生活垃圾干式厌氧发酵系统的启动用组合物及启动方法
技术领域
本发明是关于一种生活垃圾干式厌氧发酵系统的启动用组合物及启动方法,特别适用于发酵罐有效容积>3000立方米的大型生活垃圾干式厌氧发酵系统的快速启动。
背景技术
厌氧发酵处理技术根据底物含固率分为湿式发酵和干式发酵两类。干式发酵,是指发酵原料含固率控制在20%~50%的厌氧发酵处理,与传统湿式发酵相比,干式发酵具有更高的有机处理负荷率、产气效率高等优点。《中国至2050年生物质资源科技发展路线图》指出:发展沼气干式发酵技术是未来生化转化技术研究的重要发展方向。到目前为止,干式厌氧发酵技术的研究与应用已涉及城市垃圾、市政污泥、禽畜粪便、作物秸秆、餐厨垃圾处理等领域。
干式厌氧发酵技术在处理垃圾时一般是先添加活性污泥物料启动发酵,待发酵成功启动后逐步添加垃圾进行处理,通常认为发酵罐内有机符合达到一定值并能稳定运行一段时间认为发酵启动成功。然而,目前的干式厌氧发酵技术在处理垃圾时启动难度较大,特别是国内的垃圾成分复杂、分类较差,更给该技术造成了极大障碍。生活垃圾具有高含固率、高有机质含量、易生物降解等特点,采用干式厌氧发酵处理技术,反应基质浓度高,挥发性脂肪酸、氨氮等中间代谢产物易累积,从而对产甲烷菌产生抑制作用,同时,含固率高造成中间代谢产物和能量在介质中传递、扩散困难,制约系统的处理效率和产气速率,导致生活垃圾干式厌氧发酵系统启动慢、启动周期长、运行稳定性差。
此外,现有采用干式厌氧发酵处理生活垃圾的技术,一般只采用厌氧固体污泥、厌氧液体污泥或牛粪作为启动物料,如采用液体污泥为接种物,接种物与生活垃圾按照约为9~10:1的体积比例混合,进入发酵罐,通过逐步提升有机负荷,最终达到设计的有机负荷量。对于一些大型生活垃圾干式厌氧发酵系统,例如发酵罐有效容积>3000立方米的生活垃圾干式厌氧发酵系统,具体实施时,使用相同有效容积的发酵罐,所需的启动物料量较大、启动时间较长。另外,大型生活垃圾干式厌氧发酵系统中,接种物与发酵底物的接触性较差,物料难以混合均匀,菌种对垃圾的适应过程较长,且容易发生局部酸化,导致启动失败。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种生活垃圾干式厌氧发酵系统的启动用组合物,以用于启动大型生活垃圾干式厌氧发酵系统(例如发酵罐有效容积>3000立方米),提高启动速度。
本发明的另一目的在于提供一种生活垃圾干式厌氧发酵系统特别是大型生活垃圾干式厌氧发酵系统(例如发酵罐有效容积>3000立方米)的快速启动方法。
一方面,本发明提供了一种生活垃圾干式厌氧发酵系统的启动用组合物,该组合物包括:
发酵接种物,该发酵接种物为固体活性污泥;
营养结构物,该营养结构物为熟化堆肥、或是秸秆和/或木屑;
所述组合物中发酵接种物与营养结构物的质量比例为1~2:1;优选为1.2~1.8:1。
根据本发明的具体实施方案,本发明的生活垃圾干式厌氧发酵系统的启动用组合物中,发酵接种物提供发酵过程所需的各类菌种,主要是包括产乙酸菌、产甲烷菌、脱硫菌等,本发明中优选选用的是污水处理接种用厂的厌氧固体活性污泥,例如可以是购自市政污水厂的厌氧固体污泥,更优选地,为了能达到最佳的效果,发酵接种物需满足以下要求:
理化特性:
粒径:0~30mm
DM:25~40%
VM:>45%
pH值:7~8.5
氨氮:<3g/L
总挥发物酸度:<3g/L。
对发酵接种物的生化特性无特殊要求,符合传统接种污泥要求即可。
根据本发明的具体实施方案,本发明的生活垃圾干式厌氧发酵系统的启动用组合物中,使用营养结构物使发酵罐内快速达到适合菌种繁殖的条件,并形成与生活垃圾厌氧发酵非常相近的生化环境,缩短菌种驯化和适应的周期,从而达到快速启动的目标。本发明优选使用的营养结构物最佳选择为熟化堆肥(生活垃圾堆肥或农业废弃物堆肥),或是秸秆和/或木屑,更优选地,营养结构物要满足以下要求:
理化特性:
粒径:0~60mm
DM:55~65%
VM:>35%
20mm以上惰性物含量:<5%
1mm以上惰性物含量:<15%
5mm以上塑料含量:<1%
碳氮比:25~30
生化特性:呼吸量<7mgO2/kg。
其中,所述的惰性物主要指石头、玻璃、陶瓷、木头和塑料等难以生化分解的物质。
