CN110818214A - 一种生物炭强化高含固餐厨垃圾和城市剩余污泥共发酵装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物炭强化高含固餐厨垃圾和城市剩余污泥共发酵装置，属于有机固体废弃物处理技术领域。本发明所提供的装置将餐厨垃圾粉碎后，与剩余污泥同时加入共发酵装置，同时随剩余污泥加入由秸秆高温煅烧后生成的生物炭。通过生物炭强化水解酸化功能电活性微生物与产甲烷菌之间的种间电子传递促进餐厨垃圾和城市剩余污泥厌氧共发酵产甲烷。本发明所提供的装置能够保证餐厨垃圾和城市剩余污泥在高含固率条件下充分厌氧发酵，获得甲烷组分含量较高的生物气，并同时对秸秆等农业废物进行了有效利用。

Description

一种生物炭强化高含固餐厨垃圾和城市剩余污泥共发酵装置

技术领域

本发明涉及一种餐厨垃圾和城市剩余污泥处理装置。

背景技术

固体废弃物是人类新陈代谢排泄物和消费品使用后产生的废弃物品，包括工矿业固体废物、城市生活垃圾、农业废物等，其中有机固体废物占比巨大，如农作物秸秆、餐厨垃圾、城市剩余污泥等。我国每年农作物秸秆产生量5亿吨；城市生活垃圾年产生量达1.18亿吨，其中餐厨垃圾不低于6000万吨；工业废水处理中产生剩余污泥达6.17亿吨。有机固体废物污染不断威胁人类健康和生态环境，但其同时含有大量可利用的植物性营养和生物能源，因此被称为“放错了地方的资源”。传统的有机固体废物处理方法有物理法、化学法、生物法等，如填埋、焚烧、堆肥、发酵等，其中厌氧发酵处理是最环保、又可回收能源的一项有效处理技术。厌氧发酵通过微生物的代谢生长活动对有机物进行分解和利用，主要发酵方式包括固态发酵和液态发酵。由于固态发酵具有能耗低、周期短、产率高等特点被广泛采用。固态发酵，即高含固发酵，该过程中多采用混合菌种，利用多菌种间的协同作用，实现有机固体废物厌氧分解。

近年来，以美国麻省大学阿莫斯特分校微生物系Lovley为代表的一些研究者通过广泛实验研究发现，在有机物厌氧发酵菌群中某些电活性微生物(如Geobacter)可与部分产甲烷菌(如Methanoseta)通过微生物间直接电子传递完成有机物的有效分解并产甲烷。这种直接种间电子传递产甲烷途径电子传输速率较传统氢电子传递途径提高8-9倍，可为互养微生物的生长和代谢提供更多的能量，开拓了产甲烷新思路。如能在高含固有机固体废物厌氧消化系统中构建出水解酸化功能电活性微生物和产甲烷菌的种间电子直接传递途径，则可绕开传统的氢电子传递途径，弥补水解产酸对于维持产甲烷互养代谢平衡的不足，实现固体有机物高效分解并转化为甲烷，从根本上提高产甲烷效率。不仅如此，生物炭是由秸秆等农作废物经高温煅烧后产生，被报道其导电性能可促进功能电活性微生物与产甲烷菌之间的微生物种间电子直接传递，从而促进有机废物厌氧发酵产甲烷。因此本申请提出的技术方案旨在利用秸秆等农作物高温煅烧后的生物炭有效促进功能电活性微生物与产甲烷菌之间电子链接，加速餐厨垃圾和城市剩余污泥等有机固体废物的厌氧共消化分解并实现甲烷产生。

发明内容

为克服现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种生物炭强化高含固餐厨垃圾和城市剩余污泥共发酵装置，通过秸秆等农作废弃物高温煅烧后产生的生物炭，有效富集功能电活性微生物和产甲烷菌，并加速两种微生物之间的电子传递，促进餐厨垃圾和城市剩余污泥等有机固体废弃物干式厌氧共发酵并产甲烷。

