CN102757890B - 一种餐厨垃圾厌氧消化处理方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种餐厨垃圾厌氧消化处理系统和方法，该系统包括：处于启动期的第一生物反应器、处于活性期的第二生物反应器、处于腐熟期的第三生物反应器；第一消化液罐、第二消化液罐、第三消化液罐；第一泵、第二泵、第三泵；第一生物反应器底部的消化液出口与第一消化液罐上端消化液进出口连接；第二生物反应器底部的消化液出口与第二消化液罐上端消化液进出口连接，第二消化液罐内的消化液通过第二泵输送至第二生物反应器；第三生物反应器底部消化液出口与第三消化液灌上端消化液进出口相连，第三消化液罐内的消化液通过第三泵回流至第一生物反应器。实施本发明，可解决常规餐厨垃圾厌氧消化过程中的周期长、产气量低、高盐分、VFA累积及氨氮累积对产气量抑制等技术问题。

Description

一种餐厨垃圾厌氧消化处理方法和系统

技术领域

本发明涉及一种环保技术领域和新能源开发利用领域，尤其涉及一种餐厨垃圾厌氧消化处理方法和系统。

背景技术

餐厨垃圾具有水分、有机物、油脂及盐分含量高，易腐烂，营养元素丰富等特点，是我国城市生活垃圾中的主要组成成分。统计数据表明，2007年全国全年的餐厨垃圾约为9000 万吨，占我国城市生活垃圾总量的31%，北京、上海等大城市的餐厨垃圾日产量均超过1000 吨。产生的餐厨垃圾大部分被贩卖到城郊的养殖场直接饲养生猪，而剩余部分由相关单位进行以填埋或焚烧为主的末端处理，餐厨垃圾资源化程度很低。

餐厨垃圾中高含量的有机质蕴含着大量的生物质能，提高其资源化利用率逐渐成为固体废物处理与管理领域的研究热点。其中，厌氧消化技术处理餐厨垃圾优势独特，能够利用厌氧微生物的高有机负荷承受能力，在降解有机废物的同时产生绿色能源“沼气”，残渣经处理后亦可作肥料，不仅有效地减少了污染，而且能够产生可再生能源，最大限度地实现了餐厨垃圾资源再利用。因此厌氧消化技术逐渐成为餐厨垃圾处理的重要发展方向。

但厌氧消化技术存在的一些瓶颈问题是其推广发展的限制因素，例如垃圾降解过程中产生的中间产物：VFA（volatile fatty acid，挥发性脂肪酸）和氨氮，容易对后续的产甲烷微生物产生抑制作用。餐厨垃圾含有大量易降解有机物，VFA的产生速率极易比甲烷的产生速率快，从而导致消化液VFA积累及pH降低，对后续的产甲烷过程产生抑制。餐厨垃圾中含有大量蛋白质等含氮物质，会使消化液中氨氮浓度达到上千甚至几千毫克每升，而众多研究表明随着氨氮浓度的升高，产甲烷微生物的活性会明显降低，当氨氮浓度超过6000 mg /L时，产甲烷微生物的活性将会被完全抑制。另外，餐厨垃圾自身的高盐分会导致微生物体内水分渗出，以至产甲烷微生物活性降低甚至死亡，盐分浓度越高，毒性越强。有研究表明产甲烷微生物对Na⁺非常敏感，当Na⁺的浓度大于5000 mg /L时，对最终的甲烷转化有不利影响。此外，由于厌氧微生物菌群的特性，使得厌氧生物反应器启动时间较长，甚至长达半年以上，这一现象严重影响了餐厨垃圾的资源化利用。

因此，如何开发出一套降解速率快、运行成本低、沼气能源再利用的餐厨垃圾处理技术有着重要的意义。

发明内容

本发明为解决目前在餐厨垃圾厌氧消化过程中存在的消化周期长、产气量低、高盐分、VFA累积及氨氮累积所引起的产气抑制等技术问题，提供了一种餐厨垃圾厌氧消化处理系统和方法。

