CN110129191A - 一种废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理系统及其处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理系统及其处理方法，属于废弃物资源化利用技术领域，包括预处理系统、厌氧消化系统、能源回收系统和沼渣利用系统；预处理系统包括分选机和破碎机，厌氧消化系统包括厌氧消化池，能源回收系统包括脱硫装置、沼气锅炉和内燃机发电系统，沼渣利用系统包括太阳能风干装置。本发明通过设定温度、TS、F/M、C/N等操作条件，实现纸箱最大潜力的产甲烷资源化；同时设有指标在线监测和调控系统可以保证整个厌氧消化系统的平稳运行。以厌氧消化过程产生的沼气为燃料燃烧发电发热，可以实现生活用能的高效化、清洁化，减少了后续沼渣对环境的污染问题。

Description

一种废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理系统及其处理方法
技术领域
本发明涉及一种废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理系统及其处理方法，属于废弃物资源化利用技术领域。
背景技术
国家邮政局发布的《2017中国快递领域绿色包装发展现状及趋势报告》显示，2016年全国快递业务量多达312.8亿件，其中消耗了约37亿个包装箱，消耗的快递包装盒所需的瓦楞纸箱原纸多达4600万吨。但在目前中国快递业中，能够回收利用的纸箱并不多，纸箱的实际回收率只有不到10％，主要原因为在快递点或社区内，没有快递包装的回收点，导致快递包装大多进了垃圾箱。同时，消费者对于垃圾的分类处理意识不足，加大了回收的难度。纸箱如果和其他生活垃圾混在一起，被污染后无法再回收。
厌氧消化作为最重要的生物质能源之一，可以将有机生活垃圾中的能量转化为沼气来燃烧或发电。纸箱的主要成分为植物纤维，属于高碳水化合物，利用废弃纸箱厌氧消化，可以调节反应池内的碳氮比，以实现能源的回收利用。经厌氧消化产生的沼渣，经脱水后可用来制砖或有机肥料。
发明内容
本发明提供一种废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理系统及其处理方法，实现废纸箱的最大潜力的资源化利用。
术语解释：
VFAs：即挥发性脂肪酸，是厌氧生物处理法发酵阶段的末端产物。
TS：Total solid，是指样品(液体)中干物质的含量，通常为百分含量。
F/M：“Food”/“Microorganism”，指有机负荷率，也叫做食微比，为有机物与微生物之比，两者比值用来反映污泥负荷，用在活性污泥上的，作为反应其活力的一种比值。
C/N：Carbon/Nitrogen，指碳氮比。
VS：volatile solid，是指挥发性固体，挥发性固体在总固体中能在550度高温下挥发的那部分固体，一般用VS表示。
本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理系统，包括预处理系统、厌氧消化系统、能源回收系统和沼渣利用系统；
所述预处理系统包括分选机和破碎机，所述厌氧消化系统包括厌氧消化池，所述能源回收系统包括脱硫装置、沼气锅炉和内燃机发电系统，脱硫装置可将沼气中含有的硫化氢去除，减少对后续过程中金属管道或阀门的腐蚀；沼气锅炉能够以厌氧消化沼气为燃料燃烧产生热量，内燃机发电系统可以将厌氧消化产生的沼气进行压缩处理，注入内燃机，利用沼气燃烧产生的热烟气值推动涡轮机，从而带动发电机发电。
所述沼渣利用系统包括太阳能风干装置。沼渣利用系统是指将厌氧消化后的污泥进行稳定化、无害化、减量化和资源化处理，主要包括脱水风干和资源化利用两部分，脱水风干过程为以太阳能为主要能源对污泥进行干化处理，得到沼渣干品颗粒。
优选的，该系统还包括PLC控制器和调控系统，所述厌氧消化池内设置有在线监测仪，用于监测厌氧消化池的VFAs、化学需氧量、氨氮和pH，所述调控系统和在线监测仪均与所述PLC控制器连接。
优选的，所述调控系统包括运送基质的输送带、位于厌氧消化池的搅拌装置和厌氧消化池的备用管路开关。
优选的，所述在线监测仪优选采用AquAlert水质在线监测系统，PLC控制器的型号优选为4DI6DOMT，也可根据具体使用要求选择其他型号的在线监测仪和PLC控制器。
另一方面，本发明还提供一种废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理方法，包括如下步骤：
(1)将收集的纸箱和其他生活垃圾进行分选、破碎，提高后续厌氧消化效率；