1、一种生物炭强化高含固餐厨垃圾和城市剩余污泥共发酵装置，其特征在于：餐厨垃圾混匀器的一侧通过管i与餐厨垃圾搅拌装置连接而上方经餐厨垃圾进料管通过餐厨垃圾进样器与进料三通阀的侧端连接。外部设有保温层内部为反应区的共发酵装置一侧的上方设有温度传感器与温度控制器连接而中部通过进样管ii与控制阀ii连接。该共发酵装置一侧的下部通过出样管与控制阀i相连。共发酵装置的上方还固定设有气体控制阀的出气管与气体采集装置相连。管ii从共发酵装置上方伸出与进料三通阀的下端连接而进料三通阀的上端经带有剩余污泥进样器的进样管i与剩余污泥混匀器连接。

2、根据权利要求1所述的生物炭强化高含固餐厨垃圾和城市剩余污泥共发酵装置进行生产，其特征在于：包括以下操作工序：

1)开启控制阀，将引种污泥经进样管ii注入共发酵装置，关闭控制阀ii。

2)共发酵装置为反应器主体，为厌氧装置，其内部反应区完成高含固餐厨垃圾与城市剩余污泥共发酵并产甲烷，产生甲烷由气体控制阀控制并流经出气管进入气体采集装置，完成甲烷气体收集。反应器主体共发酵装置运行过程中，由保温层保证共发酵装置温度为35±1℃。保温层温度通过温度传感器将温度信号传递至温度控制器，当保温层温度发生改变时，温度控制器产生调节作用。

3)餐厨垃圾搅拌装置进行餐厨垃圾预处理过程，将餐厨垃圾人工剔除骨头等硬质固体后，装入餐厨垃圾搅拌装置中，搅拌2-3分钟，使餐厨垃圾平均粒径小于10目，预处理后餐厨垃圾经管i流入餐厨垃圾混匀器，加水混匀，使餐厨垃圾含固率在20-25％之间。开启进料三通阀，利用餐厨垃圾进样器将混匀后的餐厨垃圾经进料管注入共发酵装置。

4)剩余污泥混匀器用于混匀剩余污泥和水，控制剩余污泥中含固率为10％，同时向剩余污泥混匀器内加入10g/L生物炭，使生物炭与剩余污泥充分混合。利用剩余污泥进样器将剩余污泥与生物炭混合物经进样管注入共发酵装置，关闭进料三通阀。

5)开启控制阀i，将共发酵后产物经出样管排出，关闭控制阀i。

与现有技术相比，本发明具有以下增益效果：

1、本发明所处理餐厨垃圾只需经过简单粉碎处理，并与少量自来水混合将含固率控制在20-25％即可，大大减少操作费用。

2、在本发明中，生物炭来自秸秆等农业有机废物经300-500℃高温煅烧所得，可实现对秸秆等农作废物的有效利用。

3、餐厨垃圾和剩余污泥经厌氧共发酵后产生以甲烷为主要成分的生物气，实现固体废弃物的有效资源化过程。

附图说明

图1是本发明一种生物炭强化高含固餐厨垃圾和城市剩余污泥共发酵装置示意图。

图1中：1、共发酵装置，2、餐厨垃圾搅拌装置，3、餐厨垃圾混匀器，4、剩余污泥混匀器，5、温度控制器，6、气体采集装置，7、反应区，8、保温层，9、餐厨垃圾进样器，10、剩余污泥进样器，11、餐厨垃圾进料管，12、进样管i，13、出气管，14、气体控制阀，15、进料三通阀，16、出样管，17、控制阀i，18、进样管ii，19、控制阀ii，20、温度传感器，21、管i，22、管ii。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明做进一步说明，如图1所示，这种生物炭强化高含固餐厨垃圾和城市剩余污泥共发酵装置包括反应器主体共发酵装置1、餐厨垃圾搅拌装置2、餐厨垃圾混匀器3、剩余污泥混匀器4、温度控制器5和气体采集装置6。餐厨垃圾混匀器3的一侧通过管i-21与餐厨垃圾搅拌装置2连接而上方经餐厨垃圾进料管11通过餐厨垃圾进样器9与进料三通阀15的侧端连接。外部设有保温层8内部为反应区7的共发酵装置1一侧的上方设有温度传感器20与温度控制器5连接，而中部通过进样管ii-18与控制阀ii-19连接。该共发酵装置1一侧的下部通过出样管16与控制阀i-17相连。共发酵装置1的上方还固定设有气体控制阀14的出气管13与气体采集装置6相连。管ii-22从共发酵装置1上方伸出与进料三通阀15的下端连接而进料三通阀15的上端经带有剩余污泥进样器10的进样管i-12与剩余污泥混匀器4连接。