本发明提供的一种餐厨垃圾厌氧消化处理系统，包括：

用于厌氧消化处理的处于启动期的第一生物反应器、处于活性期的第二生物反应器、处于腐熟期的第三生物反应器；第一消化液罐、第二消化液罐、第三消化液罐；第一泵、第二泵、第三泵；多个液体连接管道连接各个生物反应器和消化液罐，所述餐厨垃圾厌氧消化处理系统还包括用于收集气体的气体收集装置；

每一个所述生物反应器上端设置用于消化液回流的第一进出口和与所述气体收集装置连接的第二进出口；每一个所述生物反应器底部设置一个消化液出口；

每一个所述消化液罐上端和下端分别设置有消化液进出口，以及用于添加水质调节物质的液体入口；

所述处于启动期的第一生物反应器底部的消化液出口与所述第一消化液罐上端消化液进出口连接，用于收集存储启动期消化液；

所述处于活性期的第二生物反应器底部的消化液出口与所述第二消化液罐上端消化液进出口连接，所述第二消化液罐内的消化液通过第二泵输送至第二生物反应器，实现活性期消化液的自身回流；所述处于腐熟期的第三生物反应器底部消化液出口与第三消化液灌上端消化液进出口相连，用于收集储存经腐熟期垃圾层调节的启动期消化液，所述第三消化液罐内的消化液通过第三泵回流至所述处于启动期的第一生物反应器，实现消化液循环交叉流动。

其中，所述餐厨垃圾厌氧消化处理系统还包括：处于预处理期的第四生物反应器；

所述处于预处理期的第四生物反应器用于装填经预处理、准备进入消化处理阶段的新鲜垃圾。

其中，所述餐厨垃圾厌氧消化处理系统还包括：处于好氧期的第五生物反应器。

其中，所述第一生物反应器、第二生物反应器、第三生物反应器、第四生物反应器、第五生物反应器的底部均设置有曝气口，该曝气口与鼓风设备相连，用于向生物反应器中的垃圾层供氧通风。

相应的，本发明还提供了一种餐厨垃圾厌氧消化处理方法，包括：

将餐厨垃圾经过预处理后装填至第一生物反应器，使该第一生物反应器进入厌氧消化处理的启动期；

经过预定时间之后，将新的餐厨垃圾经过预处理后装填至第二生物反应器，使该第二生物反应器进入厌氧消化处理的启动期；

再经过预定时间后，将餐厨垃圾经过预处理后装填至第三生物反应器，使该第三生物反应器进入厌氧消化处理的启动期；

当第一生物反应器或第二生物反应器或第三生物反应器进入厌氧消化处理的活性期时，将该进入活性期的生物反应器产生的消化液经其底部的消化液出口收集至与之连接的消化液罐，然后经处理后经泵回流至该生物反应器顶部消化液进出口；

当第一生物反应器或第二生物反应器或第三生物反应器进入厌氧消化处理的腐熟期时，将该进入腐熟期的生物反应器产生的酸性消化液经其底部消化液出口收集至与之连接的消化液罐，经过预处理后经泵回灌至尚处于启动期的生物反应器顶部消化液进出口，再由处于启动期的生物反应器的底部消化液出口经过与之连接的消化液罐调节后回流至所述进入该腐熟期的生物反应器。

其中，所述方法还包括：

对经过腐熟期的第一生物反应器或第二生物反应器或第三生物反应器进行好氧曝气后处理，去除残渣中的病原体和还原性臭气。

其中，所述对餐厨垃圾进行预处理，包括：

剔除所取餐厨垃圾中一次性筷子、塑料制品成分，并对餐厨垃圾进行破碎混匀操作。

其中，所述每一个生物反应器产生的消化液经其底部的消化液出口收集至与之连接的消化液罐，经处理后由泵回流至相应生物反应器顶部消化液进出口进行细菌接种的步骤中，该处理包括：

