CN103624066B - 一种半干式餐厨垃圾连续处理系统及其处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半干式餐厨垃圾处理系统及利用该系统处理餐厨垃圾的方法，包括依次连接的粉碎单元、进料单元、厌氧消化单元和气体净化收集单元，所述厌氧消化单元设有搅拌装置、外壁设有保温装置，所述厌氧消化单元还连接有酸碱中和装置和曝气混合装置。本发明所述的半干式餐厨垃圾处理系统具有连续进料和出料的功能、以及气液固分离特点，有效缩短了厌氧处理有机废弃物的发酵周期，充分提高了厌氧处理效率，处理周期从批次处理的35-45天缩短至4天，连续处理有机固体废弃物的含水率可以达到80%~95%，甲烷产率可达472L/Kg挥发性固体，甲烷体积含量可达73.1%，餐厨垃圾减容率达到50%以上。
Description
技术领域
本发明涉及垃圾处理技术领域，特别是一种餐厨垃圾连续处理系统。
背景技术
固体有机废弃物的处置与资源化，一直是环保领域的一个重要议题。目前固体有机废弃物如餐厨的数量近年大幅攀升。对于这些富含有机质的固体废弃物通常采用填埋、堆肥以及焚烧的方式进行处理，费时费力，产生的各种恶臭废气会严重污染环境，并且也没有充分回收利用其中的能源物质。厌氧处理技术在废水领域已经获得了极大的成功，而其也是目前处理固体有机废弃物的主流技术。利用固体有机废弃物生产沼气，一方面不仅可以直接对有机固体废弃物进行减容，同时可以获得大量的清洁能源沼气以及有机肥料等。但是目前现有的各种厌氧反应器设施和设备，主要是针对各种高浓度的有机工业废水进行设计和制造的，很少有适合于有机固体废弃物厌氧消化处理的技术方法和设备。近10年的文献也表明，现有的用于厌氧处理餐厨以及其他固废有机废弃物的反应器均为干法非连续操作(含水率小于80%)以及湿法操作(含水率大于90%)，特别是我国餐厨垃圾的含水率在80%左右，导致我国厌氧处理餐厨的生产效率低以及设备运行不稳定。因此设计出能够连续处理低含水率餐厨的技术方法和设备、有效提高厌氧消化和能源物质回收效率，是当前餐厨处理技术领域的一个新课题。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种半干式餐厨垃圾连续处理系统，解决现有餐厨垃圾处理效率低、设备运行不稳定等问题。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
一种半干式餐厨垃圾处理系统，包括依次连接的粉碎单元、进料单元、厌氧消化单元和气体净化收集单元，所述厌氧消化单元设有搅拌装置、外壁设有保温装置，所述厌氧消化单元还连接有酸碱中和装置和曝气混合装置。
进一步的，所述搅拌装置包括安装在所述厌氧消化单元内部的搅拌轴和位于所述厌氧消化单元一侧的搅拌电机。
进一步的，所述保温装置由设置在所述厌氧消化单元外壁的夹套、位于夹套内的加热介质、用于输送加热介质的输送泵及介质加热器组成。
进一步的，所述酸碱中和装置包括酸碱储罐、微电脑控制器和pH探头；所述酸碱储罐的出液口通过电磁阀与所述厌氧消化单元连通；所述pH探头安装于所述厌氧消化单元内部；所述微电脑控制器通过信号线分别连接电磁阀和pH探头。
进一步的，所述气体净化收集单元包括依次连接的水汽分离器、气体净化器、气体流量器，所述水汽分离器的入口通过阀门与所述厌氧消化单元相连。
进一步的，所述进料单元包括具有搅拌功能的进料斗和计量泵，所述进料斗上半部为圆柱形、下半部为圆锥形，所述上半部与下半部的连接处设置有出料口，所述出料口连接所述计量泵，所述进料斗底部还设置有出料阀门。
