CN102808000A - 城市生活垃圾资源化分级利用及固碳处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于城市生活垃圾的资源化分级利用技术领域，尤其涉及一种城市生活垃圾资源化分级利用及固碳处理方法，其特征在于联合采用二段厌氧发酵技术、热解技术及填埋技术。本发明的优点是：可实现城市生活垃圾的无害化、资源化，并通过固碳技术减少CO2排放量。
Description
技术领域
本发明属于城市生活垃圾的资源化分级利用技术领域，尤其涉及一种城市生活垃圾资源化分级利用及固碳处理方法。
技术背景
随着城市规模不断扩大和城市人口的迅速增加，生活垃圾污染已成为全球性的环境问题。据不完全统计，我国城市生活垃圾每年以8-10%的速度增长2010年日产量为60-70万吨，年产量为25200万吨。生活垃圾的主要成分包括：厨余物、废纸、废塑料、废织物、废金属、废玻璃陶瓷碎片、砖瓦渣土、粪便，以及废家用器具、废旧电器、庭园废物等。表1为中国部分城市生活垃圾的组成表。
表1 我国部分城市生活垃圾组成（单位：%）
由表1可知，大城市与中小城市的垃圾构成有明显的差别。大城市生活垃圾构成中有机物成分占总量的30-36%，无机成分约占60%，废品约占4-6%；中小城市生活垃圾中有机物成分约占总量的20%，无机物成分约占75%。南方城市生活垃圾中有机物与可燃物比例高于北方城市。我国生活垃圾中厨余类垃圾含量高，纤维素、木质素和其他降解缓慢的有机垃圾含量较低，厨余类垃圾是分解非常迅速的生物垃圾，这样就表现为利用城市生活垃圾进行厌氧发酵处理将成为我国城市生活垃圾资源化处理的重要趋势。
城市生活垃圾厌氧发酵处理技术具有过程可控制、易操作、降解快、生产过程全封闭，产物可计量和再利用等特点；现行的厌氧发酵技术主要分为湿法及干法发酵。对于湿法发酵工艺，含水量高，可以稀释抑制物的浓度，系统的抗抑制能力增强，但是垃圾首先需要进行破碎和磁力分选，增加了处理成本。干发酵系统对进料的分选要求不高，原料进入处理系统前，只需用滚筒筛将大的颗粒物去除即可，这种工艺的主要缺点在于目前大规模运行的经验十分有限。
分析表明现行厌氧发酵工艺不能将城市生活垃圾进行有效的资源化利用。一家名为“日本食粮”的日本公司已经研究出了利用生活垃圾中的废纸、木竹等纤维素类制取乙醇的方法，同时利用厨余垃圾厌氧发酵产生沼气工艺已经较为成熟，因此通过控制厌氧发酵的条件，将城市生活垃圾中可发酵分解的成分进行分级发酵技术较为可行，将有机物的厌氧发酵过程通过一系列有序反应来完成，从而使城市生活垃圾中的可发酵降解的有机物逐步资源化处理。该技术目前尚未被提出。
垃圾厌氧发酵是废弃物利用效率较高的方式，但是在日处理量上比焚烧、填埋方式低，不能对目前大量的城市垃圾进行快速处理，同时不能将城市生活垃圾中的塑料橡胶类进行完全分解。因此对于城市垃圾进行资源化处理的方法，应当是将厌氧发酵与其他高效的处理方法进行结合，将垃圾进行分级资源化综合处理。
热分解法是将垃圾在高温下进行热解，使垃圾中所含的能量转换成燃气、油和炭的形式进行利用。垃圾中的氦、硫、氨等在热解过程中保持还原状态，因而对装置的腐蚀较小。传统的热解处理系统主要以回收能源为目的处理系统，由于城市生活垃圾的物理化学成分极其复杂，如果将热解产物作为资源回收，要保持产品具有稳定的性质十分困难，同时未分类的城市生活垃圾中含有大量易腐的厨余类垃圾，厨余垃圾含水量大，不能满足垃圾热解的发热量要求。