这种生物炭强化高含固餐厨垃圾和城市剩余污泥共发酵装置对高含固餐厨垃圾和城市剩余污泥进行厌氧共发酵方法，包括以下操作工序：

①开启控制阀ii-19，将引种污泥经进样管ii-18注入共发酵装置1，关闭控制阀ii-19。

②共发酵装置1为反应器主体，为厌氧装置，其内部反应区7完成高含固餐厨垃圾与城市剩余污泥共发酵并产甲烷，产生甲烷由气体控制阀14控制并流经出气口13进入气体采集装置6，完成甲烷气体收集。反应器主体共发酵装置1运行过程中，由保温层8保证共发酵装置温度为35±1℃，保温层8温度通过温度传感器20将温度信号传递至温度控制器5，当保温层温度发生改变时，温度控制器5产生调节作用，控制保温层8温度为35±1℃；

③利用餐厨垃圾搅拌装置2进行餐厨垃圾预处理过程，将餐厨垃圾人工剔除骨头等硬质固体后，装入餐厨垃圾搅拌装置2中，搅拌2-3分钟，使餐厨垃圾平均粒径小于10目，预处理后餐厨垃圾经管i-21流入餐厨垃圾混匀器3，加水混匀，使餐厨垃圾含固率在20-25％之间；开启进料阀15，利用餐厨垃圾进样器9将混匀后的餐厨垃圾经进料管11注入共发酵装置1。

④剩余污泥混匀器4用于混匀剩余污泥和水，控制剩余污泥中含固率为10％，同时向剩余污泥混匀器4内加入10g/L生物炭，使生物炭与剩余污泥充分混合；利用剩余污泥进样器10将剩余污泥与生物炭混合物经进样管12注入共发酵装置1，关闭进料阀15。

⑤开启控制阀ii-19，将引种污泥经进样管ii-18注入共发酵装置1，将预处理后餐厨垃圾和剩余污泥分别由餐厨垃圾进样器9和剩余污泥进样器10注入共发酵装置1中反应区7，餐厨垃圾和剩余污泥比例为质量比1：1，关闭控制阀ii-19。开启控制阀i-17，将餐厨垃圾和剩余污泥等质量的共发酵产物经出样管16排出，关闭控制阀i-17。每24小时注入一次餐厨垃圾和剩余污泥，并排一次共发酵反应后产物。同时由气体采集装置6收集共发酵装置1中产生甲烷气体。

这种生物炭强化高含固餐厨垃圾和城市剩余污泥共发酵装置的应用机理是：

(1)餐厨垃圾含碳比例较高，厌氧发酵时会产生大量有机酸，导致厌氧反应器酸化，甚至pH降低至5以下，当pH在4.0-5.0之间时，是厌氧乙醇型发酵的最佳条件，使得餐厨垃圾水解酸化产物为乙醇。乙醇是Geobacter等电活性微生物和产甲烷菌的适宜底物，且Geobacter等电活性微生物和产甲烷菌之间可进行微生物种间电子直接传递，加速有机污染物分解。

(2)剩余污泥由于成分复杂，厌氧发酵效率较低，与餐厨垃圾厌氧消化结合后，由于餐厨垃圾水解酸化产生乙醇加速了Geobacter等电活性微生物和产甲烷菌之间的电子传递，从而可同时加速剩余污泥的厌氧发酵过程。