进一步的，所述曝气混合装置包括通过管路依次连接的储气罐、高压气体喷射泵和阀门，所述管路的气体喷射口位于所述厌氧消化单元内部。
进一步的，所述厌氧消化单元为卧式厌氧反应罐，其一端采用密封片、法兰板和紧固螺栓组成可拆式结构。
进一步的，所述气体净化收集单元与所述厌氧消化单元通过气液固分离器连接，所述气液固分离器由分离腔、位于分离腔一端端部的网格挡板和位于分离腔另一端的出气口组成。
一种利用半干式餐厨垃圾处理系统进行餐厨垃圾处理的方法，包括如下步骤：
1)将餐厨垃圾放入粉碎单元进行粉碎形成物料；
2)将物料送入进料单元，并调节物料的含水率至80%~95%；
3)经计量泵将物料送入厌氧消化单元，并加入物料质量5%的污泥及物料质量0.8%的碳酸钙；
4)启动曝气混合装置，对厌氧消化单元内的物料进行曝气除氧，完成厌氧消化单元的启动；
5)厌氧消化单元启动后，控制连续进料和出料的速度，完成餐厨垃圾的厌氧消化及沼气的获取。
与现有技术相比，本发明技术方案的优点在于：
1、预处理过程中不需要对餐厨垃圾进行油水分离、轻重组分分离等工艺，节省了设备的投资、能源和人力资源的消耗，又可以实现对餐厨中多种组分的共处理；
2、可以对含水率在80%-95%的餐厨垃圾进行有效厌氧消化产气，因此有效节省了厌氧消化单元的容积；
3、具有加热和保温系统，可以最大限度的根据生产需要进行温度的调控，提高厌氧消化发酵效率；
4、厌氧消化单元装有慢速搅拌和曝气混合装置，可以有效对厌氧消化单元内部的物料进行混合，避免局部的酸化导致的消化速率降低的问题；
5、采用气液固分离器，具有气液固分离作用，有效防止沼渣等颗粒物进入排气管路造成堵塞的情况；
6、具有占地小、方便移动、操作简单以及制造成本小等优点。
附图说明
图1为本发明所述半干式餐厨垃圾处理系统示意图；
图2为本发明所述厌氧消化单元结构示意图；
图3为本发明所述气液固分离器示意图；
图4为本发明一具体实施例中所述半干式餐厨垃圾处理系统运行过程中甲烷的体积含量变化图。
具体实施方式
本发明的发明人发现现有的餐厨垃圾厌氧消化处理设备大多采用干法或湿法非连续操作方式，并且均需经过对餐厨垃圾进行分拣以及固液分离后，对分离出的水分仅是除去油后便排入下水道，而对分离出的固体成分大多则进行填埋或者焚烧，极易造成周围环境水体、土壤以及大气环境的污染。这种餐厨垃圾处理方式，不仅因为水分中含有有机成分易对下水道造成污染，也增加了城市公共污水处理设施的负担，而且不能回收餐厨垃圾中的能源物质，既浪费又不环保。
针对上述问题，本发明的发明人提出一种解决的技术方案，具体如下：一种半干式餐厨垃圾处理系统，包括依次连接的粉碎单元、进料单元、厌氧消化单元和气体净化收集单元，所述厌氧消化单元设有搅拌装置、外壁设有保温装置，所述厌氧消化单元还连接有酸碱中和装置和曝气混合装置。
本发明实施例通过设置厌氧消化单元，将粉碎后的餐厨垃圾进行厌氧发酵反应，同时利用酸碱中和装置对餐厨垃圾进行酸碱调节、利用曝气混合装置对厌氧消化单元进行氧气清除以维持无氧环境，促进厌氧发酵反应；并且，利用气体净化收集单元对厌氧发酵反应产生的气体进行净化回收利用，从而保证整个餐厨垃圾处理过程高效率、无污染地进行。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
结合图1、图2和图3所示，一种半干式餐厨垃圾处理系统，包括依次连接的粉碎单元1、进料单元2、厌氧消化单元3和气体净化收集单元，所述厌氧消化单元3还连接有酸碱中和装置和曝气混合装置。
所述粉碎单元1内部安装有粉碎刀辊，通过电机带动转动，对餐厨垃圾进行粉碎。
