CN102827878A - 一种使用厨余垃圾处理装置处理厨余垃圾的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用厨余垃圾处理装置处理厨余垃圾的方法，所述处理装置由水解酸化反应器、产甲烷反应器、进料泵，输液管、液体循环泵I、液体循环泵II、产气计量装置和真空泵组成，所述水解酸化反应器和产甲烷反应器均由下部中空细长部分和上部三相分离器组成；本发明所述处理装置和使用方法提高了水解酸化反应器内的碱度，从而提高了水解酸化效率，改善了酸化产物组成，降低了乳酸浓度，提高了VFA浓度；两相厌氧消化过程中相内的消化液循环，有利于保证水解酸化反应器和产甲烷反应器内有机物与微生物之间的充分混合，改善水解酸化反应器和产甲烷反应器内pH的均一，从而有利于系统的稳定运行。

Description

一种使用厨余垃圾处理装置处理厨余垃圾的方法
技术领域
本发明涉及厨余垃圾的处理方法，特别涉及使用厨余垃圾两相厌氧消化处理装置处理厨余垃圾的方法。
背景技术
城市生活垃圾通常采用单相的厌氧消化工艺处理，但是该工艺在提高负荷过程中容易出现产酸和产甲烷过程不平衡的发酵现象，挥发酸(VFA)积累，pH剧烈下降，产甲烷菌受到抑制，尤其对于象厨余垃圾这类含有可生物降解有机物含量高的废物。两相厌氧消化的本质特征是实现了生物相的分离，即产酸相和产甲烷相成为两个独立的处理单元，通过调控两个单元的运行参数，形成产酸发酵微生物和产甲烷发酵微生物各自的最佳生态条件，从而形成完整的发酵过程，并大幅度提高废物的处理能力和工艺运行的稳定性。
厨余垃圾的两相厌氧消化过程包括水解酸化阶段和产甲烷阶段。对于固体物质的厌氧消化过程而言，固体物质的水解是整个厌氧消化过程的限速步骤，因此采取措施提高厨余垃圾水解酸化效率是提高厨余垃圾整个两相厌氧消化过程效率的关键，在两相厌氧消化过程中必须提高水解酸化率才能承受比单相厌氧消化过程更高的有机负荷。另一方面，厨余垃圾水解酸化产物中乳酸浓度高，而高浓度乳酸能够降低后续产甲烷过程所能承受的最大有机负荷，因此在厨余垃圾水解酸化阶段控制条件减少乳酸的产生，提高有利于产甲烷菌利用的VFA的产量是必要的。
消化液的循环可以增加水解酸化反应器内部的含水率，改善物质传递，提供微生物接种和营养，尤其是厌氧消化液中的碱度可以调节水解酸化相的pH，从而可以提高有机废物的厌氧消化处理效率。但单纯的相间消化液循环不能保证水解酸化阶段的混合，水解酸化反应器中的物料处于压实状态，上层pH稍高，产甲烷出水中的厌氧微生物容易在上层累积，产生甲烷，降低水解酸化出料液中的VFA浓度，不能完全实现相分离。
本发明提出了采用相内和相间同时带有消化液循环的两相厌氧消化工艺，并在相内循环过程中间歇调节相内回流液的pH至中性，着重通过相内和相间同时的消化液循环提高水解酸化效率，优化酸化产物组成，降低乳酸浓度，提高VFA含量和整体两相厌氧消化工艺的运行效果。
发明内容
本发明的目的在于提高厨余垃圾两相厌氧消化过程中的的水解酸化阶段的效率，并优化酸化产物组成，降低乳酸浓度，提高VFA含量，以最终提高整个两相厌氧消化过程的效率。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：