(3)农作废物秸秆通过300-500℃高温煅烧后可形成具有导电能力的生物炭，Geobacter等电活性微生物和产甲烷菌可通过附着在导电生物炭表面，进一步加速两种微生物之间的电子传递速率，进而加速餐厨垃圾和剩余污泥厌氧共发酵。

具体实施例1：

将某校园餐厨垃圾取回后剔除骨头、塑料等硬质固体物质，加水粉碎搅拌2分钟处理至平均粒径小于2mm，含固率为20-25％。将剩余污泥取回加水搅拌稀释至含固率10％，并与10g/L生物炭混合均匀。将预处理后餐厨垃圾25克和剩余污泥25克分别注入体积为1.2L的厌氧共发酵装置，其中反应区有效体积为1.0L，同时排出50克共发酵产物，装置运行过程中收集产生甲烷气体。装置运行过程中利用温度控制器控制保温层温度为35±1℃，运行20天完成一个处理周期。经本发明装置处理后，餐厨垃圾和剩余污泥共发酵处理效率较传统厌氧装置提高25％，甲烷产量提高18％。

Claims (2)

1.一种生物炭强化高含固餐厨垃圾和城市剩余污泥共发酵装置，其特征在于：餐厨垃圾混匀器(3)的一侧通过管i(21)与餐厨垃圾搅拌装置(2)连接而上方经餐厨垃圾进料管(11)通过餐厨垃圾进样器(9)与进料三通阀(15)的侧端连接；外部设有保温层(8)内部为反应区(7)的共发酵装置(1)一侧的上方设有温度传感器(20)与温度控制器(5)连接而中部通过进样管ii(18)与控制阀ii(19)连接，该共发酵装置(1)一侧的下部通过出样管(16)与控制阀i(17)相连；所述共发酵装置(1)的上方还固定设有气体控制阀(14)的出气管(13)与气体采集装置(6)相连；管ii(22)从所述共发酵装置(1)上方伸出与所述进料三通阀(15)的下端连接而所述进料三通阀(15)的上端经带有剩余污泥进样器(10)的进样管i(12)与剩余污泥混匀器(4)连接。

2.根据权利要求1所述的生物炭强化高含固餐厨垃圾和城市剩余污泥共发酵装置进行生产，其特征在于包括以下操作工序：

1)开启控制阀(19)，将引种污泥经进样管ii(18)注入共发酵装置(1)，关闭控制阀ii(19)；

2)共发酵装置(1)为反应器主体，为厌氧装置，其内部反应区(7)完成高含固餐厨垃圾与城市剩余污泥共发酵并产甲烷，产生甲烷由气体控制阀(14)控制并流经出气管(13)进入气体采集装置(6)，完成甲烷气体收集；反应器主体共发酵装置(1)运行过程中，由保温层(8)保证共发酵装置温度为35±1℃，保温层(8)温度通过温度传感器(20)将温度信号传递至温度控制器(5)，当保温层温度发生改变时，温度控制器(5)产生调节作用；

3)所述餐厨垃圾搅拌装置(2)进行餐厨垃圾预处理过程，将餐厨垃圾人工剔除骨头等硬质固体后，装入餐厨垃圾搅拌装置(2)中，搅拌2-3分钟，使餐厨垃圾平均粒径小于10目，预处理后餐厨垃圾经管i(21)流入餐厨垃圾混匀器(3)，加水混匀，使餐厨垃圾含固率在20-25％之间；开启进料三通阀(15)，利用餐厨垃圾进样器(9)将混匀后的餐厨垃圾经进料管(11)注入共发酵装置(1)；

4)剩余污泥混匀器(4)用于混匀剩余污泥和水，控制剩余污泥含固率为10％，同时向剩余污泥混匀器(4)内加入10g/L生物炭，使生物炭与剩余污泥充分混合；利用剩余污泥进样器(10)将剩余污泥与生物炭混合物经进样管(12)注入共发酵装置(1)，关闭进料三通阀(15)；

5)开启控制阀i(17)，将共发酵后产物经出样管(16)排出，关闭控制阀i(17)。

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