CN101134684B - 一种餐厨垃圾两相厌氧发酵产氢产甲烷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种餐厨垃圾两相厌氧发酵产氢产甲烷的方法。本发明包括如下步骤：1、餐厨垃圾先进行分选，后与水按一定比例混合；2、与污水处理厂的剩余污泥一定比例混合均匀后进行热处理；3、热处理后的混合物与未处理的混合物进行热交换；4、热交换后的热处理混合物在第一相中进行厌氧发酵产氢；5、第一相的发酵剩余物在第二相中进行厌氧发酵产甲烷；6、第二相的发酵剩余物或作为沼肥直接使用或再进行处理，或代替剩余污泥，作为产氢菌源。本发明的工艺简单，易控制，无需外加营养物质，由于采用两相厌氧发酵，提高了餐厨垃圾中有机质生物质能的回收，从而提高了餐厨垃圾厌氧发酵的经济效益，且无二次污染。

Description

一种餐厨垃圾两相厌氧发酵产氢产甲烷的方法
技术领域
本发明属于固体废弃物处理与资源化领域，更具体是涉及一种餐厨垃圾两相厌氧发酵产氢产甲烷的方法。
背景技术
餐厨垃圾是家庭、宾馆、饭店及机关企事业等饮食单位抛弃的剩余饭菜的通称，是人们日常生活中产生的一种有机固体废弃物。餐厨垃圾成份十分复杂，是油、水、混合菜蔬、果皮、果核、米面、鱼、肉、骨以及废餐具、纸巾等的大杂烩，淀粉、食物纤维、动物脂肪和蛋白等有机物质是餐厨垃圾的主要成分。餐厨垃圾的产生量十分巨大，据统计，上海市每日餐厨垃圾的产生量达1300吨左右，北京市达1600吨左右，深圳市则达1680吨。且随着城市生活设施和居住条件的改善、人民生活水平的提高和人口的增加，餐厨垃圾的产生量有越来越多的趋势。由于餐厨垃圾容易发酵、变质、腐烂，产生大量毒素，散发恶臭气体，严重污染水体和大气，而且大中城市的大量餐厨垃圾直接排入下水道，也造成极严重的环境污染。目前，餐厨垃圾已成为城市生活垃圾的重要污染源。
传统的餐厨垃圾处理方式包括饲料化、堆肥化、填埋、焚烧等均存在不同形式的问题和不足，开发一种适合餐厨垃圾特性的处理处置方法，并在低成本、运行简单、餐厨垃圾中资源利用程度高，无二次污染等基础上对餐厨垃圾进行合理有效的处理处置是目前需解决的一大问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处，提供一种餐厨垃圾两相厌氧发酵产氢产甲烷的方法。本发明的方法具有运行费用低、工艺简单、操作方便、能耗低等优点。
为达到上述目的，本发明采取了如下的技术方案：
一种餐厨垃圾两相厌氧发酵产氢产甲烷的方法，包括如下技术步骤：
(1)将收集到的餐厨垃圾进行分选，去除其中较大粒径地固体无机物(如筷子、玻璃、石块等)和难降解有机物(如纸巾、塑料)，然后与水按一定比例混合，用食品破碎机破碎，过筛；
(2)取污水处理厂的剩余污泥，经浓缩到一定浓度后，过筛，与粉碎的餐厨垃圾按一定比例混合均匀后进行热处理，热处理后的混合物作为厌氧发酵产氢的基质，即：污泥作为产氢菌源，餐厨垃圾作为产氢底物；
(3)将上述热处理后的混合物与未处理的混合物进行热交换，以提高未处理混合物的温度，提高热效率；
(4)将热交换后的热处理混合物置于密闭第一相厌氧反应罐中进行厌氧发酵产氢；
(5)上步骤中产生的氢气经简单预处理后作为燃料或发电原料使用，发酵剩余物进入装有厌氧消化污泥的第二相厌氧反应罐中，进行厌氧发酵产甲烷；
(6)上步骤中产生的甲烷同样经简单预处理后作为燃料或发电原料使用，第二相的发酵剩余物或作为沼肥直接使用或再进行处理，或代替剩余污泥，作为产氢菌源。