一种厨余垃圾处理装置，由水解酸化反应器、产甲烷反应器、进料泵，输液管、液体循环泵I、液体循环泵II、产气计量装置和真空泵组成。所述水解酸化反应器和产甲烷反应器均由下部中空细长部分和上部三相分离器组成；所述产气计量装置为一倒置的带有刻度的玻璃水柱和水槽；所述进料泵通过输液管与水解酸化反应器连接；所述液体循环泵I通过输液管分别与所述水解酸化反应器的上端和下端相连并形成一个可循环的回路；所述液体循环泵II通过输液管分别与所述产甲烷反应器的上端和下端相连并形成一个可循环的回路；所述产甲烷反应器的上端通过输气管与所述产气计量装置的下端相连；所述产气计量装置的上端通过输气管与真空泵相连。所述水解酸化反应器和所述产甲烷反应器的下端为进料部分，上端为出料部分。所述水解酸化反应器的上端通过输液管和进料泵与所述产甲烷反应器的下端相连，所述产甲烷反应器的上端通过输液管和进料泵与所述水解酸化反应器的下端相连，所述水解酸化反应器的出水通过输液管和进料泵泵入所述产甲烷反应器；所述产甲烷反应器的出水通过输液管和进料泵泵入所述水解酸化反应器对进料进行稀释。
较佳的，所述厨余垃圾处理装置还包括调节罐，所述调节罐的进料口通过输液管和所述液体循环泵I与所述水解酸化反应器的上端相连，所述调节罐的出料口通过输液管与所述水解酸化反应器的下端相连，所述调节罐用于调节循环回路中液体的pH。
本发明还公开了一种使用所述厨余垃圾处理装置处理厨余垃圾的方法，包括以下步骤：
1、厨余垃圾首先破碎成浆液，测得总固体(TS)为质量百分比为10％，挥发性固体(VS)组成占TS的质量百分比为95％，进料厨余垃圾的pH为3.9，破碎后的厨余垃圾浆液先用产甲烷反应器的产甲烷出水稀释至设计浓度，此步骤为厌氧消化液相间循环；
2、厨余垃圾两相厌氧消化工艺中水解酸化阶段和产甲烷阶段均以间歇操作方式运行：水解酸化反应器每12h利用进料泵从反应器底部泵入稀释后的厨余垃圾浆液，同时在水解酸化反应器上部出口排放相同进料体积水解酸化液体。水解酸化反应器中固体停留时间(SRT)控制在9d；
3、将厨余垃圾由水解酸化反应器下部泵入反应器后，开启液体循环泵I，将厨余垃圾厌氧消化过程中的水解酸化液体通过液体循环泵I以100mL/min的速度循环回水解酸化反应器，此步骤为厌氧消化液相内循环；
4、在厨余垃圾水解酸化液相内循环过程中经过一个调节罐，调节罐中为水解酸化液体，每隔12h用质量浓度为5％的NaOH调节pH至7；
5、水解酸化反应器厌氧消化液相内循环为间歇操作方式，当厌氧消化液相内循环停止时水解酸化反应器排放的水解酸化液体经过进料泵进入产甲烷反应器，同时在产甲烷反应器上部出口排放相同进料体积的液体，产甲烷反应器通过液体循环泵2以50mL/min的速度将产甲烷反应器上部出口液体循环回产甲烷反应器进行搅拌，产甲烷反应器上部产气进入产气计量装置；
7、产甲烷反应器在进料前首先通过产气计量装置读取产气量。
本发明所述间歇操作方式为所述厌氧消化液相间循环与所述厌氧消化液相内循环以间歇交替方式运行，即所述厌氧消化液相间循环进行时，所述厌氧消化液相内循环停止；所述厌氧消化液相内循环进行时，所述厌氧消化液相间循环停止。
本发明所述厌氧消化液相内循环为所述水解酸化反应器自身出料与进料之间的循环，或所述产甲烷反应器自身出料与进料之间的循环；本发明所述厌氧消化液相间循环为所述水解酸化反应器与所述产甲烷反应器彼此之间出料与进料的循环；
本发明的优点是：
1、两相厌氧消化过程中相间的消化液循环，提高了水解酸化反应器内的碱度，从而提高了水解酸化效率，改善了酸化产物组成，降低了乳酸浓度，提高了VFA浓度；
2、两相厌氧消化过程中相内的消化液循环，有利于保证水解酸化反应器和产甲烷反应器内有机物与微生物之间的充分混合，改善水解酸化反应器和产甲烷反应器内pH的均一，从而有利于系统的稳定运行；
3、两相厌氧消化过程由于其水解酸化和产甲烷分别在两个独立的反应器内完成，因此避免了由于厨余垃圾中有机物含量高，酸化快，pH降低而引起的酸化现象。
