CN104004791A - 一种结合微生物电解池和微生物电池耦合两相厌氧强化处理厨余垃圾的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合微生物电解池和微生物电池耦合两相厌氧强化处理厨余垃圾的方法及装置：(1)经过预处理的厨余垃圾进入微生物电解池和产酸相耦合的产酸反应器中，同时加入驯化后的厌氧污泥，外加电场进行水解酸化反应，得到水解酸化上清液和沼渣，收集电极阴极产生的氢气；(2)水解酸化上清液离心后调节其pH值，然后送入微生物电池和产甲烷相耦合的产甲烷反应器中，产甲烷相溶液、微生物电池正极、微生物电池负极和外加储电设备构成微生物电池，同时形成电场促进产甲烷相微生物的产甲烷活性，收集甲烷；微生物电池产生的电能用于步骤(1)中。本发明实现了厨余垃圾的快速发酵处理过程中同时收集甲烷和氢气，实现其高效资源化处理。

Description

一种结合微生物电解池和微生物电池耦合两相厌氧强化处理厨余垃圾的方法及装置

技术领域

本发明属于固体废物处理工艺领域，尤其是涉及一种结合微生物电解池和微生物电池耦合两相厌氧工艺强化处理厨余的装置及方法。 

背景技术

厨余垃圾在我国生活垃圾中占据了主要的部分，而且和一般的生活垃圾相比具有高有机质含量、高含水率、高油脂和高含盐量等显著特点。将厨余和一般生活垃圾混合处理不仅浪费资源，还会在收运过程中造成二次污染，且不利于最终生活垃圾的处理与处置。 

例如，公告号为CN102921703A的中国发明专利申请文献公开了一种用于好氧发酵工艺技术物料生化处理前的分选工艺和系统。厨余垃圾预处理工艺包括以下步骤：将厨余垃圾送入受料机，并分离出厨余垃圾中的渗沥液；受料机将厨余垃圾输送至破袋布料机，破袋布料机对厨余垃圾进行破袋处理，将袋装的垃圾打散，并分拣出垃圾袋；通过磁选设备对掺杂在物料中的铁器磁选筛除，通过人工分选物料中的大件无机物；用破碎机对分选后的物料进行破碎处理；用挤压脱水机对破碎后的物料脱水处理，脱水后的物料送入备料仓。 

公告号为CN102989746A的中国发明专利申请文献公开了一种厨余垃圾的处理装置，所述厨余垃圾的处理装置包括：(a)具有入料口和粉碎料出口的粉碎装置；(b)具有粉碎料入口和滤渣出口的分离装置，所述分离装置的粉碎料入口与所述粉碎装置的粉碎料出口连通；(c)具有滤渣入口和干燥物出口的干燥装置，所述干燥装置的滤渣入口与所述分离装置的滤渣出口定时连通；其中，所述分离装置内部设置有可定时开闭的过滤部件和排水管。 

公告号为CN103100550A的中国发明专利申请文献公开了一种厨余垃圾的处理方法。该处理方法包括如下步骤：将厨余垃圾输送至水解罐中进 行水解；将经所述水解后的熟料输送至破碎压榨机中进行破碎和压榨；将所述压榨后的浆体输送至厌氧消化反应器进行厌氧消化即实现对厨余垃圾的处理。 

厌氧处置作为一种有机废物资源化的手段，适用范围较广，厨余采用厌氧处理不需要进行脱水和其它调理处理，只需要将其打浆然后调节含固比即可投入厌氧反应器中。厨余厌氧发酵不仅能够利用有机质，还能产生甲烷气，发酵的残余物还能作为有机肥。 

发明内容

本发明提供了一种结合微生物电解池和微生物电池耦合两相厌氧强化处理厨余垃圾的方法及装置，结合微生物电解池、微生物电池和两相厌氧耦合处理厨余垃圾的技术，能够实现厨余垃圾的快速发酵处理过程中同时收集甲烷和氢气，实现其高效资源化处理。 

一种结合微生物电解池和微生物电池耦合两相厌氧强化处理厨余垃圾的方法，包括如下步骤： 

(1)经过预处理的厨余垃圾进入微生物电解池和产酸相耦合的产酸反应器中，同时加入驯化后的厌氧污泥，外加电场，在驯化后的厌氧污泥的作用下进行水解酸化反应，得到水解酸化上清液和沼渣，收集微生物电解池的电极阴极产生的氢气； 

