CN105478448B - 生活垃圾利用强化水解进行分类处理的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种生活垃圾利用强化水解进行分类处理的方法和设备，就是在没有任何不利的添加剂情况下，对生活垃圾进行分类，把其中的可降解物质和不可降解的物质“分开”，然后再进行进一步的有效处理的一种方法。

Description

生活垃圾利用强化水解进行分类处理的方法和设备

技术领域

本发明属于环境保护、新能源和循环经济技术领域，具体涉及一种生活垃圾利用强化水解进行分类处理的方法和设备。

背景技术

生活垃圾是指在日常生活中或者为日常生活提供服务的活动中产生的固体废物以及法律、行政法规规定视为生活垃圾的固体废物。垃圾问题，是伴随着人类文明史的一个“世界难题”。“中国成垃圾围城最严重国家”之一。目前生活垃圾处理主要有以下几种：

1）填埋处理

填埋是大量消纳城市生活垃圾的有效方法，也是所有垃圾处理工艺剩余物的最终处理方法，中国普遍采用直接填埋法。所谓直接填埋法是将垃圾填入已预备好的坑中盖上土压实，使其发生生物、物理、化学变化，分解有机物，达到减量化和无害化的目的。但是在实施过程中，会不断地侵占土地和对环境造成污染。例如，北京目前已经很难找到填埋垃圾的土地，而且北京郊区的地下水已经大部分被污染。由于分类不细化，导致资源的回收利用率非常的低。

2）焚烧处理

焚烧法是将垃圾置于高温炉中，使其中可燃成分充分氧化的一种方法，产生的热量用于发电和供暖。美国西屋公司和奥康诺公司联合研制的垃圾转化能源系统已获成功。该系统的焚烧炉在燃烧垃圾时可将湿度达70%的垃圾变成干燥的固体进行焚烧，焚烧效率达95%以上，同时，焚烧炉表面的高温能将热能转化为蒸汽，可用于暖气、空调设备及蒸汽涡轮发电等方面。焚烧处理的优点是减量效果好（焚烧后的残渣体积减少90%以上，重量减少80%以上），处理彻底。但是，根据美国的报道焚烧厂的建设和生产费用极为昂贵。在多数情况下，这些装备所产生的电能价值远远低于预期的销售额给当地政府留下巨额经济亏损。由于垃圾含有某些金属，焚烧具有很高的毒性，产生二次环境危害。焚烧处理要求垃圾的热值大于3.35MJ/kg，否则，必须添加助燃剂，这将使运行费用增高到一般城市难以承受的地步。

3）堆肥处理

将生活垃圾堆积成堆，保温至70℃储存、发酵，借助垃圾中微生物分解的能力，将有机物分解成无机养分。经过堆肥处理后，生活垃圾变成卫生的、无味的腐殖质。既解决垃圾的出路，又可达到再资源化的目的，但是生活垃圾堆肥量大，养分含量低，长期使用易造成土壤板结和地下水质变坏，所以，堆肥的规模不易太大。

我国生活垃圾处理处于较初级阶段，从源头到最终的处理有很多需要规范的地方，如分类、循环利用、处理方式等。中国现阶段主要是针对已产生垃圾的处理，对于类似美国控制垃圾产生源头的理念并没有在技术路线中体现，而且处理的方式相对较单一，主要是卫生填埋的方式，将近一半的生活垃圾都处于未处理或者简单处理的状态，还有很大的提升空间。

目前生活垃圾无害化处理受到了很大的限制，很难达到无害化，减量化和资源化的要求，如图1所示，其中难点集中在垃圾的“分类”方面，分类不好，后面工序处理的效果就无法得到保证，造成一系列不好的后果。我国近十几年以来很多大中城市都在大力寻找垃圾“分类”的技术、方法和政策等，至今仍是“分不清，不愿分 ”，北京、上海、广州及南京都很相似，还在努力寻找一种理想的垃圾“分类”方法，但却没有一项高效专用而可行的“方法”运用到工程中去，来解决垃圾的出路，从而无法实现高比例的无害化处理。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题，提供一种生活垃圾利用强化水解进行分类处理的方法和设备，利用微生物群体，将固体废弃物可降解的有机物转化为可溶性小分子物质与固废中其他不可降解的物质分离，溶在水中的物质由泵进入厌氧消化池进行无害化资源化处理过程。本发明所述的方法高效，投资少，操作方便且无二次污染。

