CN104593233A - 城市生活垃圾水力分拣有机物高速发酵系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种城市生活垃圾水力分拣有机物高速发酵系统，包括垃圾房、水力分选设备、分拣设备、污水净化设备、破碎调剂设备、加压水热处理设备、甲烷发酵设备、发酵残渣池及生物气储罐；所述垃圾房一端设置有垃圾进入口，该垃圾房另一端则与后一道工序上的水力分选设备相连，水力分选设备另一端则分别与分拣设备、污水净化设备及破碎调剂设备相连，该破碎调剂设备又分别与加压水热处理设备及污水净化设备相连，上述加压水热处理设备另一端连接甲烷发酵设备，甲烷发酵设备将产物分别送入与其相连的生物气储罐和发酵残渣池内。具有使用方便、降低生产成本、节能环保等特点。

Description

城市生活垃圾水力分拣有机物高速发酵系统及其应用

技术领域

本发明属于生活垃圾处理设备技术领域，涉及一种城市生活垃圾水力分拣有机物高速发酵系统及其应用。

背景技术

目前，城市餐厨垃圾处理成为我国普遍关注的焦点。我国城市垃圾尚未实施家庭、餐饮业进行垃圾分类，进入垃圾厂房原料成分复杂。其成分包括，有机物、无机物、可回收垃圾等；按比重小到大分类，包括纸张类、塑料；木质、草、餐厨有机类、动物骨头；金属、水泥、玻璃等无机类等。按尺寸小到大分类，油脂类、泥土、砂石、残饭、残菜至瓶罐类。若按常规的人工、机械进行分拣，系统复杂、设备成本高，而且无法做到细分拣，造成破碎机效率低、出现故障，达不到发酵条件。在我国排放的城市生活垃圾中，餐厨垃圾占50%以上，其处理方式基本上与其他垃圾一起焚烧处理，或者填埋处理。如果按可燃垃圾混合焚烧，势必使垃圾水分高达50%，垃圾发热量低，造成燃烧不稳定，需补充额外的燃料来弥补其热值。按目前的填埋处理方式，若处理不当，填埋发酵所产生的甲烷造成温室效应以及污水渗透到地下污染水资源。

将城市生活垃圾中50%的厨余垃圾以生物发酵方式进行处理，不仅可做到安全、卫生、环保、节能，还可以作为发展新能源技术的重要环节，大幅度提高生物质能的高效利用。目前，美国、德国、日本等发达国家和地区大力推动和开发厨余垃圾的生物发酵技术。以日本为例，目前已建设100多座牲畜粪便、厨余垃圾、城市污泥的发酵制造甲烷气（沼气）发电，即可减少工业垃圾的处理成本，还可削减二氧化碳排放做贡献。

城市生活垃圾按本专利提出的技术，进行水力分拣，可提高垃圾分拣精度，减少能源消耗；在常规中温发酵前进行亚临界水热处理，将发酵时间由原来的30天缩短至5-10天，大幅度提高发酵速率和发酵规模的同时，大幅度减少同量发酵处理的占地面积和设备容量；由于提取或制造高纯度甲烷，扩大其用途，如，与天然气一样作为民生用燃料，还可以作为汽车燃料。燃料电池发电将成为未来新能源的主流，以高纯度甲烷或有甲烷制造氢气，作为分布式或家庭用燃料电池发电的燃料。

发明内容

为克服上述的技术缺点，本发明提供一种城市生活垃圾水力分拣有机物高速发酵系统及其应用，它以水力分拣，可提高垃圾分拣精度，减少能源消耗，在常规中温发酵前进行亚临界水热处理，将发酵时间由原来的30天缩短至5-10天，大幅度提高发酵速率和发酵规模的同时，大幅度减少同量发酵处理的占地面积和设备容量，最后获取高纯度甲烷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方法是：一种城市生活垃圾水力分拣有机物高速发酵系统，包括垃圾房、水力分选设备、分拣设备、污水净化设备、破碎调剂设备、加压水热处理设备、甲烷发酵设备、发酵残渣池及生物气储罐；所述垃圾房一端设置有垃圾进入口，该垃圾房另一端则与后一道工序上的水力分选设备相连，水力分选设备另一端则分别与分拣设备、污水净化设备及破碎调剂设备相连，该破碎调剂设备又分别与加压水热处理设备及污水净化设备相连，上述加压水热处理设备另一端连接甲烷发酵设备，甲烷发酵设备将产物分别送入与其相连的生物气储罐和发酵残渣池内。