因此以减少城市生活垃圾处理过程中造成的二次污染和减少需要填埋处理的废物量为目的无公害型热解处理系统较为可行。将热解作为厌氧发酵的辅助手段，利用热解产物进一步分解厌氧发酵未能分解的废物，可以改善废物燃烧特性同时，可以避免二噁英、呋喃等污染物的产生，同时热解后的生物半焦是惰性物质，可以将垃圾中的金属物质进行紧紧包覆，填埋后可避免对水体土壤造成二次污染。热解后生物半焦中的碳以惰性固体碳形式存在，这在全球变暖、CO2减排、节能低碳的国际形势下无疑是一个较好的选择。
查询中国专利CN1094802C，申请号为 97105152，该专利公开了城市生活垃圾处理方法，将城市生活垃圾分区堆放在存贮池内，自然发醇4-6天；发酵后的渗出液喷入炉内高温裂解；发酵逸出的有害气体，在炉内分解成无臭气体；发酵垃圾在焚烧炉内焚烧，产生的固态炉渣经磁选分离回收废铁后再进行筛分利用；焚烧产生的高温烟气使炉内的水受热汽化，生成饱和蒸汽或过热蒸汽，供蒸汽汽轮发电机组发电或对外供热，该技术的优势在于减容效果好，而且不污染环境。该方法将城市生活垃圾以热能的形式进行利用，未能实现将城市生活垃圾中的有机物进行资源化循环利用，同时燃烧产生的烟气增加了空气汇总CO2的排放。查询中国专利CN1468818A，申请号为03112645.6，该专利公开了一种城市生活垃圾处理工艺，将城市生活垃圾进行储存发酵、发酵过程中废气作为炉内助燃空气被燃烧，废水被送至污水处理厂去处理，发酵后的垃圾经分拣、烘干后送入燃烧炉进行燃烧。该工艺减少了废水、废气处理过程中的二次污染，使得垃圾的减容量达到95%。但是该工艺仅仅将生活垃圾以热能的形式进行回收，没能将城市生活垃圾进行资源化循环利用，同时垃圾处理过程中增加了CO2排放量。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可实现城市生活垃圾的无害化、资源化，并通过固碳技术减少CO2排放量的城市生活垃圾资源化分级利用及固碳处理方法。
本发明的技术方案是这样实现的。
按照本发明，城市生活垃圾资源化分级利用及固碳处理方法，其特征在于联合采用二段厌氧发酵技术、热解技术及填埋技术，具体步骤如下：
1）一段厌氧发酵单元：
将原料城市生活垃圾给入滚压粉碎机将非金属无机物质粉碎，将原料城市生活垃圾挤压至含水率15%以下，分离出液体垃圾和固体垃圾；将固体垃圾经垃圾粉碎机粉碎至80目以下，再与液体垃圾经一段搅拌单元混合搅拌后共同进入一段发酵罐中，然后加入热纤梭菌ATCC27405及热解糖梭菌进行发酵产生乙醇，其中热纤梭菌的加入量为原料城市生活垃圾的0.2-4.8%，热解糖梭菌的加入量按原料城市生活垃圾的1-20%的量加入，发酵温度控制在35-45℃，pH值为3-6，发酵时间3-5天，间歇式搅拌，一段发酵罐发酵后的沼液、沼渣进行固液分离，分离得到的沼液60-90℃常压下进行闪蒸得到工业乙醇，经闪蒸后的废液和一段发酵罐发酵后固液分离得到的沼渣共同进入二段厌氧发酵单元；
2）二段厌氧发酵单元：
将闪蒸后的废液和一段发酵罐发酵后固液分离得到的沼渣给入二段搅拌单元进行搅拌混合后，送入二段发酵罐中加入沼气微生物菌剂进行厌氧发酵，其中沼气微生物菌剂的加入量为二段厌氧发酵原料的2-30%，pH值控制在7.0-8.5之间，发酵温度为45-55℃，发酵时间10-15天，产生沼气，沼气作为气体燃料进行储存，二段发酵罐发酵产生的沼液沼渣进行固液分离，固液分离得到的沼渣进入热解单元进行进一步热分解处理，固液分离产生的沼液返回到一段搅拌单元循环使用；
3）热解单元：