所述进料单元2包括具有搅拌功能的进料斗21和计量泵22，所述进料斗21上半部为圆柱形、下半部为圆锥形，所述上半部与下半部的连接处设置有出料口，所述出料口连接所述计量泵22，所述进料斗21底部还设置有出料阀门23。所述出料阀门23用于定期清理沉积在进料斗21底部的骨头渣等废弃物。
所述厌氧消化单元3为卧式厌氧反应罐，其内部配有转桶式的机械搅拌轴31，外壁32和内壁33之间设有保温夹套34，夹套34内装有保温介质（如热水）。所述保温夹套34通过管道、阀门与保温介质加热器341和介质输送泵342形成循环连通，所述加热器341内部具有加热棒以维持保温介质的温度。
为了便于拆卸维修，所述厌氧消化单元3的一端采用密封片301、法兰板302和紧固螺栓303固定形成可拆式结构。检修时，依次拆下紧固螺栓303、法兰板302、密封圈301和搅拌器支撑结构39，即可以拿出搅拌器31，进而可以对厌氧消化单元3各部件进行维护和加工。
其中，所述厌氧消化单元3的底部设计有与竖直方向夹角为30°的出料口304，同时安装有大直径的阀门305，可以方便出料。所述出料口304具有一定的倾斜角度，使得每次出料后可以保留一定的剩余物作为连续式或者下一批待处理物料的接种物，有助于快速启动厌氧消化单元3。
其中，所述厌氧消化单元3顶部设有物料进口306，用于向厌氧消化单元3加入待处理物料，即餐厨垃圾。所述厌氧消化单元3的一侧还安装有流体计量泵307进行连续出料,同时也可以通过计量泵307的出口取样，完成对体系内的物料的COD、氨氮等参数进行分析。
为了增强厌氧反应罐的承重能力，在外壁32和内壁33之间还设置有支撑块35，所述支撑块35数量为4至8块，均匀分布在厌氧反应罐周侧。
所述搅拌轴31和位于所述厌氧消化单元一侧的搅拌电机36通过轴承37和轴承密封装置38相接，防止搅拌轴31在运行过程中的摆动以及厌氧反应罐发生泄露。厌氧反应罐内腔还设置有4根辐条式加强筋39，用于支撑搅拌轴31的安装，防止搅拌轴31在运行过程中的摆动对厌氧反应罐内壁可能造成的损伤。
所述酸碱中和装置包括酸碱储罐51、微电脑控制器52和pH探头53；所述酸碱储罐51的出液口通过电磁阀54与所述厌氧消化单元3连通；所述pH探头53安装于所述厌氧消化单元3内部；所述微电脑控制器52通过信号线分别连接电磁阀54和pH探头53。所述酸碱储罐51根据整个处理系统运行状况，储存相应的化学药剂如NaOH、CaOH或者HCl等。所述pH探头53将探测到的pH值反馈给微电脑控制器52，微电脑控制器52则根据设定的pH值范围，控制电磁阀54的开启，通过酸碱储罐51中的酸碱液调节厌氧消化单元3内部的pH值，使其在设定的范围内，保证反应的顺利进行。另外，所述厌氧消化单元3内部还安装有温度探头55，所述温度探头55通过信号线与微电脑控制器52连接，并将测得的温度信号反馈给微电脑控制器52，所述微电脑控制器52根据获得的温度信号控制加热器341开启与关闭，从而实现对厌氧消化单元3内部温度进行调节。
所述曝气混合装置包括通过管路依次连接的储气罐61、高压气体喷射泵62和阀门63。其中，位于所述厌氧消化单元3内部的管路设有气体喷射口（未示出），并且为了防止储气罐61内部压力过大而发生意外，在储气罐61顶部设置有安全阀64。
所述气体净化收集单元包括依次连接的水汽分离器41、气体净化器42、气体流量器43，所述水汽分离器41的入口通过阀门44与所述厌氧消化单元3相连。经过气体净化器42处理后的气体经气体流量器43进入储气罐61，为曝气混合装置提供所需气体。其中，所述气体净化收集单元与所述厌氧消化单元3通过气液固分离器45连接，所述气液固分离器45由分离腔451、位于分离腔451一端端部的网格挡板452和位于分离腔451另一端的出气口453组成；所述气液固分离器45通过紧固螺栓、密封片和法兰板固定密封。当携带水汽的气体通过网格挡板452后在分离腔451内进行初次分离，气体通过出气口453进入到气体净化收集单元的管路，液体则通过网格挡板452回流到厌氧消化单元3内部；同时网格挡板452还可以阻挡搅拌过程中大颗粒物质或者纤维物质进入到分离腔451和出气口453，有效保证气体管路的畅通。