加入缓冲溶液调节pH值、离子交换脱盐处理、降低氨氮浓度。

餐厨垃圾有机物厌氧消化过程分为产酸和产甲烷两个阶段。在产酸阶段，水解发酵性细菌把复杂有机物进行水解和发酵，产生大量的脂肪酸；产甲烷阶段则由产甲烷细菌将产酸阶段的一些发酵产物转化为CH₄和CO₂。本发明采用多级高效生物反应器联用的方式，将产酸和产甲烷两个阶段分隔在两个单独的反应器中进行，为产酸菌和产甲烷菌提供了各自的生存环境，以发挥各自最大的活性，并且通过消化液回流前预处理和交叉回流的方式，降低盐分、氨氮、VFA等浓度，有效缓解消化过程中水解速度缓慢、产甲烷过程中的酸抑制、氨氮抑制和高盐分抑制等问题，加快垃圾降解速率、缩短厌氧消化周期、提高清洁能源甲烷的产量，提高了整个系统的稳定性与消化效率，实现餐厨垃圾的高效无害化、资源化处理，具有巨大的社会效益、环境效益和经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种餐厨垃圾厌氧消化处理系统实施例一的结构示意图。

图2为本发明提供的一种餐厨垃圾厌氧消化处理系统实施例二的结构示意图。

图3为本发明提供的一种餐厨垃圾厌氧消化处理方法实施例一的流程示意图。

图4为本发明提供的一种餐厨垃圾厌氧消化处理方法实施例二的流程示意图。

图5为本发明提供的一种餐厨垃圾厌氧消化处理方法的应用示意图。

具体实施方式

本发明为解决目前在餐厨垃圾厌氧消化过程中存在的消化周期长、产气量低以及高盐分、VFA及氨氮累积所引起的产气抑制等技术问题，提供了一种餐厨垃圾厌氧消化处理系统和方法。

参见图1，为本发明提供的一种餐厨垃圾厌氧消化处理系统实施例一的结构示意图。

本实施例一提供的系统，包括：

用于厌氧消化处理的处于启动期的第一生物反应器11、处于活性期的第二生物反应器12、处于腐熟期的第三生物反应器13；第一消化液罐21、第二消化液罐22、第三消化液罐23；第一泵31、第二泵32、第三泵33；多个液体连接管道连接各个生物反应器和消化液罐，所述餐厨垃圾厌氧消化处理系统还包括用于收集气体的气体收集装置4；

每一个所述生物反应器上端设置用于消化液回流的第一进出口和与所述气体收集装置连接的第二进出口；每一个所述生物反应器底部设置一个消化液出口；

每一个所述消化液罐上端和下端分别设置有消化液进出口，以及用于添加水质调节物质的液体入口；

所述处于启动期的第一生物反应器11底部的消化液出口与所述第一消化液罐21上端消化液进出口连接，用于收集存储启动期消化液；

所述处于活性期的第二生物反应器12底部的消化液出口与所述第二消化液罐22上端消化液进出口连接，所述第二消化液罐22内的消化液通过第二泵32输送至第二生物反应器12，实现活性期消化液的自身回流；所述处于腐熟期的第三生物反应器13底部消化液出口与第三消化液灌23上端消化液进出口相连，用于收集储存经腐熟期垃圾层调节的启动期消化液，所述第三消化液罐23内的消化液通过第三泵33回流至所述处于启动期的第一生物反应器11，实现消化液循环交叉流动。

