CN101786771B - 一种城市生活有机垃圾强化水解和厌氧消化产生生物燃气的配套设备 - Google Patents
一种城市生活有机垃圾强化水解和厌氧消化产生生物燃气的配套设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种城市生活有机垃圾强化水解和厌氧消化产生生物燃气的配套设备，包括依次连通的储水池、原料调节池、增温水解池、中温厌氧消化反应器、超高温强化水解反应器、高温厌氧消化反应器、沉淀池、消化液储存池，所述消化液储存池底部消化液出口通过输送管道与所述原料调节池顶部消化液进口连通；沉淀池底部的排泥口连接到固液分离机的原料入口，该固液分离机的消化液出口与所述消化液储存池顶部消化液入口连通；还包括有接收从所述固液分离机固液分离后的消化残渣的消化残渣存放池；原料调节池上还配备有破碎机。该发明配套设备成本低廉，易于维护，性能稳定可靠，有机质去除率和原料产气率高，并能够彻底去除垃圾中的病原菌。
Description
技术领域
本发明涉及到一种有机垃圾处理的配套设备，更具体地说，本发明涉及到一种城市生活有机垃圾强化水解和厌氧消化产生生物燃气(以甲烷为主)的配套设备。
背景技术
随着城市化进程的加快和人民生活水平的提高，城市生活垃圾的产生量也不断增加，2007年全国城市生活垃圾清运量为1.5亿吨。对于大量的城市生活垃圾，如果处理不当会对自然和社会环境造成严重的危害，例如侵占土地、污染水体和大气、危害农业生态系统、影响环境卫生、传播疾病，甚至引起爆炸事故等，而且还会并发各种社会问题，制约城市的发展。近年，中国城市生活垃圾的成分发生了明显的变化，其中一个最为显著的变化是有机成分的增加，无机成分的减少。目前，50％以上的城市生活垃圾为厨余垃圾、水果蔬菜加工垃圾、畜禽加工垃圾、市政绿化垃圾、废纸等，这类垃圾称为城市生活有机垃圾。
城市生活有机垃圾最大的特点是水分含量和有机质含量较高，水分含量一般在70％以上，有机质含量以干基计一般在75％以上。上述特点使得目前的主要城市生活垃圾处理技术均存在一些问题，例如，较高的有机质含量导致在填埋过程中产生大量能够污染地下水和土壤圈的渗滤液以及无序排放的温室气体甲烷；而较高的水分含量导致焚烧处理时需要添加大量额外的辅助燃料。实际上，如今的卫生填埋对选址要求较高，且占地面地较大，在许多大城市，已经很难找到适合卫生填埋的场地；对于焚烧处理，由于存在二次污染等问题，目前政府和民众对焚烧处理也持谨慎的态度。因此，迫切需要开发一种新的无二次污染且占地面积小的处理方式。对城市生活有机垃圾的有效处理能够为城市生活垃圾处理做出很大贡献。高水分含量和高有机质含量的特点使得城市生活有机垃圾更适于进行厌氧消化处理，而且在处理垃圾的同时能获得清洁可再生的生物燃气(以甲烷为主)。
从生化成分上来讲，城市生活有机垃圾包括多糖、淀粉、膳食纤维、膳食蛋白、油脂类等容易降解部分以及纤维素、木质纤维素、非食用性蛋白等难降解部分，前者主要来自于食物垃圾、水果蔬菜加工垃圾，后者主要来自于废纸、树叶、草、羽毛、头发和皮革等。有机质厌氧消化产甲烷过程主要包括水解、酸化和产甲烷三个过程。对于易降解部分，整个水解、产酸和产甲烷过程都容易进行，中温(30℃～38℃)厌氧消化就能完成有机质的基本降解；而对于难降解部分，由于其复杂的物质结构导致其水解较难进行，而水解是整个厌氧消化产甲烷的第一步，只有完成水解才能进行后续的产酸和产甲烷过程。因此，对城市生活有机垃圾中难降解部分的强化水解是整个厌氧消化产生物燃气处理的关键步骤。