将二段发酵罐发酵产生的沼渣进入热解单元的热解炉进行常压热解，热解温度控制在600-700℃之间，热解炉产生的垃圾热解气作为气体燃料进行储存，热解炉产生的垃圾半焦经压缩成型后进行填埋进行最终处理。
所述的微生物菌剂采用四川朝能沼气工程有限公司生产的“朝能”沼气发酵剂，主要成分为甲烷菌群、产氢产乙酸菌群、水解酸化菌群。
本发明与现有技术相比，具有以下优点： 1、城市生活垃圾进行资源化分级处理之前，不需要进行分类处理，降低了城市生活垃圾处理过程的成本和能耗，而且也节约的大量的人力和物力。另外由于采用两段厌氧发酵技术，提高了城市生活垃圾的资源化效率，同时产生气体和液体燃料产品，具有较高的经济效益。
2、热解后的垃圾半焦固体中惰性的炭质材料能够将垃圾中的金属物质进行包覆，经压缩成型后进行填埋处理，避免了对土壤、地下水及空气的二次污染；同时填埋后的垃圾半焦具有高效的固碳作用，减少了大气中二氧化碳的排放。
3、将二段厌氧发酵后的沼渣进行热解处理，将厌氧发酵中不能生物降解的有机物进行进一步热化学分解，实现了对垃圾的高效处理；同时热解气中不产生二噁英等有毒气体，减少了对环境的污染，并减少了对设备的腐蚀作用，可满足日益严格的环保排放要求。
附图说明
图1为本发明城市生活垃圾资源化分级利用及固碳处理方法的工艺流程图。
具体实施方式
选取5kg城市生活垃圾进行资源化分级处理，选取三组不同组份的城市生活垃圾（MSW）原料，给入滚压粉碎机将非金属无机物质粉碎，将原料城市生活垃圾挤压，分离出液体垃圾和固体垃圾；将固体垃圾经垃圾粉碎机粉碎至80目以下，再与液体垃圾经一段搅拌单元混合搅拌后共同进入一段发酵罐中，加入热纤梭菌ATCC27405及热解糖梭菌，pH值控制在7.0-8.5之间，间歇搅拌，发酵温度为45-55℃，发酵时间10-15天，发酵、闪蒸产生乙醇；
将闪蒸后的废液和一段发酵罐发酵后固液分离产生的沼渣混合搅拌后，送入二段发酵罐中，加入沼气微生物菌剂进行厌氧发酵，产生沼气，对二段发酵罐发酵产生的沼液、沼渣进行固液分离，固液分离得到的沼渣进入热解单元进行进一步热分解处理，固液分离产生的沼液返回到一段搅拌单元循环使用；
将二段发酵罐发酵产生的沼渣给入热解炉进行常压热解，热解温度控制在600-700℃之间，热解炉产生的垃圾热解气作为气体燃料进行储存，热解炉产生的垃圾半焦经压缩后进行填埋进行最终处理。
其中利用鹤壁市鑫泰高科仪器制造有限公司生产的KZCH-2000型微机快速自动测氢仪，测试热解后得到的垃圾半焦中固体碳含量，按照GB476-91进行测试。
三组城市生活垃圾（MSW）组成如表1所示，发酵条件及热解温度如表2至表4所示。
表1城市生活垃圾组份
| 厨余类 | 纤维素类 | 塑料橡胶类 | 灰分 | |
| MSWⅠ（%） | 44.2 | 25.2 | 17.1 | 13.5 |
| MSW Ⅱ（%） | 62.1 | 18.2 | 11.5 | 8.2 |
| MSW Ⅲ（%） | 29.4 | 18.1 | 9.2 | 43.3 |
表2一段发酵条件
| 热纤梭菌ATCC27405 | 热解糖梭菌 | 温度 | pH | 发酵时间 | |
| MSW Ⅰ | 0.22kg | 0.3kg | 37℃ | 5.2 | 3d |
| MSW Ⅱ | 0.24kg | 0.26kg | 40℃ | 5.5 | 3d |
| MSW Ⅲ | 0.15 kg | 0.18 kg | 35℃ | 5.2 | 3d |
表3 二段发酵条件
| 沼气微生物菌剂 | 温度 | pH | 发酵时间 | |
