CN103740765B - 一种垃圾处理的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种垃圾处理的方法，包括：a、获得生物反应器中的上层曝气环境，并设置曝气次数以及每一曝气次数所需时间，进行上层曝气处理；b、完成设置曝气次数的上层曝气后，检测生物反应器内渗滤液的pH值大小；c、当渗滤液的pH值大于7时，停止上层曝气，收集生物反应器内产出的甲烷并待收集完成后，执行下一步骤d；当渗滤液的pH值小于7时，重新设置曝气次数以及每一曝气次数所需时间后，进行上层曝气处理，返回步骤b；d、重新开启并执行一次上层曝气，对垃圾进行降解处理。本发明实施例还公开了一种垃圾处理的系统。本发明实施例，解决了现有技术中上层曝气频率较大时产甲烷量减少以及上层曝气频率较小时垃圾处理时间较长的问题。

Description

一种垃圾处理的方法及系统
技术领域
本发明涉及环保技术和新能源开发利用领域，尤其涉及一种垃圾处理的方法及系统。
背景技术
社会经济的快速发展伴随着城市生活垃圾产生量的逐年增大，到2004年中国已经超过美国成为世界上垃圾产生量最大的国家，并预计以每年150%的增长率逐年增加，急剧积累的垃圾又反过来制约了城市化的进展。至目前为止，我国年产生活垃圾1.6亿吨（2011年），有超过2/3的城市正面临着垃圾围城现象的困扰，如何实现垃圾减量化、资源化和无害化成为现代科学研究的重点。垃圾是一种放错了位置的资源。城市生活垃圾中有机质含量丰富，废物降解的同时可产生大量绿色能源“沼气”用于发电供热，有效实现了垃圾处理处置与城市节能减排的双赢，为城市可持续发展做出重要贡献。
然而现实条件下，填埋场以及厌氧消化工艺中垃圾酸化现象严重，挥发性有机酸（volatile fatty acid ，简称VFA）的大量累积导致渗滤液pH下降、垃圾青贮现象、填埋场甲烷化进程的严重滞后和甲烷气体的收集效率低下等问题，研究一种加速有机废物产甲烷的方法具有重要意义和迫切需求。
垃圾上层曝气处理是一项实现填埋场快速降解和甲烷化互利共生的重要技术。上层曝气处理可有效减少酸化阶段高浓度VFA的累积，调节垃圾水解酸化与甲烷化过程之间的不平衡，促进产甲烷环境的迅速建立。此项技术中，曝气频率的选择至关重要。较大曝气频率，可加快垃圾降解速度，缩短预处理时间，但好氧过程有机质大量损失，累积产甲烷量减少，后期垃圾氧气利用率较低，经济性能较差；较小曝气频率，则可减少有机质损失、提高氧气利用率，但预处理时间也相应延长。因此，探究一种在不影响垃圾降解速度的前提下实现最大甲烷化的技术具有重要意义。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种垃圾处理的方法及系统，可以解决现有技术中上层曝气频率较大时产甲烷量减少以及上层曝气频率较小时垃圾处理时间较长的问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种垃圾处理的方法，其在垃圾处理的生物反应器中实现，所述方法包括：
a、获得所述生物反应器中的上层曝气环境，并设置曝气次数以及每一曝气次数所需时间，进行上层曝气处理；
b、完成所述设置曝气次数的上层曝气后，检测所述生物反应器内渗滤液的pH值大小；
c、当所述检测到的渗滤液的pH值大于7时，停止所述上层曝气，收集所述生物反应器内产出的甲烷并待所述甲烷收集完成后，执行下一步骤d；当所述检测到的渗滤液的pH值小于7时，重新设置所述曝气次数以及每一曝气次数所需时间后，进行所述上层曝气处理，返回步骤b；
d、重新开启并执行一次所述上层曝气，对垃圾进行降解处理。
其中，在所述步骤a之前，所述方法还包括步骤：在垃圾被送入所述生物反应器之前，对垃圾进行破碎处理。
其中，所述生物反应器中的上层曝气环境为所述生物反应器内形成上层好氧、中间缺氧、下层厌氧的环境。
其中，所述步骤c中“收集所述生物反应器内产出的甲烷”具体为：
所述收集所述生物反应器内产出的甲烷是在所述生物反应器内形成厌氧环境完成的。
