CN104550186A - 一种处理有机废物的工艺技术 - Google Patents

Abstract

本发明是一种开放回路有机废物的处理工艺技术。这个工艺主要包括：废物的收集；无需灭菌，直接将废物投入到第一反应器中；在第一反应器中，应用中温厌氧菌或嗜热厌氧菌分解有机废物；回收初步分解净化的废液，转运至第二反应器中，该反应器中有异养菌和光异养菌；利用异养菌或光异养菌分解代谢废液，以生成食用性生物成分；回收并包装这些生物产物。本工艺尤其适用于一些有机废物的再生，诸如动物废液和水纯化后的沉淀物。

Description

一种处理有机废物的工艺技术

技术领域

本发明专利涉及一种有机废物的处理工艺技术和设备。

背景技术

随着环保问题的日益突出，处于卫生和安全的考虑，以及对人类、自然和生态平衡的保护，任意倾倒垃圾、废物以及显而易见的污染越来越受到社会的谴责。

尽管政府已经出台环境保护相关的政策法规，规范和限制废物的排放，尤其是减少未经处理的废物的排放，但垃圾废物的量依然不断增长。因此，急需高效、经济的废物垃圾的处理工艺，以缓解对环境的污染。而且一种最为恰当的工艺技术是能使处理净化后的废物再利用，无论这些废物垃圾是生活垃圾、农业垃圾还是工业垃圾等等。同时，这种技术还需要满足现代社会的经济理念：垃圾废物经过净化处理后的，拥有一定的市场价值，以抵消处理净化所花费的费用。另外废物再利用涉及的能量消耗也要尽可能低。

无机废物、人工合成有机高分子物质等一般都需要经过净化处理。尽管来自动物饲养场的废物，主要是动物的排泄物，一般可自行分解，但这些废物也引起多种严重的环境问题，比如废物量过大、令人厌恶的气味、分解产物中的高浓度含氮物质等等。

另一个领域中，污水处理站面临一个棘手的问题。污水经过处理和纯化后，会残留大量的沉淀物，这些物质的储存和消除是个难题，而且随着时间推移，沉积物积聚越来越多，更难以处理。

有提议利用焚化技术处理有机废物，但焚化有诸多弊端：前提投入和应用中产生的费用非常高；焚烧产生的烟尘和气体需要进一步处理，这也是一项支出。同时，焚化产物也已经没有什么经济价值。

利用堆废化工艺技术处理废物垃圾，通过菌群的无氧降解，形成堆肥，后者可作为肥料用于农业生产。但这项工艺技术也不尽令人满意，因为整个无氧降解的过程大概要持续20天左右，并且堆肥中的营养物成分（氮、磷等）含量也比较低，是一种质量较差的肥料。此外，堆废化过程中，会产生令人恶心的气味，这些需要特殊的处理，或者优化堆废话工艺以降低产气量。

有机废物的生物净化工艺，主要是降低废物中的有毒物质的含量，尤其是氮，但也会将它再次引入到合成代谢通路中。

本发明旨在提供一种用于处理有机废物的工艺技术，如动物排泄物、水净化过程中的副产物或其他类似物。本发明工艺保证了净化后产物的质量以及市场价值。除此之外，还具有耗时短、无毒副产物和运行成本低等特点。

另外，类似的工艺技术还可应用于宇宙飞船。本工艺的生物自产物食物、水和氧可供飞船上的宇航员使用，从而减少飞船起航前的装载量。这个工艺设计是一个人造生态系统，包含四个无杂菌的微生物处理室，依据其功能不同应用在生态系统的不同处理阶段，如废物液化阶段、硝化阶段和生物合成阶段等。第五个处理室，命名为“消费”室，即宇航员享用的空间。设计的整个生态系统都是在一个无氧的闭合空间中，必须限制氧消耗，而且所有的产物也都出现在这个闭合空间中。基于此技术和经济方面的约束，这种人造的生态系统工艺并不适用于地球上的废物再利用。

发明内容

传统的有机废物的开发利用技术，是在闭合空间中设计将废物转化为微生物食物、水和氧。本发明突破了这种传统的技术束缚，在开放的系统中净化废物，并产生食用性的、高营养素的动物饲料和可供利用的天然气以及肥料。

