CN100532564C - 一种矿化垃圾协同泔脚废物和污泥联合产氢的方法 - Google Patents

Abstract

一种矿化垃圾协同泔脚废物和污泥联合产氢的方法，涉及泔脚废物处理工艺。将填埋1～20年的矿化垃圾，筛分至粒径1～15mm；泔脚废物经食品破碎机破碎至粒径1～10mm；经水淘洗并过1～10mm筛的污水厂浓缩池污泥以1∶1～10∶1份干重的比例混合，并采取干热灭菌或湿热灭菌(100℃～200℃，0.5～2h)的方法进行预处理0.5～2h，制得联合发酵基质，调节其含水率至75%～90%，置于密闭的恒温发酵容器内，于25℃～55℃恒温条件下进行发酵，产生氢气，经简单预处理后作为燃料或发电原料使用。发酵残渣生产沼气和好氧堆肥。本发明的工艺简单易控制，无需外加营养元素，成本低廉，周累计氢气产量高于180ml/gVS，无二次污染，对填埋矿化垃圾、泔脚废物和污水厂污泥进行了有效的资源化利用，具有较高的经济效益、环境效益、生态效益。

Description

一种矿化垃圾协同泔脚废物和污泥联合产氢的方法

技术领域

一种矿化垃圾协同泔脚废物和污泥联合产氢的方法，涉及泔脚废物处理工艺，属于固体废物资源化技术领域。

背景技术

泔脚一般指熟类食品垃圾，多集中产生于餐厅，食堂等多人进餐场所。

泔脚表观性状恶劣，高含水及其易腐特性，对城市环境具有较大的环境影响；此外，由于泔脚来源的复杂性，存在严重的病毒污染，威胁城市的公共卫生安全；长期采用的直接作为动物饲料的处置方式亦不当，易引发多种动物瘟疫，同时存在形成污染链的危险，威胁人类健康安全。而且，近年来上海市餐厨泔脚产量即达1300吨，预测全国城市年泔脚发生量将达到730万吨。鉴于泔脚的环境和公众健康危险，我国部分城市(上海、北京)已明确规定，禁止使用未经科学处理的泔脚做猪饲料。而目前尚缺乏针对泔脚废物安全处置的成熟技术。

传统的泔脚的处理方式主要有以下几种：(1)饲料化处置技术：采用泔脚废物直接作为动物饲料，由于其不能达到环境安全的要求，国内外许多城市均严格禁止泔脚的这种处置利用方式。而高温、压榨等处理手段对减少泔脚废物的细菌、病毒污染具有明显的效果，但不能完全消除废物中的病原菌以及其他残存的微生物。此外，泔脚废物中存在许多微量的有毒有害物质，如作物的农药残留、食品添加剂等，其中许多物质具有很强的环境稳定性和生物累积效应，因此，利用泔脚废物直接作为动物饲料，并以很短的周期和途径再次进入食物链的循环，对动物和人类的健康安全均带来不利影响，存在不可确定的安全隐患。(2)好氧生物处理技术：由于饲料化存在潜在的有害影响，堆肥日益成为处置泔脚废物的主要途径，施用泔脚堆肥可使土壤微生物数量以及活性明显提高，并有利于植物氮素的吸收利用。但单一泔脚堆肥由于含水率高、有机质含量高，导致堆肥升温慢、容积效率较低，而且易腐、颗粒机械稳定性差的特性，需要特殊的填充物提高空隙率、大量的填充剂调理含水率，较高的温度维持堆肥要求。此外泔脚中含有的大量油脂和盐分会进一步影响微生物对有机物的分解速率。(3)甲烷化厌氧发酵处理技术：厌氧微生物能强化泔脚中油类的分解，而且对于泔脚这类富含碳水化合物的基质而言也是一种极为适用的方式；此外，不需供氧，节省能耗。因此，从技术分析上，泔脚废物的厌氧发酵处理具有节能、高效、资源回收的优势，但亦存在发酵周期长、初期投资大、运行不稳定、易引起酸中毒导致反应终止等问题，因此未得到广泛的应用。

为此，寻找适合泔脚废物特性的处理处置方式，并在低成本、运行简单、废弃物利用程度高，无二次污染的基础上对泔脚废物进行了合理有效的处理处置是目前需解决的当务之急。

发明内容

本发明旨在提供一种运行费用低、工艺流程简单、操作维护方便、产气效率高、废物资源化程度高的泔脚废物处理工艺。用本发明的方法处理的泔脚废物因去除了其中含有的杂菌，因此克服了后续厌氧发酵过程的不利影响。