根据本发明的具体实施方案,本发明的生活垃圾干式厌氧发酵系统的启动用组合物中,营养结构物选用秸秆和/或木屑时,对秸秆、木屑的具体种类无特殊要求,可根据地区农作物及树木种类使用秸秆和/或木屑,通常情况下,例如可以是秸秆和木屑按照重量比1:1~3的混合物作为本发明的营养结构物。
根据本发明的具体实施方案,本发明的生活垃圾干式厌氧发酵系统的启动用组合物还包括辅助物料。辅助物料主要用于调节物料的物理特性,如调整组合物的含固率为30%~35%,还可以利用辅助物料达到调节物料温度的目的,以达到厌氧发酵的运行要求。本发明中优选使用的辅助物料为液体污泥或水、蒸汽等。
本发明的生活垃圾干式厌氧发酵系统的启动用组合物可用于大型生活垃圾干式厌氧发酵系统(例如发酵罐有效容积>3000立方米)的快速启动。
另一方面,本发明还提供了一种生活垃圾干式厌氧发酵系统的快速启动方法,该方法包括:
(1)将本发明所述的生活垃圾干式厌氧发酵系统的启动用组合物逐渐装填进入发酵罐;控制装填过程中发酵罐厌氧发酵温度条件33~38℃、湿度25~35%和pH7~8;
(2)将分选后的生活垃圾逐渐填加到发酵罐中,控制装填过程中发酵罐厌氧发酵温度条件33~38℃、湿度25~35%和pH7~8,且控制生活垃圾装填速度从装填开始至第7天发酵罐内有机负荷达2.3~2.6kgVDM/m3d,第14天有机负荷达3.3~3.6kgVDM/m3d,第16~21天有机负荷达4kgVDM/m3d以上;启动成功;
本发明中,可认为发酵罐内符合以下要求时能维持一天以上时间即表示发酵启动成功:
温度:33~38℃
DM:25~35%
pH值:7~8
VFA:<5g/L
碱度:>4g/L
甲烷含量:>45%
有机负荷达4kgVDM/m3d以上。
当启动物料装填完成,且生化指标都在指标范围内时,干式厌氧的生化环境已成功建立,且比较接近处理生活垃圾的厌氧发酵环境;即可填加生活垃圾,进入菌种对生活垃圾快速适应的过程,约2~3周后可达到满负荷进垃圾状态,根据本发明的优选具体实施方案,启动成功(有机负荷达4kgVDM/m3d以上)后,可继续添加生活垃圾,例如可以是使发酵罐内第21天有机负荷约5~6kgVDM/m3d,之后可维持该有机负荷稳定处理垃圾。至此,干式厌氧启动全部完成。
根据本发明的具体实施方案,本发明的生活垃圾干式厌氧发酵系统的快速启动方法中,步骤(1)中启动用组合物物料总装填量为发酵罐有效容积的40%以上,优选为40%~80%。启动物料装填具体速度是由机械设备的处理量和发酵罐体积决定的,本发明对装填速度没有特殊限制,一般在一周左右就能完成。
根据本发明的具体实施方案,本发明的生活垃圾干式厌氧发酵系统的快速启动方法中,对分选后生活垃圾中的有机部分要求如下:
粒径:<60mm
DM:≥35%
VM:≥55%DM
碳氮比:15~45
>50mm的杂质:<干重的5%
20~50mm的杂质内:塑料+织物<干重的5%
木材<干重的10%
其他无用物<干重的4%
1~20mm的惰性成分:<干重的16%。
本发明的有益技术效果:
1、受制约条件少,启动物料易于准备,因厌氧固体污泥,营养结构物在一般的城市内都可以获得,除此之外,无论冬季或夏季都可以进行启动。
2、启动成功率高,采用的启动物料配比无论从理化特性还是生化特性来看,都对菌种驯化和生化环境的建立有十分积极的作用。
3、启动周期短,整个启动过程可在6周内完成,对大型干式厌氧发酵系统的启动来说,周期非常短,快速启动同时也带来了非常高的经济效益。特别适用于发酵罐有效容积>3000立方米的大型生活垃圾干式厌氧发酵系统的快速启动。
4、运行稳定性高,一旦启动成功,该生化系统的稳定性和抗冲击能力较强。
附图说明
图1为本发明的一具体实施例的基本流程示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果,旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点,不作为对本案可实施范围的限定。
实施例1
北京市通州区台湖镇董村垃圾综合处理厂的干法系统使用的是以干式厌氧处理中段生活垃圾的工艺。该项目即是使用本发明的方法进行的生化启动,2014年2月开始进行干式厌氧的启动工作,并在计划时间内成功完成了单罐满负荷调试。具体过程请结合参见图1所示。