本发明工艺技术用于处理有机废物，其组成主要包含以下阶段：

（1） 收集废物；

（2） 无需灭菌，将废物直接投入第一反应器；

（3） 第一反应器中，应用中温厌氧菌(Mesophilic anaerobic bacteria)或嗜热厌氧菌(Thermophilic anaerobic bacteria)分解有机废物；

（4） 回收初步分解净化的废液，转运至第二反应器中；

（5） 利用第二反应器中的异养菌(Heterotrophic bacteria)或光异养菌(Photoheterotrophic bacteria)分解代谢废液，以生成食用性生物成分；

（6） 回收并包装这些生物产物。

本发明工艺中应用到的微生物的说明：

“中温厌氧菌”是一种在无氧条件下生存和繁殖的菌种，适宜生存的温度为20℃-40℃。

“嗜热厌氧菌”是是一种在无氧条件下生存和繁殖的菌种，适宜生存的温度为高于45℃，甚至高达85℃。

“异养菌”是一种在有氧的条件下，能够消化有机含碳类物质的细菌， 菌体本身也产氧。

“光异养菌”是一种以光作为能量源的细菌，它也能够消化有机含碳类物质。

本工艺中，中温厌氧菌和嗜热厌氧菌是一些能够分解废物的混合菌，有蛋白水解菌、糖分解菌和纤维素分解菌以及水解大分子生物聚合物的菌，常见的大分子聚合物有DNA、RNA、脂肪和纤维等。首先应用这些菌消化废物，将其分解成小分子的含碳化合物和含氮化合物。处理后的产物进入第二反应器中。这些小分子的含碳化合物和含氮化合物主要是不稳定脂肪酸，如乙酸、戊酸、丁酸、异丁酸、丙酸、己酸等等，此外还有胺脲、乙醇和氨。分解废物的中温厌氧菌或嗜热厌氧菌，是一类寄生在动物肠道内的细菌。

工艺中此步的具体实施时，应用嗜热厌氧菌分解废物可选用的温度范围是45℃至80℃，最佳范围是55℃至70℃。应用此温度范围可以清除一些致病菌，如细菌、酵母、原生动物或病毒等。这些致病菌存在于垃圾废物中，并随垃圾废物一起进入到第一反应器中。因此在较高温度条件下，嗜热菌可发挥其分解废物的作用，而其它菌群可被杀死。当然分解废物的过程也需要一段时间，必须能够使废物中的80%以上的蛋白质、多糖和脂肪被分解。最终，经过分解的废物被液化并具有流动性，液化的废物具有液相和固相，固体颗粒悬浮于液相表面。此时需要将固相与液相分离，可以借由过滤设施或是筛网等，并回收液相。液相被引流如第二反应器中，而残余的固体物质可用于堆肥化。

异养菌和光异养菌是红螺菌科家族的成员。红螺菌科家族的细菌来自红细菌属，诸如夹膜红细菌，或红螺菌属如深红螺菌。异养菌和光异养菌应用与废物净化处理的下一个阶段，可以通过利用液体分解产物中的含碳物质和不稳定脂肪酸，产生食用性生物物质。菌体在有氧呼吸作用和无氧光合作用下，不断生长、增殖，同时产生可食用生物质。这些生物质的回收，需要从液体中分离，这时需要应用气浮。

废物的高温分解和后期的开发利用过程中也会产生一些燃料气体，如甲烷、氢气等。所以工艺设计中中还需要加入清除这些气体的步骤。而在第一反应器中，产生的燃料气体可直接用于加热。

因此，本发明工艺设计解决了有机废物堆积而造成的严重环境污染问题。另外，有机废物转化为可食用性生物质，可用于动物饲料或是农作物化肥，而且无毒性物质残留，并且投入成本低，适应现代工业化需求。

本发明工艺技术的具体可行性实施设计如下：

（1） 第一反应器应用温厌氧菌或嗜热厌氧菌，分解废物有机废物，第一反应器为用于盛放有机废物和分解后的流动液体容器；

（2） 第二反应器中应用异养菌或光异养菌，可产生食用性生物质，第二反应器包括一个用于回收生物质的容器；

（3） 两个反应器间的转运设施；

（4） 生物质的包装设备。

在这个净化车间中，第一反应器容器中，废物降解产生的气体被收集，用于加热，使反应器内维持一个较高的温度。第一反应器中，废物经分解后成为液相和固相混合物，需要将两相分离，回收液相。