本发明所提供的生活垃圾利用强化水解进行分类处理的方法，过程如下：生活垃圾经过初选单元，选出大块废弃物如衣柜、沙发等，剩下的部分经过揉搓破碎机揉搓破碎后进入生物分选池进行降解分类，降解后的酸化泥由排泥口排入一号调节池，酸化液由出水口排入一号调节池和二号调节池中，沼气由出口输出；其中未被溶解的物质则由出料口输入到水力机械复合脱膜机中，脱膜后的物料进入气化热解装置进行气化、热解，产生燃气，用作燃料或发电；

进入一号调节池的酸化泥与酸化液混合调节后再进入厌氧消化池；厌氧消化池发酵产生沼气、沼液和沼渣，其中沼液一部分回流至二号调节池，用于调节二号调节池中酸化液的条件，与二号调节池中的酸化液混合调节后进入生物分选池进行发酵分类，二号调节池底部的酸化泥进入厌氧消化池；厌氧消化池产生的沼气是可再生的清洁能源，沼渣用作有机肥，剩余的沼液用作有机肥或深度处理后达标排放。

所述生物分选池内含有以下微生物群体：色梭菌、厌氧球菌、丁酸梭菌、拟杆菌属的细菌、枯草芽孢杆菌、乳杆菌（Lactobacillus）、腊状芽孢杆菌（Bacillus cereus）、地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）、拟杆菌（Bacteriodes）、梭状芽胞杆菌（Clostridium）、互营单胞菌（Syntrophomonas）、互营杆菌（Syntrophobacter）、梭菌（Clostridium）、暗杆菌（Pelobacter）。进入生物分选池的物料，在上述微生物菌群的作用下，物料进行降解分类。

所述生物分选池的技术参数为：工作温度：20-40℃，pH值：4-7，总固体（TS）：10-20%，水力停留时间（HRT）：3-9天，固体停留时间（SRT）：5-15天。

所述酸化泥与酸化液混合调节后的浓度为总固体≤2%，温度为30-40℃。

所述二号调节池中酸化液通过沼液调节的具体方式为酸化液通过厌氧发酵产生的沼液调节的具体方式为沼液占二者总体积的10%，酸化液与沼液二者总质量占生物分选池内物料的20-30%。

本发明还提供了一种生活垃圾利用沼液进行分类处理的设备，包括初选单元、揉搓破碎机、生物分选池、一号调节池、二号调节池、厌氧消化池和水力机械复合脱膜机，所述初选单元与揉搓破碎机相连，所述揉搓破碎机与生物分选池相连，生物分选池底部设有排泥口，顶部设有出水口，所述排泥口与一号调节池相连，所述一号调节池和出水口均与二号调节池相连，所述二号调节池与底部与厌氧消化池底部相连，所述厌氧消化池底部还与二号调节池顶部相连，用于沼液回流至二号调节池；所述生物分选池还与水力机械复合脱模机相连。

所述生物分选池内部还设有水力脱膜破壳装置，水力脱模破壳装置要控制水流方向、流速和流量，具体流速为0.5m/s,流量为固体物的2-10倍。

所述的揉搓破碎机的参数为：腊质层破碎率：≥80-90%，有机物表面积增加2-3倍，≤10mm的不降解物质破碎尺寸的量≤10-20%。揉搓破碎机将待处理的有机物表面蜡质层和有机物进行破碎，消除蜡质层的阻碍作用，增加有机物总表面积，有利于水解酸化菌和胞外酶与底物的直接接触，提高“分类”效率。但过于破碎不利于“分类”。