4、两相厌氧消化过程中调节水解酸化过程回流液pH至中性，有利于提高水解酸化效率，提高VFA含量，降低乳酸含量，从而提高整个两相厌氧消化过程处理效率。
附图说明
图1为本发明方法所采用的厨余垃圾两相厌氧消化反应器；
图2为实验流程图。
具体实施方式
以下实施例中所用厨余垃圾处理装置由水解酸化反应器1、产甲烷反应器2、进料泵3和11，输液管4、液体循环泵I 5、液体循环泵II 12、产气计量装置6、真空泵7和调节罐10构成如图2所示。两相厌氧消化反应器中水解酸化反应器由下部中空细长部分9和上部三相分离器8组成，如图1所示；液体循环泵采用兰格蠕动泵(型号BT300-2J)，输液管采用硅胶管(管内径为9.6mm)；采用排水计量法计量产气量，排水法中采用倒置的玻璃水柱。首先将厨余垃圾用产甲烷出水稀释后通过进料泵3装入水解酸化反应器1中，进料完毕后打开液体循环泵I 5，循环液体经过三通进入水解酸化反应器1对厨余垃圾进料进行搅拌。在水解酸化反应器1进料同时，在反应器三相分离器上部排放相同进料体积液体，此液体作为产甲烷反应器2进料被进料泵11泵入产甲烷反应器2，同时产甲烷反应器2三相分离器排放与进料相同体积液体。产甲烷反应器2三相分离器气体空间的气体首先经过管道进入气体计量装置6中的倒置玻璃水柱，气体计量装置6在每次进料前首先读数，读数后利用真空泵7将倒置玻璃水柱中页面提升至初始刻度。
以下实施例中COD和TS测定方法根据参考文献“APHA Standard Method for theExamination of Water and Waterwater 1995”进行测定；碳酸氢盐碱度根据参考文献“贺延龄废水的厌氧生物处理1998”进行测定。
实施例1：
1、厨余垃圾首先破碎成浆液，测得总固体(TS)的质量百分比浓度为20％，挥发性固体(VS)组成占TS的质量百分比浓度为95％，进料厨余垃圾的pH为3.3，进料时将厨余垃圾用产甲烷反应器出水进行稀释，稀释后的厨余垃圾进料COD浓度为32g/L，水解酸化阶段水力停留时间为3天，厨余垃圾的进料COD负荷为10g·(L·d)-1；
2、厨余垃圾两相厌氧消化在有效容积为2L的玻璃反应器内进行，反应器如附图1所示。反应器由下部中空的细长部分9和上部三相分离器8组成。下部细长部分直径为60mm，高400mm；上部球形部分直径为150mm。厨余垃圾两相厌氧消化过程以间歇操作方式运行，水解酸化反应器1每12h利用进料泵3从水解酸化反应器底部进料处泵入，同时在水解酸化反应器上部出口排放相同进料体积水解酸化液体。水解酸化反应器中固体停留时间(SRT)控制在9d。
3、将厨余垃圾由水解酸化反应器下部泵入水解酸化反应器后，开启液体循环泵I5，将厨余垃圾厌氧消化过程中的水解酸化液体通过液体循环泵I以100mL/min的速度循环回水解酸化反应器，并且在厨余垃圾水解酸化液回流过程中经过一个调节罐10，调节罐内为水解酸化液体，每隔12h用质量百分比浓度为5％的NaOH调节pH至7；
4、水解酸化反应器排放的水解酸化液体经过进料泵11进入产甲烷反应器2，同时在产甲烷反应器上部出口排放相同进料体积的液体，产甲烷反应器通过液体循环泵II12以50mL/min的速度将产甲烷反应器上部出口液体循环回产甲烷反应器进行搅拌，产甲烷反应器上部产气进入产气计量装置6，产甲烷反应器在进料前首先通过产气计量装置读取产气量，产甲烷反应器的进料COD负荷控制在20g·(L·d)-1。
