CN105541595A

CN105541595A - 水热法转化生活垃圾为高附加值化学品的方法

Info

Publication number: CN105541595A
Application number: CN201510876248.9A
Authority: CN
Inventors: 金放鸣; 何润田; 姚国栋
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2015-12-03
Publication date: 2016-05-04

Abstract

本发明公开了一种水热法转化生活垃圾(含餐厨垃圾)为高附加值化学品如乙酸的新方法；将生活垃圾(含餐厨垃圾)原料与适量水以及氧化剂如H₂O₂、O₂或空气加入水热反应器中，在一定的温度和压力下，反应得到产物如乙酸。使用本发明的方法，生活垃圾有机碳的降解率最高可达97.5％；并且，本发明水热处理生活垃圾的反应是热启动反应，反应自行放热，不需要过多的额外能源消耗，同时也适用于将高含水量的组成复杂的生活垃圾进行有效的转化，得到乙酸等高附加值化学品，进行资源化利用，本发明的方法使生活垃圾低耗高效地转化为具有高附加值的化学品。

Description

水热法转化生活垃圾为高附加值化学品的方法

技术领域

本发明属于环境工程技术领域和废物资源化利用领域，具体涉及一种水热法转化生活垃圾，特别是含餐厨垃圾的生活垃圾为高附加值化学品的方法。

背景技术

传统的城市生活垃圾处理方式主要采用填埋处理和焚烧处理。其中填埋处理对垃圾渗滤液、垃圾堆体产生的沼气等污染物很难做到导出、收集和处理，不仅对周围环境造成严重污染，而且存在着安全隐患，严重影响城镇的形象；而垃圾焚烧处理则容易产生二噁英等有毒气体，污染空气并产生异味，对周边环境造成严重影响。同时，这些简易的垃圾处理方式无法对垃圾进行有效的资源化利用，不适应现代化城市建设与发展的要求。

城市生活垃圾中，餐厨垃圾、废弃纸张和各类含生物质的制品等含水率高、油脂和有机物含量高的废弃物占绝大多数，这些垃圾容易滋生各种害虫和细菌并产生异味，严重影响城市环境，但由于其含水率高，难以进行传统的焚烧处理，填埋处理则会造成更难以解决的二次污染和疾病传播。同时，垃圾中富含的生物质资源没有得到有效的资源化利用，反而成为污染环境的源头。

此外，现有的生物发酵方式处理生活垃圾(含餐厨垃圾)的方法，虽然可以有效处理垃圾中的生物质资源，使其转化为甲烷等化学产品，但是仍然没有解决此类垃圾的剩余残渣、异味等二次污染问题。同时，生物发酵方法所需周期较长，生物质转化率较低，资源利用效率不高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种水热法快速、高效、环保地转化生活垃圾(含餐厨垃圾)，特别是现有技术难以处理的高含水量生活垃圾为乙酸等高附加值化学品的方法。

请参见图1所示，本发明的方法是在水热条件下，利用H₂O₂、O₂或空气等作为氧化剂，直接氧化生活垃圾原料的所有有机物，并清洁生产乙酸等高附加值化学品，反应副产物如各类硝酸盐可以作为肥料使用。本发明的方法实现了城市生活垃圾的资源化利用，与传统垃圾处理方法相比，本发明不需要对生活垃圾进行十分精细的分类，所有含有有机物质的垃圾均可被快速、有效地转化为乙酸等高附加值化学品；并且，高含水量垃圾和有机干垃圾均可使用本发明的方法进行处理，具有工艺简单、操作方便、无二次污染等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及一种水热法转化生活垃圾为乙酸等高附加值化学品的方法，该方法在水热反应条件下，以H₂O₂、O₂或空气等为氧化剂，直接将生活垃圾原料氧化成高附加值乙酸等化学品。

优选地，所述的生活垃圾含餐厨垃圾。

具体地，所述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所有有机物废弃物的其中一种或多种，主要包括餐厨垃圾、废弃木材、纸张等。其中，餐厨垃圾是指饭店、宾馆、企事业单位食堂、食品加工厂、家庭等加工、消费食物过程中形成的残羹剩饭、过期食品、下脚料、废料等废弃物，涵盖家庭厨余垃圾、市场丢弃的食品和蔬菜垃圾、食品厂丢弃的过期食品和餐饮垃圾等组成复杂的废弃混合物或单一物垃圾。

所述的生活垃圾从组成上主要包括碳水化合物(如，葡萄糖、淀粉、纤维素)、蛋白质，以及富含碳水化合物、蛋白质的废纸、果皮、泔水、大米食物这类组成复杂的废弃混合物或单一物垃圾。