(2)步骤(1)得到的水解酸化上清液离心后调节其pH值，然后送入微生物电池和产甲烷相耦合的产甲烷反应器中，产甲烷反应器中的产甲烷相溶液、微生物电池正极、微生物电池负极和外加储电设备构成微生物电池，同时形成电场促进产甲烷相微生物的产甲烷活性，反应结束后收集甲烷；该步骤中微生物电池产生的电能用于步骤(1)中构建电场。 

本发明将产酸反应与微生物电解池耦合，产甲烷反应与微生物电池耦合，将产甲烷相产生的电能用于产酸相，使得其中微生物在电场作用下活性更高，从而提升产酸相的效率；同时在产甲烷相，由于同样存在电流，同样使得其中微生物处于电场作用下，相应微生物活性也更高。 

反应原理如下： 

微生物电解池和产酸相耦合反应：经过筛选、破碎和调节含固比的厨余垃圾进入微生物电解池和产酸相耦合反应器中在驯化后的厌氧污泥的 作用下进行产酸阶段的反应，在由微生物电池和产甲烷相耦合反应提供电能形成的外加电场的作用下，使得微生物电解池和产酸相耦合反应器中微生物的活性提高，厨余水解酸化的程度提高，在微生物电解池的阴极产生氢气；微生物电解池和产酸相耦合反应器中沼渣将被作为有机肥料得到应用； 

微生物电池和产甲烷相耦合反应：微生物电解池和产酸相耦合反应的水解酸化上清液经过离心后进入微生物电池和产甲烷相耦合反应器，在电流强度为30mA～60mA下运行15d，完成微生物电解池和产酸相耦合反应器的启动。产甲烷相溶液、微生物电池正极、微生物电池负极和储电设备构成微生物电池，同时形成电场促进产甲烷相微生物的产甲烷活性，使得甲烷的产率得到提升；微生物电池产生的电能被用于微生物电解池和产酸相耦合反应中构建电场。 

厌氧过程可以分为两个阶段：产酸阶段和产甲烷阶段。这两个阶段的最适反应条件存在显著差异，产酸阶段适应的pH范围较宽，但产甲烷阶段的适宜pH范围为6.8～7.2之间，因此为了提高处理效率和产甲烷量采用两相反应器进行厌氧发酵，将产酸阶段和产甲烷阶段分别在两个反应器中进行。 

在微生物作用的过程中外加电场能够强化微生物的作用；微生物活动过程中分解有机质的同时有电子产生，可以通过构建一个原电池将产生的电子形成电流，从而形成微生物电池，在微生物电池中氢、甲酸等物质常被作为电极活性物质。微生物电解池和微生物电池中均存在电场，能对微生物活动起一定的促进作用。因此，本发明将微生物电解池和厌氧的产酸阶段进行耦合，将微生物电池和产甲烷阶段进行耦合，提高厌氧处理厨余的效率。 

作为优选，所述预处理为筛选、破碎和调节含固比。 

作为优选，步骤(1)中运行时厨余垃圾的含固比为5％～25％。 

作为优选，产酸相反应器中搅拌的速率为100r/min～200r/min。 

作为优选，所述产酸反应器中电流强度为10mA～100mA。 

作为优选，步骤(1)得到的水解酸化上清液离心后调节其pH值为6.8～7.2。 

作为优选，所述产酸反应器中厨余垃圾停留时间(RHT)为3d～5d。 

作为优选，所述产甲烷反应器中反应液停留时间(HRT)为3d～4d。 

步骤(1)中厨余垃圾与厌氧污泥的混合比例(干重之比)为5:2～9:1。 

步骤(2)的产甲烷反应器中初次接入上清液的同时向产甲烷反应器中接种驯化后的厌氧污泥，步骤(2)中厌氧污泥的浓度为30g/L～100g/L。 

进一步优选地，采用上述各优选条件的组合，在上述优选条件的组合下，对厨余垃圾的处理效果得到进一步的提高。 

厌氧污泥取自普通生活污水处理厂沉淀池，在厌氧折流板反应器中经过人工配水运行24d后驯化获得；在驯化过程中不断提高配水中的含盐量和油脂含量，最终厌氧污泥对盐分的耐受度达到3％含盐量、对油脂耐受度达到6％油脂含量。 

本发明还提供了一种结合微生物电解池和微生物电池耦合两相厌氧强化处理厨余垃圾的装置，包括依次连接的产酸反应器、调节池和产甲烷反应器， 

所述产酸反应器包括： 

第一反应壳体，该反应壳体内分为产酸相区和氢气收集区，氢气收集区位于产酸相区的上方，产酸相区的底部带有沼渣排放口，侧壁上带有连接所述调节池的上清液出口，氢气收集区的顶部带有进料口和氢气出口； 