当此工艺稳定运行30天后，分别检测了水解酸化阶段出水的COD、VFA浓度、乳酸浓度、水解酸化产物中有机酸组分乳酸、甲酸、乙酸、丙酸和丁酸采用高效液相色谱(2010A)进行测定，实验所用仪器为日本岛津公司产2010A型高效液相色谱，紫外检测器，C18反相色谱柱，CLASS-VP色谱工作站。流动相为体积比15％色谱纯甲醇和85％磷酸二氢钾缓冲溶液(15mmol/L，pH＝2.1)的混合液，流速1.5mL/min，检测波长为210nm，柱温为25℃，进样量为5μL。测试样品首先经过4.4μm滤纸和0.45μm滤膜过滤，根据需要用流动相进行稀释，超声脱气后进入仪器进行测定；产甲烷反应器出水分别检测了COD浓度、碳酸氢盐碱度、VFA组分和甲烷含量。产甲烷反应器气体体积通过排水法计量，其中甲烷含量由装有填充柱TDXl02的气相色谱(GC 14B)检测，实验仪器采用日本岛津公司产GC-14B型气相色谱仪，热导检测器，不锈钢填充柱(担体TDX一102，粒径60-80目，填充柱长2m×Φ2mm)。测定条件：柱温100℃，进样器温度100℃，检测器温度120℃，工作电流65mA，载气为氩气，流量20mL/min，进样量20μL。COD去除率分别由进料COD减出料COD浓度除以进料COD浓度。水解率是以水解酸化反应器排放的水解酸化上清液中的COD总量与进料总COD量的比值表示，酸化率以排放的水解酸化上清液中的VFA量(以COD计)与进料总COD量的比值表示。检测结果表明：水解酸化反应器中水解酸化液中COD浓度为32g/L，VFA浓度为20g/L，乳酸浓度为12g/L，水解率为86％，酸化率为54％，乳酸在出水COD中的比例占38％。产甲烷反应器稳定运行，COD去除率为93％，产气量为6.8L·(L·d)-1，甲烷占总产气体积的百分比为78％。
实施例2：
1、厨余垃圾首先破碎成浆液，测得总固体(TS)的质量百分比浓度为20％，挥发性固体(VS)组成占TS的质量百分比浓度为95％，进料厨余垃圾的pH为3.3，进料时将厨余垃圾用产甲烷反应器出水进行稀释，稀释后的厨余垃圾进料COD浓度为32g/L，水解酸化阶段水力停留时间为3天，厨余垃圾的进料COD负荷为16g·(L·d)-1；
2、厨余垃圾两相厌氧消化在有效容积为2L的玻璃反应器内进行，反应器如附图1所示。反应器由下部中空的细长部分和上部三相分离器组成。下部细长部分直径为60mm，高400mm；上部球形部分直径为150mm。厨余垃圾两相厌氧消化过程以间歇操作方式运行，水解酸化反应器每12h利用进料泵3从水解酸化反应器底部泵入，同时在水解酸化反应器上部出口排放相同进料体积水解酸化液体。水解酸化反应器中固体停留时间(SRT)控制在9d。
3、将厨余垃圾由水解酸化反应器下部泵入水解酸化反应器后，开启液体循环泵I，将厨余垃圾厌氧消化过程中的水解酸化液体通过液体循环泵I以100mL/min的速度循环回水解酸化反应器，并且在厨余垃圾水解酸化液回流过程中经过一个调节罐，调节罐为水解酸化液体，每隔12h用质量百分浓度为5％的NaOH调节pH至7；
4、水解酸化反应器排放的水解酸化液体经过进料泵11进入产甲烷反应器，同时在产甲烷反应器上部出口排放相同进料体积的液体，产甲烷反应器通过液体循环泵II以50mL/min的速度将产甲烷反应器上部出口液体循环回产甲烷反应器进行搅拌，产甲烷反应器上部产气进入产气计量装置，产甲烷反应器在进料前首先通过产气计量装置读取产气量，产甲烷反应器的进料COD负荷控制在20g·(L·d)-1。
