CN109355314B - 一种利用厨余垃圾与污泥生产可燃气体的方法 - Google Patents

一种利用厨余垃圾与污泥生产可燃气体的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种利用厨余垃圾与污泥生产可燃气体的方法，采用以下步骤：（1）将含绿色植物的厨余垃圾与中水处理污泥加水混合成发酵浆料；（2）真空发酵罐抽负压后泵入发酵浆料，使发酵浆料没过电极，直流放电处理，即可产生可燃气体；（3）排出罐内残液料，添加新的发酵浆料。本发明的生产可燃气体的方法，时间短内即可出气，处理废弃物速度快；不需要添加额外的微生物菌种，可同时处理两种废弃物；处理后残渣中含有氨基酸，可制备成有机肥，可推广用于城市垃圾处理。

Description

一种利用厨余垃圾与污泥生产可燃气体的方法
技术领域
本发明属于环保产业中餐厨废弃物资源化无害化利用领域，具体涉及一种利用厨余垃圾与污泥生产可燃气体的方法。
背景技术
利用可再生生物质资源生产可替代化石能源的生物质能源受到日益关注。目前生物质能利用技术包括固化成型、热化学转化、厌氧发酵等多种方式，其中以产甲烷发酵为代表的厌氧发酵技术，主要是利用厌氧微生物将生物质转化为CH4、CO2或者H2。CH4具有较高的燃烧热值（802.3kJ/mol），是理想的能源物质。厌氧发酵技术由于可以在生产清洁能源的同时实现环境净化，并且发酵剩余物还可以作为有机肥料，兼具能源、环保和生态三方面效益，是解决当前的能源、环境问题的切实可行手段，因此具有广阔的应用前景。
目前较为成熟的厌氧发酵厌氧发酵过程只能通过中间代谢产物将还原力NADH再生，在厌氧合成体系存在还原力NADH不平衡现象。生物质厌氧消化产甲烷作为一种典型的厌氧发酵过程，也同样存在还原力供应不足的现象，导致甲烷的产值较低，但是鲜有报道针对活性污泥厌氧发酵体系还原力调控发酵过程的研究。因此，在厌氧消化产甲烷条件下维持反应系统合适的还原力将能从厌氧呼吸强化方面提高沼气中甲烷含量以及甲烷自身代谢中合成更多的甲烷，达到产甲烷的高效、可控生产，为提高厨余垃圾资源化利用效率提供新的思路。
发明内容
针对目前厌氧发酵生产可燃气产率低的问题，本发明提供一种利用厨余垃圾与污泥生产可燃气体的方法，时间短内即可出气，不需要添加额外的微生物菌种，可同时处理两种废弃物。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种利用厨余垃圾与污泥生产可燃气体的方法，包括以下方法：
（1）将含绿色植物的厨余垃圾与中水处理污泥加水混合成发酵浆料；
（2）真空发酵罐抽负压后泵入发酵浆料，使发酵浆料没过电极，直流放电处理，即可产生可燃气体；
（3）排出罐内残液料，添加新的发酵浆料。
所述厨余垃圾为含有新鲜植物材料的厨余垃圾。所述植物包括蔬菜、水果、青草、藻类等。
所述厨余垃圾细度为10-40目，优选为10-20目。
所述中水处理污泥为城市中水处理后产生的活性污泥。优选为以含粪生活污水为水源的中水处理污泥。中水处理污泥中含有大量微生物，可以为发酵提供自然菌种。所述中水处理污泥可以为含水量较高的泥浆状态，如85%以上；也可以为含水量较少的可塑状态，如70-80%；还可以是含水量更少的固态，如50-65%。优选的，中水处理污泥的含水量为60%以上（w/w），优选为70-80%。
所述厨余垃圾与中水处理污泥的质量比为1:5-1。厨余垃圾为含较多的叶菜类垃圾时，采用较低的厨余垃圾与中水处理污泥的质量比，如1:5-3；反之应提高质量比。厨余垃圾为含水量较高的垃圾时，采用较高的厨余垃圾与中水处理污泥的质量比，如1:1-2；反之应降低质量比。
所述发酵浆料的固含量为4-10%（w/w），优选为6-8%（w/w）。
所述放电电压为0.1-3V；优选为0.5-1.5V。电流为2-10mA；优选为2-5mA。
所述电极可以为一对或多对；正负电极间距为2-4cm。正极为碳棒，负极为耐酸碱的金属或合金，如不锈钢。
所述放电时间点以压力控制，真空罐内压力低于0.25MPa时放电，高于0.35MPa时停止放电。所述放电处理为进料后0-5天。每次放电过程为脉冲放电，放电1-5s后间隔29-25s再次放电。
所述步骤（2）中负压为-（0.8-0.2）MPa，优选为-（0.5-0.4）MPa。
所述步骤（2）的处理温度为20-60℃；优选为30-50℃。
所述步骤（2）的处理时间为1-10天；优选为3-5天。
步骤（3）中，液料的排出可以采用部分出料方式也可采用全出料方式；优选为部分出料方式。通过部分出料方式有利于实现连续生产。排料时间为进料后5-15天。
所述可燃气体的主要成分包括CH4、CO、H2。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过放电电解水，产生氧气与氢气。氢气可以燃烧，成为可燃气体的组成部分，也可以为生物反应供氢；产生的氧气，通过新鲜厨余垃圾中的酶利用氧气生产还原力（NADH），解决厌氧发酵中还原力不足的问题，能够减缓发酵过程中的pH降低，提高厌氧微生物的生产能力与效率。由于厌氧微生物对氧气敏感，微生物与酶对电流敏感，需要通过严格控制电解水电流与产氧量。本发明通过筛选，获得了合适的脉冲放电的方式，既能够保证提供充足的还原力，又不至于导致大量厌氧微生物氧中毒。本发明通过放电还能够刺激生物体，达到改变膜透性与增强酶促反应的作用。本发明通过放电可以使部分有机物与微量氧与氢反应生成含氮小分子有机物，提供微生物更为丰富的营养，促进厌氧发酵的进行。
