CN102168109A

CN102168109A - 一种连续固态发酵餐厨垃圾生产氢气和甲烷的方法

Info

Publication number: CN102168109A
Application number: CN2011100342895A
Authority: CN
Inventors: 陈洪章; 李宏强
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2011-08-31

Abstract

本发明公开了一种连续固态发酵餐厨垃圾生产氢气和甲烷的方法，通过以下步骤实现：(1)脱水餐厨垃圾；(2)汽爆处理；(3)混合污泥启动连续固态发酵；(4)发酵启动后餐厨垃圾单独进料，同时用底部发酵渣在顶部接种新进入的汽爆餐厨垃圾；(5)发酵过程中用循环风对物料搅拌；(6)当气体压力高于0.1MPa时自动提取分离；(7)发酵完成的残渣进一步干燥后用作有机肥料。本发明具有如下优势：通过汽爆对餐厨垃圾进行处理，增加了原料的降解速率；采用固态发酵生产氢气和甲烷，避免了后续的废水处理；采用连续发酵工艺增加了效率。

Description

一种连续固态发酵餐厨垃圾生产氢气和甲烷的方法

技术领域

本发明属于废弃物资源化利用技术，特别涉及一种连续固态发酵餐厨垃圾生产氢气和甲烷的方法。

背景技术

餐厨垃圾指的是指居民日常生活以及食品加工中产生的食物废料，来源主要集中在酒店、食品工厂、学校、政府、科研机构等，是城市生活垃圾的丰要组成部分。餐厨垃圾主要成分包括米和面粉类食物残余、蔬菜、动植物油、肉骨等，从化学组成上，有淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐。

近年来，随着我国城市人民生活水平的提高，餐厨垃圾的产生量迅速增加。清华大学环境系固体废物污染控制及资源化研究所的统计数据表明，中国城市每年产生餐厨垃圾不低于6000万吨。国内主要城市的餐厨垃圾产生量均已超过1000吨/天，其中北京高达1600吨/天，上海达1300吨/天，杭州也在1000吨/天左右。

从目前国内外技术发展看，适合大规模集中处理餐厨垃圾的技术主要有：高温消毒或微生物发酵制取动物饲料、好氧发酵堆肥、厌氧消化制取沼气和肥料、热解处理、焚烧处理和酶解发酵乙醇等技术。餐厨垃圾制取饲料虽然可以充分利用餐厨垃圾中的营养成分，具有很好的资源化效果，但是这种方式生产的饲料的安全性较差，比如这种饲料可能引起口蹄疫和疯牛病。基于这种考虑，从餐厨垃圾生产动物饲料在许多国家是明令禁止的。通过好氧堆肥可以生产有机肥料。但是这种技术生产能耗较大，操作过程较复杂，设备投资大，目前餐厨垃圾主要集中产生于大城市，而有机肥的使用却在农村地区，肥料的销路也有问题。热解处理餐厨垃圾可以得到燃油等产品，但是餐厨垃圾的热值偏低，含水量较高，热解前期需要消耗较多的外部热能，从而增加成本。焚烧处理可以实现较好的减容性，但是餐厨垃圾热值偏低，高含水率会导致焚烧炉内燃烧不完全，促进二噁英的生成。

相比较而言，生物厌氧消化处理可以做到较大程度的资源化、能源化，技术风险较小，对餐厨垃圾收运和存放时间要求较低。国内对餐厨垃圾发酵氢气和甲烷进行了大量研究。比如，申请号200910040914.X的发明专利公开了一种固体有机废弃物厌氧干发酵氢甲烷联产的方法。该专利将产氢和产甲烷阶段进行了人为的空间分离，避免了常规产沼气技术存在的酸积累、抑制产甲烷菌活性的问题，同时实现了以甲烷为主的生物燃气的连续生产。申请号为200710028223.9的发明专利公开了一种利用厨余垃圾常温厌氧发酵的方法。该工艺在发酵前对原料进行热处理，然后进行氢气发酵，侧重要氢气的生产。发明专利ZL 200610027750.3公开了一种矿化垃圾协同泔脚废弃物和污泥联合产氢的方法。该工艺实现了对填埋垃圾的资源化利用，成本较为低廉。申请号为200910072665.2的发明专利公开了一种适合于寒冷地区的生物质产能装置，该装置主要针对东北的寒冷地区，利用太阳能，燃气热水器等为产能装置提供热量供应，从而保证该系统可以四季循环运行。通过上述分析可以看出，为了处理日益增加的餐厨垃圾，生产工艺的连续性非常重要，连续性才能保证设备的高效运行。同时，必要的预处理对于发酵的速度也至关重要，没有适当的预处理就难以保证发酵的速度。