所述水力分选设备包括垃圾袋破碎设备、水扰动用喷嘴、大比重、大尺寸物的沉淀槽、有机物沉淀槽、漂浮物回收系统及水位平衡系统。

所述污水净化设备包括一级污水净化设备和二级污水净化设备，污水净化设备能够将污水进行净化，净化后产生的水和无法净化的污水会分别投入水力分选设备和污水处理设备中，并由污水处理设备继续对污水进行处理，确保能够回收使用的水能够继续送入水力分选设备中循环使用。

所述加压水热处理设备包括加压原料桨输送泵，原料分配器，多管式水热处理器及锁气器，该加压水热处理设备连接有一个为其提供热能的热力设备。

所述生物气储罐与脱硫设备相连，该脱硫设备通过活性炭吸附法脱除H₂S气体，该脱硫设备为双塔式固定床脱硫塔结构，每一个塔内充填活性炭颗粒，交替运行，即，单塔脱硫设备通入气体吸附运行时，另一塔脱硫设备对于吸附饱和的活性炭进行再生，高浓度吸出硫化氢气体进行回收。

上述脱硫设备则又与甲烷提纯设备相连，该甲烷提纯设备通过膜分离法使甲烷浓度达到90-95%，使CH₄精制收率95％，二氧化碳浓度5-10%。

所述发酵残渣池另与脱水设备相连，所述脱水设备由蛟龙式脱水机和干燥机构成。

上述城市生活垃圾水力分拣有机物高速发酵系统的应用，其步骤是：

第一步：将生活垃圾送到垃圾房内，由垃圾房对生活垃圾进行分类处理，将垃圾中的发酵过的垃圾及厌恶性气味进行去除，发酵过的垃圾直接由去发酵设备处理掉，而厌恶性气味则以一定方式处理后进行排放；

第二步：垃圾房内能够进行发酵的垃圾则会被送入水力分选设备中，该水力分选设备具有日处理垃圾50-2000吨的性能，从第一步运送进来的垃圾首先会经过水力分选设备内的垃圾袋破碎设备进行破碎，破碎后的物料在水喷嘴扰动下会使大比重、大尺寸的物料向下沉淀，进入大比重、大尺寸物的沉淀槽，而小比重的有机物则会在水喷嘴的作用下向上移动，同时向水流动方向水平移动到有机物沉淀槽内，纸张、塑料薄膜等小比重幅宽型物料漂浮在水平面，进入回收系统，在分选过程中，需要根据物料的进料量控制水位，使各处的水位一致，而该水力分选设备则会根据分出的物料分别将物料输送到分拣设备、污水净化设备及破碎调剂设备中进行处理；

第三步：第二步中分选出来的有机物则会输送到破碎调剂设备中，并在破碎调剂设备中被调整到浓度为10%-20%，含水量调整至80%-90%，然后再进行粉碎，从而达到发酵所要求的尺寸，粉碎后再次调整含水率，使得含水量达到90%以上，形成原料浆；

第四步：该原料浆会被输送到后一工序上的加压水热处理设备中，经过加压输送泵送入至0.2-10MPa的加压水热反应器被加热至120-180℃，使原料浆处于亚临界态下分解，使纤维质分解至低聚糖、单糖类，蛋白质分解至缩氨酸、氨基酸，脂质分解至有机酸类，加压水热处理设备结构为，多管式外加热结构，原浆移动管束的每一个管的直径尺寸20-50毫米，停留时间2-10分钟，加热介质为180-250℃的水蒸气或气体；

第五步：经过第四步处理后的原料浆浓度经过水分调节至90％，并将温度控制在40℃－60℃，送入甲烷发酵设备内，并向甲烷发酵设备中添加发酵酶，在35℃-45℃的条件下在甲烷发酵设备内进行甲烷发酵，发酵时间为5－10天；生分解性高分子有机物COD的转换率80－90％，甲烷发酵产生的气体组成分比例为：甲烷50－65％，二氧化碳35－45％，１ｍ^３的甲烷气体的发热量为21－25MJ，硫化氢浓度为200－2000ppm；

第六步：第五步产生出来的甲烷气体会被输送到生物气储罐内，并通过脱硫设备进行脱硫脱氨，再经过甲烷提纯设备进行甲烷提纯，获得纯净的甲烷；而产生出来的固体残渣及液体，则被输送发酵残渣池，然后通过脱水设备进行脱水，脱水过的固体残渣排出至本系统外作为肥料或气化焚烧处理；通过脱水设备内的蛟龙式脱水机向消化液添加高分子凝结剂，进行固液分离，使残渣水含量为78％，对于脱水后残渣，利用蒸汽锅炉的蒸汽间接加热干燥机进行干燥，使残渣水含量在50％左右，整个脱水过程中产生的水会被输送至水净化设备重新循环使用。