在优选实施方式中，所述水热法转化生活垃圾为高附加值化学品的方法具体包括如下步骤：

A、将生活垃圾与氧化剂如H₂O₂、O₂或空气中的其中一种按照供氧量10％-200％的比例加入水热反应器中，生活垃圾的填充率不超过反应体系的20％，加水使该水热反应器的液体填充率为10％～40％；

B、控制该水热反应器的温度为150℃～450℃，调节该水热反应器的压力为2MPa～45MPa，反应时间为10s～30min，即可得到反应产物高附加值化学品(如乙酸)等。优选反应温度为200-400℃，反应压力为12-45Mpa，反应时间为30s-20min。

以上所示例仅为本发明实施例列举的具体反应条件，本领域技术人员在上述反应工艺参数基础上做出的常规性调整仍属于本发明的保护范围。

所述H₂O₂为水溶液，所述O₂、空气为气体。

所述供氧量为理论上能够完全氧化生活垃圾原料样品中的碳为二氧化碳的所需氧化剂计算量，100％供氧量并非表示实际反应中氧化剂能够完全将原料氧化为二氧化碳。对于生活垃圾，可以通过对生活垃圾的试样进行测定来确定该生活垃圾的含碳量范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、实现了生活垃圾的清洁、快速资源化利用，并得到了高附加值的化学产品；

2、整个反应过程工艺简单，操作方便，便于大规模应用；

3、反应过程无二噁英，NxO，SxO等的排放，无二次污染；

4、本发明水热处理生活垃圾的反应是热启动反应，反应进行过程中自行放热，不需要过多的额外能源消耗，同时能够将高含水量的组成复杂的生活垃圾进行有效的转化，成为乙酸等高附加值化学品进行资源化利用，并且低耗、高效地转化为具有高附加值的化学品。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对本发明的非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。其中：

图1为本发明的水热法转化生活垃圾为高附加值化学品的方法的简图；

图2(a)和图2(b)分别为胡萝卜和牛肉的水热氧化产物的GC-MS谱图。

具体实施方式

在本文中，由「一数值至另一数值」表示的范围，是一种避免在说明书中一一列举该范围中的所有数值的概要性表示方式。因此，某一特定数值范围的记载，涵盖该数值范围内的任意数值以及由该数值范围内的任意数值界定出的较小数值范围，如同在说明书中明文写出该任意数值和该较小数值范围一样。

本发明公开了一种水热法转化生活垃圾(如含餐厨垃圾)为高附加值化学品如乙酸的方法，该方法为将生活垃圾(如含餐厨垃圾)原料与适量水以及氧化剂如H₂O₂、O₂或空气加入水热反应器中，在一定的温度和压力下，反应得到产物乙酸。根据本发明方法在工厂进行的小试结果显示，采用本发明方法，生活垃圾中有机碳的降解率最高可达97.5％；本发明水热处理生活垃圾的反应是热启动反应，反应自行放热，不需要过多的额外能源消耗，同时能够将现有技术难以处理的高含水量的组成复杂的生活垃圾有效的转化为乙酸进行资源化利用，并且低耗、高效地转化为具有高附加值的化学品。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

城市居民生活垃圾中，碳水化合物类物质所占比重较大，此类垃圾包含多种不同形式如淀粉、葡萄糖和蔗糖等，并且常常与各类动植物油混合在一起，难以进行分离。此类垃圾易溶于水，热值较低，难以焚烧并很容易造成水体污染。据报道，多数河流湖泊水体有机物污染来自于垃圾中的碳水化合物类物质。针对这一现状，可根据本发明的方法在各垃圾处理厂配置水热反应装置，处理各种含碳水化合物类的生活垃圾，并同时生产高附加值的化学品，实现了碳水化合物类垃圾的快速转化分解与有效的资源化利用，降低了碳的排放。

在本实施例的小试实验中，以葡萄糖和淀粉代表碳水化合物。

本实施例的方法为：将葡萄糖和淀粉分别进行如下的实验，葡萄糖和淀粉分别包含多组平行试验，多组平行试验的反应温度、反应时间和供氧量不同，具体在表1所示的数值范围内选择：

葡萄糖或淀粉与H₂O₂水溶液装入水热反应器，加水使该反应器的填充率为30％，密封该反应器。控制反应温度为200-400℃，反应压力12MPa，反应时间30s-3min或30s-5min。反应后分别对各组反应的液体产物进行GC-MS定性和定量分析。分析结果列于表1。如表1所示，本发明生成的高附加值化学品中，乙酸为主要产物，乙酸产率达到13％。以乙酸为产物计算，有机物分解率均超过90％。

