CN105414158B - 一种用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法 - Google Patents

一种用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物质能源技术领域，具体涉及一种用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法，包括以下步骤：餐厨垃圾预处理，粗油脂水热液化产油，厌氧发酵生产沼气、沼渣和沼液，多级产物净化和利用。本发明用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法，采用水热液化和厌氧发酵耦合技术处理餐厨垃圾，实现了餐厨垃圾的无害化、资源化处理和高值化利用。

Description

一种用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法
技术领域
本发明属于生物质能源技术领域，具体涉及一种用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法，实现餐厨垃圾的减量化、无害化、资源化处理和高值化利用。
背景技术
近年来，随着社会经济的迅速发展和物质文化生活水平的不断提高，餐厨垃圾的产量呈现明显上升趋势。目前，世界各国绝大部分城市垃圾中约40％为餐厨垃圾。餐厨垃圾以淀粉类、蛋白质、食物纤维和动物脂肪等有机物质为主要成分，其有机质含量和含水率较高，容易发酵、变质、腐烂，这些特点决定了餐厨垃圾既是一种污染物，又是一种可利用的资源，如果处理不当则会产生大量毒素，散发恶臭气体，污染水体、土壤和大气。
我国餐厨垃圾处理行业起步晚，相应的政策法规及管理办法不健全，存在收集难、配套设施不规范、处理效率低等缺点。国内大中型城市已经意识到餐厨垃圾的危害，并开始了资源化利用的尝试。
同时，“地沟油”、“垃圾猪”等由餐厨废弃物引发的食品安全问题备受社会关注，推进餐厨垃圾无害化、资源化利用，有助于从源头上解决食品安全、生态安全和环境卫生等问题。
国家统计局2014年年鉴显示，我国的城市生活垃圾仍有61％采用卫生填埋、27％采用焚烧法进行处理。目前餐厨垃圾的处理技术存在二次污染严重、浪费资源、耗能高等缺点。
中国专利CN103272830A公开了一种餐厨垃圾无害化处理工艺，对餐厨垃圾进行加热、固液分离、油水分离、脱水、破碎和制浆等预处理后，得到的油脂进入生物柴油制作单元，制作生产生物柴油。剩余部分用于厌氧发酵，产生的沼气、沼液和沼渣经分离处理，生产天然气、颗粒有机肥等。
中国专利CN103752586A公开了一种餐厨垃圾综合利用预处理方法，餐厨垃圾经高压灭菌、破碎制浆，加热隔油、固液分离等操作后，回收废油，剩余部分用于厌氧消化，以避免病原微生物传播，提高餐厨垃圾的脱油性能和废油回收率。
发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法，实现餐厨垃圾的减量化、无害化、资源化处理和高值化利用。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法，包括以下步骤：
a)餐厨垃圾预处理：依次包括餐厨垃圾的收集、运输和分拣；
b)粗油脂水热液化产油：将分拣后的餐厨垃圾进行离心脱油，得到粗油脂和脱除粗油脂后的剩余餐厨垃圾；离心脱油后得到的粗油脂经过水热液化转化为生物油；
c)厌氧发酵生产沼气、沼渣和沼液：脱除粗油脂后的剩余餐厨垃圾进行粉碎，并加入沼液和步骤b中水热液化过程中产生的水热液化出水，进行调浆，然后在调浆池中进行初步水解；将初步水解后的餐厨垃圾进行厌氧发酵，生产沼气、沼渣和沼液；
d)多级产物净化和利用：包括沼气的净化利用、沼渣的利用、沼液的利用及生物油的利用。
步骤a中，将餐厨垃圾收集、运输至处理站，经机械分拣输送设备输送至脱油设备，在输送过程中进行分拣。
步骤b中，粗油脂经过水热液化转化为生物油包括如下步骤：在水热液化设备中将粗油脂与水以1:4-2:3的质量比混合，在250-370℃条件下，将粗油脂在30-60min内转化为生物油；
