CN104384170A - 一种生物处理城市有机垃圾及农业有机废物的工艺及装置 - Google Patents
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Abstract
一种生物处理城市有机垃圾及农业有机废物的工艺及装置，包括车库式干发酵装置和渗滤液处理装置，所述车库式干发酵段为将物料投放至发酵仓内，密闭，加热保温和曝气，当温度升高到厌氧需求温度后，关闭曝气系统，开启喷淋系统，对物料进行接种，发酵，发酵反应末期，开启曝气系统，空气置换，开启仓门出料，发酵完成。在渗滤液处理工艺段中，发酵所产生的渗滤液一部分通过喷淋泵I进入滴滤喷淋头，剩余部分渗滤液输送至EGSB反应器，EGSB反应出水通过喷淋泵II输送至垂直喷头。本发明工艺简单，操作方便，实用性强，能有效解决城市有机垃圾及农业有机废物的环境问题，并资源化综合利用。
Description
技术领域
本发明属于易降解有机废物的生物处理工艺及装置，具体涉及城市有机垃圾和农业有机废物的生物处理技术，适用于对城市有机垃圾和农业有机废物的环境治理。
背景技术
随着我国经济的发展，城市化进程加快，城市垃圾产生总量呈现快速增长，若不能有效治理，将制约城市健康发展。城市垃圾主要是指在城市居民日常生活或为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物，其种类包括厨余物、废纸、废塑料、废织物、废金属、砖瓦渣土、粪便及废旧电器和绿化废物等。城市垃圾中的有机部分简称城市有机垃圾(Organic fraction of municipal solid waste，OFMSW)，主要包括餐厨垃圾、大型超市及农贸市场垃圾和居民生活垃圾等。
我国城市生活垃圾以“末端处理”为主，主要采取填埋法、焚烧法和堆肥法三种处理技术。
填埋技术由于具有投资相对少、技术较成熟、处理量大、操作简单等特点，为我国城市生活垃圾处理中常采用的技术。但是，填埋技术面临选址较困难，侵占土地资源，建设及维护成本高，填埋的垃圾并没有进行无害化处理，残留着大量的细菌、病毒，还潜伏着沼气重金属污染等隐患，其垃圾渗漏液还会长久地污染地下水资源，不能实现垃圾的资源化处理等不足。目前，已被许多发达国家明令禁止，我国也逐渐减少该处理方法的使用。
焚烧技术是当前发达国家广泛采用的一种城市生活垃圾处理技术。焚烧技术可使垃圾中的碳水化合物转变成CO2和H20，同时在高温下能杀灭垃圾中的病毒细菌。与填埋技术相比，具有占地少，选址较易，减容效果好(可使垃圾体积缩小80%～95%)，无害化较彻底，垃圾焚烧余热可以进行回收利用等优点。但是，焚烧技术面临基建投资及运转费用较高，在焚烧过程中烧掉了可回收的资源，垃圾回收、运输、贮存及焚烧过程中会产生大量的刺激异味，易生成致癌有机物(如二恶英等)，存在烟气污染问题，且设备投资巨大。
堆肥技术是依靠自然界广泛分布的微生物将可生物降解的有机物向稳定的腐殖质进行生化转化的微生物学过程，基本实现了城市生活垃圾的资源化、无害化处理。与填埋技术相比，通过垃圾分类，该技术可以减少对周围环境的污染，与焚烧法相比，可以减少对大气的污染，具有一定的经济效益。但是，堆肥技术面临垃圾堆肥生产机械化程度低，堆肥质量不高，肥效较低，易造成再次堆积，形成二次污染，长期使用易造成土壤板结和地下水质变坏等不足。