表1

在垃圾处理站使用本发明的方法时，不同的垃圾处理站可根据需求选择合适的水热反应器，可控制反应温度在150℃～450℃，反应压力在2MPa～45MPa，氧化剂添加量可为进入反应设备总垃圾原料所需供氧量的10％～200％，反应时间可以为10s～30min。

本发明在垃圾工厂进行的小试结果显示，水热反应结束后，产物主要为乙酸，并伴随少量的丙酸，剩余的水中含有硝酸盐类物质和矿物质残渣，可以通过蒸发处理进行回收，用作其他用途。

经过上述反应，各类碳水化合物类生活垃圾可大量转化为乙酸等高附加值化学品，同时，反应整个过程中不会产生其他无法回收处理的废物或者造成二次污染，并且反应不产生异味，反应快速，效率非常高；不仅降低了有害气体对大气造成的危害，而且有效防止了有机物含量较高的垃圾对水体的污染，同时还实现了垃圾的资源化利用，对环境保护和垃圾处理做出了贡献。

实施例2

城市餐饮行业垃圾中含有大量有机物质，有机物质含量超过垃圾总量的60％。随着人们生活水平的日益提高，餐饮行业也越来越发达，产生的垃圾也越来越多，其中有机物垃圾在整个垃圾中的比例不断增大。缺乏精细分类是中国餐饮业餐厨垃圾的现状，并且这个问题在未来相当长的一段时间内无法解决，而餐饮行业垃圾中，除残余肉类、蔬菜熟食之外，各类生瓜果蔬菜也占据相当大的比例，并且垃圾的含水量较高，一般为55-65％，一些南方城市在夏季甚至达到70％以上。传统的焚烧方法难以处理此类垃圾，而利用生物发酵法处理则很容易残留较多的杂质。但此类垃圾可以利用本发明的水热法将其中所有的有机成分高效、快速地转化为乙酸化学产品，各地可以根据不同的处理需要选用不同规格的反应器。

在本实施例的小试实验中，采用几种蔬菜的混合物以及牛肉模拟含餐厨垃圾的生活垃圾。

本实施例的方法为：采用SUS316不锈钢圆管的管式间歇式水热反应器进行实验，将胡萝卜、白萝卜、马铃薯、牛蒡、卷心菜、茄子这几种蔬菜的混合物以及切碎的牛肉分别装入反应管中，并添加供氧率为50-100％的H₂O₂水溶液，加水使反应器的填充率为30％，密封反应器。控制反应温度为200-400℃，反应压力14MPa，反应时间30s-3min，反应后对液体产物进行GC-MS定性定量分析。反应条件及产率详见表2，其中混合物表示上述的胡萝卜、白萝卜、马铃薯、牛蒡、卷心菜、茄子这几种蔬菜的混合物。反应产物的测试结果请见表2。

表2

图2(a)和图2(b)分别为胡萝卜和牛肉水热氧化产物的GC-MS谱图。反应条件：胡萝卜420℃反应1min，100％供氧量；牛肉450℃反应1min，150％供氧量。

从图2(a)和图2(b)中可以看出，胡萝卜和牛肉两者进行水热反应均有乙酸生成。根据图2(a)和图2(b)进行积分得到，乙酸为主要产物，产率可达13.2％。

在垃圾处理站使用本发明的方法时，不同的垃圾处理站可以选择合适的水热反应器，控制反应温度在150℃～450℃，反应压力在2MPa～45MPa，氧化剂的添加量为进入反应设备总原料完全氧化所需供氧量的10％～200％，反应10s～30min。反应结束后，产物主要为乙酸，剩余的水中含有的硝酸盐类物质和矿物质残渣通过蒸发处理回收用作其他用途。

通过上述反应，所有含有机物质的垃圾都可以大量转化为乙酸等化学品，同时，反应整个过程中不会产生其他难以回收处理的废物，造成二次污染，并且反应没有异味，反应快速，效率非常高，降低了有害气体对大气造成的危害。此方法有效利用餐饮行业垃圾中富含的各类有机物质，在水热条件下实现资源化利用，不仅可以获得清洁的化学产品，还可以减少垃圾的污染，可对城市的清洁和环保做出一定贡献。