其中，所述步骤c中“重新设置所述曝气次数以及每一曝气次数所需时间”具体包括：
检测所述生物反应器内当前氧气含量，计算出氧气消耗率，并判断所述氧气消耗率的变化值是否大于10%；
如果是，则下调所述曝气次数，将所述下调的曝气次数作为所述重新设置的曝气次数，所述每一曝气次数所需时间保持不变；如果否，则所述曝气次数以及每一曝气次数所需时间均保持不变。
其中，                                                ；其中，m为所述氧气消耗率，O2（0）为空气中的氧气含量，O2（1）为所述检测到的当前氧气含量。
其中，所述步骤d中“对垃圾进行降解处理”具体为：
对来自所述生物反应器内部的渗滤液进行脱氮处理，剩余垃圾进行稳定化处理。
本发明实施例还提供了一种垃圾处理的系统，所述系统包括：
设置单元，用于获得所述生物反应器中的上层曝气环境，并设置曝气次数以及每一曝气次数所需时间，进行上层曝气处理；
检测单元，用于完成所述设置曝气次数的上层曝气后，检测所述生物反应器内渗滤液的pH值大小；
收集单元，用于当所述检测到的渗滤液的pH值大于7时，停止所述上层曝气，收集所述生物反应器内产出的甲烷；
重设单元，用于当所述检测到的渗滤液的pH值小于7时，重新设置所述曝气次数以及每一曝气次数所需时间后，进行所述上层曝气处理；
处理单元，用于重新开启并执行一次所述上层曝气，对垃圾进行降解处理。
其中，所述系统还包括：预处理单元；
所述预处理单元，用于在垃圾被送入所述生物反应器之前，对垃圾进行破碎处理。
其中，所述重设单元具体包括：
检测判断模块，用于检测所述生物反应器内当前氧气含量，计算出氧气消耗率，并判断所述氧气消耗率的变化值是否大于10%；
下调设置模块，用于当所述氧气消耗率的变化值大于10%时，下调所述曝气次数，将所述下调的曝气次数作为所述重新设置的曝气次数，所述每一曝气次数所需时间保持不变。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1、本发明实施例的垃圾处理是在垃圾处理的生物反应器中实现，生物反应器内形成上层好氧、中间缺氧、下层厌氧的曝气环境，克服了传统卫生填埋或厌氧消化处理过程中垃圾降解速度慢、甲烷化严重滞后等问题，并通过对装填垃圾进行上层曝气预处理，有机酸累积现象得到较好缓解，垃圾酸化阶段缩短，降解速度显著提高，甲烷化过程明显加速；
2、不同于传统曝气方式，本发明实施例的曝气高度选为上层，可改善下层曝气停止后的再次酸化现象，实际操作性也较整体曝气方式有所提高，具有可观的市场价值和推广利用潜质；
3、本发明实施例可通过检测垃圾处理的生物反应器中的氧气消耗率，调整曝气次数以及时间，相比于大频率恒定曝气方式，本发明实施例实现的变频式曝气可以缩小实际受氧气影响的垃圾层范围，尽量减少有机质损失，提高氧气利用效率，节能效果有所改善；而相比于小频率恒定曝气方式，本发明实施例实现的变频式曝气则可缩短预处理时间，加速有机废物产甲烷环境的迅速建立，满足工业化要求。
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性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1本发明实施例提供的垃圾处理的方法中曝气次数为2与曝气次数为4时氧气利用率的对比图；
图2为本发明实施例提供的垃圾处理的方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的垃圾处理的系统的结构示意图；
图4为图3中重设单元的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
发明人发现，大频率恒定曝气方式可加快垃圾降解，利于甲烷化环境的迅速建立，但碳损失也较大，小频率恒定曝气方式，氧气利用率和消耗量减小幅度较小，处理时间过长。