参见图2，为本发明提供的一种餐厨垃圾厌氧消化处理系统实施例二的结构示意图。

本实施例二提供的系统除包括实施例一中的各个生物反应器和消化液罐以及泵等部件之外，还包括：

处于预处理期的第四生物反应器14；

所述处于预处理期的第四生物反应器14用于装填经预处理、准备进入消化处理阶段的新鲜垃圾。

其中，所述餐厨垃圾厌氧消化处理系统还包括：处于好氧期的第五生物反应器15。

其中，所述第一生物反应器11、第二生物反应器12、第三生物反应器13、第四生物反应器14、第五生物反应器15的底部均设置有曝气口，该曝气口与鼓风设备相连，用于向生物反应器中的垃圾层供氧通风。

需要说明的是，上述第一生物反应器11、第二生物反应器12、第三生物反应器13、第四生物反应器14、第五生物反应器15中的每一个生物反应器，都可能处于厌氧消化处理的不同阶段，例如预处理阶段，厌氧消化处理的启动期、活性期、腐熟期、以及好氧后处理期。该系统至少包括三个生物反应器即可实现本发明的餐厨垃圾厌氧消化处理。

本发明提供的一种餐厨垃圾厌氧消化处理系统，采用多级高效生物反应器联用的方式，将产酸和产甲烷两个阶段分隔在两个单独的反应器中进行，为产酸菌和产甲烷菌提供了各自的生存环境，以发挥各自最大的活性，并且通过消化液回流前预处理和交叉回流的方式，降低盐分、氨氮、VFA等浓度，有效缓解消化过程中水解速度缓慢、产甲烷过程中的酸抑制、氨氮抑制和高盐分抑制等问题，加快垃圾降解速率、缩短厌氧消化周期、提高清洁能源甲烷的产量，提高了整个系统的稳定性与消化效率，实现餐厨垃圾的高效无害化、资源化处理，具有巨大的社会效益、环境效益和经济效益。

参见图3，为本发明提供的一种餐厨垃圾厌氧消化处理方法实施例一的流程示意图。

本实施例一提供的方法流程，包括：

步骤100，将餐厨垃圾经过预处理后装填至第一生物反应器，使该第一生物反应器进入厌氧消化处理的启动期；

步骤101，经过预定时间之后，将新的餐厨垃圾经过预处理后装填至第二生物反应器，使该第二生物反应器进入厌氧消化处理的启动期；

步骤102，再经过预定时间后，将餐厨垃圾经过预处理后装填至第三生物反应器，使该第三生物反应器进入厌氧消化处理的启动期；

上述预定时间可以根据要求进行设置。

其中，对餐厨垃圾进行预处理，包括：

剔除所取餐厨垃圾中一次性筷子、塑料制品成分，并对餐厨垃圾进行破碎混匀操作。

步骤103，当第一生物反应器或第二生物反应器或第三生物反应器进入厌氧消化处理的活性期时，将该进入活性期的生物反应器产生的消化液经其底部的消化液出口收集至与之连接的消化液罐，然后经处理后经泵回流至该生物反应器顶部消化液进出口；

步骤104，当第一生物反应器或第二生物反应器或第三生物反应器进入厌氧消化处理的腐熟期时，将该进入腐熟期的生物反应器产生的酸性消化液经其底部消化液出口收集至与之连接的消化液罐，经处理后由泵回流至相应生物反应器顶部消化液进出口进行细菌接种，再由处于启动期的生物反应器的底部消化液出口经过与之连接的消化液罐调节后回流至所述进入该腐熟期的生物反应器。

其中，所述每一个生物反应器产生的消化液经其底部的消化液出口收集至与之连接的消化液罐，经处理后由泵回流至相应生物反应器顶部消化液进出口进行细菌接种的步骤中，该处理包括：