以上现有城市生活垃圾处理技术均存在着垃圾资源利用率及无害化处理率低的问题，无法实现垃圾的就地处理，不利于城市可持续发展。
厌氧消化可减少有机垃圾的污染和二氧化碳排放量，减少占地，不易导致二次污染，同时产生沼气，在能源匮乏的今天，受到了越来越多的关注。厌氧消化工艺分为湿式和干式。干式厌氧消化是指城市有机垃圾、秸秆、畜禽粪便等原料(干物质浓度在20%以上)，通过厌氧菌将其分解为CH4、CO2、H2S等气体的消化工艺。由于干式厌氧消化原料的干物质浓度高，会导致进出料难、传热传质不均匀和酸中毒等缺点。但与湿式厌氧消化相比，干式厌氧消化具有占地小、加热能耗低、预处理要求低、有机负荷高等优点，可避免传统方法不足，具有污染环境小，后续产物附加值高、投入市场能具有好的经济应用前景。
伴随我国城镇化快速发展，生活垃圾激增，2012年我国生活垃圾清运量高达1.7亿吨，但由于垃圾处理能力相对不足，一些城市面临“垃圾围城”的困境，给城镇环境、社会稳定和人体健康构成了巨大的潜在危害。同时，我国每年约有40多亿吨农业废弃物产生，其中畜禽粪便排放量26亿吨。《“十二五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》大力鼓励垃圾厌氧消化产沼气。
然而，在生活垃圾干式厌氧发酵方面，我国仍处于起步探索阶段，主要难题在于过程的低效和不稳定性，且由于我国生活垃圾分类收集技术不成熟，导致有机垃圾成分非常复杂，产生的渗滤液超过喷淋需求量时需要外排，而垃圾渗滤液是一种成分复杂的高浓度有机废水，成分复杂、毒性高、水质水量波动大。虽采用了沼液池贮存，但在接种时容易产生传质不均匀与酸中毒等问题；另外，在废液外排时，则容易引起土壤及水环境的污染，且污染后修复十分困难。因此，利用国外现有干式厌氧发酵技术在我国难以实现其过程有效控制。
近年来，针对有机垃圾特点开发了车库式干式厌氧消化工艺，在干物质浓度较高的情况下进行厌氧消化，产生沼气和有机肥料，取得一定的处理效果。目前，由于我国城市有机垃圾成分复杂，较难分选，使该技术在国内应用较少。鉴于干式厌氧消化对城市有机垃圾处理的优势，积极探求适宜于我国城市有机垃圾处理的干式厌氧消化技术，实现对城市有机垃圾的有效治理，避免环境污染、有效保护环境，以及获得可再生能源等方面，将具有好的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：解决上述现有技术存在的问题，而提供一种生物处理城市有机垃圾及农业有机废物的工艺及装置，该工艺简单，操作方便，实用性强，连续高效，很好地解决了城市有机垃圾及农业有机废物所带来的环境问题，并资源化综合利用这些废物，适用于对易生物降解有机废物的环保治理。
本发明采用的技术方案是：
一种生物处理城市有机垃圾及农业有机废物的工艺，包括车库式干发酵段和渗滤液处理段，所述车库式干发酵段为：首先将城市有机垃圾及农业有机废物投放至车库式厌氧发酵仓内，启动密闭系统，密闭发酵仓，开启加热保温系统和曝气系统，通入空气，当温度升高至厌氧需求温度后，关闭曝气系统，开启渗滤液处理段输送来的喷淋，对上述物料进行接种，上述物料经好氧反应和厌氧发酵反应后，开启曝气系统，置换发酵仓内气体，开仓出料，完成发酵；所述渗滤液处理段为：车库式厌氧发酵仓内有机垃圾及有机废物发酵所产生的渗滤液经收集槽进入渗滤液池，渗滤液池中的一部分渗滤液通过喷淋泵Ⅰ输送至滴滤喷淋头，剩余部分渗滤液则通过潜污泵输送至EGSB反应器，进行渗滤液的厌氧消化反应，EGSB反应完成后出水通过喷淋泵Ⅱ输送至垂直喷头，上述滴滤喷淋头和垂直喷头都安装在车库式厌氧发酵仓内顶部，对上述物料进行定时喷淋。