本次启动预选了高碑店厌氧脱水污泥(固体活性污泥)和厌氧液体污泥(浓度污泥)、怀柔堆肥厂的堆肥和草桥堆肥厂的堆肥作为启动物料的待选样品,由第三方检测单位根据调试方提供的检测方案和样品进行菌种活性和堆肥腐熟度的检测,以确定备选物料适合用于干式厌氧的工艺启动。
实验检测主要针对启动物料的理化特性和生化特性,启动物料的关键理化特性和生化特性实验检测数据如下:
表1启动物料理化特性表
表2厌氧脱水污泥和液体污泥生化特性
表3堆肥腐熟度特性检测
根据实验数据判断高碑店厌氧脱水污泥和厌氧液体污泥活性均满足以下启动要求,可以作为启动物料:
理化特性:
粒径:0-30mm
DM:25-40%
VM:>45%
pH值:7-8.5
氨氮:<3g/L
总挥发物酸度:<3g/L
生化特性:符合传统接种污泥要求。
怀柔堆肥厂的堆肥腐熟度和含杂量都比草桥堆肥差,但因草桥堆肥存量很少,无法满足启动过程堆肥量的需求,北京周边其他的堆肥厂都处于停产状态,最终确定以怀柔堆肥为主,其他堆肥为辅,并针对怀柔堆肥的性质制定临时处理方案,堆肥提前2个月进厂,在董村厂内利用原有堆肥车间的翻抛设备,对怀柔堆肥进一步熟化,腐熟后采用人工筛分,去除堆肥中的杂物,处理后的堆肥基本满足启动物料要求。F1阶段后期由于厂内堆肥量不足,又补充了少量草桥和阿苏卫的堆肥。最终调整堆肥符合以下要求:
粒径:0-60mm
DM:55-65%
VM:>35%
20mm以上惰性物含量:<5%
1mm以上惰性物含量:<15%
5mm以上塑料含量:<1%
碳氮比:25-30
生化特性:呼吸量<7mgO2/kg。
脱水固体污泥与堆肥的质量比例为3:2,并添加适量的液体污泥调整含固率约为32%,得到启动用组合物。
垃圾分选:
本实施例中对垃圾特定的要求主要涉及:
-粒径;
-干物质(DM)和挥发性物质(VM)的含量;
-规定尺寸的无用成分的最大含量。
由于小武基滚筒筛下的中段垃圾粒径指标和无用成分指标都无法达到进罐要求,在中段垃圾进罐前需对小武基中段垃圾进行除杂处理。鉴于干法新增分选线无法在厌氧系统启动前建设完成,本次启动时在干法车间外加设了一条临时上料线。根据2010年-2012年间小武基中段垃圾的情况和分析数据,小武基15~60mm中段垃圾中大粒径石块类无用物质含量较高,故临时上料线主要功能设备采用了弹跳皮带去除重质石块。
本次工艺启动前多次对小武基中段垃圾取样,小武基滚筒筛采用80mm的筛网,取样检测的成分均较差。主要表现为大件塑料、织物等无用成分较多,大粒径石块较多,有机质含量较低。在小武基承诺更换成60mm筛网后,进场的中段垃圾品质未有任何改善,垃圾中大件塑料、玻璃瓶等无用成分约占总体积的50%。另外小武基转运来的垃圾中经常混有未处理的原生未解包的垃圾和超大件杂物。
临时上料线不具有去除轻质物和超粒径杂物的功能,为了不延误调试进度,且尽量避免无用物质进入发酵罐,在董村厂内采用移动振动筛对小武基中段垃圾进行筛分处理,振动筛可一定程度降低进罐垃圾中塑料和大件杂物的比例。
分选后的垃圾满足以下要求:
粒径:<60mm
DM:≥35%
VM:≥55%DM
碳氮比:15-45
>50mm的杂质:<干重的5%
20-50mm的杂质内:塑料+织物<干重的5%
木材<干重的10%
其他无用物<干重的4%
1-20mm的惰性成分:<干重的16%。
将上述启动用组合物逐渐装填进入发酵罐;总装填量为发酵罐有效容积的50%,控制装填过程中发酵罐厌氧发酵温度条件33~38℃之间、湿度25~35%之间和pH7~8之间;约5天装填完成;
将分选后的生活垃圾逐渐填加到发酵罐中,此阶段开始之前,启动物料已填充满3#发酵罐中50%的服务容积,生化系统已成功建立,各项条件也都调整到最佳范围(罐内温度达到设计值35℃,罐内物料DM调整到27%~29%)。第二阶段开始持续对3#罐添加中段分选的生活垃圾,并根据有机质负荷(OL)与发酵罐内的物料量逐渐增加中段垃圾的添加量,完成菌种对中段垃圾的适应性过程。其中,控制装填过程中发酵罐厌氧发酵温度条件33~38℃之间、湿度25~35%之间和pH7~8之间,且控制生活垃圾装填速度从装填开始至第7天发酵罐内有机负荷达2.5kgVDM/m3d,第14天有机负荷达3.5kgVDM/m3d,第16天有机负荷达4kgVDM/m3d,启动初步成功;继续添加垃圾至第21天有机负荷约5~6kgVDM/m3d,阶段末发酵罐物料容积达到设计服务容积100%,即3735m3。维持该状态可连续进行稳定处理。