为了达到上述目的，同济大学在对垃圾填埋场稳定化数十年的矿化垃圾研究中发现，封场3年后，填埋垃圾即由快速降解阶段转入相对稳定的厌氧降解阶段；大约填埋1～20年后，其中的腐熟垃圾臭味低、易自然晾筛，渗滤液产生极少，已基本达到稳定化和无害化，其中的细料物质(Φ≤15mm)外观类似腐殖质、呈微团聚体状、质地疏松、具有无数极微孔隙和巨大的表面积，且富含有机质、通透性好、阳离子交换容量高，加之长期厌氧条件下形成的数量庞大、适应性强的微生物群落和各种活性酶，对于产氢菌及其孢子的形成及富集极为有利。因此，是一种非常适用于作为厌氧发酵添加剂及接种剂的物质。

众所周知，对于含水率、pH值、温度、碱度而言，碳氮比(C/N比)是影响厌氧发酵产氢的关键生态因子，而泔脚废物是一种含碳量较高的物质，一般的C/N比在30～50:1左右。污水厂厌氧污泥C/N比一般在15～25:1左右，因此两者以一定比例混合，可较好满足矿化垃圾中的产氢微生物对于C/N的要求，达到更佳的氢气产量，且无须另外投加C源或N源，达到以废治废的目的。经过长期实验，本发明采用如下工艺：首先分别进行原材料的预处理：将填埋1～20年的矿化垃圾筛分至粒径1～15mm；泔脚废物破碎至粒径1～10mm；经水洗并过筛留下的粒径为1～10mm的污水厂浓缩池的污泥；接着将处理好的矿化垃圾：泔脚：污泥＝1:1～10:1份干重比例量取；然后将泔脚和污泥混合并采取100℃～200℃干热灭菌或者湿热灭菌0.5～2h，再投加矿化垃圾，混合制得联合发酵基质，调节其含水率至75％～90％，在25℃～55℃恒温条件下，于密闭的容器内进行发酵，在5～8天的反应周期内累计的氢气产率为180ml/gVS以上，产氢潜力190ml/gVS以上，最大产氢速率90ml/gVS·h以上，最高浓度50％以上；产生的氢气经简单的常规预处理后作为燃料或发电原料使用；发酵残留物继续作为产甲烷基质生产沼气或好氧堆肥后农用。

所述的将填埋1～20年的矿化垃圾筛分是对稳定化的矿化垃圾进行开挖、风干后，剔除其中颗粒较大的石子、碎玻璃、未降解的塑料、橡胶、木块后进行筛分，得到粒径1～15mm的处理好的矿化垃圾。

所述的矿化垃圾：泔脚：污泥的量取是在泔脚与污泥进行灭菌处理后，按照矿化垃圾：泔脚：污泥＝1:1～5:1份干重比例量取。

本发明具有如下的优点：

1.由于本发明采用的矿化垃圾细料(Φ≤15mm)具有无数极微孔隙和巨大的表面积，且富含有机质、通透性好、阳离子交换容量高，加之长期厌氧条件下形成的数量庞大、适应性强的微生物群落和各种活性酶，对于产氢菌及其孢子的形成及富集极为有利，而且矿化垃圾本身呈碱性，对于产氢系统碱度的改善和pH值的调节有积极作用，因此本发明产气效率高。

2.由于泔脚废物本身产生量大，且缺乏较好的处置方式，利用其富含碳水化合物的特性，将其作为厌氧发酵的基质，并且投加一定比例的污泥调节系统C/N比到适宜矿化垃圾中厌氧微生物作用的水平，无需另外投加C源或N源，达到以废治废的资源化目的，因此本发明运行费用低。

3.本发明的发酵产氢周期与产甲烷工艺所需要的周期相比，缩短2/3，仅为5～8天，而且发酵工艺基建费用低，运行无需外加药剂，且产氢量较高，具有较高的经济效益。

4.反应在封闭的容器内进行，整个工艺无二次污染产生，且对填埋矿化垃圾、泔脚废物和污水厂厌氧进行联合发酵是一种有效的废物资源化利用方式，具有较高的环境效益和生态效益。

5.系统运行稳定，在5～8天的反应周期内累计的氢气产率为180ml/gVS以上，产氢潜力190ml/gVS以上，最大产氢速率90ml/gVS·h以上，最高浓度50％以上，较其它工艺而言(见表1)具先进水平。发酵残留物可继续作为产甲烷基质或好氧堆肥后农用。