如图1所示，为曝气次数为2，曝气次数为4时，氧气利用率的对比图，图中填埋场模拟生物反应器C1曝气频率次数设定为2次，填埋场模拟生物反应器C2曝气次数设定为4次。曝气次数不同的模拟生物反应器C1、C2，前12天内氧气利用率基本相同（80%-90%），氧气消耗量也维持在较高水平，模拟反应器C2实际消耗量21 L，约为模拟生物反应器C1的2倍。这表明曝气初期新鲜垃圾对氧气需求较大，模拟生物反应器C1和模拟生物反应器C2内实际供气量小于需求量，80-90%为此曝气速率下的最大氧气利用率。后随填埋时间的延长，两模拟生物反应器氧气利用能力出现较大区别，曝气频率较小的模拟生物反应器C1氧气消耗量和利用率略有下降（9.7 L，78%），模拟生物反应器C2氧气利用率则从90%迅速下降到55%，氧气消耗量也缩减为原来的三分之二（14 L），但仍高于模拟生物反应器C1。氧气利用能力的变化表明随垃圾降解程度的增大，模拟生物反应器内氧气需求量下降。C2生物反应器内垃圾降解程度较高，氧气利用率迅速降低，而C1模拟生物反应器内垃圾相对新鲜，氧气利用率和消耗量减小幅度较小。
综上可知，模拟生物反应器C1曝气次数较低，前期供氧相对不足；模拟生物反应器C2曝气次数较大，后期供氧过剩。提高曝气次数，可加快垃圾降解，利于甲烷化环境的迅速建立，但碳损失也较大。
如图2所示，本发明实施例中，提出一种垃圾处理的方法，其在垃圾处理的生物反应器中实现，所述方法包括：
步骤S201、获得所述生物反应器中的上层曝气环境，并设置曝气次数以及每一曝气次数所需时间，进行上层曝气处理；
具体过程为，在步骤S201之前还包括步骤：在垃圾被送入生物反应器之前，对垃圾进行破碎处理，以便于后续步骤中垃圾的快速降解。
将破碎处理后的垃圾装填进入生物反应器中，此时生物反应器中的上层曝气环境处于上层好氧、中间缺氧、下层厌氧的环境，生物反应器开始对垃圾进行上层曝气预处理，并设置曝气次数以及每一曝气次数所需时间，进行上层曝气处理。其中，设置的曝气次数为最大的曝气次数。例如：设置的曝气次数为6次，固定每次曝气时间为2小时，曝气速度为3.75 L/h.Kg，渗滤液原液直接回灌。其中：L单位为升，h单位为小时，Kg单位为公斤。
步骤S202、完成所述设置曝气次数的上层曝气后，检测所述生物反应器内渗滤液的pH值大小；
具体过程为，完成当天上层曝气的曝气次数后，检测生物反应器内渗滤液的pH值大小，即完成6次，每次2小时上层曝气处理后，检查渗滤液的pH值大小。
步骤S203、当所述检测到的渗滤液的pH值大于7时，停止所述上层曝气，收集所述生物反应器内产出的甲烷并待所述甲烷收集完成后，执行下一步骤S205；
具体过程为，一旦生物反应器内渗滤液的pH值升高到7以上时，停止上层曝气，生物反应器迅速进入产甲烷活性阶段。此时生物反应器内上层垃圾处于产甲烷环境，而下层垃圾则仍为酸化时期。通过渗滤液回灌，上层垃圾得到下层有机物的补给，而下层垃圾接受到上层微生物的接种和稀释作用，最终整个填埋场进行稳定高效产甲烷阶段；其中，收集生物反应器内产出的甲烷是在生物反应器内形成厌氧环境完成的。
步骤S204、当所述检测到的渗滤液的pH值小于7时，重新设置所述曝气次数以及每一曝气次数所需时间后，进行所述上层曝气处理，返回步骤S202；
具体过程为，停止曝气1~2小时后，通过监测气体装置对生物反应器内氧气O2含量进行检测，计算出氧气消耗率m，并判断氧气消耗率的变化值k是否大于10%；其中，氧气消耗率m= (空气中的氧气含量O2(0) –曝气后氧气含量 O2(1))/ 空气中的氧气含量O2(0) x100%，空气中的氧气含量O2(0) =21%；氧气消耗率的变化值k=前一天（第n-1天）氧气消耗率mn-1–当天(第n天)氧气消耗率mn。
如果氧气消耗率的变化值k＞10%，则下调曝气次数，将下调的曝气次数作为设置的曝气次数，每一曝气次数所需时间保持不变；如果k≤10%，则曝气次数以及每一曝气次数所需时间均保持不变。其中，下调曝气次数可以依次递减相同的数量n，或是按需进行递减，n为正整数。
