堆肥，制备有机肥，通过煤矸石改性提升营养元素释放效率，利用农林废弃物调节碳氮比。其不足在于：1.煤矸石仅作为辅助原料，掺量占比不超过30%，无法实现煤矸石大规模消纳；2.堆肥过程依赖人工控制温度、湿度等关键参数，智能化程度低，规模化应用时混匀度和稳定性不足；3.堆肥周期较长（约25天），堆肥效率有待提升。

5、专利文献“一种活化煤矸石制备硅肥的方法”（申请公布号：cn114956872a），公开了将煤矸石与有机固体废弃物混合后，经热解、两级煅烧（第一煅烧710~725℃、第二煅烧820~890℃）、淬冷、粉碎等步骤，制备硅肥，通过高温活化提高煤矸石中硅元素的转化率。其不足在于：1.煤矸石掺量最高仅40%，未突破低掺量瓶颈，消纳能力有限；2.工艺流程繁琐，需热解、多级煅烧等多道工序，生产成本高；3.煅烧过程能耗大，碳排放量大，环保性不足；4.产品单一，仅能制备硅肥，附加值有限。

6、专利文献“一种煤矸石基肥料的制备装置及方法”（申请公布号：cn120325233a），公开了包含混合装置和反应装置的制备系统，通过螺旋桨搅拌实现物料混合，利用加热管实现均匀加热，可通过发酵或焙烧方式制备煤矸石基肥料，控制煤矸石与有机物料质量比调节发酵环境。其不足在于：1.煤矸石掺量较低（未明确高于40%），无法实现大规模消纳；2.反应装置功能单一，仅能实现基础混合与加热，无法精准控制好氧堆肥关键参数（如曝气速率、氧气浓度等）；3.未针对煤矸石密度大、透气性差的特性优化结构，高掺量时易出现物料板结、发酵不完全；4.自动化程度低，缺乏在线监测与智能调控模块，需人工干预环节多；5.未提供尾气、渗滤液后续处理的方案，存在二次污染风险。

7、此外，现有好氧堆肥装置（如滚筒式堆肥反应器）多针对农业有机废弃物设计，其抄板结构、曝气方式、搅拌强度等参数无法适配煤矸石密度大、硬度高、透气性差的特性。当煤矸石掺量超过50%时，普遍出现物料混匀度不足、曝气死角多、堆体温度难以达到腐熟标准（55-65℃）、发酵周期延长至25天以上等问题，导致堆肥产品质量不稳定，限制了煤矸石在堆肥领域的规模化应用。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的煤矸石掺量低、堆肥效率低、装置智能化程度低、环保性不足的技术问题，本发明提供一种高掺量煤矸石基好氧堆肥及其制备方法和设备，煤矸石高比例掺加（≥60%），配套生产装置具备先进智能化调控、环保达标排放、高效腐熟发酵的特点，实现煤矸石规模化消纳与有机肥高值化生产的有机结合，同时降低堆肥过程的能耗与污染物排放。

2、本发明通过以下技术方案予以实现：

3、一种高掺量煤矸石基好氧堆肥，其组成及其重量配比为：预活化处理的煤矸石60-75份，有机调理剂15-25份，营养调节剂5-10份，复合微生物菌剂0.1-0.5份；

4、所述预活化处理的煤矸石的粒径≤10mm，sio2含量45%-60%，al2o3含量15%-25%，其余重金属含量符合gb/t 19524.1-2020《肥料中砷、镉、铅、铬、汞限量》标准要求；

5、所述有机调理剂由玉米秸秆、畜禽粪便、菌渣按重量配比2:1:1混合而成；三者协同作用机制如下：玉米秸秆富含纤维素（含量35%-45%）和半纤维素（含量20%-30%），为堆体提供充足碳源，同时其纤维骨架结构可有效支撑堆体孔隙，防止因煤矸石密度大导致的堆体压实；畜禽粪便富含速效氮和微生物，可快速启动堆肥发酵进程；菌渣中残留的食用菌菌丝体可分泌多种胞外酶（纤维素酶、木质素酶等），协同加速有机物降解；

6、所述营养调节剂由尿素、磷酸二氢钾、白云石粉按重量配比3:2:5混合而成；尿素补充氮元素，磷酸二氢钾补充磷钾营养，白云石粉的加入不仅可中和煤矸石预活化处理后残余酸性，将堆体初始ph值调节至适宜微生物生长的范围（6.5-7.5），还可通过缓慢释放ca2+和mg2+，促进堆体团粒结构形成，改善堆体透气性，为好氧微生物提供稳定的生长环境；