加入缓冲溶液调节pH值、离子交换脱盐处理、降低氨氮浓度。

参见图4，为本发明提供的一种餐厨垃圾厌氧消化处理方法实施例二的流程示意图。

本实施例二提供的方法流程，除了包括实施例一的各个步骤之外，还包括：

步骤105，对经过腐熟期的第一生物反应器或第二生物反应器或第三生物反应器进行好氧曝气后处理，去除残渣中的病原体和还原性臭气。

下面再结合图5来具体说明本发明提供的一种餐厨垃圾厌氧消化处理方法的具体应用过程。

本发明的整个厌氧消化过程分为预处理、生物反应器消化和好氧后处理三个阶段。在生物反应器消化阶段中，每个生物反应器都将经历“启动期—活性期—腐熟期”三个阶段，每个阶段均对生物反应器产生的消化液和气体组分进行监测。

步骤1，在第1-5天，将餐厨垃圾进行预处理后装填至1#生物反应器进入消化启动期。预处理阶段主要操作是剔除所取餐厨垃圾中一次性筷子、塑料制品等成分，并对垃圾进行破碎混匀等操作。

步骤2，在第6-10天，2#生物反应器装入新一批预处理后的餐厨垃圾，进入启动期；1#生物反应器进入消化活性期。1#生物反应器产生的消化液经底部出口收集至消化液罐，预处理后经泵回流至反应器顶部消化液进口，实现自身回流。回流前预处理包括加入缓冲溶液调节pH、离子交换脱盐处理、降低氨氮浓度等。

步骤3，在第11-15天，3#生物反应器装入新一批预处理后的餐厨垃圾，进入启动期；2#生物反应器进入活性期；1#生物反应器进入腐熟期。3#生物反应器产生的酸性消化液经底部出口收集至消化液罐，预处理后经泵回灌至1#生物反应器顶部消化液进口，再由1#生物反应器底部消化液出口经消化液罐调节后回流至3#生物反应器，交叉回灌的方式实现pH调节、降低消化液中脂肪酸浓度和接种产甲烷微生物的目的。2#生物反应器产生的消化液经消化罐储存、处理后由泵进行自身回灌。

步骤4，在第16-20天，4#生物反应器装入新一批预处理后的餐厨垃圾，进入启动期；3#生物反应器进入活性期；2#生物反应器进入腐熟期。4#生物反应器产生的酸性消化液经底部出口收集至消化液罐，预处理后经泵回灌至2#生物反应器顶部消化液进出口，再由2#生物反应器底部的消化液出口经消化液罐调节后回流至4#生物反应器。3#生物反应器产生的消化液经消化罐储存、处理后由泵进行自身回灌。1#生物反应器通过好氧曝气的方式进入后期处理阶段，去除残渣中的病原体和还原性臭气。

餐厨垃圾有机物厌氧消化过程分为产酸和产甲烷两个阶段。在产酸阶段，水解发酵性细菌把复杂有机物进行水解和发酵，产生大量的脂肪酸；产甲烷阶段则由产甲烷细菌将产酸阶段的一些发酵产物转化为CH₄和CO₂。本发明采用多级高效生物反应器联用的方式，将产酸和产甲烷两个阶段分隔在两个单独的反应器中进行，为产酸菌和产甲烷菌提供了各自的生存环境，以发挥各自最大的活性，并且通过消化液回流前预处理和交叉回流的方式，降低盐分、氨氮、VFA等浓度，有效缓解消化过程中水解速度缓慢、产甲烷过程中的酸抑制、氨氮抑制和高盐分抑制等问题，加快垃圾降解速率、缩短厌氧消化周期、提高清洁能源甲烷的产量，提高了整个系统的稳定性与消化效率，实现餐厨垃圾的高效无害化、资源化处理，具有巨大的社会效益、环境效益和经济效益。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种餐厨垃圾厌氧消化处理系统，其特征在于，包括：

用于厌氧消化处理的处于启动期的第一生物反应器、处于活性期的第二生物反应器、处于腐熟期的第三生物反应器；第一消化液罐、第二消化液罐、第三消化液罐；第一泵、第二泵、第三泵；多个液体连接管道连接各个生物反应器和消化液罐，所述餐厨垃圾厌氧消化处理系统还包括用于收集气体的气体收集装置；