所述生物油的热值为35-39MJ/kg。
步骤b中，将得到的生物油进行降温，在降温过程中，用冷却水回收热量，回收的热量用于提供步骤c中厌氧发酵维持中温所需要的能量。
步骤c中，调浆时，调配进料的总固体TS浓度为3-5％。
步骤c中，厌氧发酵采用连续式中温厌氧发酵工艺，水力停留时间为20-30天，每天进出料一次；
发酵罐类型为全混式厌氧反应器，采用下部进料、上部出料方式，并对发酵罐内的餐厨垃圾料液进行搅拌。
步骤d中，沼气从发酵罐内的餐厨垃圾料液中逸出后，经发酵罐顶部空间收集，由排气管道输送至脱水脱硫设备，除去沼气中的水蒸气和硫化氢气体，净化后的沼气储存在贮气装置中，用于步骤c中的厌氧发酵的能量供应、步骤b中的水热液化的能量供应和能源外供。
步骤d中，经固液分离的沼液排入密封的沼液储存池，一部分用于步骤c中的调浆，剩余部分储存一个月后与水耦合进行绿化灌溉。
步骤d中，沼渣脱水后用于绿化基质或固体肥料。
步骤d中，生物油送至生物油处理点，经工厂提纯后作为液体燃料。
本发明的有益效果在于：
1)本发明的用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法采用水热液化和厌氧发酵耦合技术处理餐厨垃圾，实现了餐厨垃圾的无害化、资源化处理和高值化利用。实验研究表明，采用本发明的处理方法处理餐厨垃圾，生物油的转化率为94％，厌氧发酵的总固体TS降解率为80％，实现了较高的转化效率，减少了餐厨垃圾，如地沟油、垃圾猪等，流入市场的危险；
2)本发明的用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法采用脱油预处理，将油脂分离，避免了长链脂肪酸对厌氧发酵系统的抑制，提高了系统稳定性，同时，对油脂进行单独处理，提高了油脂的利用价值，产生的生物油、沼气、沼渣和沼液分别作为清洁可再生能源和肥料等，实现了原料的分级生产和产物的多级利用；
3)本发明的用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法，根据餐厨垃圾的产量确定规模和设备，进行模块式运行，且在冷却生物油的过程中进行热量回收，同时用出料沼液和水热液化出水调配进料餐厨垃圾，进行制浆，实现了能源的自给和高效的循环利用；
4)本发明的用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法具有良好的环境效益和经济效益，可根据餐厨垃圾量确定设备型号，实现餐厨垃圾的及时就地处理，减少对市政环境的压力，适应性强、模块式运行便利，实用推广性强。
附图说明
图1为本发明的用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明的用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法采用水热液化和厌氧发酵耦合技术，对餐厨垃圾进行脱油、分离油脂，避免长链脂肪酸对厌氧发酵系统的抑制，提高系统稳定性。同时，对油脂进行水热液化处理，提高油脂的利用价值并在生物油降温过程中用冷却水回收热量，将沼液和水热液化出水用于调浆，实现了餐厨垃圾的减量化、无害化、资源化处理和高值化利用，并保证了能源和产物的高效循环利用。
如图1所示，本发明的用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法包括以下步骤：
a)餐厨垃圾预处理：
依次包括餐厨垃圾的收集、运输和分拣，将餐厨垃圾收集、运输至处理站，经输送设备输送至脱油设备，在输送过程中进行分拣，即将餐厨垃圾中不能进行厌氧发酵或影响设备运行的物料，如骨头、塑料、纸巾等挑拣出来。
b)粗油脂水热液化产油：
将分拣后的餐厨垃圾进行离心脱油，得到粗油脂和脱除粗油脂后的剩余餐厨垃圾。离心脱油是利用油和水的两相密度差，通过高速旋转产生不同的离心力，使轻组分油和重组分水及固体分别分布在脱油设备壁面和中心，实现油水分离。实验室研究表明，脱除粗油脂后的剩余餐厨垃圾进行厌氧发酵可提高系统的稳定性。