目前国外申请公开的专利中，有报道采用温度两相厌氧消化工艺设备(USPatent 5746919)来处理废弃物，在第一相反应器中进行高温(56℃)厌氧消化，在第二相反应中进行中温(35℃)厌氧消化。但即使采用高温(56℃)厌氧消化，对难降解有机质水解程度的提高仍然有限。与中温厌氧消化相比，高温厌氧消化虽能够大幅提高城市生活有机垃圾中的病原菌去除率，但是不能彻底杀死病原菌，这就限制了有机垃圾厌氧消化残渣的广泛地肥料化利用。另外，与中温厌氧消化相比，高温厌氧消化更容易受到氨氮抑制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种城市生活有机垃圾强化水解和厌氧消化产生物燃气的配套设备，以提高城市生活有机垃圾的可生物降解度、有机质去除率、原料产生物燃气能力以及病原菌去除率。
为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：一种城市生活有机垃圾强化水解和厌氧消化产生生物燃气的配套设备，包括依次连通的储水池、原料调节池、增温水解池、中温厌氧消化反应器、超高温强化水解反应器、高温厌氧消化反应器、沉淀池、消化液储存池，所述消化液储存池底部消化液出口通过输送管道与所述原料调节池顶部消化液进口连通；所述沉淀池底部的排泥口连接到固液分离机的原料入口，该固液分离机的消化液出口与所述消化液储存池顶部消化液入口连通；还包括有接收从所述固液分离机固液分离后的消化残渣的消化残渣存放池；所述原料调节池上还配备有破碎机。
本发明的创新之处在于上述装置的相互连接，目前没有这种整体系统来处理城市生活有机垃圾。该发明的一个重要特别之处是，在中温厌氧消化反应器和高温厌氧消化反应器之间引入超高温强化水解反应器，以提高整体系统的垃圾处理能力和生物燃气产率。
所述储水池的底部出水口通过输水泵与所述原料调节池顶部的进水口连通。通过输水泵的作用能控制进入原料调节池的水量，以确保所需的原料浓度。
所述消化液储存池的底部消化液出口储口与所述原料调节池的顶部消化液进口之间连接有消化液输送泵；所述增温水解池中下部的出料口通过物料提升泵和中温厌氧消化反应器中上部的进料口连通。
所述沉淀池底部的排泥口通过排泥泵与所述固液分离机的原料入口连通。
所述原料调节池的顶部出料口高度设置高于所述增温水解池的顶部进料口高度；所述中温厌氧消化反应器的顶部出料口高度设置高于超高温强化水解反应器的进料口高度；所述高温厌氧消化反应器的顶部出料口高度设置高于沉淀池的顶部进料口高度；所述沉淀池的顶部消化液出口的高度设置高于消化液储存池的顶部消化液入口的高度；所述固液分离机的高度设置高于所述消化液储存池的顶部消化液入口的高度。将相邻装置的出口和进口设置一个高度差，能便于原料靠重力自发流入增温水解池、高温强化水解反应器、自发流入沉淀池、消化液储存池中。
所述原料调节池、中温厌氧消化反应器和高温厌氧消化反应器内分别安装有机械搅拌器。通过机械搅拌器的搅拌能便于物料在上述装置中分布更加均匀。
所述增温水解池内安装有中心传动浓缩刮泥机。以促进城市生活有机垃圾中的沙石等无机物沉入池底。
所述原料调节池、增温水解池、中温厌氧消化反应器和高温厌氧消化反应器底部分别连接有排砂泵。以定期清除池底或反应器底部沉积的沙石等无机物。
所述中温厌氧消化反应器和高温厌氧消化反应器上分别安装有物料循环泵。物料循环泵能强化原料在反应器中的混合。
在所述增温水解池、中温厌氧消化反应器、超高温强化水解反应器、高温厌氧消化反应器上分别安装温度计、增温系统和保温层；中温厌氧消化反应器和高温厌氧消化反应器上分别安装有酸度计、压力表和安全阀；所述中温厌氧消化反应器、高温厌氧消化反应器和沉淀池顶部设置的生物燃气排放口处分别安装有气体流量计；所述超高温强化水解反应器上设置有排气口。温度计、增温系统和保温层以保证工艺所需的温度；酸度计用于监测反应体系内的pH值，间接了解反应器内的反应情况；压力表用于监测反应器的产气情况，安全阀用于在排气口堵塞时排出反应器内的气体，避免压力过大损坏反应器，超高温强化水解反应器上设置的排气口使高温条件下从原料中逸出的氨和二氧化碳从反应器中排出。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：本发明提供了一种城市生活有机垃圾强化水解和厌氧消化产生物燃气的配套设备。