在一具体实施例中，所述厌氧消化单元由PP材质的塑料及不锈钢金属制成，其中内壁和外壁均采用PP塑料，直径分别为800mm和1000mm,长1000mm，其中内壁形成的有效容积为500L。为了便于维护和检修，所述厌氧消化单元的一端采用法兰安装结构，所述法兰板的直径和厚度分别为1100mm和10mm，并通过40套不锈钢m14×50的紧固螺栓紧固。在外壁底部与竖直方向成夹角30度的方向上装有直径为100mm的出料口，其长度为100mm。在厌氧消化单元的顶部安装有直径为100mm且高度为100mm的进料口。在厌氧消化单元的底部、顶部和侧面分别设置有直接为20mm的保温介质进口、出口、物料出口、温度探头和pH探头接口。为了提高系统处理固体有机废弃物厌氧消化的效率，设计了搅拌系统。在厌氧消化单元内部装有长900mm，宽为760mm的转桶式搅拌装置，搅拌装置的搅拌轴桨叶有效宽度为50mm。通过搅拌电机和直径为60mm的轴承传动，桨叶以0-100r/min的速度旋转。同时为了防止搅拌轴在转动过程中的摆动，设置有中心辐射辐条式稳定装置与内壁相连接，其大小为直径800mm。为了防止厌氧消化单元内物料过重导致内壁损坏，在外壁和内壁之间加有厚度为100mm，长度为200mm的支撑块35共计4根。整个厌氧消化单元安装在高度为300mm的不锈钢金属支架上。
本发明还提供了一种利用上述半干式餐厨垃圾处理系统进行餐厨垃圾处理的方法，包括如下步骤：1、将餐厨垃圾放入粉碎单元进行粉碎形成物料；2、将物料送入进料单元，并调节物料的含水率至80%~95%；3、经计量泵将物料送入厌氧消化单元，并加入物料质量5%的污泥及物料质量0.8%的碳酸钙；4、启动曝气混合装置，对厌氧消化单元内的物料进行曝气除氧，完成厌氧消化单元的启动；5、厌氧消化单元启动后，控制连续进料和出料的速度，完成餐厨垃圾的厌氧消化及沼气的获取。
在一具体实施例中，将取自某事业单位餐厅的餐厨垃圾中的金属易拉罐和玻璃瓶垃圾清除后进行粉碎，并检测粉碎后餐厨垃圾的TS（总固体）和VS（挥发性固体）含量分别为20.1%和89.4%；作为接种物的剩余污泥取自某市政污水处理厂，其TS和VS含量分别为29%和63.1%。将粉碎后的餐厨垃圾99.5Kg、剩余污泥10Kg和自来水100Kg混合，调整pH在7.5左右后，一起装入厌氧消化单元。开启搅拌装置(搅拌频率为每次10分钟，每天1-6次)气体净化收集单元，并进行测量和温控，体系的温度控制在40摄氏度左右，开始厌氧消化单元的启动及驯化。当运行4天后，开始连续进料20Kg，其中含餐厨垃圾4Kg，进料频率为4天/批，直至厌氧消化单元内物料占厌氧消化单元总容积的60%。当厌氧消化单元运行44天后，进料的同时，开启安装在厌氧消化单元一侧的流体计量泵进行连续出料，并且分别在62天和73天调整进料量中餐厨垃圾的含量为6Kg和8Kg。厌氧消化单元运行过程中甲烷的体积含量变化如图4所示，从第4天的24.1%迅速增加至第6天的52.5，甲烷最高体积含量可达73.1%，且稳定运行阶段日产气量最高可达462L/天，甲烷产率可达472L/Kg挥发性固体，餐厨垃圾减容率达到50%以上。
本发明所述半干式餐厨垃圾处理系统及处理方法，具有如下的优点和有益效果：