| MSWⅠ | 0.2kg | 50℃ | 7 | 15d |
| MSW Ⅱ | 0.3kg | 52℃ | 7.5 | 15d |
| MSW Ⅲ | 0.15kg | 48℃ | 7.2 | 15d |
表4热解单元条件
城市生活垃圾分级资源化结果如表5所示。
表5 三组城市生活垃圾分级资源化结果
| 工业乙醇（Kg） | 沼 气（m3） | 热解气（m3） | 生物半焦（Kg） | 生物半焦固碳量（Kg） | 减少CO2排放量（Kg） | |
| MSWⅠ | 0.83 | 2.1 | 0.17 | 1.1 | 0.47 | 1.74 |
| MSW Ⅱ | 0.52 | 3.2 | 0.11 | 0.9 | 0.54 | 1.98 |
| MSW Ⅲ | 0.49 | 1.6 | 0.09 | 2.7 | 0.60 | 2.18 |
由表5可以看出，城市生活垃圾的组成不同，在不同的资源化处理条件下产生的资源化产品产量不同，同时热解后的固体半焦固碳能力也不同，5kg的城市生活垃圾经资源化分级利用后将减少2m3左右的CO2的排放量。
本发明属于城市生活垃圾的资源化分级利用技术领域，尤其涉及一种城市生活垃圾资源化分级利用及固碳处理方法，其特征在于联合采用二段厌氧发酵技术、热解技术及填埋技术。本发明的优点是：可实现城市生活垃圾的无害化、资源化，并通过固碳技术减少CO2排放量。
Claims (2)
1.一种城市生活垃圾资源化分级利用及固碳处理方法，其特征在于联合采用二段厌氧发酵技术、热解技术及填埋技术，具体步骤如下：
1）一段厌氧发酵单元：
将原料城市生活垃圾给入滚压粉碎机将非金属无机物质粉碎，将原料城市生活垃圾挤压至含水率15%以下，分离出液体垃圾和固体垃圾；将固体垃圾经垃圾粉碎机粉碎至80目以下，再与液体垃圾经一段搅拌单元混合搅拌后共同进入一段发酵罐中，然后加入热纤梭菌ATCC27405及热解糖梭菌进行发酵产生乙醇，其中热纤梭菌的加入量为原料城市生活垃圾的0.2-4.8%，热解糖梭菌的加入量按原料城市生活垃圾的1-20%的量加入，发酵温度控制在35-45℃，pH值为3-6，发酵时间3-5天，间歇式搅拌，一段发酵罐发酵后的沼液、沼渣进行固液分离，分离得到的沼液60-90℃常压下进行闪蒸得到工业乙醇，经闪蒸后的废液和一段发酵罐发酵后固液分离得到的沼渣共同进入二段厌氧发酵单元；
2）二段厌氧发酵单元：
将闪蒸后的废液和一段发酵罐发酵后固液分离得到的沼渣给入二段搅拌单元进行搅拌混合后，送入二段发酵罐中加入沼气微生物菌剂进行厌氧发酵，其中沼气微生物菌剂的加入量为二段厌氧发酵原料的2-30%，pH值控制在7.0-8.5之间，发酵温度为45-55℃，发酵时间10-15天，产生沼气，沼气作为气体燃料进行储存，二段发酵罐发酵产生的沼液沼渣进行固液分离，固液分离得到的沼渣进入热解单元进行进一步热分解处理，固液分离产生的沼液返回到一段搅拌单元循环使用；
3）热解单元：
将二段发酵罐发酵产生的沼渣进入热解单元的热解炉进行常压热解，热解温度控制在600-700℃之间，热解炉产生的垃圾热解气作为气体燃料进行储存，热解炉产生的垃圾半焦经压缩成型后进行填埋进行最终处理。
2.根据权利要求1所述的城市生活垃圾资源化分级利用及固碳处理方法，其特征在于所述的微生物菌剂采用四川朝能沼气工程有限公司生产的“朝能”沼气发酵剂，主要成分为甲烷菌群、产氢产乙酸菌群、水解酸化菌群。
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