当此工艺稳定运行30天后，水解酸化阶段分别检测了COD、VFA浓度、乳酸浓度、水解酸化产物中有机酸组分乳酸、甲酸、乙酸、丙酸和丁酸采用高效液相色谱(2010A)进行测定，实验所用仪器为日本岛津公司产2010A型高效液相色谱，紫外检测器，C18反相色谱柱，CLASS-VP色谱工作站。流动相为体积比15％色谱纯甲醇和85％磷酸二氢钾缓冲溶液(15mmol/L，pH＝2.1)的混合液，流速1.5mL/min，检测波长为210nm，柱温为25℃，进样量为5μL。测试样品首先经过4.4μm滤纸和0.45μm滤膜过滤，根据需要用流动相进行稀释，超声脱气后进入仪器进行测定；产甲烷反应器出水分别检测了COD浓度、碳酸氢盐碱度、VFA组分和甲烷含量。产甲烷反应器气体体积通过排水法计量，其中甲烷含量由装有填充柱TDXl02的气相色谱(GC 14B)检测，实验仪器采用日本岛津公司产GC-14B型气相色谱仪，热导检测器，不锈钢填充柱(担体TDX一102，粒径60-80目，填充柱长2m×Φ2mm)。测定条件：柱温100℃，进样器温度100℃，检测器温度120℃，工作电流65mA，载气为氩气，流量20mL/min，进样量20μL。COD去除率分别由进料COD减出料COD浓度除以进料COD浓度。水解率是以水解酸化反应器排放的水解酸化上清液中的COD总量与进料总COD量的比值表示，酸化率以排放的水解酸化上清液中的VFA量(以COD计)与进料总COD量的比值表示。检测结果表明：水解酸化反应器中水解酸化液中COD浓度为50g/L，VFA浓度为30g/L，乳酸浓度为12g/L，水解率为85％，酸化率为50％，乳酸在出水COD中的比例占38％。产甲烷反应器稳定运行，COD去除率为93％，产气量为6.8L·(L·d)-1，甲烷占总产气体积的百分比为78％。
实施例3：
1、厨余垃圾首先破碎成浆液，测得总固体(TS)的质量百分比浓度为20％，挥发性固体(VS)组成占TS的质量百分比浓度为95％，进料厨余垃圾的pH为3.3，进料时将厨余垃圾用产甲烷反应器出水进行稀释，稀释后的厨余垃圾进料COD浓度为32g/L，水解酸化阶段水力停留时间为3天，厨余垃圾的进料COD负荷为20g·(L·d)-1；
2、厨余垃圾两相厌氧消化在有效容积为2L的玻璃反应器内进行，反应器如附图1所示。反应器由下部中空的细长部分和上部三相分离器组成。下部细长部分直径为60mm，高400mm；上部球形部分直径为150mm。厨余垃圾两相厌氧消化过程以间歇操作方式运行，水解酸化反应器每12h利用进料泵3从水解酸化反应器底部泵入，同时在水解酸化反应器上部出口排放相同进料体积水解酸化液体。水解酸化反应器中固体停留时间(SRT)控制在9d。
3、将厨余垃圾由水解酸化反应器下部泵入反应器后，开启液体循环泵I，将厨余垃圾厌氧消化过程中的水解酸化液体通过液体循环泵I以100mL/min的速度循环回水解酸化反应器，并且在厨余垃圾水解酸化液回流过程中经过一个调节罐，调节罐为水解酸化液体，每隔12h用质量浓度为5％的NaOH调节pH至7；
4、水解酸化反应器排放的水解酸化液体经过进料泵11进入产甲烷反应器，同时在产甲烷反应器上部出口排放相同进料体积的液体，产甲烷反应器通过液体循环泵II以50mL/min的速度将反应器上部出口液体循环回产甲烷反应器进行搅拌，产甲烷反应器上部产气进入产气计量装置，产甲烷反应器在进料前首先通过产气计量装置读取产气量，产甲烷反应器的进料COD负荷控制在20g·(L·d)-1。