本发明提供的利用厨余垃圾与污泥生产可燃气体的方法，所产可燃气的热值比常规沼气发酵高，且时间短内即可出气，pH降低缓慢、出气量稳定，处理废弃物速度快；不需要添加额外的微生物菌种，可同时处理两种废弃物；处理后残液pH处于近中性范围（6.5-6.8），含有有机质、氨基酸、植物生长刺激物质等，可制备成有机肥。制备的可燃气体中氧气含量低，生产过程中、使用过程安全。本发明提供的方法可推广用于城市垃圾处理。
附图说明
图1为利用厨余垃圾与污泥生产可燃气体的流程图；
图2为实施例1中第3天生产的可燃气体成分气相色谱图，其中，1-H2，3-O2，5-N2，6-CO，7-CH4，8-CO2。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但本发明不受下述实施例的限制。
实施例1 可燃气体的生产
采用定制的50L夹套反应釜，反应釜底部有5对呈阵列均匀排布的电极棒，正极为碳棒，负极为不锈钢，正负电极棒间距为4cm，电极直径为3cm，电极长度为28cm。罐内压力大于0.20MPa自动出气泄压。
（1）将含绿色植物的厨余垃圾预打碎成10目，再与含水量80%的中水处理污泥按照质量比3:1加水混合成固含量8%的发酵浆料；
（2）真空发酵罐抽负压至-0.05MPa后，泵入发酵浆料，使发酵浆料没过电极；在加料后的前3天进行放电处理，罐内压力低于0.25MPa时放电，高于0.35MPa时停止放电；放电时电压为DC 1.5V，电流为5mA；每次放电过程为脉冲放电，放电2s后间隔28s再次放电，放电处理3天；
（3）进料15天后排出罐内残液料，添加新的发酵浆料至没过电极。
进料12h后可稳定产出可燃气并输出直至第10天出料；进料的pH为7.3，出料的pH为6.9。
对比例1 可燃气体的生产
采用定制的50L夹套反应釜，反应釜底部有5对呈阵列均匀排布的电极棒，正极为碳棒，负极为不锈钢，正负电极棒间距为4cm，电极直径为3cm，电极长度为28cm。罐内压力大于0.20MPa自动出气泄压。
（1）将含绿色植物的厨余垃圾预打碎成10目，再与含水量80%的中水处理污泥按照质量比3:1加水混合成固含量8%的发酵浆料；
（2）真空发酵罐抽负压至-0.05MPa后，泵入发酵浆料，使发酵浆料没过电极；在加料后的前3天进行放电处理，罐内压力低于0.25MPa时放电，高于0.35MPa时停止放电；放电时电压为DC 1.5V，电流为1mA；每次放电过程为脉冲放电，放电2s后间隔28s再次放电，放电处理5天；
（3）进料15天后排出罐内残液料。
进料约20h后可产出可燃气体，但进料后第1-2天出气不稳定。进料的pH为7.2，出料的pH为6.3。
对比例2 可燃气体的生产
采用定制的50L夹套反应釜，反应釜底部有5对呈阵列均匀排布的电极棒，正极为碳棒，负极为不锈钢，正负电极棒间距为4cm，电极直径为3cm，电极长度为28cm。罐内压力大于0.20MPa自动出气泄压。
（1）将含绿色植物的厨余垃圾预打碎成10目，再与含水量80%的中水处理污泥按照质量比3:1加水混合成固含量8%的发酵浆料；
（2）真空发酵罐抽负压至-0.05MPa后，泵入发酵浆料，使发酵浆料没过电极；在加料后的前3天进行放电处理，罐内压力低于0.25MPa时放电，高于0.35MPa时停止放电；放电时电压为DC 1.5V，电流为15mA；每次放电过程为脉冲放电，放电2s后间隔28s再次放电，放电处理5天；
（3）进料15天后排出罐内残液料。
进料约10h后可产出可燃气体，但进料后第9天起出气量下降。进料的pH为7.3，出料的pH为6.2。
对比例3 可燃气体的生产
采用定制的50L夹套反应釜，反应釜底部有5对呈阵列均匀排布的电极棒，正极为碳棒，负极为不锈钢，正负电极棒间距为4cm，电极直径为3cm，电极长度为28cm。罐内压力大于0.20MPa自动出气泄压。
（1）将绿色植物的厨余垃圾烘干后打碎成10目，再与含水量80%的中水处理污泥按照质量比3:1加水混合成固含量8%的发酵浆料；
（2）真空发酵罐抽负压至-0.05MPa后，泵入发酵浆料，使发酵浆料没过电极；在加料后的前3天进行放电处理，罐内压力低于0.25MPa时放电，高于0.35MPa时停止放电；放电时电压为DC 1.5V，电流为5mA；每次放电过程为脉冲放电，放电2s后间隔28s再次放电，放电处理5天；
（3）进料15天后排出罐内残液料。
进料约2天后可产出可燃气体，但首次出气后2天内不稳定。进料的pH为7.2，出料的pH为6.0。
实施例2 气体成分检测
采用岛津GC-7A气相色谱仪对各实施例与对比例中第4天获得的可燃气体干燥，然后检测成分。检测前干燥气体色谱条件如下：
柱温：70℃；
进样口温度：95℃；
热导检测器（TCD）温度：80℃；
载气：高纯氩气；
流量：30mL/min；
色谱柱：碳分子筛填充不锈钢柱，3m×3mm；
进样量：1000 μL；
实施例1的气体分析图谱如图2所示。计算各气体中不同成分的含量，结果如表1所示。
表1 不同气体样品中气体成分与含量比较
Figure DEST_PATH_IMAGE001
由表1数据可知，各气体样品中，实施例1中的可燃气体含量最高，对生物材料中的碳素转化效率更高，即生产的气体的燃烧值更高。