搅拌器，内置于所述产酸相区； 

第一电极对，设置于所述产酸相区； 

稳压输出设备，连接第一电极对； 

所述产甲烷反应器包括： 

第二反应壳体，该反应壳体内分为产甲烷相区和甲烷收集区，甲烷收集区位于产甲烷相区的上方，产甲烷相区的底部带有与所述调节池连接的上清液入口，甲烷收集区顶部带有甲烷出口； 

第二电极对，内置于所述产甲烷相区； 

储电设备，连接第二电极对和稳压输出设备； 

循环泵，该循环泵的入口连通所述产甲烷相区的下部侧壁，出口连接所述产甲烷相区的上部侧壁。 

作为优选，所述第一电极对紧贴第一反应壳体的内壁设置。 

作为优选，所述第二电极对紧贴第二反应壳体的内壁设置。 

作为优选，所述第一电极对和第二电极对的电极可采用碳基材料、不 锈钢等材料。 

本发明处理厨余垃圾的工艺通过本发明所提供的装置进行。 

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果： 

本发明将产酸反应与微生物电解池耦合，产甲烷反应与微生物电池耦合，将产甲烷相产生的电能用于产酸相，使得其中微生物在电场作用下活性更高，从而提升产酸相的效率；同时在产甲烷相，由于同样存在电流，同样使得其中微生物处于电场作用下，相应微生物活性也更高。 

附图说明

图1为本发明结合微生物电解池和微生物电池在两相厌氧工艺的流程图。 

图2为本发明的装置结构示意图。 

图中所示附图标记如下： 

1-进料口              2-搅拌转轴            3-氢气收集装置 

4-氢气收集区          5-产酸相区            6-电极阳极 

7-搅拌桨              8-沼渣排放口          9-电极阴极 

10-上清液出口         11-稳压输出设备       12-第一反应壳体 

13-第一蠕动泵         14-调节池             15-第二蠕动泵 

16-上清液入口         17-污泥沉降区         18-污泥排放口 

19-循环液出口         20-第二反应壳体       21-电极正极 

22-电极负极           23-循环泵             24-循环液入口 

25-产甲烷相区         26-甲烷收集区         27-甲烷收集装置 

28-储电设备           29-导线               30-离心装置 

31-第三蠕动泵。 

具体实施方式

一种厨余垃圾处理装置，包括依次连接的产酸反应器、调节池和产甲烷反应器。 

产酸反应器包括第一反应壳体12，第一反应壳体内分为上下两个区，位于下方的产酸相区5和位于上方的氢气收集区4，产酸相区占反应壳体的大部分，产酸相区内设有第一电极对，包括电极阳极6和电极阴极9，电极阳极和电极阴极均紧贴产酸相区的内壁布置，产酸相区内还设有搅拌器，搅拌器包括搅拌转轴2和与搅拌转轴2连接的搅拌桨7，产酸相区的 底部带有沼渣排放口8，产酸相区的上部侧壁上带有上清液出口10，该上清液出口10连接第一蠕动泵13，第一蠕动泵13的出口连接离心装置30，离心之后的上清液经第三蠕动泵31进入调节池14。 

氢气收集区的顶部带有氢气出口，该氢气出口连接氢气收集装置3，第一反应壳体的上方设有稳压输出设备11，该稳压输出设备11的正负极分别连接电极阳极和电极阴极。 

产甲烷反应器包括第二反应壳体20，第二反应壳体内分为上下两个区，位于上方的甲烷收集区26和位于下方的产甲烷相区25，产甲烷相区占该反应壳体的大部分，产甲烷相区内设有第二电极对，包括电极正极21和电极负极22，电极正极和电极负极均紧贴产甲烷相区的内壁设置。 

产甲烷相区的底部设污泥沉淀区17，污泥沉淀区带有污泥排放口18，第二反应壳体的底部带有上清液入口16，该上清液入口连接第二蠕动泵15，第二蠕动泵的入口连接调节池。 

产甲烷相区的上部侧壁和下部侧壁上分别设有循环液入口24和循环液出口19，循环液入口和循环液出口连接一台循环泵23。 

甲烷收集区的顶部带有甲烷出口，该甲烷出口连接甲烷收集装置27，第二反应壳体的上方设有储电设备28，该储电设备输入端的正负极分别连接电极正极和电极负极，储电设备的输出端连接稳压输出设备11。 