离心脱油后得到的粗油脂输送至水热液化设备经过水热液化转化为生物油，水热液化后产生的水热液化出水用于餐厨垃圾厌氧发酵调浆。
其中，粗油脂经过水热液化转化为生物油包括如下步骤：在水热液化设备中将粗油脂与水以1:4-2:3的质量比混合，在250-370℃条件下以水为介质，将粗油脂在30-60min内瞬间快速转化为生物油；所述生物油的热值为35-39MJ/kg。将得到的生物油进行降温，在降温过程中，用冷却水回收热量，重复利用，回收的热量用于提供步骤c中发酵罐维持中温所需要的能量。
c)厌氧发酵生产沼气、沼渣和沼液：
脱除粗油脂后的剩余餐厨垃圾输送至粉碎机进行粉碎，然后投入到调浆池并加入沼液和步骤b中水热液化过程中产生的水热液化出水，调配进料的总固体(TS)浓度为3-5％，进行调浆，然后在调浆池中停留3-5天，进行初步水解；将初步水解后调浆池里的餐厨垃圾通过进料泵输送至发酵罐，在微生物的作用下降解有机物，进行厌氧发酵，生产沼气、沼渣和沼液。
其中，厌氧发酵采用连续式中温厌氧发酵工艺，水力停留时间为20-30天，每天进出料一次，发酵罐类型为全混式厌氧反应器(CSTR发酵罐)，采用下部进料、上部出料方式，并对发酵罐内的餐厨垃圾料液进行搅拌使其混合均匀。
d)多级产物净化和利用：包括沼气的净化利用、沼渣的利用、沼液的利用及生物油的利用，其中，
沼气从发酵罐内的餐厨垃圾料液中逸出后，经发酵罐顶部空间收集，由排气管道输送至脱水脱硫设备，除去沼气中的水蒸气和硫化氢气体，净化后的沼气储存在贮气装置中，一部分用于步骤c中的厌氧发酵的能量供应、步骤b中的水热液化的能量供应，另一部分作为能源外供；
经固液分离的沼液排入密封的沼液储存池，一部分用于步骤c中的调浆，剩余部分储存一个月后与水耦合进行绿化灌溉；
沼渣脱水后用于绿化基质或固体肥料。
生物油组成丰富，是重要的化工生产原料和新型的清洁液体燃料，且其热值高，为35-39MJ/kg，将其送至生物油处理点，经工厂提纯后作为新型液体燃料利用。
实施例1
以分拣后为1t的大学食堂的餐厨垃圾为原料，对脱油前和脱油后的餐厨垃圾进行测定，其性质如表1所示。
表1脱油前和脱油后的餐厨垃圾的性质
采用本发明的实施例1用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法对餐厨垃圾进行处理，具体操作如下：
a)餐厨垃圾预处理
由小型运输车定时从校园各个食堂收集餐厨垃圾，运输至处理站，采用机械分拣输送设备将餐厨垃圾在输送过程中进行分拣，即将骨头、塑料、纸巾等杂物挑出。
b)粗油脂水热液化产油
将分拣后的餐厨垃圾运输至脱油设备进行离心脱油，脱油率为90％，粗油脂储存在油脂储存罐中。
将储存在油脂储存罐中的粗油脂投入到水热液化设备中，将粗油脂与水以1:4的质量比混合，在250℃条件下以水为介质，将粗油脂在30min内瞬间快速转化为生物油，生物油转化率为94％，热值为38MJ/kg，将得到的生物油进行降温，在降温过程中，用冷却水回收热量，重复利用，回收的热量用于提供步骤c中发酵罐维持中温所需要的能量。由于以1t餐厨垃圾计算，每天脱除的油脂量为49kg，为了节约能耗，故每7天进行一次水热液化反应。
c)厌氧发酵生产沼气、沼渣和沼液
脱除粗油脂后的剩余餐厨垃圾输送至粉碎机进行粉碎，然后投入到调浆池中并加入沼液和步骤b中水热液化过程中产生的水热液化出水，调配进料的总固体(TS)浓度到5％，进行调浆；同时在调浆池中停留3天，进行初步水解；根据计算，TS降解率为80％，每天的进出料量为2596kg，将制浆后调浆池里的餐厨垃圾通过进料泵输送至CSTR发酵罐中，在微生物的作用下降解有机物，进行温度为35℃中温厌氧发酵，生产沼气、沼渣和沼液，其中厌氧发酵采用连续式中温厌氧发酵工艺，水力停留时间为20天，每天进出料一次，采用下部进料、上部出料方式，并启动搅拌器对发酵罐内的餐厨垃圾进行搅拌使其混合均匀。
d)多级产物净化和利用
沼气从发酵罐中的餐厨垃圾料液中逸出后，经发酵罐顶部空间收集，由排气管道输送至脱水脱硫设备，除去沼气中的水蒸气和硫化氢气体，沼气每天的产量约为81m3，甲烷含量为64％，甲烷产量为52m3。净化后的沼气储存在贮气装置中，一部分用于厌氧发酵的能量供应、水热液化的能量供应，一部分作为能量外供；