上述技术方案中，所述车库式干发酵段工艺为“好氧反应-厌氧发酵-气体置换”三种类别的组合。
上述技术方案中，所述的开启加热保温系统升温至厌氧需求温度为37℃～45℃。
上述技术方案中，所述发酵仓内有机垃圾及有机废物完成发酵的测定为：沼气流量低于5～10m3/h，甲烷含量低于气体总量的3%。
上述技术方案中，所述滴滤喷淋头和垂直喷头交叉轮换工作，滴滤喷淋头喷淋10min，停止230min，垂直喷头喷淋10min，停止230min，再又滴滤喷淋头喷淋10min，停止230min，如此往复循环，喷淋周期为4h。
上述技术方案中，所述的滴滤喷淋头喷淋为交叉喷淋。
上述技术方案中，所述的喷淋采用两种喷淋方式：一种为下垂型洒水喷淋，由管道连接喷淋泵Ⅱ和垂直喷头组成，喷淋EGSB反应出水；另一种为滴滤管式交叉喷淋，由管道连接喷淋泵Ⅰ和滴滤喷淋头组成，喷淋渗滤液。
一种生物处理城市有机垃圾及农业有机废物的装置，包括车库干发酵装置和渗滤液处理装置，所述车库式干发酵装置包括车库式厌氧发酵仓及其上安装的密闭系统、加热保温系统和曝气系统，所述渗滤液处理装置包括通过管道依次连接的渗滤液收集槽、渗滤液池、喷淋泵Ⅰ、滴滤喷淋头和通过管道依次连接的潜污泵、EGSB反应器、EGSB反应出水集水池、喷淋泵Ⅱ、垂直喷头；EGSB反应器并联有EGSB反应循环泵，渗滤液收集槽位于车库式厌氧发酵仓底部，喷淋泵Ⅰ、潜污泵安装在渗滤液池内，滴滤喷淋头和垂直喷头安装在车库式厌氧发酵仓内顶部。
上述技术方案中，所述的密闭系统由液压装置、密封气囊、密封门和真空泵组成，液压装置设在发酵仓顶端，液压装置连接密封门开启或关闭的传动机构，密封气囊敷设在液压密封门的周边，密封气囊上设有进气口、出气口和压力仪表，真空泵通过电磁气阀、气体管道和密封气囊上的进气口连接。
上述技术方案中，所述的加热保温系统包括加热装置和保温装置，加热装置为发酵仓周边设置加热盘管，所述保温装置为测定显示发酵温度高于发酵所需温度时关闭加热装置。
上述技术方案中，所述的曝气系统由高压风机和布气管连接组成，布气管安装在发酵仓底部。
上述技术方案中，所述渗滤液收集槽位于车库式厌氧发酵仓底部靠近密封门的位置，并且发酵仓的底部设置了3‰的坡度，渗滤液收集槽的顶部铺设有不锈钢格筛。
上述技术方案中，所述的渗滤液池中部分渗滤液通过喷淋泵Ⅰ输送至滴滤喷淋头，而渗滤液池中剩余滤液则由潜污泵经出水管输送至EGSB反应器，而EGSB反应器出水管连接EGSB反应出水集水池，EGSB反应出水集水池中设有喷淋泵Ⅱ，喷淋泵Ⅱ将EGSB反应出水输送至垂直喷头。
本发明的创新点：
1.采用三段式工艺设计，可大量降低厌氧发酵所需的外供热量，以达到节能降耗的目的；
2.采用双喷淋方式，将渗滤液喷淋回流，增加物质传质效果；同时开发了滴滤管式交叉喷淋，可以避免接种死角的产生，解决单纯垂直洒水喷淋接种不均匀的问题。
3.采用EGSB工艺干式发酵所产生的多余渗滤液。因干发酵工艺运行中，将产生需要外排渗滤液，该渗滤液成分复杂、有机物含量高，通过EGSB工艺处理，则可降低有机污染物浓度，并驯化渗滤液中微生物种群，较好的避免了在循环喷淋过程中因渗滤液的复杂成分所导致的微生物中毒现象。
发明效果：
1.发酵仓整体密封性良好。
2.在整个发酵周期相对于传统湿式发酵工艺可节约40%的能耗。