本发明的工艺流程如下： 

将经过筛分、破碎和调节含固率的厨余从进料口1投入产酸反应器中，在第一次投料过程中加入的是厨余垃圾和驯化过的厌氧污泥的混合物；稳压输出设备11通过电极阳极6和电极阴极9在产酸相区5内形成了微电场，通过微电场的作用促进微生物电解池和产酸相耦合的产酸反应器中的微生物的酸化水解能力；搅拌转轴2带动搅拌桨7对产酸反应器中的厨余进行搅拌，使得厨余更加均匀。 

产酸反应器中的沼渣定时从沼渣排放口8中排出；电极阴极9上产生的氢气先停留在氢气收集区4，然后由氢气收集装置3收集并导走；搅拌装置运行一段时间之后暂停相应时间使微生物电解池和产酸相耦合反应器中的固体成分和液体分成得到上清液，上清液通过上清液排放口10导出。 

上清液从上清液排放口10导出后经第一蠕动泵13引入离心装置30中，再次通过第三蠕动泵31送入调节池14进行调节pH；调节pH后的上清液由第二蠕动泵15运送至上清液入口16，然后进入微生物电池和产甲烷相耦合的产甲烷反应器中。 

产甲烷反应器中在初次导入上清液时，同时接入厌氧污泥。由产甲烷反应器中的产甲烷相溶液、电极正极21、电极负极22和储电设备28构成了微生物电池。 

在微生物电池和产甲烷相耦合反应中存在电子流动，形成了电流，这部分电能被储存在储电设备28中，然后经导线29导入稳压输出设备11为微生物电解池和产酸相耦合反应所利用；同时在微生物电池和产甲烷相耦合反应器中形成了微电场促进微生物电池和产甲烷相耦合反应器中微生物的产甲烷能力。 

通过循环泵23、循环液出口19和循环液入口24构成了产甲烷相溶液的内循环。微生物电池和产甲烷相耦合反应中产生的甲烷先停留在甲烷收集区26，然后由甲烷收集装置27收集并导走。微生物电池和产甲烷相耦合反应器中的甲烷相污泥部分以一定的周期从污泥排放口18排出。 

利用上述装置和工艺进行的实施例如下： 

实施例1 

本实施例为空白对照试验，所有运行参数和条件均参照实施例2、3和4，但本实施例中不存在微生物电池和微生物电解池这两个系统，为单纯的两相厌氧消化系统。具体实施情况如下所述： 

筛选、破碎、调节完含固率的厨余样品1.8kg混合0.2kg驯化后的厌氧污泥放入产酸相反应器中，该混合物含固率为15％。带运行稳定之后每4d倒排一次上清液，接着投加1kg含固率为15％的厨余样品。该上清液离心后使用NaHCO₃调节pH至6.8～7.2，然后导入产甲烷相反应器中(初次进水时接入50g驯化后的厌氧污泥)。产甲烷相反应器20设置HRT为3d。 

产酸相反应器的上清液pH为2.8～3.9，氢气产量为26～41ml/d；产甲烷相反应器的甲烷产率为220～286ml/d。 

实施例2 

筛选、破碎、调节完含固率的厨余样品1.8kg混合0.2kg驯化后的厌氧污泥放入微生物电解池和产酸相耦合反应器中，该混合物含固率为15％，在电流强度为30mA下运行15d，完成微生物电解池和产酸相耦合反应器的启动。 

微生物电解池和产酸相耦合反应器启动成功后，每4d导排一次上清液，接着投加1kg含固率为15％的厨余样品，电流强度稳定在30mA。该上清液离心后使用NaHCO₃调节pH至6.8～7.2，然后导入微生物电池和产甲烷相耦合反应器中(初次进水时接入50g驯化后的厌氧污泥)。微生物电池和产甲烷相耦合反应器设置HRT为3d。 

微生物电解池和产酸相耦合反应器的上清液pH为2.8～3.9，氢气产量为53～80ml/d；微生物电池和产甲烷相耦合反应器的甲烷产率为330～385ml/d。 

实施例3 

筛选、破碎、调节完含固率的厨余样品1.8kg混合0.2kg驯化后的厌氧污泥放入微生物电解池和产酸相耦合反应器中，该混合物含固率为15％，在电流强度为50mA下运行15d，完成微生物电解池和产酸相耦合反应器的启动。 

微生物电解池和产酸相耦合反应器启动成功后，每4d导排一次上清液，接着投加1kg含固率为15％的厨余样品，电流强度稳定在50mA。该上清液离心后使用NaHCO₃调节pH至6.8～7.2，然后导入微生物电池和产甲烷相耦合反应器中(初次进水时接入50g驯化后的厌氧污泥)。微生物电池和产甲烷相耦合反应器20设置HRT为3d。 