发明内容

【发明目的】随着社会生活的日益发展，人民生活水平日益提高，餐厨垃圾在我国的产量逐年增加。餐厨垃圾如果不能及时处理将会产生异味、滋生细菌和病毒并传播疾病，给环境卫生带来恶劣的影响。但是另一方面，餐厨垃圾又是放错地方的资料，其含有丰富的养分，如能充分利用将会产生显著的社会和经济效益。本发明的目的就是提高厌氧消化处理的效率，发明一种连续固态发酵餐厨垃圾生产氢气和甲烷的方法，在处理废弃物的同时为社会提供能源供应。

【本发明的构思】传统的厌氧消化是通过液态发酵的方法进行的。餐厨垃圾的一个特点是其组成十分复杂，且还有较多的不溶性底物，这样的底物作为液态发酵培养基时需要先进行粉碎均浆，然后再加入一定比例的水。这样的工艺就造成了生产能耗增加，同时发酵结束后还要处理大量的有机废水。相对于液态发酵，固态发酵是在不含有游离水的固态物料上进行的节水节能的绿色发酵方式，而餐厨垃圾这样的发酵底物实际上更适于固态发酵(或干发酵)。

【本发明技术方案】本发明通过以下步骤实现连续固态发酵餐厨垃圾生产氢气和甲烷：(1)利用离心脱水机对餐厨垃圾进行液固分离，使餐厨垃圾的含水量降低到40-50％(w/w)之间；(2)对脱水后的餐厨垃圾进行汽爆处理，通过此步骤在1.0-2.0MPa，30-900秒的汽爆条件下对餐厨垃圾中的淀粉类和纤维素类原料进行预处理便于后续的降解和发酵；(3)将汽爆处理后的餐厨垃圾按照1∶0.1-0.5比例(重量比)混合城市污水处理厂的污泥后送入连续固态发酵反应器中进行厌氧发酵；(4)发酵进行5-10天后停止污泥的添加，汽爆后的餐厨垃圾单独进料，同时开启蠕动泵将反应器底部的发酵渣以汽爆餐厨垃圾进料速度的5-30％(质量比)打入反应器顶部接种新进入的汽爆餐厨垃圾；(5)发酵过程中每1-12小时启动罗茨风机一次将所产生的气体带出，同时对物料进行搅拌并刺激微生物的生长，每次启动1-5min，流量为0.1-1m³(气体)/m³(物料)/分钟；(6)通过反应器夹套的水温控制反应器内部物料的温度为34-37℃或54-65℃，反应器中产生的气体用作循环气体，当气体压力高于0.1MPa时通过循环系统的三向阀将气体导入气体净化器中净化处理，脱硫、分离二氧化碳后得到氢气和甲烷气体；(7)发酵完成的残渣进一步干燥后用作有机肥料。

本发明具有以下特点和优势：

1.通过汽爆对餐厨垃圾进行处理，实现了餐厨垃圾的消毒灭菌和纤维素原料的预处理，既优化了生产环境条件，又增加了纤维素原料的降解率；

2.采用固态发酵生产氢气和甲烷，避免了后续的废水处理，消除了治污的同时又产生新的环境污染的问题；

3.采用连续发酵的生产工艺相对分批发酵大大增加了垃圾处理的效率，完全可以处理日益增加的垃圾处理量。

附图说明

图1连续固态发酵餐厨垃圾生产氢气和沼气工艺流程图，1餐厨垃圾，2待处理废水，3脱水餐厨垃圾，4汽爆餐厨垃圾，5氢气，6甲烷，7硫化氢和二氧化碳，8有机肥，9高速离心机，10汽爆罐，11进料器，12螺旋进料器，13连续固态发酵反应塔，14罗茨循环风机，15三向阀，16气体净化器，17螺旋出料器，18蠕动泵。

具体实施方式

下面结合附图通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

从北京某大学食堂收集的餐厨垃圾，首先利用高速离心机9脱水收集的餐厨垃圾1，使餐厨垃圾1的含水量降低到45％(w/w)。然后使用500L的汽爆罐10对脱水后的餐厨垃圾3进行汽爆处理，汽爆条件为：蒸汽压力1.20MPa，汽爆维压时间为180秒。经过汽爆处理后的餐厨垃圾液化现象明显，餐厨垃圾中的淀粉类和纤维素类原料明显得到降解，这非常有利于后续的厌氧发酵。将汽爆处理后的餐厨垃圾4按照1∶0.2的比例(重量比)混合城市污水处理厂的污泥后送入连续固态发酵反应塔13中进行厌氧发酵，物料从螺旋进料器12中进入，这个进料器在进料的同时会形成料塞，这样就对反应器起到了密封作用，可以有效地保证反应器内部的厌氧环境。连续固态发酵反应塔通过外表的夹套保持内部温度为34-37℃，通过调节螺旋进料器12和螺旋出料器17的运行速度，确保物料在反应器内部的停留时间为5天。发酵进行到第8天后停止污泥的添加，汽爆后的餐厨垃圾单独进料，同时开启蠕动泵18将反应器底部的发酵渣以汽爆餐厨垃圾进料速度的10％(质量比)打入反应器顶部接种新进入的汽爆餐厨垃圾。发酵过程中每4小时启动罗茨风机一次将所产生的气体带出，同时对物料进行搅拌并刺激微生物的生长，每次启动5min，流量为0.2m³(气体)/m³(物料)/分钟。反应器中产生的气体用作循环气体，当气体压力高于0.1MPa时通过循环系统的三向阀15将气体导入气体净化器16中净化处理，脱硫、分离二氧化碳后得到氢气和甲烷气体。发酵完成的残渣进一步干燥后用作有机肥料8。生产稳定进行了56天，氢气的平均产率为1.5L/kg餐厨垃圾，甲烷的平均产率为45L/kg餐厨垃圾。