所述揉搓破碎机破碎参数为：破碎长度为50-100mm,破碎直径≤2mm。

所述水力机械复合脱膜机的技术参数为：脱膜分选率（可降解物质部分系统总的去除率）≥95%；清洗和消毒无害化100%；未降解物质破坏率≤10-20%。

本发明通过把分类反应控制在生活垃圾处理的生物分选池的水解酸化反应阶段，与产甲烷相分离，分别在二个不同的反应器中进行，从而将复杂的有机物中可降解的部分降解为可溶性小分子溶解在水中，达到与不可溶解的物质“分类”的目的。而本申请采用的利用沼液中的微生物进行分类的方法，是以生活垃圾为主的固体废弃物在无害化处理过程中的一项核心技术，是一项环境保护，新能源和循环经济领域的技术。

本发明所述的方法整个系统中不加任何影响环境和有关产品的添加剂，使无害化和资源化得到保证。其中涉及的原理如图2所示，其中有机物质厌氧分解过程具体原理分析如下：

1）水解阶段

水解是复杂的非客体性的聚合物被特化为简单的溶解性单体或二聚体的过程，高分子有机物它们首先在细菌胞外酶的水解作用下转变为小分子物质，例如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖，淀粉被淀粉酶水解为麦芽糖和葡萄糖，蛋白质被蛋白酶水解为短肽与氨基酸等，这些小分子的水解产物能够溶解于水中并透过细胞膜为细菌所用利用。

因此，本发明选用色梭菌和厌氧球菌，其可以产生脂肪酶、蛋白酶和纤维素酶等胞外酶，从而进行蛋白质等的水解，如：

双酸梭菌：Clostridium bifermentans

丁酸梭菌：Clostridium butyricum

产气荚膜梭菌：Clostridium perfringens

芒氏梭菌：Clostridium mangenotii

象牙海岸梭菌：Clostridium litusburense

厌氧消化梭菌：Peptococcus anaerobius

金黄色葡萄球菌：Staphylococcus accreus

八叠球菌属：Sarcina

拟杆菌属：Bacteriodes

丙酸杆菌属：Propionibacterium

本发明还选用了丁酸梭菌、拟杆菌属的细菌、枯草芽孢杆菌、乳杆菌属（Lactobacillus）、腊状芽孢杆菌（Bacillus cereus）、和地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）用于进行淀粉、糖原和其他多糖的分解。

2）发酵阶段

发酵可以被定义为有机化合物既作为电子受体也是电子供体的生物降解过程，本发明选用拟杆菌属（Bacteriodes）和梭状芽胞杆菌属（Clostridium）两大重要的类群进行发酵，在发酵过程中，水解阶段产生的小分子化合物在发酵细菌的细胞内转化为更为简单的以挥发性脂肪酸为主的末端产物，并分泌到细胞外，这一过程也称为酸化阶段，末端产物主要有挥发脂肪酸（VFA)，醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等，发酵细菌也利用部分物质合成新的细胞物质。

3）产乙酸阶段

本发明选用以下菌种等：

互营单胞菌属：Syntrophomonas

互营杆菌属：Syntrophobacter

梭菌属：Clostridium

暗杆菌属：Pelobacter

上述菌种使发酵阶段的末端产物，在产乙酸阶段进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质。涉及到的反应如下：

。

附图说明

图1为生活垃圾综合处理工艺；

图2为本发明所涉工艺原理的示意图；

图3为本发明所述方法的示意图；

图4为垃圾分类处理效果示意图；

其中：1初选单元，2搓揉破碎机，3生物分选池，4一号调节池，5二号调节池，6厌氧消化池，7水力机械复合脱膜机，8生活垃圾，9排泥口，10沼气，11出水口，12沼液，13沼渣，14水力脱膜破壳装置，15气化热解装置。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