第二反应容器中需要有光照和曝气。更具体而言，用作第二反应器的容器，需要有部分或是全部透明，这样才能使容器外的日光或是灯光照射到容器里面，为反应器中的分解产物的利用提供光能。当然也可以在第二反应器内部装配白炽灯等光照源。

第二反应器中产物，食用性生物质一般是浸在分解液中，首先需要将两者分离。分离后的食用性生物质被包装，这个过程包括去除液体、杀菌和脱水等步骤。

第一反应器中的产物有固相和液相，经过分离，液相被引入第二反应器中行进一步反应，而残余的固体物质应用堆肥化技术制成化肥。

本发明净化处理的有机废物的工艺技术，适用于动物废物的再生，如猪、反刍动物、马、家畜等，也适用于水净化中产生的有机沉淀物的再利用。

图表说明

图1所示为本发明工艺技术示意图。

具体实施方式

依据本发明工艺设计的净化车间可以建在废物所在地，也可以建在其他地方。如图所以，处理工艺主要包括了用作第一反应器“1”的容器“2”，用于收集一定量的废物，并利用中温厌氧菌或嗜热厌氧菌分解废物。容器“2”连有一个注入口“3”，用于接受废物，或暂时存储待加入的废物。注入的方式可以是直接重力作用、水压作用、机械作用或是其他形式。容器“2”可以是凹槽样或是蓄水池样的开放容器，顶部配有可移动的密封盖。也可以直接将容器“2”设计为密封的蒸脸器或是坦克样容器。

由于待净化的废物的不同，以及分解环境的条件不同，如温度、PH、废物在容器内的停留时间等，产生的气体量也会有所不同，这些气体主要是可燃性气体，如甲烷、氢气等。所以第一反应器“1”连接一个管道“4”，以便分解产生的可燃性气体从容器“2”中排出。可燃性气体可以被立即燃烧，也可以暂时储存。管道“4”连有储存装置“5”用于储存气体产物，可以是压缩机、液化气或是瓶罐等。  

依据本工艺，废物可在20℃至80℃范围内，在第一反应器中被中温厌氧菌或嗜热厌氧菌等分解。由于温度对分解反应是必要的，所以需要对容器“2”加热。将加热装置“6”连接容器“2”，或是放置到合适的位置，解热废物至合适的温度，并保持这个温度。加热装置可以是一个或多个环形的传热流体器连接容器“2”，其内装有热水。也可以是加热炉，如电热炉、燃气炉或是气体加热炉等。作为反应器“1”的容器“2”内，废物分解产生的气体，可直接被利用，作为能量源加热该容器。如果容器“2”内，反应产生的气体量较少，利用反应释放的气体加热容器“2”的加热装置“6”，无法将容器内温度升至恰当温度，这时可以设置两套独立的加热装置：第一套加热装置连接储存装置“5”，利用储存的反应产生的气体加热容器；另一套加热装置利用外源能量加热容器。当然，容器“2”本身也是个隔热的，而且加热装置“6”上装配有温度调节装置，以保证反应器内维持相对恒温。

反应器“1”的容器“2”内有搅拌装置，可持续或间断的搅拌容器内物质，以保证废物与菌群的充分接触。

容器“2”下游连接一组设备“7”，这套设备主要是用于回收反应器“1”中废物的降解产物。这组设备“7”包括排空装置“8”和分离装置“9”。排空装置“8”是为了排出部分或完全排空反应器“1”中的降解的液体产物，可选用泵、虹吸管或是径流管等。排空装置“8”后连接分离装置“9”，用于分离容器“2”排出的降解产物的固相和液相，可选用一些常用的分离方法，如过滤工艺或是筛网。过滤器或是筛网的孔径不大于150μm。通过在沉淀池中沉淀或在悬浮设备中的悬浮、离心机的离心作用等，再经过过滤将固相和液相分开，固相最终残留在分离装置“9”。