3.实验(生产)连续性好，喷淋接种效率较高，物料的TS降解率可达到65%～75%。
4.渗滤液通过EGSB工艺处理后可进入市政排水管网，或进一步处理以满足达标排放。
本发明工艺简单，操作方便，实用性强，能有效解决城市有机垃圾及农业有机废物所带来的环境问题，资源化综合利用以上废物，适用于对易生物降解有机废物的环保治理。
本发明克服了现有技术的不足，而提供了一种适用于处理城市生活垃圾的新型干式厌氧发酵工艺及装置，根据对车库式干发酵工艺技术研究，开发适合我国城市生活垃圾厌氧消化的车库式干发酵工艺及装置，改进并开发了好氧曝气系统、渗滤液喷淋及渗滤液处理系统的关键技术，解决了以往技术的缺陷，解决限制车库式厌氧发酵技术在我国发展的技术难点。
附图说明
图1是本发明的车库式干发酵工艺结构示意图；
图2是本发明的滴滤喷淋头的结构示意图；
图3是本发明的滴滤喷淋头交叉喷淋效果示意图。
图中，数字标注为：1-热源，2-加热盘管，3-发酵仓，4-挡板，5-高压风机，6-布气管，7-渗滤液收集槽，8-渗滤液池，9-喷淋泵I，10-滴滤喷淋头，11-潜污泵，12-EGSB反应器，13-EGSB反应循环泵，14-EGSB反应出水管，15-EGSB反应出水集水池，16-喷淋泵II，17-垂直喷头，18-液压装置，19-密封气囊，20-密封门，21-沼气管，22-废气管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
参见图1，本发明为一种对渗滤液进行深度厌氧处理的车库式干发酵工艺。该工艺从工作流程上分为车库式干发酵段和渗滤液处理段。
在车库式干发酵段中，首先是将物料投放至车库式厌氧发酵仓3内，启动由液压装置18、密封气囊19和密封门20所组成的密闭系统，密闭反应仓，开启由热源1、加热盘管2所组成的加热保温系统和由高压风机5、布气管6所组成的曝气系统，通入空气，当温度升高到厌氧需求温度，需求温度为35℃后，开启喷淋，对物料进行接种，根据甲烷成分，如当甲烷含量低于3%时，判断发酵进入至尾期时，通入废气及空气置换仓内沼气，随后开启仓门出料，完成发酵。
在渗滤液处理段中，发酵所产生的渗滤液经渗滤液收集槽7流入渗滤液池8，该部分渗滤液通过喷淋泵I 9输送至滴滤喷淋头10，剩余部分渗滤液则通过潜污泵11经连接管道输送至EGSB反应器12，在EGSB反应循环泵13辅助下完成渗滤液的厌氧消化反应，出水经EGSB反应出水管14流入EGSB反应出水集水池15，通过喷淋泵II 16输送至垂直喷头17。
车库式干发酵段为三种类别组合，即“好氧反应-厌氧发酵-气体置换”，其主要包括密封系统、加热保温系统、曝气系统、喷淋系统I、喷淋系统II和渗滤液回流系统。
密封系统：设在发酵仓3顶端，主要由液压装置18、密封气囊19、密封门20和真空泵等组成。密封气囊19敷设在液压密封门20周边，密封气囊19上设有进气口、出气口和压力仪表，当工作时，出气口关闭，通过进气口往密封气囊19内充气，当达到一定压力，如压力为0.3 MPa时，关闭进气口。当停止工作时，打开出气口，通过真空泵将密封气囊19内的气体排空，当降至较小压力，如压力为-500 Pa时，关闭真空泵和出气口。
加热保温系统：包括加热装置和保温装置。在发酵仓3周边设置加热盘管2，当测定显示仓内温度低于发酵所需温度，如温度为37 ℃时，开启加热装置，当测定显示发酵温度高于发酵所需温度，如温度为45℃时，关闭加热装置。
