CN109321436A - 废弃物连续干法消化装置及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种废弃物连续干法消化装置，包括反应器，反应器的反应腔内设置有复合式搅拌系统；所述复合式搅拌系统包括搅拌轴，搅拌轴上沿轴向分布有多个平浆式搅拌桨，相邻两个平浆式搅拌桨呈相反方向分布；相邻两个平浆式搅拌桨之间固定设置有桨叶；桨叶的叶片沿搅拌轴的轴向延伸且与搅拌轴之间呈一夹角。本发明通过微生物发酵的干法消化，能够大幅降低干法消化过程操作费用，并且能够促进消化反应进行，有利于提高甲烷的产率。本发明还公开了一种废弃物连续干法消化方法。

Description

废弃物连续干法消化装置及其处理方法

技术领域

本发明涉及一种废弃物的处理装置，具体涉及一种废弃物连续干法消化装置。本发明还涉及一种废弃物连续干法消化处理方法。

背景技术

化石能源的过度开发和利用，导致环境污染和全球气候变暖，可再生能源受到世界各国的广泛关注。垃圾被称为放错位置的资源，根据国际能源署2018年发布的《可再生能源信息2018：概述》，可再生城市垃圾占2016年世界可再生能源供应的0.9％，占2017年经合组织国家可再生能源供应的2.9％，占2017年经合组织国家可再生能源发电量的1.2％，年增长率达到5.3％。

仅2016年，中国城市生活垃圾清运量就已经突破了两亿吨，这些城市垃圾绝大部分是露天堆放。垃圾在腐化过程中，释放出大量氨、甲烷和硫化氢等有害气体和污水，严重污染大气、土壤和地下水。目前，中国处理生活垃圾的方法，除第一种露天堆放外，常用的还有以下方法：

第二种，卫生填埋；其缺点是建填埋场占地面积大，土地资源浪费较严重；

第三种，焚烧，使垃圾体积缩小50～95％；这种方法在烧掉了可回收资源的同时，还会释放出有毒有害气体，如二噁英、硫氮化合物等，并产生有毒有害的炉渣和灰尘；

第四种，堆肥；其缺点是经分类后生活垃圾中的有机成分堆肥会造成重金属元素在土壤中的富集，影响农作物的种植和人体身体健康。

当前大量垃圾未经分类就填埋或焚烧，既是对资源的巨大浪费，又会产生二次污染。垃圾不仅影响城市景观，还对城镇居民的健康构成威胁，垃圾处理已成为城市发展中所必须面临和解决的一个问题。

采用干法消化处理废弃物，可以充分利用废弃物中的纤维素、木质素、蛋白和糖类等有用组分，大大减小废弃物的体积，实现废弃物的综合利用和减量排放的目的。废弃物干法消化处理过程可以在常温、常压下操作，生产可用沼气。

但是，现有的干法消化过程，由于其操作过程复杂、劳动量大，制约了干法消化放大和产业化应用。主要原因是：

1、现有的干法消化过程为间歇操作，装卸劳动强度大(CN101177693A、CN102174591A、CN102174595A)；

2、现有的干法消化过程缺乏工艺集成，在废弃物干法消化过程中仍存在很多发酵残渣，需要进一步处理。在发酵过程中，废弃物在微生物的作用下会产生大量的有机酸，造成反应体系pH值下降，对反应过程产生抑制，甚至导致反应过程终止。专利文献CN102260019A、CA1026745546A、CN85202346U、CN201962120U和CN2908481Y等虽然也采用两端的发酵工艺来处理废弃物，但是这些处理过程是采用水洗的方式将第一段产生的有机酸转移到第二段，其操作过程分为两段，工艺较复杂，同时会产生大量的废水。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种废弃物连续干法消化装置，它可以实现发酵过程中的连续进料和出料，从而大大提高发酵的效率。