如图所示，第二反应器“10”为容器“11”，用于接收第一反应器的分解产物的液体。分离装置“9”分离的液相，可直接进入第二反应器，也可储存在储存槽“19”中。第二反应器中，利用异养菌或光异养菌，将一定体积的分解液体产物转化为食用性生物质。液体运输管道“12”一端连接容器“11”，另一端连接分离装置“9”和储存槽“19”。

异养菌或光异养菌在生长过程中产生食用性生物质。异养菌生长过程中，需要有氧的提供，是一种需氧菌；而光异养菌则需要有光的条件才能生长，是一种厌氧菌。所以，作为第二反应器的容器“11”，需设计为适合异养菌和光异养菌中的一种菌生长。可以是适合异养菌生长的有氧环境，也可是适合光异养菌生长的无氧环境。具体选用哪种设计需要考虑具体的环境、待处理的废物和费用等因素。因此，容器“11”可设计为开放的水库样，顶部可加密封盖，以满足无氧条件；也可设计成密封的罐装，装配加氧装置“17”以满体有氧条件。加氧装置“17”可安装在容器“11”的底部，加以足够的压力向反应器中输入氧气，这个压力必须要比容器内的液体压力大。如果选用光异养菌，容器“11”需配有光照，才能为菌群提供光能，以产生食用性生物质。容器一部分或是全部可做成透明的，利于用玻璃材料制作，以便与外界照射系统的光可以进入容器，当然也可以利用日光作为光源直接照射容器或通过镜子反射的光照射容器。另外，光源也不仅限于容器外，也可以在容器“11”的内部安装照明体统。也可以设置两套照明系统，一个是自然光源，一个是人工光源，两者可以同时照射或是交替照射容器。无论应用哪一种方式，都需要有光源调节设施，以保证照射菌群的光的强度适宜。

光源系统照射容器“11”，会引起容器内温度升高。为了保证容器内维持一个相对恒定的温度，需要在一定程度上补偿或是抵消容器内的温度。基于此，容器“11”需要装配保温系统或制冷系统，制冷系统可选用冷却液循环流通在容器外，以起到热交换的作用。

作为第二反应器“10”的容器“11”，也需要装配搅拌器，可以持续或间断的在容器内运转。此外容器“11”的下游连接一套回收装置“14”，用以回收容器中产生的生物质。这套回收装置“14”可接收从容器“11”排除的部分或全部液体，并且具有分离浸在液体中的生物质。这种分离装置可应用过滤设备如超滤膜，流出液可在沉淀池中沉淀或是悬浮设备中悬浮。

第二反应器“10”下游的回收装置“14”连接到包装系统“18”，该系统是用于打包产物生物质的。所谓“包装”就是将生物质按设计的形式制作，如制成砖块样、蛋糕样、团状、糊状或是液体等，或是直接装入集装箱等便于运输，或是按市场要求进一步制作。因此包装系统“18”包括生物质去水和浓缩、杀菌以及干燥等工艺，将生物质制备生干燥产品形式以供进一步开发利用。

如图所示，在分离装置“9”下，还有装置“20”，该装置是用于处理废物分解后的残余固体成分。另外还有一个装置“21”是用于贮存最终的残余液体，经过进一步处理后，可用于农业。废物分解后的残余固体成分可采用常用的堆肥化技术处理。由于残余固体中含有嗜热菌群，为了加速堆肥化反应进程，可以加入曝气工艺，同时增加干燥和稳定化工艺，以减少不良气味的排放，而且还需要清除致病菌。因此，堆肥化系统“20”包含有一个或多个反应室，需要装配一个或多个通风实施以确保持续的通气。

整个工艺系统还需要配备监视器和中央控制系统，如检测电脑或是预先编程的开关等，在整个系统中安装监测器或探测装置，以接受各种参数信息，包括温度、PH、光照强度、压力、流速或是阀门状态等等，并在必要情况下调控这些参数，以保证最佳的废物净化处理条件。