微生物电解池和产酸相耦合反应器12的上清液pH为2.7～3.9，氢气产量为55～89ml/d；微生物电池和产甲烷相耦合反应器20的甲烷产率为455～515ml/d。 

实施例4 

筛选、破碎、调节完含固率的厨余样品1.8kg混合0.2kg驯化后的厌氧污泥放入微生物电解池和产酸相耦合反应器中，该混合物含固率为 15％，在电流强度为50mA下运行15d，完成微生物电解池和产酸相耦合反应器的启动。 

微生物电解池和产酸相耦合反应器启动成功后，每4d导排一次上清液，接着投加1kg含固率为15％的厨余样品，电流强度稳定在70mA。该上清液离心后使用NaHCO₃调节pH至6.8～7.2，然后导入微生物电池和产甲烷相耦合反应器中(初次进水时接入50g驯化后的厌氧污泥)。微生物电池和产甲烷相耦合反应器设置HRT为3d。 

微生物电解池和产酸相耦合反应器12的上清液pH为2.7～3.5，氢气产量为65～93ml/d；微生物电池和产甲烷相耦合反应器的甲烷产率为424～527ml/d。 

Claims (9)

1.一种结合微生物电解池和微生物电池耦合两相厌氧强化处理厨余垃圾的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)经过预处理的厨余垃圾进入微生物电解池和产酸相耦合的产酸反应器中，同时加入驯化后的厌氧污泥，外加电场，在驯化后的厌氧污泥的作用下进行水解酸化反应，得到水解酸化上清液和沼渣，收集微生物电解池的电极阴极产生的氢气；

(2)步骤(1)得到的水解酸化上清液离心后调节其pH值，然后送入微生物电池和产甲烷相耦合的产甲烷反应器中，产甲烷反应器中的产甲烷相溶液、微生物电池正极、微生物电池负极和外加储电设备构成微生物电池，同时形成电场提升产甲烷相微生物的产甲烷活性，反应结束后收集甲烷；该步骤中微生物电池产生的电能用于步骤(1)中构建电场。

2.根据权利要求1所述结合微生物电解池和微生物电池耦合两相厌氧强化处理厨余垃圾的方法，其特征在于，所述预处理为筛选、破碎和调节含固比。

3.根据权利要求1所述结合微生物电解池和微生物电池耦合两相厌氧强化处理厨余垃圾的方法，其特征在于，步骤(1)中运行时厨余垃圾的含固比为5％～25％。

4.根据权利要求1所述结合微生物电解池和微生物电池耦合两相厌氧强化处理厨余垃圾的方法，其特征在于，所述产酸反应器中电流强度为10mA～100mA。

5.根据权利要求1所述结合微生物电解池和微生物电池耦合两相厌氧强化处理厨余垃圾的方法，其特征在于，步骤(1)得到的水解酸化上清液离心后调节其pH值为6.8～7.2。

6.根据权利要求1所述结合微生物电解池和微生物电池耦合两相厌氧强化处理厨余垃圾的方法，其特征在于，所述产酸反应器中厨余垃圾停留时间为3d～5d；所述产甲烷反应器中反应液停留时间为3d～4d。

7.一种结合微生物电解池和微生物电池耦合两相厌氧强化处理厨余垃圾的装置，包括依次连接的产酸反应器、调节池和产甲烷反应器，其特征在于，

所述产酸反应器包括：

第一反应壳体，该反应壳体内分为产酸相区和氢气收集区，氢气收集区位于产酸相区的上方，产酸相区的底部带有沼渣排放口，侧壁上带有连接所述调节池的上清液出口，氢气收集区的顶部带有进料口和氢气出口；

搅拌器，内置于所述产酸相区；

第一电极对，设置于所述产酸相区；

稳压输出设备，连接第一电极对；

所述产甲烷反应器包括：

第二反应壳体，该反应壳体内分为产甲烷相区和甲烷收集区，甲烷收集区位于产甲烷相区的上方，产甲烷相区的底部带有与所述调节池连接的上清液入口，甲烷收集区顶部带有甲烷出口；

第二电极对，内置于所述产甲烷相区；

储电设备，连接第二电极对和稳压输出设备；

循环泵，该循环泵的入口连通所述产甲烷相区的下部侧壁，出口连接所述产甲烷相区的上部侧壁。

8.根据权利要求7所述装置，其特征在于，所述第一电极对紧贴第一反应壳体的内壁设置。

9.根据权利要求7所述装置，其特征在于，所述第二电极对紧贴第二反应壳体的内壁设置。