Claims (12)

1.一种利用厨余垃圾与污泥生产可燃气体的方法，其特征在于，包括以下方法：
（1）将含绿色植物的厨余垃圾与中水处理污泥加水混合成发酵浆料；
（2）真空发酵罐抽负压后泵入发酵浆料，使发酵浆料没过电极，直流放电处理，即可产生可燃气体；
（3）排出罐内残液料，添加新的发酵浆料；
所述厨余垃圾细度为10-40目；
所述放电处理的电压为0.1-3V；电流为2-10mA；
所述厨余垃圾为含有新鲜植物材料的厨余垃圾。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中水处理污泥为城市中水处理后产生的活性污泥；所述中水处理污泥的含水量为60%以上w/w。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述中水处理污泥为以含粪生活污水为水源的中水处理污泥；所述中水处理污泥的含水量为70-80%w/w。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述厨余垃圾与中水处理污泥的质量比为1:5-1；发酵浆料的固含量为4-10%w/w。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述发酵浆料的固含量为6-8%w/w。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述放电处理的电压为0.5-1.5V；电流为2-5mA。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电极为一对或多对；正负电极间距为2-4cm；正极为碳棒，负极为耐酸碱的金属。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述放电处理的时间点以压力控制，真空罐内压力低于0.25MPa时放电，高于0.35MPa时停止放电；所述放电处理为进料后0-5天；每次放电过程为脉冲放电，放电1-5s后间隔29-25s再次放电。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，负压为-（0.8-0.2）MPa；处理温度为20-60℃；处理时间为1-10天。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，处理时间为3-5天。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，排料时间为进料后5-15天。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可燃气体的主要成分包括CH4、CO、H2。
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