(2)将破碎后的垃圾送入厌氧消化池，加入接种物，在此完成废纸箱的水解、酸化及产甲烷化，实现废弃物的能源转化，厌氧消化过程，其技术要点在于选择合适的运行操作条件，主要包括：温度、TS、F/M、C/N等，本发明中，通过调节厌氧消化过程的温度为35±2℃、TS为10±2％范围内、F/M为0.3-2、C/N为20-30，进行厌氧消化，本实验条件下，甲烷产率较高；
优选的，F/M为0.5；
厌氧过程，按温度因素一般可以分为低温消化、中温消化、高温消化。低温厌氧消化甲烷转化率较低，高温厌氧消化所需能量较高，且反应过程不稳定。本发明中的厌氧反应的温度控制在35±2℃，属于中温消化范畴。
厌氧消化过程，按TS因素可以分为干式消化(TS≥10％)和湿式消化(TS<10％)，湿式消化存在单位体积内的有机负荷率相对较低，沼液难处理等问题，TS过高存在严重异质性等问题。本发明的厌氧反应TS控制在10％左右，属于干式消化范畴。
(3)通过在线监测仪监测VFAs、化学需氧量、氨氮、pH指标，并通过PLC控制器控制调控系统，保证VFAs、氨氮、pH在正常范围内，本发明可实时掌控厌氧消化系统的运行情况，并在产生异常现象时，及时做出相应的调控对策；
(4)厌氧消化完成后，将沼气送入沼气锅炉和内燃机发电系统将沼气分别转化为热能和电能；沼气在内燃机发电系统中，完成压缩、燃烧过程，压缩过程一般为进气，压缩，燃烧膨胀，排气四个基本过程。
(5)将厌氧消化后产生的固体废弃物重新利用，生产为价值成品。
优选的，步骤(1)中，将收集到的纸箱和其他垃圾通过运送基质的输送带输送至风选弹跳式分选机，筛除垃圾中石块、酒瓶、金属等重量大的无机物，将分选后的纸箱和其他生活垃圾输送至破碎机进行破碎，通过机械破碎，减小纸箱等垃圾的粒径，提高后续厌氧消化效率。
优选的，步骤(3)中，当pH在6.5-8之间，氨氮<4000mg/L，VFAs<4000mgCOD/L时，属于正常范围，在此正常范围内，维持厌氧消化系统的稳定，当发生异常时及时开启调控系统。
优选的，本发明中，在线监测仪与PLC控制器之间建立连接，将实时监测数据的信号传递给PLC控制器，当pH、氨氮和VFAs之一发生异常时，在线监测仪将信号传递至PLC控制器，PLC控制器控制调控系统进行调控。
优选的，调控系统的调控方式包括：PLC控制器通过控制运输基质的输送带控制进样；PLC控制器通过控制搅拌装置调控搅拌力度；PLC控制器通过控制厌氧消化池的备用管路开关，对消化池进行营养盐稀释。当pH小于6.5时，PLC控制器控制运输基质的输送带停止进样，控制搅拌装置加大搅拌力度，同时控制打开备用管路开关，添加营养盐稀释等。当pH大于8时，PLC控制器控制运输基质的输送带继续进样，控制搅拌装置加大搅拌力度，同时控制关闭备用管路开等。
当氨氮大于等于4000mg/L时或VFAs大于等于4000mgCOD/L时，PLC控制器控制运输基质的输送带停止进样，控制搅拌装置加大搅拌力度，同时控制打开备用管路开关，添加营养盐稀释等。
优选的，步骤(4)中，将沼气送入沼气锅炉和内燃机之前，经湿法脱硫去除沼气中的硫化，将沼气中含有的硫化氢去除，减少对后续过程中金属管道或阀门的腐蚀。
进一步优选的，步骤(5)中，在对沼渣进行重新利用之前，先对沼渣进行太阳能风化处理，使其含水率达到10-30％，将干化后的沼渣直接经过混配、搅拌、烘干等流程，加工为肥料或添加添加剂，经拌水湿化，挤压，干燥，点燃烧制为成品砖。
值得注意的是，本发明的％表示质量百分比，风选弹跳式分选机、破碎机、脱硫装置、沼气锅炉和内燃机等均可采用普通市售产品型号，本发明中提及但未重点介绍的技术均可采用现有技术进行，此处不再赘述。
本发明的有益效果为：
1)通过设定温度、TS、F/M、C/N等操作条件，实现纸箱最大潜力的产甲烷资源化，在解决了由纸箱引发的环境问题的同时，创收了经济效益。
2)以厌氧消化过程产生的沼气为燃料燃烧发电发热，可以实现生活用能的高效化、清洁化。
3)纸箱经过厌氧消化后产生的沼渣，通过一系列处理，可用来制作优质的沼肥，促进农业增收。
综上，本发明通过设定温度、TS、F/M、C/N等操作条件，实现纸箱最大潜力的产甲烷资源化；同时设有指标在线监测和调控系统可以保证整个厌氧消化系统的平稳运行。以厌氧消化过程产生的沼气为燃料燃烧发电发热，可以实现生活用能的高效化、清洁化。厌氧消化后产生的沼渣，通过一系列处理，可用来制作优质的沼肥和成品砖，减少了后续沼渣对环境的污染问题。在解决了由纸箱引发的环境问题的同时，创收了经济效益。
附图说明
图1为本发明的一种废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理系统的结构示意图；
图2为实施例7的累计产甲烷量图；
图3为实施例8的累计产甲烷量图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理系统，如图1所示，包括预处理系统1、厌氧消化系统2、能源回收系统3和沼渣利用系统4；