本发明的有益效果是：通过以生物发酵方式对生活垃圾进行处理，不仅可做到安全、卫生、环保、节能，还可以作为发展新能源技术的重要环节，大幅度提高生物质能的高效利用，同时可以大大减少工业垃圾的处理成本，还可削减二氧化碳排放做贡献，通过本系统可提高垃圾分拣精度，减少能源消耗；在常规中温发酵前进行亚临界水热处理，将发酵时间由原来的30天缩短至5-10天，大幅度提高发酵速率和发酵规模的同时，大幅度减少同量发酵处理的占地面积和设备容量；由于提取或制造高纯度甲烷，扩大其用途，如，与天然气一样作为民生用燃料，还可以作为汽车燃料，燃料电池发电将成为未来新能源的主流，以高纯度甲烷或有甲烷制造氢气，作为分布式或家庭用燃料电池发电的燃料，具有使用方便、降低生活成本、节能环保等特点。

附图说明

 图1是本发明方框结构示意图；

图2是本发明使用流程图。

具体实施方式

 下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。

参见图1，一种城市生活垃圾水力分拣有机物高速发酵系统，包括垃圾房、水力分选设备、分拣设备、污水净化设备、破碎调剂设备、加压水热处理设备、甲烷发酵设备、发酵残渣池及生物气储罐；所述垃圾房一端设置有垃圾进入口，该垃圾房另一端则与后一道工序上的水力分选设备相连，水力分选设备另一端则分别与分拣设备、污水净化设备及破碎调剂设备相连，该破碎调剂设备又分别与加压水热处理设备及污水净化设备相连，上述加压水热处理设备另一端连接甲烷发酵设备，甲烷发酵设备将产物分别送入与其相连的生物气储罐和发酵残渣池内。

所述水力分选设备包括垃圾袋破碎设备、水扰动用喷嘴、大比重、大尺寸物的沉淀槽、有机物沉淀槽、漂浮物回收系统及水位平衡系统。

所述污水净化设备包括一级污水净化设备和二级污水净化设备，污水净化设备能够将污水进行净化，净化后产生的水和无法净化的污水会分别投入水力分选设备和污水处理设备中，并由污水处理设备继续对污水进行处理，确保能够回收使用的水能够继续送入水力分选设备中循环使用。

所述加压水热处理设备包括加压原料桨输送泵，原料分配器，多管式水热处理器及锁气器，该加压水热处理设备连接有一个为其提供热能的热力设备。

所述生物气储罐与脱硫设备相连，该脱硫设备通过活性炭吸附法脱除H₂S气体，该脱硫设备为双塔式固定床脱硫塔结构，每一个塔内充填活性炭颗粒，交替运行，即，单塔脱硫设备通入气体吸附运行时，另一塔脱硫设备对于吸附饱和的活性炭进行再生，高浓度吸出硫化氢气体进行回收。

上述脱硫设备则又与甲烷提纯设备相连，该甲烷提纯设备通过膜分离法使甲烷浓度达到90-95%，使CH₄精制收率95％，二氧化碳浓度5-10%。

所述发酵残渣池另与脱水设备相连，所述脱水设备由蛟龙式脱水机和干燥机构成。

参见图2，上述城市生活垃圾水力分拣有机物高速发酵系统的应用，其步骤是：

第一步：将生活垃圾送到垃圾房内，由垃圾房对生活垃圾进行分类处理，将垃圾中的发酵过的垃圾及厌恶性气味进行去除，发酵过的垃圾直接由去发酵设备处理掉，而厌恶性气味则以一定方式处理后进行排放；

第二步：垃圾房内能够进行发酵的垃圾则会被送入水力分选设备中，该水力分选设备具有日处理垃圾50-2000吨的性能，从第一步运送进来的垃圾首先会经过水力分选设备内的垃圾袋破碎设备进行破碎，破碎后的物料在水喷嘴扰动下会使大比重、大尺寸的物料向下沉淀，进入大比重、大尺寸物的沉淀槽，而小比重的有机物则会在水喷嘴的作用下向上移动，同时向水流动方向水平移动到有机物沉淀槽内，纸张、塑料薄膜等小比重幅宽型物料漂浮在水平面，进入回收系统，在分选过程中，需要根据物料的进料量控制水位，使各处的水位一致，而该水力分选设备则会根据分出的物料分别将物料输送到分拣设备、污水净化设备及破碎调剂设备中进行处理；