应用本发明工艺系统处理废物时，废物可分批处理，也可半持续或是持续处理。废物投入到第一反应器“1”的容器中“2”中并在此被分解。这种分解作用主要依靠厌氧菌群，包括蛋白水解菌、糖分解菌和纤维素分解菌以及水解废物中大分子生物聚合物的成员，常见的大分子聚合物有DNA、RNA、脂肪和纤维等。一般情况下，动物排泄物中含有这些菌群。而且这些菌群一般在高于45℃的条件下也能生成。因此，净化处理动物排泄物例如粪液时，废物中的共生菌群就含有中温菌或嗜热菌，可直接利用而无需添加。但对于其他废物净化处理时，则需要往容器“2”中添加适宜的菌群，可选用：热杆梭菌属（Clostridium thermocellum）、热解糖梭菌属（Clostridium thermosaccharolyticum）、解蛋白栖热粪杆菌属（coprothermobacter proteolyticus）、粪杆菌属（Bacteroides）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）、乳酸菌属（Lactobacillus）、大肠埃希菌属（Escherichia coli）、真杆菌属（Eubacterium）、消化球菌属（Peptococcus）和肠杆菌属（Enterobacter）等。上述菌群共生于动物排泄物中。

依据本发明工艺设计，废物分解的温度可为20℃-80℃。但由于废物投入到第一反应器（1）的容器“2”之前并为进行灭菌处理，所以分解反应的温度选用45℃-80℃为宜，尤其是50℃-70℃为最佳。因为这个温度范围可消除废物中含有的一些致病菌。

废物分解的完成要求废物成分中至少80%的蛋白质、多糖和脂肪被分解，最好是85%以上被分解，这个过是需要一段时间。具体的时间长短与废物的组成和反应器内的条件有关，如温度和菌群的选用等。因此，处理不同成分组成的废物，需要运行与之相匹配的环境模式，以确定其分解完全的需要在第一反应器中停留的时间。

废物的降解引起废物液化，而形成液体状态，这种液体包含两相即液体相和固体相。其中液体相主要含有不稳定脂肪酸，如乙酸、戊酸、丁酸、异丁酸、丙酸、己酸等等，此外还有胺脲、乙醇或氨。而固体相主要是一些未分解的悬浮颗粒。废物降解过程中，也会产生可燃性气体，主要是甲烷。甲烷的生成量与多种因素相关，诸如第一反应器“1”容器“2”中的温度、PH、氨浓度以及废物在该容器中停留的时间等等。因此，调节这些参数，可促进或抑制可燃性气体的产生量。

废物经过分解，转化为液体，从容器“2”中流出，经过进一步分离，去除固体相。液体相部分引入到第二反应器“10”的容器“11”中，作为异养菌或光异养菌的基质，被其进一步消化，生成生物质。根据工艺设计要求，可以选用一些菌来分解这些大量含碳物质，尤其是不稳定脂肪酸类物质的液体相。这些菌为异养菌或是光异养菌，可以从红螺菌科家族中选择，尤其是红细菌属和红螺菌属。

在20℃-30℃温度条件及合适的PH值环境下，可生成生物质产物。产物的生成还与菌群的生长率、菌群张力等有关，而且尤其需要再施予关照。菌群生长过程中产生生物质产物，这些生物质包括蛋白、糖类及脂肪的。生物质产物可以从残余液体中分离，并杀菌，可被用作动物饲料。

Claims (7)

1.有机废物的开放回路净化处理工艺技术包括以下步骤：

收集废物；

无需灭菌，将废物直接投入第一反应器；

第一反应器中，应用中温厌氧菌或嗜热厌氧菌分解有机废物；

回收初步分解净化的废液，转运至第二反应器中；

利用第二反应器中的异养菌或光异养菌分解代谢废液，以生成食用性生物成分；

回收并包装这些生物产物。

2.根据权利要求1所述的中温厌氧菌或嗜热厌氧菌包括蛋白水解菌、糖分解菌和纤维素分解菌等。

3.这些菌也是动物肠道内的共生菌。

4.根据权利要求1所述的第一反应器内温度维持范围是45℃-80℃，第一反应器中，有机废物的分解过程中，产生可燃性气体，这些气体可用于加热第一反应器，以维持反应器内的恰当温度。

5.根据权利要求1所述的有机废物在第一反应器中被中温厌氧菌或嗜热厌氧菌分解完成的标准是：80%以上的有机废物被分解。

6.根据权利要求1所述的第一反应器内流出的分解液体产物，需经过分离装置去除其中的固体相，分离装置可选用过滤装置或是筛网，过滤装置或是筛网的孔径不大于150μm。

7.根据权利要求1所述的异养菌或是光异养菌，可以从红螺菌科家族中选择。