每一个所述生物反应器上端设置用于消化液回流的第一进出口和与所述气体收集装置连接的第二进出口；每一个所述生物反应器底部设置一个消化液出口；

每一个所述消化液罐上端和下端分别设置有消化液进出口，以及用于添加水质调节物质的液体入口；

所述处于启动期的第一生物反应器底部的消化液出口与所述第一消化液罐上端消化液进出口连接，用于收集存储启动期消化液；

所述处于活性期的第二生物反应器底部的消化液出口与所述第二消化液罐上端消化液进出口连接，所述第二消化液罐内的消化液通过第二泵输送至处于活性期的第二生物反应器，实现活性期消化液的自身回流；所述处于腐熟期的第三生物反应器底部消化液出口与第三消化液罐上端消化液进出口相连，用于收集储存经腐熟期垃圾层调节的启动期消化液，所述第三消化液罐内的消化液通过第三泵回流至所述处于启动期的第一生物反应器，实现消化液循环交叉流动；

其中，所述第一生物反应器、第二生物反应器、第三生物反应器的底部均设置有曝气口，该曝气口与鼓风设备相连，用于向生物反应器中的垃圾层供氧通风；

其中，所述餐厨垃圾厌氧消化处理系统还包括：处于预处理期的第四生物反应器；

所述处于预处理期的第四生物反应器用于装填经预处理、准备进入消化处理阶段的新鲜垃圾。

2.如权利要求1所述的餐厨垃圾厌氧消化处理系统，其特征在于，所述餐厨垃圾厌氧消化处理系统还包括：处于好氧期的第五生物反应器。

3.一种餐厨垃圾厌氧消化处理方法，其特征在于，包括：

将餐厨垃圾经过预处理后装填至第一生物反应器，使该第一生物反应器进入厌氧消化处理的启动期；

经过预定时间之后，将新的餐厨垃圾经过预处理后装填至第二生物反应器，使该第二生物反应器进入厌氧消化处理的启动期；

再经过预定时间后，将餐厨垃圾经过预处理后装填至第三生物反应器，使该第三生物反应器进入厌氧消化处理的启动期；

当第一生物反应器或第二生物反应器或第三生物反应器进入厌氧消化处理的活性期时，将该进入活性期的生物反应器产生的消化液经其底部的消化液出口收集至与之连接的消化液罐，然后经预处理后经泵回流至该生物反应器顶部消化液进出口；

当第一生物反应器或第二生物反应器或第三生物反应器进入厌氧消化处理的腐熟期时，将该进入腐熟期的生物反应器产生的消化液经其底部消化液出口收集至与之连接的消化液罐，经过预处理后经泵回灌至尚处于启动期的生物反应器顶部消化液进出口进行细菌接种，再由处于启动期的生物反应器的底部消化液出口经过与之连接的消化液罐调节后回流至进入该腐熟期的生物反应器；

其中，所述方法还包括：

对经过腐熟期的第一生物反应器或第二生物反应器或第三生物反应器进行好氧曝气后处理，去除残渣中的病原体和还原性臭气。

4.如权利要求3所述的餐厨垃圾厌氧消化处理方法，其特征在于，对餐厨垃圾进行预处理，包括：

剔除所取餐厨垃圾中一次性筷子、塑料制品成分，并对餐厨垃圾进行破碎混匀操作。

5.如权利要求4所述的餐厨垃圾厌氧消化处理方法，其特征在于，每一个生物反应器产生的消化液经其底部的消化液出口收集至与之连接的消化液罐，经处理后由泵回流至相应生物反应器顶部消化液进出口进行细菌接种的步骤中，该处理包括：

加入缓冲溶液调节pH值、离子交换脱盐处理、降低氨氮浓度。

6.如权利要求5所述的餐厨垃圾厌氧消化处理方法，其特征在于，对厌氧消化的餐厨垃圾产生的生物质气体进行收集，以供后期的能源化利用。