第三步：第二步中分选出来的有机物则会输送到破碎调剂设备中，并在破碎调剂设备中被调整到浓度为10%-20%，含水量调整至80%-90%，然后再进行粉碎，从而达到发酵所要求的尺寸，粉碎后再次调整含水率，使得含水量达到90%以上，形成原料浆；

第四步：该原料浆会被输送到后一工序上的加压水热处理设备中，经过加压输送泵送入至0.2-10MPa的加压水热反应器被加热至120-180℃，使原料浆处于亚临界态下分解，使纤维质分解至低聚糖、单糖类，蛋白质分解至缩氨酸、氨基酸，脂质分解至有机酸类，加压水热处理设备结构为，多管式外加热结构，原浆移动管束的每一个管的直径尺寸20-50毫米，停留时间2-10分钟，加热介质为180-250℃的水蒸气或气体；

第五步：经过第四步处理后的原料浆浓度经过水分调节至90％，并将温度控制在40℃－60℃，送入甲烷发酵设备内，并向甲烷发酵设备中添加发酵酶，在35℃-45℃的条件下在甲烷发酵设备内进行甲烷发酵，发酵时间为5－10天；生分解性高分子有机物COD的转换率80－90％，甲烷发酵产生的气体组成分比例为：甲烷50－65％，二氧化碳35－45％，１ｍ^３的甲烷气体的发热量为21－25MJ，硫化氢浓度为200－2000ppm；

第六步：第五步产生出来的甲烷气体会被输送到生物气储罐内，并通过脱硫设备进行脱硫脱氨，再经过甲烷提纯设备进行甲烷提纯，获得纯净的甲烷；而产生出来的固体残渣及液体，则被输送发酵残渣池，然后通过脱水设备进行脱水，脱水过的固体残渣排出至本系统外作为肥料或气化焚烧处理；通过脱水设备内的蛟龙式脱水机向消化液添加高分子凝结剂，进行固液分离，使残渣水含量为78％，对于脱水后残渣，利用蒸汽锅炉的蒸汽间接加热干燥机进行干燥，使残渣水含量在50％左右，整个脱水过程中产生的水会被输送至水净化设备重新循环使用。

本发明通过以生物发酵方式对生活垃圾进行处理，不仅可做到安全、卫生、环保、节能，还可以作为发展新能源技术的重要环节，大幅度提高生物质能的高效利用，同时可以大大减少生活、工业垃圾的处理成本，还可削减二氧化碳排放做贡献，通过本系统可提高垃圾分拣精度，减少能源消耗；在常规中温发酵前进行亚临界水热处理，将发酵时间由原来的30天缩短至5-10天，大幅度提高发酵速率和发酵规模的同时，大幅度减少同量发酵处理的占地面积和设备容量；由于提取或制造高纯度甲烷，扩大其用途，如，与天然气一样作为民生用燃料，还可以作为汽车燃料。燃料电池发电将成为未来新能源的主流，以高纯度甲烷或有甲烷制造氢气，作为分布式或家庭用燃料电池发电的燃料，具有使用方便、降低生活成本、节能环保等特点。

Claims (8)

1.一种城市生活垃圾水力分拣有机物高速发酵系统，其特征在于包括垃圾房、水力分选设备、分拣设备、污水净化设备、破碎调剂设备、加压水热处理设备、甲烷发酵设备、发酵残渣池及生物气储罐；所述垃圾房一端设置有垃圾进入口，该垃圾房另一端则与后一道工序上的水力分选设备相连，水力分选设备另一端则分别与分拣设备、污水净化设备及破碎调剂设备相连，该破碎调剂设备又分别与加压水热处理设备及污水净化设备相连，上述加压水热处理设备另一端连接甲烷发酵设备，甲烷发酵设备将产物分别送入与其相连的生物气储罐和发酵残渣池内。

2.如权利要求1所述城市生活垃圾水力分拣有机物高速发酵系统，其特征在于所述水力分选设备包括垃圾袋破碎设备、水扰动用喷嘴、大比重、大尺寸物的沉淀槽、有机物沉淀槽、漂浮物回收系统及水位平衡系统。

3.如权利要求1所述城市生活垃圾水力分拣有机物高速发酵系统，其特征在于所述污水净化设备包括一级污水净化设备和二级污水净化设备，污水净化设备能够将污水进行净化，净化后产生的水和无法净化的污水会分别投入水力分选设备和污水处理设备中，并由污水处理设备继续对污水进行处理，确保能够回收使用的水能够继续送入水力分选设备中循环使用。