为解决上述技术问题，本发明废弃物连续干法消化装置的技术解决方案为：

包括反应器，反应器的一端上部开设有物料进料口，反应器的一端下部开设有氮气注入口；反应器的另一端上部开设有沼气排出口；反应器的另一端下部开设有尾料排出口；反应器开设有菌种注入口；所述反应器的反应腔内设置有复合式搅拌系统；所述复合式搅拌系统包括搅拌轴，搅拌轴上沿轴向分布有多个平浆式搅拌桨，平浆式搅拌桨的根部固定连接搅拌轴，相邻两个平浆式搅拌桨呈相反方向分布；平浆式搅拌桨垂直于搅拌轴；当搅拌轴旋转时，带动平浆式搅拌桨沿周向旋转，平浆式搅拌桨能够带动反应腔内的物料沿垂直方向运动；相邻两个平浆式搅拌桨之间固定设置有桨叶；桨叶的根部固定连接搅拌轴；桨叶的叶片沿搅拌轴的轴向延伸且与搅拌轴之间呈一夹角；当搅拌轴旋转时，带动桨叶沿周向旋转，桨叶能够带动反应腔内的物料沿前后方向运动。

进一步地，相邻所述桨叶与搅拌轴之间所呈夹角相反；搅拌轴旋转时，相邻桨叶中的其中一桨叶将物料向前推动，而另一桨叶将物料向后推动。

进一步地，所述平浆式搅拌桨的末端呈扇形；所述桨叶的叶片的形状是棒状、铲状或椭圆状。

进一步地，所述物料进料口连接深斗式进料料斗。

进一步地，所述平浆式搅拌桨的末端与反应器的内壁之间的距离为1～20mm。

进一步地，所述桨叶的叶片与搅拌轴之间的夹角为30～150°。

本发明还提供一种废弃物连续干法消化方法，其技术解决方案为：包括以下步骤：

第一步，对物料进行预处理，使物料混合均匀；所述物料是含15～35％干物质含量的有机垃圾；

第二步，驱动复合式搅拌系统；通过螺旋给料机将物料经进料料斗连续输送至反应器，实现反应器的连续进料；通过菌种注入口向反应腔内注入微生物催化剂；通过氮气注入口向反应腔内注入氮气；

进一步地，所述微生物催化剂与物料的干重比例为1:2～4：1。

第三步，在复合式搅拌系统的混合作用下，物料在反应腔内进行干法消化反应，经厌氧发酵生产沼气；沼气经沼气排出口排出；固态残渣经尾料排出口排出；

进一步地，所述干法消化反应的温度为25～65℃；干法消化反应的时间5～60天，干法消化反应的压力为常压。

进一步地，所述搅拌系统的搅拌速率为3～100转/分钟。

本发明可以达到的技术效果是：

本发明通过微生物发酵的干法消化，能够大幅降低干法消化过程操作费用，并且能够促进消化反应进行，有利于提高甲烷的产率。

本发明针对现有的废弃物干法消化处理过程中由于产生大量有机酸累积造成产甲烷速率下降或者终止的现象，在反应器内设置有复合式搅拌系统，该复合式搅拌系统能够使微生物菌种与废弃物混合均匀，发酵产酸产甲烷；同时该搅拌系统也是设备排出消化残渣的动力来源，可控性强，能连续操作。

本发明通过在反应腔内构建复合式搅拌系统，通过充分混合均匀反应物料，能有效解决干法消化中的传热传质问题，通过机械搅拌促进代谢产物的传递，消除发酵中间产物——有机酸对干法消化过程的抑制，实现干法消化过程的连续操作和过程集成。本发明能够有效解放人力，简化操作过程，有利于干法消化处理量的放大和生产应用。

本发明通过在反应腔内构建复合式搅拌系统，能够实现均匀接种，加强传热传质，同时解除有机酸对干法消化的抑制作用。

本发明通过在反应腔内构建复合式搅拌系统，能够实现反应体系的迅速均匀混合，避免液态体系所需大量水的使用，因此能够大幅缩小反应装置的体积。

本发明能够有效地混合均匀反应物料，可以弥补大容量干法消化反应器中物料温度分布不均一、传质传热性差等缺陷，并能实现连续操作。

本发明通过复合式搅拌系统的混合作用，使物料在反应腔内进行干法消化反应，复合式搅拌系统能够在局部区域造成有机酸抑制之前进行混合搅拌，促使有机酸的释放和传热传质，排除限速步骤对干法消化的干扰，提升甲烷的产量，实现大容量干法消化连续进行。

本发明解除了发酵中间产物—有机酸对发酵过程的抑制，在废弃物组成相同的情况下比现有工艺具有更高的甲烷产率，并解决了干法消化操作繁杂、劳动量大的问题，有利于干法消化的放大和生产应用。