所述步骤(1)中分选后餐厨垃圾与水混合的比例以重量计为1∶1～1∶20；最佳比例是1∶3～1∶10；破碎后餐厨垃圾用60～80目筛过筛。
所述步骤(2)中剩余污泥浓缩至6.0～20gVS/L。用60～80目筛过筛；餐厨垃圾和剩余污泥混合物的热处理条件为温度80～180℃，压力1～1.5atm，热处理时间0.25～1.0h。以重量计，餐厨垃圾与剩余污泥的混合比例为10∶1～1∶10。
所述步骤(3)中经热交换的热处理混合物不经冷却直接进入厌氧反应罐中进行厌氧发酵。
所述步聚(4)中厌氧发酵反应罐采用全混式厌氧发酵反应罐(CSTR)，控制发酵pH值为4.5～5.5，发酵过程中不控制发酵温度，采用室温条件。在第一相连续发酵过程中，餐厨垃圾的氢气产率最大达95ml/gVS，产生气体中氢气浓度在50％以上。
所述步骤(5)中，厌氧发酵反应罐采用全混式厌氧发酵反应罐(CSTR)或升流式厌氧污泥床反应罐(UASB)，第二相反应罐中预先装有50～80％的厌氧消化污泥(作为产甲烷菌源)，厌氧消化污泥浓度为15～25gVS/L；第二相厌氧发酵产甲烷的温度控制在35～37℃，pH值则控制在6.5～7.5；在第二相连续发酵过程中，餐厨垃圾的甲烷产率最大可达450ml/gVS，产生气体中甲烷浓度达60～70％。
本发明的发明点在于以餐厨垃圾作为原料，以热处理的剩余污泥作产氢菌源；同时将餐厨垃圾和剩余污泥进行热处理，起到消灭餐厨垃圾和剩余污泥中耗氢菌的作用；将作为有废弃物的餐厨垃圾转化为氢气和甲烷，实现餐厨垃圾的资源化；并利用餐厨垃圾和剩余污泥混合物热处理后的余热来维持产氢物质的温度，不控制厌氧发酵产氢的温度来降低能耗。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、由于餐厨垃圾产生量大，利用其有机物含量高(尤其是碳水化合物)的特性，将其作为厌氧发酵产氢的基质，而热处理污泥中含有较高的含氮物质，因此将两者以合适比例混合，能达到合适的C/N比，无需外加营养物。由于厌氧发酵产氢的pH值范围较宽，另外热处理污泥的pH值本身就较高，因此无需外加酸有控制pH值。因此本发明的运行费用低。
2、由于热处理后混合物与未处理混合物进行热交换，可以提高进入热处理过程的混合物温度，从而提高热效率。
3、本发明利用热处理混合物的剩余热量，在厌氧发酵产氢过程中不控制发酵温度，利用了产氢菌对温度变化的较强耐受力，达到降低能耗的目的。
4、整个厌氧发酵过程在密闭的反应罐中进行，第二相厌氧发酵产甲烷的剩余物较少，而且可以代替剩余污泥，作为连续运行时的产氢菌源。从而实现了餐厨垃圾完全资源化、减量化，整个工艺无二次污染产生，具有较高的环境效益和生态效益。
5、本发明具有潜在的显著经济效益、社会效益和环境效益，在清洁能源生产、废弃资源再生、资源化和减量、餐厨垃圾处理和处置等方面具有巨大的市场和潜力。
附图说明
图1为实现本发明方法的工艺流程图；
图中，1、粉碎机，2、筛网，3、污泥调理池，4、筛网，5、热交换器，6、压力表，7、热预处理池，8、温控仪，9、厌氧反应罐，10、厌氧反应罐，11、气体分离器，12、搅拌器。
具体实施方式
以下通过具体实施例来对本发明作进一步的描述。
实施例1
餐厨垃圾组成：米面制品∶蔬菜类∶肉类＝6∶3∶1；室温条件：白天24～28℃，晚上15～20℃。
将餐厨垃圾与水以重量1∶2混合均匀后破碎，用80目筛网过滤去除其中的较大物质；将剩余污泥在污泥调理池中调节至浓度约为10g/L，同样用80目筛网过滤去除其中的较大物质。