首先将城市生活有机垃圾进行原料破碎及原料固体浓度调节，并在增温调节池内进行原料预热以及易降解有机质的部分水解，随后在中温(30℃～38℃)厌氧消化反应器内完成易降解有机质厌氧消化产生物燃气，再在超高温强化水解反应器内对难降解有机质进行强化水解，最后在高温(50℃～56℃)厌氧消化反应器内完成难降解有机质的厌氧消化产生物燃气。与现有的城市生活有机垃圾中温厌氧消化工艺设备相比，采用本发明的配套设备，有机质去除率和原料产气率提高25％～35％，消化时间缩短10～15天；与温度两相(56℃+35℃)厌氧消化工艺设备相比，采用本发明配套设备，有机质去除率和原料产气率提高15％～25％，而且能够避免氨氮对高温厌氧消化的抑制。另外，本发明配套设备能够彻底去除城市生活有机垃圾中的病原菌，而传统高温厌氧消化的工艺设备虽然能较中温厌氧消化的工艺设备大幅提高病原菌去除率，但是不能彻底去除有机垃圾中的病原菌。
该发明配套设备成本低廉，易于维护，性能稳定可靠，有机质去除率和原料产气率高，并能够彻底去除垃圾中的病原菌。该发明配套设备适用于各种来源的城市生活有机垃圾，包括源头收集的城市生活有机垃圾以及经过各种城市生活垃圾分选方法分离得到的城市生活有机垃圾。该发明配套设备既可以高效处理城市生活有机垃圾，减少其对环境的严重污染，又可以生产清洁可再生能源(生物燃气)，能够实现有机垃圾的能源化利用，从而变废为宝，具有良好的经济、环境和社会效益。
附图说明
图1为本发明配套设备结构示意图；
附图标记说明：1-破碎机，2-原料调节池，3-增温水解池，4-中温厌氧消化反应器，5-超高温强化水解反应器，6-高温厌氧消化反应器，7-沉淀池，8-消化液储存池，9-固液分离机，10-消化残渣存放池，11-储水池，12-输水泵，13-消化液输送泵，14-物料提升泵，15-物料提升泵，16-排泥泵，17-运渣车，18-机械搅拌器，19-中心传动浓缩刮泥机，20-排砂泵，21-物料循环泵，22-气体流量计。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
请参阅图1所示，实施例中的配套设备包括储水池11、破碎机1、原料调节池2、增温水解池3、中温厌氧消化反应器4、超高温强化水解反应器5、高温厌氧消化反应器6、沉淀池7、消化液储存池8、固液分离机9和消化残渣存放池10；破碎机1出料口置于原料调节池2上方，破碎后的原料直接进入原料调节池2；储水池11的底部的出水口通过输水泵12和原料调节池2顶部的进水口通过管道依次连通；消化液储存池8的底部消化液出口通过消化液输送泵13和原料调节池2顶部消化液进口通过管道依次连通；原料调节池2的顶部出料口与增温水解池3的顶部进料口通过管道连通，且原料调节池2的顶部出料口高度设置高于增温水解池3的顶部进料口高度，便于原料靠重力自发流入增温水解池；增温水解池3中下部的出料口通过物料提升泵14和中温厌氧消化反应器4中上部的进料口通过管道连通；中温厌氧消化反应器4顶部出料口与超高温强化水解反应器5进料口通过管道连通，且中温厌氧消化反应器4顶部的出料口高度设置高于超高温强化水解反应器5进料口高度；超高温强化水解反应器5出料口通过物料提升泵15和高温厌氧消化反应器6中上部进料口通过管道连通；高温厌氧消化反应器6顶部出料口与沉淀池7顶部进料口连通，且高温厌氧消化反应器6的顶部出料口高度设置高于沉淀池7的顶部进料口高度，便于原料靠重力自发流入沉淀池7；沉淀池7的顶部消化液出口与消化液储存池8的顶部消化液入口通过管道连通，且沉淀池7的顶部消化液出口的高度设置高于消化液储存池8的顶部消化液入口的高度；沉淀池7底部的排泥口通过排泥泵16和固液分离机9的原料入口通过管道连通；固液分离机9的消化液出口与消化液储存池8顶部消化液入口通过管道连通，且固液分离机9的高度设置高于消化液储存池8顶部消化液入口高度；固液分离后的消化残渣通过运渣车17运至消化残渣存放池10存放。