本发明通过复合式搅拌系统的作用，极大促进了废弃物的混合，减弱或消除了有机酸的抑制，同时在操作中不会产生大量的废水，实现了干法消化的连续处理，可以大幅减小干法消化装置的体积。

本发明通过微生物发酵过程，充分利用其中的有用组分，能够实现废弃物高值化分级利用，减小废弃物的体积。

本发明通过与热处理、填埋或焚烧发电等化工过程相结合，能够实现废弃物无害化处理。

本发明采用微生物干法消化连续处理废弃物，适用于废弃物综合分级利用和深度处理领域。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明废弃物连续干法消化装置的示意图。

图中附图标记说明：

1为物料进料口， 2为菌种注入口，

3为尾料排出口， 4为沼气排出口，

5为N₂注入口， 6为O形密封环，

7为温度感应器， 8为样品收集点，

11为平浆式搅拌桨， 12为桨叶。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“前”、“后”、“上”、“下”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1所示，本发明废弃物连续干法消化装置，包括沿水平方向延伸的圆柱形反应器，反应器的一端上部开设有物料进料口，反应器的一端下部开设有N₂注入口5；

反应器的另一端上部开设有沼气排出口4；反应器的另一端下部开设有尾料排出口3；

反应器的上部开设有菌种注入口2；

反应器的下部设置有多个样品收集口8；样品收集口8连接取样器，取样器与反应器之间设置有O形密封环6；取样器至少包括一个固体取样器和一个液体取样器；

反应器设置有温度感应器7；

按照物料流向依次为物料进料口、菌种注入口2、沼气排出口4和尾料排出口3；

物料进料口连接深斗式进料料斗1；深斗式进料料斗1能够最大程度地避免物料夹带空气(氧气)进入反应腔，避免氧气对厌氧消化反应的抑制；深斗式进料料斗1的上方设置有螺旋给料机。

反应器的反应腔内设置有复合式搅拌系统；复合式搅拌系统包括搅拌轴，搅拌轴沿水平方向延伸；搅拌轴上沿轴向分布有六个平浆式搅拌桨11，相邻两个平浆式搅拌桨11呈180°分布；平浆式搅拌桨11的根部固定连接搅拌轴，平浆式搅拌桨11的末端呈扇形；平浆式搅拌桨11垂直于搅拌轴；当搅拌轴旋转时，带动平浆式搅拌桨11沿周向旋转，平浆式搅拌桨11能够带动反应腔内的物料沿垂直方向运动，从而实现对物料的搅拌；

相邻两个平浆式搅拌桨11之间固定设置有桨叶12；桨叶12的根部固定连接搅拌轴；桨叶12的叶片沿搅拌轴的轴向延伸且与搅拌轴之间呈一夹角；

当搅拌轴旋转时，带动桨叶12沿周向旋转，桨叶12能够带动反应腔内的物料沿前后方向(即图中的左右方向)运动，从而实现对物料的搅拌；优选地，相邻桨叶12与搅拌轴之间所呈夹角相反，以使搅拌轴旋转时，相邻桨叶12中的其中一桨叶12将物料向前推动，而另一桨叶12将物料向后推动，从而加快搅拌速度；

桨叶12的叶片的形状可以是棒状、铲状、椭圆状；平浆式搅拌桨11的末端与反应器的内壁之间的距离为1～20mm，从而实现对反应器内物料的充分搅拌；

优选地，桨叶12的叶片与搅拌轴之间的夹角为30～150°，最佳为60～120°；该角度的桨叶12不仅能够实现对反应器内物料的搅拌，并且通过控制搅拌轴的转向，能够使反应器内的物料向位于反应器另一端的尾料排出口3方向运动，从而实现辅助出料；

本发明的处理对象为含15～35％干物质含量的有机垃圾，该处理对象的流动性极差，很难与催化剂充分接触，为此，本发明采用了复合式搅拌系统，通过平浆式搅拌桨11带动反应腔内的物料沿垂直方向运动，同时通过桨叶12带动反应腔内的物料沿前后方向运动，能够使反应腔内的物料混合均匀，以使废弃物与催化剂充分接触，能够加快反应速度，从而促进干法消化快速进行，加速甲烷的产生；