1、预处理过程中不需要对餐厨垃圾进行油水分离、轻重组分分离等工艺，节省了设备的投资、能源和人力资源的消耗，又可以实现对餐厨中多种组分的共处理；
2、可以对含水率在80%-95%的餐厨垃圾进行有效厌氧消化产气，因此有效节省了厌氧消化单元的容积；
3、具有加热和保温系统，可以最大限度的根据生产需要进行温度的调控，提高厌氧消化发酵效率；
4、厌氧消化单元装有慢速搅拌和曝气混合装置，可以有效对厌氧消化单元内部的物料进行混合，避免局部的酸化导致的消化速率降低的问题；
5、采用气液固分离器，具有气液固分离作用，有效防止沼渣等颗粒物进入排气管路造成堵塞的情况；
6、具有占地小、方便移动、操作简单以及制造成本小等优点。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种半干式餐厨垃圾处理系统，包括依次连接的粉碎单元、进料单元、厌氧消化单元和气体净化收集单元，其特征在于，所述厌氧消化单元为卧式厌氧反应罐，该反应罐设有搅拌装置，反应罐的外壁和内壁之间设有保温夹套，卧式厌氧反应罐一端采用密封片、法兰板和紧固螺栓组成可拆式结构，所述厌氧消化单元的底部设计有倾斜角度的出料口，所述厌氧消化单元还连接有酸碱中和装置和曝气混合装置。
2.根据权利要求1所述的半干式餐厨垃圾处理系统，其特征在于，所述搅拌装置包括安装在所述厌氧消化单元内部的搅拌轴和位于所述厌氧消化单元一侧的搅拌电机。
3.根据权利要求1所述的半干式餐厨垃圾处理系统，其特征在于，所述保温夹套内装有保温介质，保温夹套通过管道、阀门与保温介质加热器和介质输送泵形成循环连通，所述加热器内部具有加热棒以维持保温介质的温度。
4.根据权利要求1所述的半干式餐厨垃圾处理系统，其特征在于，所述酸碱中和装置包括酸碱储罐、微电脑控制器和pH探头；所述酸碱储罐的出液口通过电磁阀与所述厌氧消化单元连通；所述pH探头安装于所述厌氧消化单元内部；所述微电脑控制器通过信号线分别连接电磁阀和pH探头。
5.根据权利要求1所述的半干式餐厨垃圾处理系统，其特征在于，所述气体净化收集单元包括依次连接的水汽分离器、气体净化器、气体流量器，所述水汽分离器的入口通过阀门与所述厌氧消化单元相连。
6.根据权利要求1所述的半干式餐厨垃圾处理系统，其特征在于，所述进料单元包括具有搅拌功能的进料斗和计量泵，所述进料斗上半部为圆柱形、下半部为圆锥形，所述上半部与下半部的连接处设置有出料口，所述出料口连接所述计量泵，所述进料斗底部还设置有出料阀门。
7.根据权利要求1所述的半干式餐厨垃圾处理系统，其特征在于，所述曝气混合装置包括通过管路依次连接的储气罐、高压气体喷射泵和阀门，所述管路的气体喷射口位于所述厌氧消化单元内部。
8.根据权利要求1所述的半干式餐厨垃圾处理系统，其特征在于，所述气体净化收集单元与所述厌氧消化单元通过气液固分离器连接，所述气液固分离器由分离腔、位于分离腔一端端部的网格挡板和位于分离腔另一端的出气口组成。
9.一种利用权利要求1所述半干式餐厨垃圾处理系统进行餐厨垃圾处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将餐厨垃圾放入粉碎单元进行粉碎形成物料；
2）将物料送入进料单元，并调节物料的含水率至80%~95%；
3）经计量泵将物料送入厌氧消化单元，并加入物料质量5%的污泥及物料质量0.8%的碳酸钙；
4）启动曝气混合装置，对厌氧消化单元内的物料进行曝气除氧，完成厌氧消化单元的启动；
5）厌氧消化单元启动后，控制连续进料和出料的速度，完成餐厨垃圾的厌氧消化及沼气的获取。
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