曝气系统：曝气系统由高压风机5、布气管6组成。在发酵开始初期，开启曝气系统，对发酵仓3进行曝气，让物料处于好氧反应状态下，好氧反应可使物料快速升温，从而减少加热装置开启时间，以节约能源。当测试显示发酵仓3内反应温度高于一定温度，如45 ℃时，关闭曝气系统，让物料逐步进入厌氧状态。
另外，当发酵进入至末期，通过测定发现沼气的流量较低，如低于5～10 m3/h时，且甲烷组分低于3%时，开启曝气系统，往发酵仓3内充入空气以置换出仓内的沼气，当测定显示氧气含量达到21%时，开启密封门20开始出料。
喷淋系统：喷淋方式为两段式喷淋，即采用两种喷淋方式。一种采用下垂型洒水喷淋，由管道分别连接喷淋泵II 16和垂直喷头17所组成的喷淋系统II，其喷淋液来自EGSB反应出水集水池15；另外一种采用滴滤管式交叉喷淋，由管道分别连接喷淋泵I 9和滴滤喷淋头10所组成的喷淋系统I，其喷淋液来自渗滤液池8。在发酵仓3内平均布置两种喷淋管，两种喷淋方式间歇运行，来自EGSB反应出水集水池15的喷淋液所含原有机底物浓度较低，其微生物处于内源生长阶段，利用其接种可以快速地消化物料，以达到好的接种目的。其中，喷淋系统I和喷淋系统II交叉工作，喷淋周期均为4 h，喷淋10 min，停止230 min，当喷淋系统I喷淋完成后喷淋系统II启动，如此往复循环。
渗滤液回流系统：为渗滤液收集系统，在发酵仓3底部靠近密封门20的位置设置渗滤液收集槽7，因发酵仓3底部设置了3‰的坡度，渗滤液会随坡度流向渗滤液收集槽7，渗滤液收集槽7顶部铺设不锈钢格筛，以防止大颗粒物料的流失，渗滤液经收集后排入渗滤液处理段。
渗滤液处理段：主要由渗滤液池8、潜污泵11、EGSB反应器12、EGSB反应循环泵13、EGSB反应出水管14和EGSB反应出水集水池15等组成，来自发酵仓3的渗滤液先进入渗滤液池8收集，渗滤液池8中部分渗滤液通过喷淋泵I 9输送至滴滤喷淋头10，渗滤池8剩余渗滤液则由潜污泵11经出水管道输送至EGSB反应器12进行厌氧反应，以降低渗滤液中有机物含量，出水再经EGSB反应出水管14流入EGSB反应出水集水池15，EGSB反应出水集水池15中设有喷淋泵II 16，通过喷淋泵II 16将出水输送至垂直喷头17。
实施例1：
采用如图1所示车库式干发酵装置，进行玉米秸秆和牛粪混合物处理的小试实验。该小试装置容积为50 L，EGSB反应器为10 L，处理物料约为36 kg，采用中温37 ℃发酵，控制反应体系压力为5000 Pa以内。厌氧发酵5周后，单位VS(挥发性有机物)产气量约为410 mL/g，TS降解率约为68%。
实施例2：
采用如图1所示车库式干发酵装置，采用5座车库式厌氧反应器，总有效容积为1500 m3，EGSB反应器容积为150 m3，可日处理城市有机垃圾50～60 t，控制反应温度为37 ℃，反应体系压力为5000 Pa以内。发酵周期为25～35 d之间，可日产沼气5000～6000 m3，单位VS(挥发性有机物)产气量约为180 mL/g，TS降解率约为60%。
Claims (10)