将以上得到的餐厨垃圾与剩余污泥按重量2∶1进行混合，经热交换器后，进入热预处理池进行加热，加热条件为80℃，时间30min。
热处理后的混合物进入热交换器，在其中与未热处理的混合物进行热交换。
经热交换后，进入厌氧反应罐的餐厨垃圾和剩余污泥的混合物温度约为35～40℃，在厌氧反应罐的搅拌作用下，餐厨垃圾进行厌氧发酵，控制发酵过程中的pH值在5.0～5.5，不控制发酵温度，餐厨垃圾的氢产率为45～55ml/gVS，餐厨垃圾与剩余污泥的混合物在反应罐内的停留时间为18h。
第一相厌氧发酵产氢的发酵剩余物进入作为第二相厌氧反应罐中，第二相中预先装有60％的厌氧消化污泥(污泥浓度15gVS/L)，进行厌氧发酵产甲烷，发酵温度控制在37℃，pH值控制在6.5～7.5，餐厨垃圾的甲烷产率180～250mL/gVS。两个反应罐均采用间歇式进出料。
实施例2
餐厨垃圾组成：以重量计，米面制品∶蔬菜类∶肉类＝6∶3∶1，室温条件：白天26～29℃，晚上19～25℃。
将餐厨垃圾与水以重量1∶3混合均匀破碎后，用80目筛网过滤去除其中的较大物质。
将剩余污泥在污泥调理池中调节至浓度约为20g/L，同样用80目筛网过滤去除其中的较大物质。
将以上得到的餐厨垃圾与剩余污泥按重量3∶1进行混合，经热交换器后，进入热预处理池进行加热，加热条件为121℃，时间为10min。
热处理后的混合物进入热交换器，在其中与未热处理的混合物进行热交换。
经热交换后，进入第一相厌氧反应罐的餐厨垃圾和剩余污泥的混合物温度约为50～55℃，在反应罐的搅拌作用下，餐厨垃圾进行厌氧发酵，控制发酵过程中的pH值在5.0，不控制发酵温度，餐厨垃圾的氢产率为80～87ml/gVS，餐厨垃圾与剩余污泥的混合物在反应罐内的停留时间为12h。在第一相的发酵过程中，没有甲烷产生。
第一相的发酵剩余物进入第二相厌氧反应罐中，第二相中预先装有55％的厌氧消化污泥(污泥浓度20gVS/L)，进行厌氧发酵产甲烷，发酵温度控制35℃，发酵pH值控制在6.8～7.2，餐厨垃圾的甲烷产率350～400mL/gVS。两个反应罐均采用连续进出料。
实施例3
餐厨垃圾组成：以重量计，米面制品∶蔬菜类∶肉类＝6∶3∶1，室温条件：白天24～28℃，晚上15～20℃。
将餐厨垃圾与水以重量1∶4混合均匀破碎后，用60目筛网过滤去除其中的较大物质。
将第二相厌氧发酵产甲烷的发酵剩余物在污泥调理池中调节至浓度约为15g/L，同样用60目筛网过滤去除其中的较大物质。
将以上得到的餐厨垃圾与第二相的发酵剩余物按重量3∶1进行混合，经热交换器后，进入热预处理池进行加热，加热温度为150℃，时间为10min。
热处理后的混合物进入热交换器，在其中与未热处理的混合物进行热交换。经热交换后，进入第一相厌氧反应罐的餐厨垃圾和剩余污泥的混合物温度约为60～55℃，餐厨垃圾在反应罐的搅拌作用下，进行厌氧发酵，不控制发酵温度，控制发酵pH值在5.0，餐厨垃圾的氢产率90～95ml/gVS。混合物在反应罐内的停留时间为15h；在整个发酵过程中，没有甲烷产生。
第一相的发酵剩余物进入第二相厌氧反应罐中，第二相中预先装有50％的厌氧消化污泥(污泥浓度25gVS/L)，进行厌氧发酵产甲烷，发酵温度控制35℃，发酵pH值控制在6.8～7.2，餐厨垃圾的甲烷产率400～450mL/gVS。两个反应罐均采用连续式进出料。