经固液分离后的沼液排入密封的沼液储存池，一部分用于调浆，另一部分储存一个月后与水耦合进行绿化灌溉；
沼渣脱水后用做绿化基质或固体肥料；
生物油组成丰富，且热值高，为38MJ/kg，是重要的化工生产原料和新型液体燃料，将其储存在罐中，定期送至生物油处理点，经工厂提纯后作为新型液体燃料利用。
采用本发明的实施例1用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法对餐厨垃圾进行处理后得到的产物产量，如表2所示。
表2产物产量
产物 生物油/(kg/吨) 甲烷/(m3/吨) 沼液/(kg/吨) 沼渣/(kg/吨)
产量 46 52 1121 26
注：沼液及沼渣产量为总的出料量减去原料调浆所用沼液量
实际工程可根据每天的餐厨垃圾量确定设备型号和处理容量，实现餐厨垃圾的就地及时处理，减少对市政环境的压力。该系统适应性强、模块式运行便利，实用推广性强。

Claims (7)

1.一种用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法，其特征在于：
包括以下步骤：
a)餐厨垃圾预处理：依次包括餐厨垃圾的收集、运输和分拣；
b)粗油脂水热液化产油：将分拣后的餐厨垃圾进行离心脱油，得到粗油脂和脱除粗油脂后的剩余餐厨垃圾；离心脱油后得到的粗油脂经过水热液化转化为生物油；
在水热液化设备中将粗油脂与水以1:4的质量比混合，在250℃条件下，将粗油脂在30min内转化为生物油；
所述生物油的热值为38MJ/kg；
c)厌氧发酵生产沼气、沼渣和沼液：将脱除粗油脂后的剩余餐厨垃圾进行粉碎，并加入沼液和步骤b中水热液化过程中产生的水热液化出水，进行调浆，然后在调浆池中进行初步水解；将初步水解后的餐厨垃圾进行厌氧发酵，生产沼气、沼渣和沼液；
其中，厌氧发酵采用连续式中温厌氧发酵工艺，水力停留时间为20-天，每天进出料一次；
发酵罐类型为全混式厌氧反应器，采用下部进料、上部出料方式，并对发酵罐内的餐厨垃圾料液进行搅拌；
调浆时，调配进料的总固体TS浓度为5％；
d)多级产物净化和利用：包括沼气的净化利用、沼渣的利用、沼液的利用及生物油的利用；
所述生物油的转化率为94％。
2.根据权利要求1所述的用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法，其特征在于：
步骤a中，将餐厨垃圾收集、运输至处理站，经机械分拣输送设备输送至脱油设备，在输送过程中进行分拣。
3.根据权利要求1所述的用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法，其特征在于：
步骤b中，将得到的生物油进行降温，在降温过程中，用冷却水回收热量，回收的热量用于提供步骤c中厌氧发酵维持中温所需要的能量。
4.根据权利要求1所述的用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法，其特征在于：
步骤d中，沼气从发酵罐内的餐厨垃圾料液中逸出后，经发酵罐顶部空间收集，由排气管道输送至脱水脱硫设备，除去沼气中的水蒸气和硫化氢气体，净化后的沼气储存在贮气装置中，用于步骤c中的厌氧发酵的能量供应、步骤b中的水热液化的能量供应和能源外供。
5.根据权利要求1所述的用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法，其特征在于：
步骤d中，经固液分离的沼液排入密封的沼液储存池，一部分用于步骤c中的调浆，剩余部分储存一个月后与水耦合进行绿化灌溉。
6.根据权利要求1所述的用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法，其特征在于：
步骤d中，沼渣脱水后用于绿化基质或固体肥料。
7.根据权利要求1所述的用于餐厨垃圾的厌氧发酵耦合水热液化的处理方法，其特征在于：
步骤d中，生物油送至生物油处理点，经工厂提纯后作为液体燃料。
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