7、所述复合微生物菌剂由枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、黑曲霉按活菌数配比2:1:1复配而成，总活菌数≥2.0×109cfu/g。枯草芽孢杆菌与地衣芽孢杆菌可快速降解有机物质，提升堆肥腐熟速率，黑曲霉能促进煤矸石中难溶性矿物质的活化释放，三者协同提升堆肥效率与产品质量。枯草芽孢杆菌（bacillus subtilis）活菌数≥1.0×109cfu/g，最适生长温度45-55℃，可在堆肥高温阶段（55-65℃）保持较高活性，持续分泌蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等多种胞外酶，加速有机物降解；所述地衣芽孢杆菌（bacillus licheniformis）活菌数≥5.0×108 cfu/g，具有较强的耐热性（最高耐受温度70℃），可在堆肥高温期维持稳定的降解活性；所述黑曲霉（aspergillus niger）活孢子数≥5.0×108cfu/g，可分泌有机酸（柠檬酸、草酸等），通过酸溶作用活化煤矸石中的难溶性磷酸盐和硅酸盐矿物，将其转化为植物可利用的有效态养分，有效磷释放率提升25%-35%，有效硅释放率提升30%-40%。

8、进一步地，所述玉米秸秆的含水率≤15%，有机碳含量≥40%；所述畜禽粪便优选猪粪或鸡粪，全氮含量≥2.0%；所述菌渣为食用菌栽培废弃基质，孔隙率≥60%。

9、进一步地，所述尿素中氮元素的含量≥46%；所述磷酸二氢钾中p2o5的含量≥52%，k2o的含量≥34%；所述白云石粉的粒径≤0.15mm，caco3与mgco3的总含量≥95%。

10、一种制备如上所述高掺量煤矸石基好氧堆肥的设备，本设备配置齐全，涵盖高掺量煤矸石基好氧堆肥生产过程中预处理、发酵、尾气处理、监测调控等全流程所需部件，它包括原料预处理系统、智能混合发酵系统、尾气处理系统、渗滤液回收系统及中央控制系统，智能混合发酵系统包括混合发酵罐，其中：

11、所述原料预处理系统包括一级破碎筛分设备、二级破碎筛分设备、锤式粉碎机以及自动加药系统，待预活化处理的煤矸石由投料口添加于一级破碎筛分设备中，一级破碎筛分设备的出料口通过输送设备与二级破碎筛分设备的投料口连接，二级破碎筛分设备的出料口通过输送设备与混合发酵罐的第一投料口连接，煤矸石原料由投料口投入一级破碎筛分设备，经一级破碎筛分设备破碎、筛分后送入二级破碎筛分设备进一步破碎、筛分，直至煤矸石的粒径≤mm；用于制备有机调理剂的原料（玉米秸秆、畜禽粪便、菌渣原料）由投料口添加于锤式粉碎机中，锤式粉碎机的出料口与混合发酵罐的第二投料口连接；所述自动加药系统包括酸液储罐以及耐酸计量泵，耐酸计量泵将酸液储罐中储存的稀硫酸定量添加至混合发酵罐中；

12、所述智能混合发酵系统还包括进水口、保温层、电阻加热线圈、滚筒、排水管以及快换式接头，进水口设置于混合发酵罐的外侧壁的上部；

13、所述滚筒设置于混合发酵罐中，滚筒的内壁上设置螺旋形状的搅拌筋，滚筒内壁的上部设置液位计，滚筒的底部延伸至混合发酵罐的外部，并且滚筒的底部设置为圆台形状，搅拌电机通过皮带与滚筒底部的侧壁连接，搅拌电机通过皮带驱动滚筒在混合发酵罐内沿顺时针方向与逆时针方向周期性交替旋转；在所述滚筒的底面上设置排水管，排水管上设置阀门，并且在排水管上设置ph值在线检测计；

14、所述混合发酵罐的内壁上螺旋状缠绕电阻加热线圈，保温层覆盖于螺旋状电阻加热线圈的内圈上，保温层与滚筒之间设置环形空腔，环形空腔的中部和底部分别设置支撑轴承，支撑轴承的外圈与保温层连接，支撑轴承的内圈与滚筒连接，并且位于底部的支撑轴承与混合发酵罐的底面之间设置压力传感器；所述环形空腔的顶部设置环形导流盘，环形导流盘的内壁设置为倾斜向下的锥面，在滚筒侧壁的顶部并位于环形导流盘的下方沿圆周方向均布若干过水孔，由进水口输送至混合发酵罐内的水依次通过环形导流盘、过水孔后流入滚筒内；

15、所述混合发酵罐的顶面上设置曝气系统、快拆接头以及传感器集成单元，营养调节剂或者复合微生物菌剂输送管分别与快拆接头可拆卸式连接，所述传感器集成单元包括用于检测滚筒内部环境的温度传感器、湿度传感器、ph传感器、ec传感器以及水分传感器；所述曝气系统包括变频风机、曝气主管、曝气支管及曝气头，变频风机与曝气主管的上端连接，曝气主管分别与若干曝气支管连通，曝气主管以及曝气支管的下端均延伸至滚筒的内腔的底部，曝气头分别设置于滚筒内腔中的曝气主管以及曝气支管上；