实施例3

城市中的各类学校、企事业单位等复合型办公场所，其所产生的生活垃圾中，金属垃圾和电子产品有详细的分类丢弃方式，而其他垃圾中往往混合有各类废弃纸张、木材、塑料以及食堂餐厨垃圾等，垃圾成分复杂，并且其成分变化较大，传统方法很难统一处理，只能采用简单焚烧的方法，而这种方法污染较大，垃圾的资源利用率低，并且很难避免有害气体和异味的二次污染。此类垃圾中，各类纤维质垃圾中混合有其他有机质垃圾成为了处理难点，而利用本发明的水热法则可以有效地将垃圾中的各类有机物质转化为乙酸等化学品，不仅避免了焚烧带来的空气、异味污染，而且能够实现垃圾资源的快速、有效地二次利用。

在本实施例的小试实验中，采用纤维素、木质素和聚乙烯塑料进行实验。

本实施例的方法如下：采用SUS316不锈钢圆管的管式间歇式水热反应器进行实验，将纤维素、木质素以及聚乙烯塑料分别装入反应器，按照50-150％的供氧量加入H₂O₂水溶液，再加水使反应器的填充率为30％，密封反应器。控制反应温度为200-400℃，反应压力14MPa，反应时间30s-5min或60s-5min。反应后对液体产物进行GC-MS定性、定量分析。实验条件及反应结果请见下表3。

GC-MS定性、定量分析结果表明，乙酸为主要产物，纤维素和木质素为原料的反应产率最高能达到13％，聚乙烯塑料为反应物时，产率最高能达到9％。见表3。

表3

在垃圾处理站使用本发明的方法时，不同的垃圾处理站可根据需求选用合适的水热反应器，可控制反应温度在150℃～450℃，反应压力在2MPa～45MPa，氧化剂的添加量为进入反应设备总垃圾原料所需供氧量的10～200％，反应10s～30min。

综合本实施例，学校、企事业单位等办公场所的生活垃圾中的各类有机物质(纤维素、木质素和塑料)都能够在水热反应中被转化分解，反应结束后，产物主要为乙酸，剩余的水中含有硝酸盐类物质和矿物质残渣通过蒸发处理回收用作其他用途。

实施例4

本发明还对其余餐厨垃圾和有机质垃圾采用水热反应进行了处理。实验条件和乙酸产率请见下表4。

表4

以上实施例均说明本发明的方法能够有效的将有机废弃物垃圾转化为高附加值化学品。

经过本发明的水热反应，家庭单位、餐饮企业和办公场所的垃圾可大量转化为乙酸等化学品，同时，反应整个过程中不会产生其他废物以及二次污染，并且没有异味，反应快速，效率非常高，降低了有害气体对大气造成的危害。有效处理垃圾的同时，还对其进行了资源化利用，十分符合城市科学发展的需要。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在本发明及上述实施例的教导下，本领域技术人员很容易预见到，本发明所列举或例举的各原料或其等同替换物、各加工方法或其等同替换物都能实现本发明，以及各原料和加工方法的参数上下限取值、区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims

1.一种水热法处理生活垃圾为高附加值化学品的方法，其特征在于，将所述生活垃圾与氧化剂进行水热反应，直接将生活垃圾氧化成高附加值化学品，所述生活垃圾包含有机废弃物。

2.如权利要求1所述的水热法处理生活垃圾为高附加值化学品的方法，其特征在于，所述氧化剂为H₂O₂、O₂或空气。

3.如权利要求1所述的水热法处理生活垃圾为高附加值化学品的方法，其特征在于，所述高附加值化学品包括乙酸。

4.如权利要求1所述的水热法处理生活垃圾为高附加值化学品的方法，其特征在于，所述生活垃圾包括餐厨垃圾。

5.如权利要求1所述的水热法处理生活垃圾为高附加值化学品的方法，其特征在于，所述的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所有有机废弃物的混合体以及单一体。

6.如权利要求1所述的水热法处理生活垃圾为高附加值化学品的方法，其特征在于，所述的生活垃圾从组成上主要包括碳水化合物、蛋白质、塑料。

7.如权利要求1所述的水热法处理生活垃圾为高附加值化学品的方法，其特征在于，所述生活垃圾与所述氧化剂按照供氧量10％-200％的比例进行反应。

8.如权利要求1所述的水热法处理生活垃圾为高附加值化学品的方法，其特征在于，所述水热反应的温度为150℃～450℃，反应压力为2MPa～45MPa，反应时间为10s～30min。

9.如权利要求1所述的水热法处理生活垃圾为高附加值化学品的方法，其特征在于，所述水热反应在水热反应器中进行，所述水热反应器的液体填充率为10％～60％，所述生活垃圾的填充率不超过反应体系的20％。

10.如权利要求1或7所述的水热法处理生活垃圾为高附加值化学品的方法，其特征在于，所述生活垃圾与所述氧化剂按照供氧量10％-150％的比例进行反应。