例如：实验初始设定一天内的曝气次数为6次，每次上层曝气2个小时，停止曝气1个小时后测定反应器内的氧气含量，并检测渗滤液的pH值。如果检测到渗滤液的pH值<7且得到的氧气消耗率的变化值k≤10%，则保持原有设定不变，并每天在同一时间内进行氧气和pH的测定。直到第n天，氧气消耗率的变化值k＞10%且pH值<7，下调曝气次数为5，曝气时间保持不变。以此类推，当pH值<7且得到的氧气消耗率的变化值k再次大于10%后，即完成曝气次数为5次的设定，下调曝气次数为4次，曝气时间保持不变。
按照此规律，随生物反应器运行时间的延长，填埋垃圾稳定化程度逐渐增加，氧气需求量也慢慢减少，此时曝气频率从4次依次下降为3次、2次和1次等，直到完成设置的曝气次数后，检测渗滤液的pH值＞7为止。
步骤S205、重新开启并执行一次所述上层曝气，对垃圾进行降解处理。
具体过程为，重新开启上层曝气并执行一次，对来自生物反应器内部的渗滤液进行脱氮处理，剩余垃圾进行稳定化处理，以实现垃圾的无害化。残留垃圾填埋进入附近的填埋场中，渗滤液输送到城市污水处理厂中再进行深度处理。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1、本发明实施例的垃圾处理是在垃圾处理的生物反应器中实现，生物反应器内形成上层好氧、中间缺氧、下层厌氧的曝气环境，克服了传统卫生填埋或厌氧消化处理过程中垃圾降解速度慢、甲烷化严重滞后等问题，并通过对装填垃圾进行上层曝气预处理，有机酸累积现象得到较好缓解，垃圾酸化阶段缩短，降解速度显著提高，甲烷化过程明显加速；
2、不同于传统曝气方式，本发明实施例的曝气高度选为上层，可改善下层曝气停止后的再次酸化现象，实际操作性也较整体曝气方式有所提高，具有可观的市场价值和推广利用潜质；
3、本发明实施例可通过检测垃圾处理的生物反应器中的氧气消耗率，调整曝气次数以及时间，相比于大频率恒定曝气方式，本发明实施例实现的变频式曝气可以缩小实际受氧气影响的垃圾层范围，尽量减少有机质损失，提高氧气利用效率，节能效果有所改善；而相比于小频率恒定曝气方式，本发明实施例实现的变频式曝气则可缩短预处理时间，加速有机废物产甲烷环境的迅速建立，满足工业化要求。
如图3所示，本发明实施例还提供了一种垃圾处理的系统，所述系统包括：设置单元310、检测单元320、收集单元330、重设单元340和处理单元350。
设置单元310，用于获得所述生物反应器中的上层曝气环境，并设置曝气次数以及每一曝气次数所需时间，进行上层曝气处理；
检测单元320，用于完成所述设置曝气次数的上层曝气后，检测所述生物反应器内渗滤液的pH值大小；
收集单元330，用于当所述检测到的渗滤液的pH值大于7时，停止所述上层曝气，收集所述生物反应器内产出的甲烷；
重设单元340，用于当所述检测到的渗滤液的pH值小于7时，重新设置所述曝气次数以及每一曝气次数所需时间后，进行所述上层曝气处理；
处理单元350，用于重新开启并执行一次所述上层曝气，对垃圾进行降解处理。
其中，系统还包括：预处理单元360；
预处理单元360，用于在垃圾被送入所述生物反应器之前，对垃圾进行破碎处理。
其中，重设单元340具体包括：
检测判断模块3401，用于检测生物反应器内当前氧气含量，计算出氧气消耗率，并判断氧气消耗率的变化值是否大于10%；
下调设置模块3402，用于当氧气消耗率的变化值大于10%时，下调曝气次数，将下调的曝气次数作为重新设置的曝气次数，每一曝气次数所需时间保持不变。
本发明实施例的系统中通过预处理单元360在垃圾被送入生物反应器之前，对垃圾进行破碎处理后，在获得生物反应器中的上层曝气环境，通过设置单元310设置曝气次数以及每一曝气次数所需时间，进行上层曝气处理；待完成设置曝气次数的上层曝气后，通过检测单元320检测生物反应器内渗滤液的pH值大小，当检测到的渗滤液的pH值大于7时，停止上层曝气，通过收集单元330收集生物反应器内产出的甲烷，待甲烷收集完成后，重新开启并执行一次上层曝气，通过处理单元350对垃圾进行降解处理；当检测到的渗滤液的pH值小于7时，通过重设单元340重新设置曝气次数以及每一曝气次数所需时间后，进行上层曝气处理，并返回检测单元320检测生物反应器内渗滤液的pH值大小，直到检测到的渗滤液的pH值大于7时为止，从而可以解决现有技术中垃圾降解速度严重滞后及甲烷气体的收集效率低下的问题。