16、所述尾气处理系统包括喷淋冷凝塔、活性炭吸附塔以及氨气收集系统，混合发酵罐内堆肥发酵过程中产生的尾气依次经过喷淋冷凝塔、活性炭吸附塔，并且氨气收集系统设置于喷淋冷凝塔与活性炭吸附塔之间，经活性炭吸附塔处理后尾气排放符合gb 14554-93《恶臭污染物排放标准》；其中，在喷淋冷凝塔内，采用循环水喷淋去除尾气中的粉尘和水蒸气，粉尘去除率≥98%，喷淋冷凝塔内产生的冷凝水重新输送至渗滤液回收系统；

17、所述渗滤液回收系统包括依次顺序串联连接的收集池、过滤模块、消毒模块及回用模块，智能混合发酵系统产生的废液通过排水管排放至收集池，回用模块制备的循环水经板式换热器冷却至15-20℃后分别输送至混合发酵罐以及喷淋冷凝塔循环使用；

18、所述中央控制系统包括plc控制器，所述压力传感器、液位计、ph值在线检测计、传感器集成单元通过信号线分别与plc控制器的信号输入端电连接，plc控制器的信号输出端通过信号线分别与耐酸计量泵、变频风机、电阻加热线圈、搅拌电机以及进水口处的阀门、排水管处的阀门、尾气处理系统中的进/排气阀门、渗滤液回收系统处的进/排液阀门电连接；并且，plc控制器通过信号线与触摸屏电连接，plc控制器通过无线通信模块与远程监控终端无线连接。

19、进一步地，所述一级破碎筛分设备为颚式破碎机，进料粒径≤100mm，出料粒径≤20mm；所述二级破碎筛分设备由反击式破碎机以及振动筛分机组成，筛孔孔径10mm；所述锤式粉碎机的出料粒径≤5mm。

20、进一步地，所述发酵罐的轴线与滚筒的轴线共线。

21、进一步地，所述喷淋冷凝塔内由上至下依次设置三层雾化喷嘴，并且在最下层雾化喷嘴的下方设置丝网型除雾器，防止液滴夹带进入后续处理单元；所述活性炭吸附塔中设置紫外消毒装置，可有效去除尾气中的氨气、硫化氢等恶臭气体。

22、采用如上所述生产设备制备高掺量煤矸石基好氧堆肥的方法，包括以下步骤：

23、s1、煤矸石预活化处理：

24、s1-1、将待预活化处理的煤矸石由投料口添加于一级破碎筛分设备中，依次经一级破碎筛分设备、二级破碎筛分设备破碎、筛分，制得煤矸石的粒径≤10mm的煤矸石颗粒；

25、s1-2、将步骤s1-1制备的煤矸石颗粒输送至滚筒中，中央控制系统控制耐酸计量泵将酸液储罐中储存的稀硫酸溶液按照液固比1:2定量添加至混合发酵罐中，稀硫酸溶液的浓度为5%~8%；

26、s1-3、中央控制系统控制搅拌电机启动，搅拌电机通过皮带驱动滚筒交替正转、翻转，煤矸石颗粒在稀硫酸溶液中搅拌、浸泡2-4小时，采用稀硫酸浸泡能够去除表面杂质，破坏致密结构，提升营养元素释放效率和吸附性能；

27、s1-4、步骤s1-3搅拌、浸泡结束后，中央控制系统控制控制渗滤液回收系统制得的循环水由进水口送入滚筒中，对稀硫酸溶液酸洗后的煤矸石颗粒进行搅拌、清洗，清洗液由排水管直接排放至收集池，ph值在线检测计在线实时检测清洗液的ph值，并将检测数据信号实时传输至中央控制系统；

28、s1-5、当ph值在线检测计检测到清洗液的ph呈中性时，进水口处的阀门关闭，搅拌电机停止，与此同时中央控制系统控制电阻加热线圈与电源接通，对煤矸石颗粒搅拌、烘干，制得预活化处理煤矸石；

29、s2、制备有机调理剂：按照玉米秸秆、畜禽粪便、菌渣的重量配比称取原料，由投料口添加于锤式粉碎机中，混合均匀并粉碎至粒径≤5mm，制得有机调理剂留待后步使用；本发明中，有机调理剂选用农林废弃物混合，玉米秸秆提供充足碳源，畜禽粪便补充氮源，菌渣提升堆体孔隙度，三者协同调节堆体碳氮比至25-30:1，适配好氧微生物生长需求；

30、s3、制备营养调节剂、复合微生物菌剂：按照尿素、磷酸二氢钾、白云石粉的重量配比称取原料并混合均匀，按照枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、黑曲霉的活菌数配比称取原料并混合均匀，分别储存与对应的储存罐中留待后步使用；