4.如权利要求1所述城市生活垃圾水力分拣有机物高速发酵系统，其特征在于所述加压水热处理设备包括加压原料桨输送泵，原料分配器，多管式水热处理器及锁气器，该加压水热处理设备连接有一个为其提供热能的热力设备。

5.如权利要求1所述城市生活垃圾水力分拣有机物高速发酵系统，其特征在于所述生物气储罐与脱硫设备相连，该脱硫设备通过活性炭吸附法脱除H₂S气体，该脱硫设备为双塔式固定床脱硫塔结构，每一个塔内充填活性炭颗粒，交替运行，即，单塔脱硫设备通入气体吸附运行时，另一塔脱硫设备对于吸附饱和的活性炭进行再生，高浓度吸出硫化氢气体进行回收。

6.如权利要求5所述城市生活垃圾水力分拣有机物高速发酵系统，其特征在于上述脱硫设备则又与甲烷提纯设备相连，该甲烷提纯设备通过膜分离法使甲烷浓度达到90-95%，使CH₄精制收率95％，二氧化碳浓度5-10%。

7.如权利要求1所述城市生活垃圾水力分拣有机物高速发酵系统，其特征在于所述发酵残渣池另与脱水设备相连，所述脱水设备由蛟龙式脱水机和干燥机构成。

8.上述城市生活垃圾水力分拣有机物高速发酵系统的应用，其特征在于步骤是：

第一步：将生活垃圾送到垃圾房内，由垃圾房对生活垃圾进行分类处理，将垃圾中的发酵过的垃圾及厌恶性气味进行去除，发酵过的垃圾直接由去发酵设备处理掉，而厌恶性气味则以一定方式处理后进行排放；

第二步：垃圾房内能够进行发酵的垃圾则会被送入水力分选设备中，该水力分选设备具有日处理垃圾50-2000吨的性能，从第一步运送进来的垃圾首先会经过水力分选设备内的垃圾袋破碎设备进行破碎，破碎后的物料在水喷嘴扰动下会使大比重、大尺寸的物料向下沉淀，进入大比重、大尺寸物的沉淀槽，而小比重的有机物则会在水喷嘴的作用下向上移动，同时向水流动方向水平移动到有机物沉淀槽内，纸张、塑料薄膜等小比重幅宽型物料漂浮在水平面，进入回收系统，在分选过程中，需要根据物料的进料量控制水位，使各处的水位一致，而该水力分选设备则会根据分出的物料分别将物料输送到分拣设备、污水净化设备及破碎调剂设备中进行处理；

第三步：第二步中分选出来的有机物则会输送到破碎调剂设备中，并在破碎调剂设备中被调整到浓度为10%-20%，含水量调整至80%-90%，然后再进行粉碎，从而达到发酵所要求的尺寸，粉碎后再次调整含水率，使得含水量达到90%以上，形成原料浆；

第四步：该原料浆会被输送到后一工序上的加压水热处理设备中，经过加压输送泵送入至0.2-10MPa的加压水热反应器被加热至120-180℃，使原料浆处于亚临界态下分解，使纤维质分解至低聚糖、单糖类，蛋白质分解至缩氨酸、氨基酸，脂质分解至有机酸类，加压水热处理设备结构为，多管式外加热结构，原浆移动管束的每一个管的直径尺寸20-50毫米，停留时间2-10分钟，加热介质为180-250℃的水蒸气或气体；

第五步：经过第四步处理后的原料浆浓度经过水分调节至90％，并将温度控制在40℃－60℃，送入甲烷发酵设备内，并向甲烷发酵设备中添加发酵酶，在35℃-45℃的条件下在甲烷发酵设备内进行甲烷发酵，发酵时间为5－10天；生分解性高分子有机物COD的转换率80－90％，甲烷发酵产生的气体组成分比例为：甲烷50－65％，二氧化碳35－45％，１ｍ^３的甲烷气体的发热量为21－25MJ，硫化氢浓度为200－2000ppm；

第六步：第五步产生出来的甲烷气体会被输送到生物气储罐内，并通过脱硫设备进行脱硫脱氨，再经过甲烷提纯设备进行甲烷提纯，获得纯净的甲烷；而产生出来的固体残渣及液体，则被输送发酵残渣池，然后通过脱水设备进行脱水，脱水过的固体残渣排出至本系统外作为肥料或气化焚烧处理；通过脱水设备内的蛟龙式脱水机向消化液添加高分子凝结剂，进行固液分离，使残渣水含量为78％，对于脱水后残渣，利用蒸汽锅炉的蒸汽间接加热干燥机进行干燥，使残渣水含量在50％左右，整个脱水过程中产生的水会被输送至水净化设备重新循环使用。