值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垃圾处理的方法，其特征在于，其在垃圾处理的生物反应器中实现，所述方法包括：
a、获得所述生物反应器中的上层曝气环境，并设置曝气次数以及每一曝气次数所需时间，进行上层曝气处理；
b、完成所述设置曝气次数的上层曝气后，检测所述生物反应器内渗滤液的pH值大小；
c、当所述检测到的渗滤液的pH值大于7时，停止所述上层曝气，收集所述生物反应器内产出的甲烷并待所述甲烷收集完成后，执行下一步骤d；当所述检测到的渗滤液的pH值小于7时，重新设置所述曝气次数以及每一曝气次数所需时间后，进行所述上层曝气处理，返回步骤b；
d、重新开启并执行一次所述上层曝气，对垃圾进行降解处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤a之前，所述方法还包括步骤：在垃圾被送入所述生物反应器之前，对垃圾进行破碎处理。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物反应器中的上层曝气环境为所述生物反应器内形成上层好氧、中间缺氧、下层厌氧的环境。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c中“收集所述生物反应器内产出的甲烷”具体为：
所述收集所述生物反应器内产出的甲烷是在所述生物反应器内形成厌氧环境完成的。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c中“重新设置所述曝气次数以及每一曝气次数所需时间”具体包括：
检测所述生物反应器内当前氧气含量，计算出氧气消耗率，并判断所述氧气消耗率的变化值是否大于10％；
如果是，则下调所述曝气次数，将所述下调的曝气次数作为所述重新设置的曝气次数，所述每一曝气次数所需时间保持不变；如果否，则所述曝气次数以及每一曝气次数所需时间均保持不变。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，m＝(O2(0)-O2(1))/O2(0)×100％；其中，m为所述氧气消耗率，O2(0)为空气中的氧气含量，O2(1)为所述检测到的当前氧气含量。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤d中“对垃圾进行降解处理”具体为：
对来自所述生物反应器内部的渗滤液进行脱氮处理，剩余垃圾进行稳定化处理。
8.一种垃圾处理的系统，其特征在于，所述系统包括：
设置单元，用于获得所述生物反应器中的上层曝气环境，并设置曝气次数以及每一曝气次数所需时间，进行上层曝气处理；
检测单元，用于完成所述设置曝气次数的上层曝气后，检测所述生物反应器内渗滤液的pH值大小；
收集单元，用于当所述检测到的渗滤液的pH值大于7时，停止所述上层曝气，收集所述生物反应器内产出的甲烷；
重设单元，用于当所述检测到的渗滤液的pH值小于7时，重新设置所述曝气次数以及每一曝气次数所需时间后，进行所述上层曝气处理；
处理单元，用于重新开启并执行一次所述上层曝气，对垃圾进行降解处理。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：预处理单元；
所述预处理单元，用于在垃圾被送入所述生物反应器之前，对垃圾进行破碎处理。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述重设单元具体包括：
检测判断模块，用于检测所述生物反应器内当前氧气含量，计算出氧气消耗率，并判断所述氧气消耗率的变化值是否大于10％；
下调设置模块，用于当所述氧气消耗率的变化值大于10％时，下调所述曝气次数，将所述下调的曝气次数作为所述重新设置的曝气次数，所述每一曝气次数所需时间保持不变。
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