当此工艺稳定运行30天后，水解酸化阶段分别检测了COD、VFA浓度、乳酸浓度、水解酸化产物中有机酸组分乳酸、甲酸、乙酸、丙酸和丁酸采用高效液相色谱(2010A)进行测定，实验所用仪器为日本岛津公司产2010A型高效液相色谱，紫外检测器，C18反相色谱柱，CLASS-VP色谱工作站。流动相为体积比15％色谱纯甲醇和85％磷酸二氢钾缓冲溶液(15mmol/L，pH＝2.1)的混合液，流速1.5mL/min，检测波长为210nm，柱温为25℃，进样量为5μL。测试样品首先经过4.4μm滤纸和0.45μm滤膜过滤，根据需要用流动相进行稀释，超声脱气后进入仪器进行测定；产甲烷反应器出水分别检测了COD浓度、碳酸氢盐碱度、VFA组分和甲烷含量。产甲烷反应器气体体积通过排水法计量，其中甲烷含量由装有填充柱TDXl02的气相色谱(GC 14B)检测，实验仪器采用日本岛津公司产GC-14B型气相色谱仪，热导检测器，不锈钢填充柱(担体TDX一102，粒径60-80目，填充柱长2m×Φ2mm)。测定条件：柱温100℃，进样器温度100℃，检测器温度120℃，工作电流65mA，载气为氩气，流量20mL/min，进样量20μL。COD去除率分别由进料COD减出料COD浓度除以进料COD浓度。水解率是以水解酸化反应器排放的水解酸化上清液中的COD总量与进料总COD量的比值表示，酸化率以排放的水解酸化上清液中的VFA量(以COD计)与进料总COD量的比值表示。检测结果表明：水解酸化反应器中水解酸化液中COD浓度为55g/L，VFA浓度为35g/L，乳酸浓度为19g/L，水解率为70％，酸化率为45％，乳酸在出水COD中的比例占30％。产甲烷反应器稳定运行，COD去除率为93％，产气量为6.8L·(L·d)-1，甲烷占总产气体积的百分比为78％。

Claims (3)

1.一种使用厨余垃圾处理装置处理厨余垃圾的方法，包括以下步骤：
所述处理装置由水解酸化反应器、产甲烷反应器、进料泵，输液管、液体循环泵I、液体循环泵II、产气计量装置和真空泵组成；
a.厨余垃圾首先破碎成浆液，再用产甲烷反应器的产甲烷出水稀释至设计浓度，此步骤为厌氧消化液相间循环；
b.水解酸化阶段和产甲烷阶段均以间歇操作方式运行：所述水解酸化反应器通过进料泵从所述水解酸化反应器底部泵入稀释后的厨余垃圾浆液，同时在所述水解酸化反应器上部出口排放相同进料体积水解酸化液体，所述水解酸化反应器中固体停留时间控制在9d；
c.将厨余垃圾由所述水解酸化反应器下部泵入后，开启所述液体循环泵I，将厨余垃圾厌氧消化过程中产生的水解酸化液体通过所述液体循环泵I以100mL/min的速度循环回所述水解酸化反应器，此步骤为厌氧消化液相内循环；
d.所述水解酸化反应器厌氧消化液相内循环为间歇操作方式，当厌氧消化液相内循环停止时所述水解酸化反应器排放的水解酸化液体经过所述进料泵进入所述产甲烷反应器，同时在所述产甲烷反应器上部出口排放相同进料体积的液体，所述产甲烷反应器通过所述液体循环泵II以50mL/min的速度将所述产甲烷反应器上部出口液体循环回所述产甲烷反应器中进行搅拌，所述产甲烷反应器上部产气进入所述产气计量装置；
e.所述产甲烷反应器在进料前首先通过所述产气计量装置读取产气量。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤c中厨余垃圾水解酸化液相内循环过程中经过一个调节罐，所述调节罐中为水解酸化液体，每隔12h用质量浓度为5％的NaOH调节pH至7。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述步骤a中所述厨余垃圾总固体质量百分比为10％，挥发性固体组成占总固体的质量百分比为95％，进料厨余垃圾的pH为3.9。
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