表1 不同工艺的基质来源及产氢水平

附图说明

图1为本发明的工艺流程图

具体实施方式

请参见图1

将封场3年、填埋龄1～20年的腐熟垃圾开采和风干后成为矿化垃圾，筛分至粒径Φ≤15mm。泔脚废物经食品破碎机破碎成Φ≤10mm细料。污水厂厌氧污泥经水淘洗并过筛得到Φ≤10mm的厌氧污泥。按以干重1:1～10:1的比例量取矿化垃圾、泔脚废物和厌氧污泥。先将泔脚和污泥混合，并采取干热灭菌(100℃～200℃，0.5～2h)或者湿热灭菌(100℃～200℃，0.5～2h)的方法进行预处理，然后投加矿化垃圾。三者充分混合成为联合发酵基质，调节含水率至75％～90％，将联合发酵基质在恒温条件下(25℃～55℃)于密闭的恒温发酵容器内进行发酵，容器顶空用氮气吹扫30s～2min后迅速密封，期间每天搅拌或摇晃容器3～5次，收集联合发酵基质产出的氢气，氢气经净化后作为燃料或发电原料使用，发酵残留物可继续作为产甲烷基质生产沼气或好氧堆肥后农用。

实施例1

1吨中试运行试验在江苏泰兴某机械设备设备厂(设备生产合作单位)进行，试验用泔脚取之于江苏泰兴市郊的3家饭店和宾馆，每天下午2点现场随机采集，混合备用，其成分分析见表2。

表2 中试规模泔脚废物特性分析

将江苏某填埋场封场3年、填埋龄15年的矿化垃圾，经开采和风干后，筛分至粒径10mm。泔脚废物经食品破碎机破碎至粒径10mm，污泥取自无锡某UASB工艺污水处理厂厌氧颗粒污泥，经淘洗后过筛，取粒径小于10mm的以干重1:5的比例与泔脚废物混合，采用150℃，30min的干热灭菌方式对以上混合物进行灭菌，然后以泔脚废物干重3:1的比例投入筛分后的矿化垃圾。调节含水率至75％～90％后，装入有效容积为1吨的CSTR厌氧生物反应器，反应温度通过外加电热丝控制在40℃，反应器顶空体积用氮气吹扫1min后密封，在5天的反应周期内每天以60rpm转速搅拌5次，每次5min。产氢潜力200ml/gVS，最大产氢速率100ml/gVS·h，氢气最高浓度达到60％。

实施例2

上海某规模100t/d的固体废物处理厂收集的泔脚废物成分如表3：

表3 某生活垃圾处理厂泔脚废物特性分析

将上海某填埋场封场3年、填埋龄10年的矿化垃圾，经开采和风干后，筛分至粒径5mm。泔脚废物经食品破碎机破碎至粒径10mm，厌氧污泥取自临近化学一级强化工艺污水厂浓缩池，经淘洗后过筛，取粒径小于5mm污泥以干重1:6的比例与泔脚废物混合，采用100℃，30min的湿热灭菌方式对以上混合物进行灭菌，然后以泔脚废物干重5:1的比例投入筛分后的矿化垃圾。调节含水率至75％～90％后，投入恒温(55℃)厌氧发酵反应槽，反应槽顶空体积用氮气吹扫1min后密封，在5天的反应周期内每天以翻堆机翻动3次。产氢潜力达到180ml/gVS，最大产氢速率85ml/gVS·h，氢气最高浓度达到50％。

Claims (1)

1.一种矿化垃圾协同泔脚废物和污泥联合产氢的方法，其特征在于：首先分别进行原材料的预处理：将填埋1～20年的矿化垃圾进行开挖、风干后，剔除其中颗粒较大的石子、碎玻璃、未降解的塑料、橡胶、木块后进行筛分，得到粒径1～15mm的处理好的矿化垃圾；泔脚废物破碎至粒径1～10mm；污水厂浓缩池污泥经水洗并过筛，留下粒径为1～10mm的污泥；接着将处理好的矿化垃圾：泔脚：污泥＝1:1～10:1份干重比例量取；然后将泔脚和污泥混合并采取100℃～200℃，0.5～2h的干热灭菌或者100℃～200℃，0.5～2h的湿热灭菌的方法进行预处理，然后，再投加矿化垃圾，混合制得联合发酵基质，调节其含水率至75％～90％，在25℃～55℃恒温条件下，于密闭的容器内进行发酵，容器顶空用氮气吹扫30s～2min后迅速密封，期间每天搅拌或摇晃容器3～5次，在5～8天的反应周期内累计的氢气产率为180ml/gVS以上；产生的氢气经简单的常规预处理后作为燃料或发电原料使用，发酵残留物继续作为产甲烷基质生产沼气或好氧堆肥后农用。

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