以上所述之实施例只为本是发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之方法、原理等所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种餐厨垃圾两相厌氧发酵产氢产甲烷的方法，其特征在于：包括如下技术步骤：
(1)将收集到的餐厨垃圾进行分选，去除其中较大粒径的固体无机物和难降解有机物，然后与水按一定比例混合，用食品粉碎机破碎，过筛；
(2)取污水处理厂的剩余污泥，经浓缩到一定浓度后，过筛，与破碎的餐厨垃圾按一定比例混合均匀后进行热处理，热处理后的混合物作为厌氧发酵产氢的基质，即：污泥作为产氢菌源，餐厨垃圾作为产氢底物；
(3)将上述热处理后的混合物与未处理的混合物进行热交换，以提高未处理混合物的温度，提高热效率；
(4)将热交换后的热处理混合物置于密闭的第一相厌氧反应罐中进行厌氧发酵产氢；
(5)上步骤中产生的氢气经简单预处理后作为燃料或发电原料使用，发酵剩余物进入装有厌氧消化污泥的第二相厌氧反应罐中，进行厌氧发酵产甲烷；
(6)上步骤中产生的甲烷同样经简单预处理后作为燃料或发电原料使用；第二相的发酵剩余物或作为沼肥直接使用或再进行处理，或代替剩余污泥，作为产氢菌源。
2.根据权利要求1所述的一种餐厨垃圾两相厌氧发酵产氢产甲烷的方法，其特征在于：步骤(1)中，以重量计，餐厨垃圾与水混合的比例为1∶2～1∶20；破碎后餐厨垃圾用60～80目筛过筛。
3.根据权利要求2所述的一种餐厨垃圾两相厌氧发酵产氢产甲烷的方法，其特征在于：以重量计，餐厨垃圾与水混合的最佳比例为1∶3～1∶10。
4.根据权利要求1所述的一种餐厨垃圾两相厌氧发酵产氢产甲烷的方法，其特征在于：步骤(2)中，以重量计，餐厨垃圾与剩余污泥的混合比例为10∶1～1∶10。
5.根据权利要求1所述的一种餐厨垃圾两相厌氧发酵产氢产甲烷的方法，其特征在于：步骤(2)中的污水处理厂的剩余污泥的浓缩浓度为6～20gVS/L。
6.根据权利要求1所述的一种餐厨垃圾两相厌氧发酵产氢产甲烷的方法，其特征在于：步骤(2)中，餐厨垃圾和污水厂剩余污泥混合物的热处理条件如下，热处理温度80～150℃，压力1～1.5atm，热处理时间0.25～1.0h。
7.根据权利要求1所述的一种餐厨垃圾两相厌氧发酵产氢产甲烷的方法，其特征在于：步骤(4)中热处理餐厨垃圾与剩余污泥混合物在第一相反应罐中进行厌氧发酵产氢时，不控制发酵温度，采用室温条件，pH值控制在5.0～5.5，适当搅拌。
8.根据权利要求1所述的一种餐厨垃圾两相厌氧发酵产氢产甲烷的方法，其特征在于：步骤(5)中污水处理厂的厌氧消化污泥的浓度为15～25gVS/L。
9.根据权利要求1所述的一种餐厨垃圾两相厌氧发酵产氢产甲烷的方法，其特征在于：步骤(5)中，第一相的发酵剩余物与厌氧消化污泥在第二相中进行厌氧发酵产甲烷时，温度控制在35～37℃，pH值则控制在6.5～7.5。
10.根据权利要求1所述的一种餐厨垃圾两相厌氧发酵产氢产甲烷的方法，其特征在于：步骤(5)中，第二相厌氧发酵的发酵容器可以采用升流式厌氧污泥反应罐或全混式反应罐。
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王星，王德汉，张玉帅，陆日明.国内外餐厨垃圾的生物处理及资源化技术进展.环境卫生工程第13 2.2005,13(2),25-29.
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