预处理系统1包括分选机和破碎机，厌氧消化系统2包括厌氧消化池，能源回收系统3包括脱硫装置、沼气锅炉和内燃机发电系统，脱硫装置可将沼气中含有的硫化氢去除，减少对后续过程中金属管道或阀门的腐蚀；沼气锅炉能够以厌氧消化沼气为燃料燃烧产生热量，内燃机发电系统可以将厌氧消化产生的沼气进行压缩处理，注入内燃机，利用沼气燃烧产生的热烟气值推动涡轮机，从而带动发电机发电。
沼渣利用系统4包括太阳能风干装置。
实施例2：
一种废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理系统，结构如实施例1所示，所不同的是，该系统还包括PLC控制器和调控系统，厌氧消化池内设置有在线监测仪，用于监测厌氧消化池的VFAs、化学需氧量、氨氮和pH，调控系统和在线监测仪均与所述PLC控制器连接；
调控系统包括运送基质的输送带、位于厌氧消化池的搅拌装置和厌氧消化池的备用管路开关；
在线监测仪采用AquAlert水质在线监测系统，PLC控制器的型号为4DI6DOMT。
实施例3：
一种废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理方法，包括如下步骤：
(1)将收集的纸箱和其他生活垃圾进行分选、破碎，提高后续厌氧消化效率；
(2)将破碎后的垃圾送入厌氧消化池，加入接种物，在此完成废纸箱的水解、酸化及产甲烷化，实现废弃物的能源转化，厌氧消化过程，其技术要点在于选择合适的运行操作条件，主要包括：温度、TS、F/M、C/N等，本发明中，通过调节厌氧消化过程的温度为35±2℃、TS为10±2％范围内、F/M为0.5、C/N为25，进行厌氧消化，本实验条件下，甲烷产率较高；
(3)通过在线监测仪监测VFAs、化学需氧量、氨氮、pH指标，并通过PLC控制器控制调控系统，保证VFAs、氨氮、pH在正常范围内，本发明可实时掌控厌氧消化系统的运行情况，并在产生异常现象时，及时做出相应的调控；
(4)厌氧消化完成后，将沼气送入沼气锅炉和内燃机发电系统将沼气分别转化为热能和电能；(5)将厌氧消化后产生的固体废弃物重新利用，生产为价值成品。
实施例4：
一种废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理方法，如实施例1所示，所不同的是，步骤(1)中，将收集到的纸箱和其他垃圾通过运送基质的输送带输送至风选弹跳式分选机，筛除垃圾中石块、酒瓶、金属等重量大的无机物，将分选后的纸箱和其他生活垃圾输送至破碎机进行破碎，通过机械破碎，减小纸箱等垃圾的粒径，提高后续厌氧消化效率。
实施例5：
一种废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理系统，如实施例1所示，所不同的是，步骤(3)中，当pH在6.5-8之间，氨氮<4000mg/L，VFAs<4000mgCOD/L时，属于正常范围，在此正常范围内，维持厌氧消化系统的稳定，当发生异常时及时开启调控系统。
本发明中，在线监测仪与PLC控制器之间建立连接，将实时监测数据的信号传递给PLC控制器，当pH、氨氮和VFAs之一发生异常时，在线监测仪将信号传递至PLC控制器，PLC控制器控制调控系统进行调控。
实施例6：
一种废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理系统，如实施例1所示，所不同的是，步骤(4)中，将沼气送入沼气锅炉和内燃机之前，经湿法脱硫去除沼气中的硫化，将沼气中含有的硫化氢去除，减少对后续过程中金属管道或阀门的腐蚀。
步骤(5)中，在对沼渣进行重新利用之前，先对沼渣进行太阳能风化处理，使其含水率达到10-30％，将干化后的沼渣直接经过混配、搅拌、烘干等流程，加工为肥料或添加添加剂，经拌水湿化，挤压，干燥，点燃烧制为成品砖。
实施例7：
实验选取碳水化合物高的快递纸箱盒作为底物，以省内某柠檬酸污水处理厂污泥为接种物进行厌氧消化处理，实验所用快递纸箱盒的VS为87.6％，TS为93.6％，厌氧接种污泥的VS为9.5％，TS为12.9％。取5个120mL血清瓶，每个小瓶控制TS在15％左右，厌氧接种污泥10g，基于VS使F/M分别达到1:1、2:1、1:2、2:3、3:2，分别投加1.08g、2.17g、0.54g、0.724g、1.63g纸箱，控制TS在15％左右，产气效果如图2所示，从图2中可以看出，当F/M为1：2(即0.5时)时，累计甲烷产量为238.16mL，此时的产甲烷潜力达到最大。
实施例8：