实施例2

从北京某大学食堂收集的餐厨垃圾，首先利用高速离心机9脱水收集的餐厨垃圾1，使餐厨垃圾1的含水量降低到40％(w/w)。然后使用1000L的汽爆罐10对脱水后的餐厨垃圾3进行汽爆处理，汽爆条件为：蒸汽压力2MPa，汽爆维压时间为60秒。经过汽爆处理后的餐厨垃圾液化现象明显，餐厨垃圾中的淀粉类和纤维素类原料明显得到降解，这非常有利于后续的厌氧发酵。将汽爆处理后的餐厨垃圾4按照1∶0.1的比例(重量比)混合城市污水处理厂的污泥后送入连续固态发酵反应塔13中进行厌氧发酵，物料从螺旋进料器12中进入，这个进料器在进料的同时会形成料塞，这样就对反应器起到了密封作用，可以有效地保证反应器内部的厌氧环境。连续固态发酵反应塔通过外表的夹套保持内部温度为54-65℃，通过调节螺旋进料器12和螺旋出料器17的运行速度，确保物料在反应器内部的停留时间为6天。发酵进行到第10天后停止污泥的添加，汽爆后的餐厨垃圾单独进料，同时开启蠕动泵18将反应器底部的发酵渣以汽爆餐厨垃圾进料速度的9％(质量比)打入反应器顶部接种新进入的汽爆餐厨垃圾。发酵过程中每4小时启动罗茨风机一次将所产生的气体带出，同时对物料进行搅拌并刺激微生物的生长，每次启动3min，流量为0.5m³(气体)/m³(物料)/分钟。反应器中产生的气体用作循环气体，当气体压力高于0.1MPa时通过循环系统的三向阀15将气体导入气体净化器16中净化处理，脱硫、分离二氧化碳后得到氢气和甲烷气体。发酵完成的残渣通过螺旋放料器17排出后进一步干燥后用作有机肥料8。生产稳定进行了79天，氢气的平均产率为1.45L/kg餐厨垃圾，甲烷的平均产率为46.3L/kg餐厨垃圾。

Claims

1.一种连续固态发酵餐厨垃圾生产氢气和甲烷的方法，其特征在于该方法以餐厨垃圾为原料通过以下步骤生产氢气和甲烷：(1)利用离心脱水机对餐厨垃圾进行液固分离，使餐厨垃圾的含水量降低到40-50％(w/w)之间；(2)对脱水后的餐厨垃圾进行汽爆处理；(3)将汽爆处理后的餐厨垃圾混合城市污水处理厂的污泥后送入连续固态发酵反应器中进行厌氧发酵；(4)发酵进行5-10天后停止污泥的添加，汽爆后的餐厨垃圾单独进料，同时开启蠕动泵将反应器底部的发酵渣打入反应器顶部接种新进入的汽爆餐厨垃圾；(5)发酵过程中用罗茨风机的循环风对物料进行搅拌并刺激微生物的生长；(6)通过反应器夹套的水温控制反应器内部物料的温度，反应器中产生的气体用作循环气体，当气体压力高于0.1MPa时通过循环系统的三向阀将气体导入气体净化器中净化处理，脱硫、分离二氧化碳后得到氢气和甲烷气体；(7)发酵完成的残渣进一步干燥后用作有机肥料。

2.如权利要求1所述的一种连续固态发酵餐厨垃圾生产氢气和甲烷的方法，其特征在于，所述的汽爆预处理条件为：蒸汽压力1.0-2.0MPa，停留时间30-900秒。

3.如权利要求1所述的一种连续固态发酵餐厨垃圾生产氢气和甲烷的方法，其特征在于，所述的餐厨垃圾和污泥的重量比为1∶0.1-0.5。

4.如权利要求1所述的一种连续固态发酵餐厨垃圾生产氢气和甲烷的方法，其特征在于，将反应器底部的发酵渣以汽爆餐厨垃圾进料速度的5-30％质量比打入反应器顶部接种新进入的汽爆餐厨垃圾。

5.如权利要求1所述的一种连续固态发酵餐厨垃圾生产氢气和甲烷的方法，其特征在于，所述的循环风为每1-12小时一次，每次1-5min，流量为0.1-1m³气体/m³物料/分钟。

6.如权利要求1所述的一种连续固态发酵餐厨垃圾生产氢气和甲烷的方法，其特征在于，所述的反应器内部物料的温度为34-37℃或54-65℃。