本发明废弃物连续干法消化方法，包括以下步骤：

第一步，对待处理的废弃物进行预处理，使物料(即待处理的废弃物)混合均匀；

废弃物可以是城市生活垃圾、餐厨垃圾、农业废弃物、动物粪便中的一种，也可以是二者或者多种的混合物；

第二步，驱动复合式搅拌系统；通过螺旋给料机将物料经进料料斗1连续输送至反应器，实现反应器的连续进料；通过菌种注入口2向反应腔内注入微生物催化剂；通过N₂注入口5向反应腔内注入N₂；

搅拌系统可以顺时针旋转，也可以逆时针旋转；搅拌的速率为3～100转/分钟；

第三步，在复合式搅拌系统的混合作用下，物料在反应腔内进行干法消化反应，经厌氧发酵生产沼气；沼气经沼气排出口4排出；固态残渣经尾料排出口3排出，固态残渣可以通过填埋、化学转化或者热处理等方式进行进一步处理；

本发明所采用的干法消化反应是所属领域的现有技术，在此不再赘述；

反应腔内干法消化反应的温度为25～65℃，进一步优选为30～65℃，特别优选为30～55℃；干法消化反应(发酵)的时间5～60天，干法消化反应(发酵)的压力为常压。

微生物催化剂可以采用富集的厌氧活化污泥、下水道污泥和化粪池污泥中富集微生物催化剂；

实施例1：厨余垃圾微生物厌氧处理产沼气

首先将收集的厨余垃圾挤压，除去其中的大部分水分，通过深斗式进料料斗1输入反应器；将厌氧活化污泥通过菌种注入口2输入反应器，在反应器中与5kg挤压后的厨余垃圾经复合式搅拌系统充分混合，活化污泥与厨余垃圾的干重比例为2:1，在反应器中进行反应，发酵温度37℃，发酵时间18天，发酵的压力常压；将发酵产物进行分离，产沼气502.3升，通过沼气排出口4排出，反应残渣经尾料排出口3排出。

实施例2：厌氧发酵城市垃圾有机组分生产沼气

将厌氧活化污泥与粉碎的城市垃圾有机组分混合，通过深斗式进料料斗1输入反应器；城市垃圾有机组分的量为10kg，厌氧活化污泥与城市垃圾有机组分的比例为3：1；在反应器中经复合式搅拌系统混合均匀，发酵温度37℃，发酵时间38天，发酵的压力常压，将发酵产物进行分离，收集气体体积2050L，通过沼气排出口4排出，最后得到发酵产物干重质量为7.7kg，实现体积减小，反应残渣经尾料排出口3排出。

实施例3：厨余垃圾与城市生活垃圾混合固态发酵

首先将收集的厨余垃圾挤压，除去其中的大部分水分，在混合池中将挤压的厨余垃圾和城市生活垃圾按照1:1的比例混合均匀，通过深斗式进料料斗1输入反应器；将厌氧活化污泥与上述有机混合物充分混合，经复合式搅拌系统搅拌，使得微生物催化剂与10kg挤压的厨余垃圾及生活垃圾混合物搅拌均匀，搅拌速率为30转/分钟，搅拌的方向为顺时针搅拌3小时，停止5小时，逆时针搅拌3小时，如此往复；在反应器中发酵，发酵温度30℃，发酵时间20天，发酵的压力常压，将发酵产物进行分离，收集发酵气体，通过沼气排出口4排出；发酵结束后，反应残渣经尾料排出口3排出。

实施例4：固态发酵酒糟和城市生活垃圾混合物

首先将收集的城市生活垃圾分类，除去其中的金属物质、塑料和石块等，在混合池中将牛粪和城市生活垃圾按照1:2的比例混合均匀，通过深斗式进料料斗1输入反应器；将厌氧活化污泥与9kg混合的废弃物搅拌均匀，厌氧污泥的干重是20kg，并在反应器中干法消化，发酵温度37℃，发酵时间15天，发酵的压力常压，搅拌的速率是20转/分钟，搅拌的方向是顺时针1小时，停止3小时，再逆时针转1小时，如此反复；将发酵产物进行分离，收集发酵气体体积为1850L，通过沼气排出口4排出。发酵结束后，反应残渣经尾料排出口3排出。