如图3所示，生活垃圾8先经过初选单元1分选后，分离出大体积类物品，如沙发、橱柜等，其他部分进入揉搓破碎机2进行搓揉破碎，再经过生物分选池3进行降解分类，复杂的生活垃圾经过“分类”之后，使得处理过程简单而便于操作：降解后的酸化泥由排泥口19排入一号调节池4，酸化液由出水口11排入一号调节池4和二号调节池5中，沼气10由出口输出，由生物分选池3分选出的未被降解的物质表面通常都会有部分已被降解的物质包裹着（膜），这样就使“分类”不彻底，给下单元处理造成困难，影响产品质量和经济效益，通过水力脱膜破壳装置14处理后达到处理系统的要求，其中未被降解的物质则由出料口输入到水力机械复合脱膜机7中进行脱膜，脱膜后的物料进入气化热解装置进行气化、热解；经过水力机械复合脱膜机7，脱膜分选率（可降解物质部分系统总的去除率）≥95%，清洗和消毒无害化（按环保标准）100%，未降解物质破坏率≤10-20%。未被溶解物质进行气化后生产出燃气（能源）。

进入一号调节池4的酸化泥与酸化液混合调节后再进入厌氧消化池；厌氧消化池发酵产生沼气、沼液和沼渣，其中沼液回流至二号调节池5，用于调节二号调节池5中液体的化学条件，与二号调节池中的酸化液混合调节后进入生物分选池3进行发酵分类，具体是通过控制入池的比例，调节生物分选池3内的pH值、温度和浓度，保证生物分选池3的需求，对生物分选池3的功能起重要作用；二号调节池底部的酸化泥进入厌氧消化池；厌氧消化池产生的沼气10是可再生的清洁能源，沼渣13用作有机肥（农业或景观肥）。

生物分选池3内含有以下微生物群体：色梭菌、厌氧球菌、丁酸梭菌、拟杆菌属的细菌、枯草芽孢杆菌、乳杆菌（Lactobacillus）、腊状芽孢杆菌（Bacillus cereus）、地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）、拟杆菌（Bacteriodes）、梭状芽胞杆菌（Clostridium）、互营单胞菌（Syntrophomonas）、互营杆菌（Syntrophobacter）、梭菌（Clostridium）、暗杆菌（Pelobacter）。进入生物分选池的物料，在上述微生物菌群的作用下，物料进行降解分类。

生物分选池3内部还设有水力搅拌、破壳和机械脱膜装置，其技术参数为：工作温度：20-40℃，pH值：4-7，TS：10-20%，HRT：3-9天，SRT：5-15天。最终分选率：指可降解物质≥90%。

揉搓破碎机2的参数为：腊质层破碎率：≥80-90%，有机物表面积增加2-3倍，不降解物质破碎尺寸≤10mm，不降解物质破碎量≤10-20%，破碎长度为50-100mm,破碎直径≤2mm。。揉搓破碎机将待处理的有机物表面蜡质层和有机物进行破碎，消除蜡质层的阻碍作用，增加有机物总表面积，有利于水解酸化菌和胞外酶与底物的直接接触，提高“分类”效率。但过于破碎不利于“分类”。

机械和水力复合脱膜机7的技术参数为：脱膜分选率（可降解物质部分系统总的去除率）≥95%；清洗和消毒无害化100%；未降解物质破坏率≤10-20%。

经过上述系统处理后的生活垃圾：

1.可降解物质分选率 ≥95%

2.进入揉搓破碎机的物料减量化和资源化率（最终） ≥96%

3.全系统按环保标准检测无害化率 =100%

我国目前每年城乡生活垃圾量约4.5亿吨，这些“固废”得不到科学合理的处理，则会对环境造成大面积严重的污染，而这些“固废”中含有约4.0亿吨可再生资源可以利用，每年都有，这是一项很大的财富，本发明所述的方法将对这些财富的利用起着重要作用，经实施例1所述方法进行处理后，全国每年的4.5亿吨生活垃圾，可资源化总量如表1：

表1 每年的4.5亿吨生活垃圾可资源化总量

生活垃圾经过综合处理以后达到了无害化、减量化和资源化的目标。

实施例2 南京六合区高新技术开发区的生活垃圾处理

经过初选后的生活垃圾、杂草等，生活垃圾经过如实施例1所述的方法进行处理，生活垃圾总量为4.5亿吨，经处理后，可发电量876.96亿 kw.h，产有机肥1.35亿吨，建材（基石、填料......）1.125亿吨。其分类处理效果如图4所示。

Claims (10)