进一步的，为保证物料分布均匀，原料调节池2、中温厌氧消化反应器4和高温厌氧消化反应器6内分别安装有机械搅拌器18；增温水解池3内安装有中心传动浓缩刮泥机19；原料调节池2、增温水解池3、中温厌氧消化反应器4和高温厌氧消化反应器6底部分别连接有排砂泵20；中温厌氧消化反应器4和高温厌氧消化反应器6上分别安装有物料循环泵21。
在增温水解池3、中温厌氧消化反应器4、超高温强化水解反应器5、高温厌氧消化反应器6上分别安装温度计、增温系统和保温层；中温厌氧消化反应器4和高温厌氧消化反应器6上分别安装有酸度计、压力表和安全阀；中温厌氧消化反应器4、高温厌氧消化反应器6和沉淀池7顶部设置的生物燃气排放口处分别安装有气体流量计22；超高温强化水解反应器5上设置有排气口；本实施例所有的池体或反应器与泵或气体、液体出口之间设置有阀门，便于调整工艺操作。
本实施例中配套设备的运行过程如下：
(1)利用破碎机1将城市生活有机垃圾的粒径减小到1cm以下，便于物料泵输送原料。
(2)将破碎的原料放入原料调节池2，并添加来自储水池11的水或来自消化液储存池8的消化液调节原料固体浓度，控制原料的固体浓度低于15％，便于搅拌及流态化处理。
(3)将上述调节固体浓度后的原料输送到增温水解池3进行原料预热，并在该池内完成易降解有机质的部分水解，控制池内温度为30℃～38℃，原料在增温水解池3内的停留时间为1～2天。
(4)将上述增温后的原料泵入中温厌氧消化反应器4进行中温厌氧消化，完成易降解有机部分厌氧消化产生物燃气，控制中温厌氧消化温度为30℃～38℃，pH为6.5～7.8，物料停留时间为10～17天。
(5)完成中温厌氧消化后，原料输送至超高温强化水解反应器5，进行难降解有机部分的强化水解，控制超高温强化水解反应器5的温度为70℃～100℃，物料停留时间为0.5～6小时。进行超高温处理，不仅强化难降解有机部分的水解，还能够彻底杀死有机垃圾中的病原菌，并且促进氨氮从发酵原料中逸出，避免抑制下一步的高温厌氧消化。
(6)经强化水解后，原料输送至高温厌氧消化反应器6，完成难降解有机部分厌氧消化产生物燃气，控制高温厌氧消化温度为50℃～56℃，pH为6.5～7.8，物料停留时间为5～10天。
(7)完成高温厌氧消化后，原料输送至沉淀池7，沉淀池温度为自然温度，物料停留时间为1～2天，从高温(50℃～56℃)到自然温度的骤降，有助于提高沉淀效果，在沉淀期间，继续产生生物燃气，沉淀后池内上部的消化液输送至消化液储存池8；池内底部的污泥部分，取出后利用挤压式固液分离机9进行固液分离，固体部分经运渣车17运至消化残渣存放池10存放，液体部分输送至消化液储存池8。消化液储存池8中的消化液可用于调节城市生活有机垃圾发酵原料的固体浓度。
在运行过程中的所述步骤(2)，为了节约用水，当消化液储存池8内消化液的金属及酸根离子浓度低于厌氧发酵抑制浓度时，可以利用消化液代替水来调节所需的原料固体浓度，当消化液的金属及酸根离子浓度积累并超过厌氧发酵抑制浓度时，需要从储水池11取水来调节原料固体浓度，以避免高浓度金属及酸根离子抑制厌氧消化微生物。具体来讲，主要金属及酸根离子的厌氧消化抑制浓度分别为：Na+ 5500mg/L、K+ 4500mg/L、Ca2+ 4500mg/L、Mg2+ 1500mg/L、Al3+ 1000mg/L、Fe3+ 1750mg/L、Zn2+ 160mg/L、Cu2+ 170mg/L、Cd2+ 180mg/L、Cr3+ 450mg/L、Ni2+ 250mg/L、SO4 2- 1000mg/L、Cl- 10000mg/L。
在运行过程中的所述步骤(4)中，启动初期用作中温厌氧消化的接种物来源于沼气池或市政污水处理厂等处的厌氧活性污泥，采用破碎后的城市生活有机垃圾在中温(30℃～38℃)条件下驯化该厌氧活性污泥，驯化时间为10～15天。