实验选取碳水化合物高的快递纸箱盒作为底物，以省内某柠檬酸污水处理厂污泥为接种物进行厌氧消化处理，实验所用快递纸箱盒的VS为87.6％，TS为93.6％，厌氧接种污泥的VS为9.5％，TS为12.9％。取9个120mL血清瓶，每个瓶内投加10g厌氧污泥和0.542g纸箱，其F/M均为0.5左右。按表1设置每个血清瓶的厌氧反应条件，产气效果如图3所示，从图中可以看出，4号瓶产气效果最好，见图3中最上方的曲线，累计甲烷产量为284.96mL，此时对应的温度为35℃、TS为10％、C/N为21。
表1：实施例8实验设计条件
编号 温度(℃) TS(％) C/N F/M
1 15 10 140 0.5
2 15 20 21 0.5
3 15 30 52.5 0.5
4 35 10 21 0.5
5 35 20 52.5 0.5
6 35 30 140 0.5
7 55 10 140 0.5
8 55 20 52.5 0.5
9 55 30 21 0.5
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理系统，其特征在于，包括预处理系统、厌氧消化系统、能源回收系统和沼渣利用系统；
所述预处理系统包括分选机和破碎机，所述厌氧消化系统包括厌氧消化池，所述能源回收系统包括脱硫装置、沼气锅炉和内燃机发电系统，所述沼渣利用系统包括太阳能风干装置。
2.根据权利要求1所述的废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理系统，其特征在于，还包括PLC控制器和调控系统，所述厌氧消化池内设置有在线监测仪，用于监测厌氧消化池的VFAs、化学需氧量、氨氮和pH，所述调控系统和在线监测仪均与所述PLC控制器连接。
3.根据权利要求2所述的废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理系统，其特征在于，所述调控系统包括运送基质的输送带、位于厌氧消化池的搅拌装置和厌氧消化池的备用管路开关。
4.根据权利要求3所述的废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理系统，其特征在于，所述在线监测仪采用AquAlert水质在线监测系统，PLC控制器的型号为4DI6DOMT。
5.一种废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将收集的纸箱和其他生活垃圾进行分选、破碎；
(2)将破碎后的垃圾送入厌氧消化池，加入接种物，通过调节厌氧消化过程的温度为35±2℃、TS为10±2％范围内、F/M为0.3-2、C/N为20-30，进行厌氧消化；
(3)通过在线监测仪监测VFAs、化学需氧量、氨氮、pH指标，并通过PLC控制器控制调控系统，保证VFAs、氨氮、pH在正常范围内；
(4)厌氧消化完成后，将沼气送入沼气锅炉和内燃机发电系统将沼气分别转化为热能和电能；
(5)将厌氧消化后产生的固体废弃物重新利用，生产为价值成品。
6.根据权利要求1所述的废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理方法，其特征在于，步骤(1)中，将垃圾通过运送基质的输送带输送至风选弹跳式分选机，筛除垃圾中重量大的无机物，将分选后的纸箱和其他生活垃圾输送至破碎机进行破碎。
7.根据权利要求1所述的废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理方法，其特征在于，步骤(3)中，当pH在6.5-8之间，氨氮<4000mg/L，VFAs<4000mgCOD/L时，属于正常范围。
8.根据权利要求7所述的废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理方法，其特征在于，当pH、氨氮和VFAs之一发生异常时，在线监测仪将信号传递至PLC控制器，PLC控制器控制调控系统进行调控。
9.根据权利要求8所述的废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理方法，其特征在于，调控系统的调控方式包括：PLC控制器通过控制运输基质的输送带控制进样；PLC控制器通过控制搅拌装置调控搅拌力度；PLC控制器通过控制厌氧消化池的备用管路开关，对消化池进行营养盐稀释。
10.根据权利要求5所述的废弃纸箱高效产甲烷及资源化处理方法，其特征在于，步骤(4)中，将沼气送入沼气锅炉和内燃机之前，经湿法脱硫去除沼气中的硫化氢。
优选的，步骤(5)中，在对沼渣进行重新利用之前，先对沼渣进行太阳能风化处理，使其含水率达到10-30％，将干化后的沼渣直接经过混配、搅拌、烘干流程，加工为肥料或添加添加剂，经拌水湿化，挤压，干燥，点燃烧制为成品砖。
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