31、s4、堆肥发酵：

32、s4-1、根据高掺量煤矸石基好氧堆肥的组成及其重量配比，将步骤s2制备的有机调理剂、步骤s3制备的营养调节剂定量输送至滚筒中，中央控制系统控制搅拌电机重新启动，搅拌速度为15rad/min，搅拌时间为15分钟；然后，将步骤s3制备的复合微生物菌剂按照重量配比输送至滚筒中；

33、s4-2、智能发酵：通过触摸屏设定堆肥参数阈值：温度55-65℃，湿度55%-65%，ph6.5-7.5，氧气浓度10%-15%，ec值1.5-3.5ms/cm，水分含量55%-65%，氨气浓度≤50ppm；然后，启动电阻加热线圈、曝气系统、搅拌电机及氨气收集系统，初始曝气速率1.0m3/(m2·h)，加热温度60℃，开始发酵，其中发酵温度包括以下阶段：发酵第1-3天为升温期，堆体温度由初始25-30℃快速升至55℃以上；第4-10天为高温期，堆体温度稳定在55-65℃，微生物活性最强，有机物降解速率最高；第11-13天为降温腐熟期，堆体温度逐渐降至50℃以下，有机物趋于稳定，腐殖质形成；

34、s5、尾气、渗滤液及氨气处理：

35、步骤s4-2发酵过程产生的尾气首先经喷淋冷凝塔去除粉尘和水蒸气，再进入氨气收集系统，通过负压吸附将氨气引入水洗吸收塔进行回收利用，剩余尾气进入活性炭吸附塔，经改性活性炭吸附和紫外消毒处理，达标后排放；

36、步骤s4-2发酵过程产生的渗滤液收集至收集池，然后依次经过过滤模块（石英砂+活性炭双级过滤，cod去除率≥70%，重金属去除率≥85%）以及消毒模块（紫外消毒，功率密度32mw/cm2），最终通过回用模块（输送速率2m3/h）输送至智能混合发酵系统以及喷淋冷凝塔循环回用，水资源回用率≥90%；

37、s6、出料与陈化：经步骤s4堆肥发酵后，堆体的温度维持55±2℃，有机质含量≥30%，氮磷钾总含量≥5%，ph =7.0，达到腐熟标准；启动滚筒底部的自动卸料阀，将腐熟物料排出，送入陈化场陈化3天，制得成品高掺量煤矸石基好氧堆肥。

38、进一步地，在所述步骤s1-5中，清水冲洗至ph值为6.8-7.2，烘干温度为100-110℃，烘干时间为2-3小时。本发明通过稀酸溶液预活化，可有效破坏煤矸石表面致密的硅铝酸盐晶格结构，使内部营养元素（钙、镁、钾、磷、硅等）的释放效率提升40%-60%，同时增大比表面积，为微生物定殖提供更多附着位点，显著提升后续堆肥发酵效率。

39、本发明采用上述技术方案，相较于现有技术，具有以下显著有益效果：

40、1）、煤矸石掺量大幅提升：组合物中煤矸石掺量达到60%-75%，较现有技术（最高40%）提升50%以上，可实现煤矸石大规模消纳，单套装置日处理煤矸石能力可达5-8吨，显著优于现有技术，有效解决煤矸石堆存污染问题；

41、2）、堆肥效率高：通过预活化处理提升煤矸石反应活性，搭配专用复合微生物菌剂和优化配方，结合自动搅拌、定时翻转、自动控温、自动供气功能，堆肥腐熟周期缩短至12-15天，较现有煤矸石堆肥技术（20-30天）效率提升30%以上；同时，智能混合发酵系统的分段变风量曝气设计，配合自动监测调控，确保堆体混匀度和透气性，腐熟度达标率100%；

42、3）智能化程度先进：中央控制系统实现堆肥全流程参数实时监测与自动调控，支持本地一键操作和远程监控，无需人工值守，较现有技术减少80%以上人工成本；参数数据可实时记录与追溯，便于生产管理和质量管控；故障报警机制与安全联锁保护，确保装置长期稳定安全运行；

43、4）环保性能优异：尾气经冷凝除尘+活性炭吸附+紫外消毒处理，结合氨气收集系统实现氨气资源化回收（收集率≥90%），恶臭气体、氨气和粉尘排放均符合国家标准；渗滤液经处理后循环回用，水资源回用率≥90%，无二次污染排放，真正实现环保型堆肥生产；

44、5）产品附加值高：制备的有机肥含有丰富的有机质和氮、磷、钾、硅、钙等营养元素，有机质含量≥30%，氮磷钾总含量≥5%，符合ny/t 525-2026《有机肥料》标准，可广泛应用于农业种植、园林绿化等领域，实现煤矸石高值化利用，经济效益与生态效益显著。