1.一种生物处理城市有机垃圾及农业有机废物的工艺，其特征在于，包括车库式干发酵段和渗滤液处理段，所述车库式干发酵段为：首先将城市有机垃圾及农业有机废物投放至车库式厌氧发酵仓内，启动密闭系统，密闭发酵仓，开启加热保温系统和曝气系统，通入空气，当温度升高至厌氧需求温度后，关闭曝气系统，开启渗滤液处理段输送来的喷淋液，对上述物料进行接种，上述物料经好氧反应和厌氧发酵反应后，开启曝气系统，置换发酵仓内气体，开仓出料，完成发酵；所述渗滤液处理段为：车库式厌氧发酵仓内有机垃圾及有机废物发酵所产生的渗滤液经收集槽进入渗滤液池，渗滤液池中的一部分渗滤液通过喷淋泵Ⅰ输送至滴滤喷淋头，剩余部分渗滤液则通过潜污泵输送至EGSB反应器，进行渗滤液的厌氧消化反应，EGSB反应完成后出水通过喷淋泵Ⅱ输送至垂直喷头，上述滴滤喷淋头和垂直喷头都安装在车库式厌氧发酵仓内顶部，对上述物料进行定时喷淋。
2.根据权利要求1所述的生物处理城市有机垃圾及农业有机废物的工艺，其特征在于，所述车库式干发酵段工艺为“好氧反应-厌氧发酵-气体置换”三种类别的组合。
3.根据权利要求1所述的生物处理城市有机垃圾及农业有机废物的工艺，其特征在于，所述的开启加热保温系统升温至厌氧需求温度为37℃～45℃。
4.根据权利要求1所述的生物处理城市有机垃圾及农业有机废物的工艺，其特征在于，所述发酵仓内有机垃圾及有机废物完成发酵的测定为：沼气流量低于5～10m3/h，甲烷含量低于气体总量的3%。
5.根据权利要求1所述的生物处理城市有机垃圾及农业有机废物的工艺，其特征在于，所述滴滤喷淋头和垂直喷头交叉轮换工作，滴滤喷淋头喷淋10min，停止230min，垂直喷头喷淋10min，停止230min，再又滴滤喷淋头喷淋10min，停止230min，如此往复循环，喷淋周期为4h。
6.根据权利要求1所述的生物处理城市有机垃圾及农业有机废物的工艺，其特征在于，所述的喷淋采用两种喷淋方式：一种为下垂型洒水喷淋，由管道连接喷淋泵Ⅱ和垂直喷头组成，喷淋EGSB反应出水；另一种为滴滤管式交叉喷淋，由管道连接喷淋泵Ⅰ和滴滤喷淋头组成，喷淋渗滤液。
7.一种生物处理城市有机垃圾及农业有机废物的装置，其特征在于，包括车库干发酵装置和渗滤液处理装置，所述车库式干发酵装置包括车库式厌氧发酵仓及其上安装的密闭系统、加热保温系统和曝气系统，所述渗滤液处理装置包括通过管道依次连接的渗滤液收集槽、渗滤液池、喷淋泵Ⅰ、滴滤喷淋头和通过管道依次连接的潜污泵、EGSB反应器、EGSB反应出水集水池、喷淋泵Ⅱ、垂直喷头；EGSB反应器并联有EGSB反应循环泵，渗滤液收集槽位于车库式厌氧发酵仓底部，喷淋泵Ⅰ、潜污泵安装在渗滤液池内，滴滤喷淋头和垂直喷头安装在车库式厌氧发酵仓内顶部。
8.根据权利要求7所述的生物处理城市有机垃圾及农业有机废物的装置，其特征在于，所述的密闭系统由液压装置、密封气囊、密封门和真空泵组成，液压装置设在发酵仓顶端，液压装置连接密封门开启或关闭的传动机构，密封气囊敷设在液压密封门的周边，密封气囊上设有进气口、出气口和压力仪表，真空泵通过电磁气阀、气体管道和密封气囊上的进气口连接。
9.根据权利要求7所述的生物处理城市有机垃圾及农业有机废物的装置，其特征在于，所述的加热保温系统包括加热装置和保温装置，加热装置为发酵仓周边设置加热盘管，所述保温装置为测定显示发酵温度高于发酵所需温度时关闭加热装置。
10.根据权利要求7所述的生物处理城市有机垃圾及农业有机废物的装置，其特征在于，所述的曝气系统由高压风机和布气管连接组成，布气管安装在发酵仓底部；所述渗滤液收集槽位于车库式厌氧发酵仓底部靠近密封门的位置，并且发酵仓的底部设置了3‰的坡度，渗滤液收集槽的顶部铺设有不锈钢格筛。
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