1.生活垃圾利用强化水解进行分类处理的方法，其特征在于，生活垃圾经过初选单元，再经过揉搓破碎机揉搓破碎后进入生物分选池进行降解分类，降解后的酸化泥由排泥口排入一号调节池，酸化液由出水口排入一号调节池和二号调节池中，沼气由出口输出；其中未被溶解的物质则由出料口输入到水力机械复合脱膜机中，脱膜后的物料进入气化热解装置进行气化、热解，产生燃气，用作燃料或发电；进入一号调节池的酸化泥与酸化液混合调节后再进入厌氧消化池；厌氧消化池发酵产生沼气、沼液和沼渣，其中沼液一部分回流至二号调节池，用于调节二号调节池中酸化液的条件，与二号调节池中的酸化液混合调节后进入生物分选池进行发酵分类，二号调节池底部的酸化泥进入厌氧消化池；厌氧消化池产生的沼气是可再生的清洁能源，沼渣用作有机肥，剩余的沼液用作有机肥或深度处理后达标排放。

2.根据权利要求1所述的生活垃圾利用强化水解进行分类处理的方法，其特征在于，所述生物分选池内含有以下微生物群体：色梭菌、厌氧球菌、丁酸梭菌、拟杆菌属的细菌、枯草芽孢杆菌、乳杆菌（Lactobacillus）、腊状芽孢杆菌（Bacilluscereus）、地衣芽孢杆菌（Bacilluslicheniformis）、拟杆菌（Bacteriodes）、梭状芽胞杆菌（Clostridium）、互营单胞菌（Syntrophomonas）、互营杆菌（Syntrophobacter）、暗杆菌（Pelobacter）。

3.根据权利要求2所述的生活垃圾利用强化水解进行分类处理的方法，其特征在于，所述生物分选池的技术参数为：工作温度：20-40℃，pH值：4-7，总固体：10-20%，水力停留时间：3-9天，固体停留时间：5-15天。

4.根据权利要求1所述的生活垃圾利用强化水解进行分类处理的方法，其特征在于，所述酸化泥与酸化液混合调节后的浓度为总固体≤2%，温度为30-40℃。

5.根据权利要求1所述的生活垃圾利用强化水解进行分类处理的方法，其特征在于，所述二号调节池中酸化液通过沼液调节,调节的具体方式为酸化液通过厌氧发酵产生的沼液调节的具体方式为沼液占二者总体积的10%，酸化液与沼液二者总质量占生物分选池内物料的20-30%。

6.一种生活垃圾利用沼液进行分类处理的设备，其特征在于，包括初选单元、揉搓破碎机、生物分选池、一号调节池、二号调节池、厌氧消化池和水力机械复合脱膜机，所述初选单元与揉搓破碎机相连，所述揉搓破碎机与生物分选池相连，生物分选池底部设有排泥口，顶部设有出水口，所述排泥口与一号调节池相连，所述一号调节池和出水口均与二号调节池相连，所述二号调节池与底部与厌氧消化池底部相连，所述厌氧消化池底部还与二号调节池顶部相连，用于沼液回流至二号调节池；所述生物分选池还与水力机械复合脱模机相连。

7.根据权利要求6所述的生活垃圾利用沼液进行分类处理的设备，其特征在于，所述生物分选池内部还设有水力脱膜破壳装置，水力脱模破壳装置要控制水流方向、流速和流量，具体流速为0.5m/s,流量为固体物的2-10倍。

8.根据权利要求6所述的生活垃圾利用沼液进行分类处理的设备，其特征在于，所述的揉搓破碎机的参数为：腊质层破碎率：≥80-90%，有机物表面积增加2-3倍，≤10mm的不降解物质破碎尺寸的量≤10-20%。

9.根据权利要求7所述的生活垃圾利用沼液进行分类处理的设备，其特征在于，所述揉搓破碎机破碎参数为：破碎长度为50-100mm,破碎直径≤2mm。

10.根据权利要求6所述的生活垃圾利用沼液进行分类处理的设备，其特征在于，所述水力机械复合脱膜机的技术参数为：脱膜分选率≥95%；未降解物质破坏率≤10-20%。