实施例5：干法消化玉米秸秆

首先将收集的玉米秸秆，采用机械粉碎的方法将秸秆粉碎成1～10mm的颗粒，在混合池中将玉米秸秆颗粒与厌氧污泥混合均匀，通过深斗式进料料斗1输入反应器，使得厌氧污泥与玉米秸秆的干重比例4:1。反应器内置的复合式搅拌系统旋转带动搅拌桨，在反应器中进行发酵，发酵温度55℃，发酵时间15天，发酵的压力常压，将发酵产物进行分离，收集发酵气体，产生气体2600L，通过沼气排出口4排出；发酵结束后，反应残渣经尾料排出口3排出，经过干燥和处理制备有机肥，用于园林施肥。

实施例6：餐厨垃圾与农业废弃物混合两端干法消化

首先将收集的餐厨垃圾和农业废弃物在混合池中按照干重1：1混合均匀，通过深斗式进料料斗1输入反应器，将厌氧活性污泥通过菌种注入口2输入反应器；反应器内置的混合搅拌系统旋转带动搅拌桨，使得厌氧活性污泥与10kg混合废弃物按照干重1:2的比例混合均匀，在反应器中进行发酵，发酵温度20℃，发酵时间60天，发酵的压力常压，将发酵产物进行分离，收集发酵气体，通过沼气排出口4排出；发酵结束后，反应残渣经尾料排出口3排出。

虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。

Claims (10)

1.一种废弃物连续干法消化装置，其特征在于：包括反应器，反应器的一端上部开设有物料进料口，反应器的一端下部开设有氮气注入口；反应器的另一端上部开设有沼气排出口；反应器的另一端下部开设有尾料排出口；反应器开设有菌种注入口；所述反应器的反应腔内设置有复合式搅拌系统；

所述复合式搅拌系统包括搅拌轴，搅拌轴上沿轴向分布有多个平浆式搅拌桨，平浆式搅拌桨的根部固定连接搅拌轴，相邻两个平浆式搅拌桨呈相反方向分布；平浆式搅拌桨垂直于搅拌轴；当搅拌轴旋转时，带动平浆式搅拌桨沿周向旋转，平浆式搅拌桨能够带动反应腔内的物料沿垂直方向运动；

相邻两个平浆式搅拌桨之间固定设置有桨叶；桨叶的根部固定连接搅拌轴；桨叶的叶片沿搅拌轴的轴向延伸且与搅拌轴之间呈一夹角；当搅拌轴旋转时，带动桨叶沿周向旋转，桨叶能够带动反应腔内的物料沿前后方向运动。

2.根据权利要求1所述的废弃物连续干法消化装置，其特征在于：相邻所述桨叶与搅拌轴之间所呈夹角相反；搅拌轴旋转时，相邻桨叶中的其中一桨叶将物料向前推动，而另一桨叶将物料向后推动。

3.根据权利要求1所述的废弃物连续干法消化装置，其特征在于：所述平浆式搅拌桨的末端呈扇形；所述桨叶的叶片的形状是棒状、铲状或椭圆状。

4.根据权利要求1所述的废弃物连续干法消化装置，其特征在于：所述物料进料口连接深斗式进料料斗。

5.根据权利要求1所述的废弃物连续干法消化装置，其特征在于：所述平浆式搅拌桨的末端与反应器的内壁之间的距离为1～20mm。

6.根据权利要求1所述的废弃物连续干法消化装置，其特征在于：所述桨叶的叶片与搅拌轴之间的夹角为30～150°。

7.一种废弃物连续干法消化方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，对物料进行预处理，使物料混合均匀；所述物料是含15～35％干物质含量的有机垃圾；

第二步，驱动复合式搅拌系统；通过螺旋给料机将物料经进料料斗连续输送至反应器，实现反应器的连续进料；通过菌种注入口向反应腔内注入微生物催化剂；通过氮气注入口向反应腔内注入氮气；

第三步，在复合式搅拌系统的混合作用下，物料在反应腔内进行干法消化反应，经厌氧发酵生产沼气；沼气经沼气排出口排出；固态残渣经尾料排出口排出。

8.根据权利要求7所述的废弃物连续干法消化方法，其特征在于：所述第三步中干法消化反应的温度为25～65℃；干法消化反应的时间5～60天，干法消化反应的压力为常压。

9.根据权利要求7所述的废弃物连续干法消化方法，其特征在于：所述第三步中搅拌系统的搅拌速率为3～100转/分钟。

10.根据权利要求7所述的废弃物连续干法消化方法，其特征在于：所述第二步中微生物催化剂与物料的干重比例为1:2～4：1。