在运行过程中的所述步骤(5)中，启动初期用作高温厌氧消化的接种物来源于沼气池或市政污水处理厂等处的厌氧活性污泥，同样采样破碎后的城市生活有机垃圾进行驯化，首先在中温(30℃～38℃)条件下驯化该厌氧活性污泥，驯化时间为5～15天；然后以每天增加1℃的升温方式逐步升至高温(50℃～56℃)，并在高温(50℃～56℃)条件下驯化5～10天。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。
Claims (10)
1.一种城市生活有机垃圾强化水解和厌氧消化产生生物燃气的配套设备，其特征在于：包括依次连通的储水池(11)、原料调节池(2)、增温水解池(3)、中温厌氧消化反应器(4)、超高温强化水解反应器(5)、高温厌氧消化反应器(6)、沉淀池(7)、消化液储存池(8)，所述消化液储存池(8)底部消化液出口通过输送管道与所述原料调节池(2)顶部消化液进口连通；所述沉淀池(7)底部的排泥口连接到固液分离机(9)的原料入口，该固液分离机(9)的消化液出口与所述消化液储存池(8)顶部消化液入口连通；还包括有接收从所述固液分离机(9)固液分离后的消化残渣的消化残渣存放池(10)；所述原料调节池(2)上还配备有破碎机(1)。
2.如权利要求1所述的城市生活有机垃圾强化水解和厌氧消化产生生物燃气的配套设备，其特征在于：所述储水池(11)的底部出水口通过输水泵(12)与所述原料调节池(2)顶部的进水口连通。
3.如权利要求1所述的城市生活有机垃圾强化水解和厌氧消化产生生物燃气的配套设备，其特征在于：所述消化液储存池(8)的底部消化液出口与所述原料调节池(2)的顶部消化液进口之间连接有消化液输送泵(13)；所述增温水解池(3)中下部的出料口通过物料提升泵(14)和中温厌氧消化反应器(4)中上部的进料口连通。
4.如权利要求1所述的城市生活有机垃圾强化水解和厌氧消化产生生物燃气的配套设备，其特征在于：所述沉淀池(7)底部的排泥口通过排泥泵(16)与所述固液分离机(9)的原料入口连通。
5.如权利要求1所述的城市生活有机垃圾强化水解和厌氧消化产生生物燃气的配套设备，其特征在于：所述原料调节池(2)的顶部出料口高度设置高于所述增温水解池(3)的顶部进料口高度；所述中温厌氧消化反应器(4)的顶部出料口高度设置高于超高温强化水解反应器(5)的进料口高度；所述高温厌氧消化反应器(6)的顶部出料口高度设置高于沉淀池(7)的顶部进料口高度；所述沉淀池(7)的顶部消化液出口的高度设置高于消化液储存池(8)的顶部消化液入口的高度；所述固液分离机(9)的高度设置高于所述消化液储存池(8)的顶部消化液入口的高度。
6.如权利要求1所述的城市生活有机垃圾强化水解和厌氧消化产生生物燃气的配套设备，其特征在于：所述原料调节池(2)、中温厌氧消化反应器(4)和高温厌氧消化反应器(6)内分别安装有机械搅拌器(18)。
7.如权利要求1所述的城市生活有机垃圾强化水解和厌氧消化产生生物燃气的配套设备，其特征在于：所述增温水解池(3)内安装有中心传动浓缩刮泥机(19)。
8.如权利要求1所述的城市生活有机垃圾强化水解和厌氧消化产生生物燃气的配套设备，其特征在于：所述原料调节池(2)、增温水解池(3)、中温厌氧消化反应器(4)和高温厌氧消化反应器(6)底部分别连接有排砂泵(20)。
9.如权利要求1所述的城市生活有机垃圾强化水解和厌氧消化产生生物燃气的配套设备，其特征在于：所述中温厌氧消化反应器(4)和高温厌氧消化反应器(6)上分别安装有物料循环泵(21)。
10.如权利要求1所述的城市生活有机垃圾强化水解和厌氧消化产生生物燃气的配套设备，其特征在于：在所述增温水解池(3)、中温厌氧消化反应器(4)、超高温强化水解反应器(5)、高温厌氧消化反应器(6)上分别安装温度计、增温系统和保温层；中温厌氧消化反应器(4)和高温厌氧消化反应器(6)上分别安装有酸度计、压力表和安全阀；所述中温厌氧消化反应器(4)、高温厌氧消化反应器(6)和沉淀池(7)顶部设置的生物燃气排放口处分别安装有气体流量计(22)；所述超高温强化水解反应器(5)上设置有排气口。
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