CN110951789B - 一种餐厨垃圾的处理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种餐厨垃圾的处理方法及系统，该处理方法包括如下步骤：(1)除杂破碎：去除餐厨垃圾中的不能或不易生物降解的各种杂质，将剩余部分破碎成固体颗粒粒径小于5mm的浆液；(2)水热处理：将浆液进行水热处理；(3)油脂分离：将水热处理后的浆液进行分离，得到油脂，并将包含固相产物和其他液相产物的固液混合物进行步骤(4)；(4)发酵：将固液混合物进行发酵，在发酵的启动阶段一次性接种混菌；(5)固液分离：将发酵产物进行固液分离，得到富含有机酸和醇的高碳酸化液和富含蛋白质的固相残渣。本发明可以实现餐厨垃圾的全量资源化利用，且处理周期可以降低至10天以下，工艺简单、处理效率高、生产成本低。
Description
技术领域
本发明具体涉及固废处理技术领域，特别是涉及一种餐厨垃圾的处理方法及系统。
背景技术
随着居民生活水平的提高和我国垃圾分类工作的推进，餐厨垃圾的收运量逐年上升。餐厨垃圾具有高含水率、高有机质含量的特点，不经处理的餐厨垃圾易腐败发臭，污染环境；同时，餐厨垃圾中的主要成分如脂肪、糖类和蛋白质等具有巨大的资源化潜力。因此，如何开发清洁、高效的餐厨垃圾的无害化和资源化技术，是目前餐厨垃圾管理中面临的关键问题。
厌氧消化产沼气是目前国内餐厨垃圾的主流处理技术。在厌氧消化前，餐厨垃圾中的油脂通常会被提取回收并制备生物柴油，而剩余的富含糖类和蛋白质的物料被输送入厌氧系统处理。在厌氧微生物的作用下，这些物料的降解大致可分为两个阶段：一是发酵阶段，水解酸化细菌将有机质分解为乙醇、乳酸、挥发性脂肪酸、CO2和H2；二是产甲烷阶段，产甲烷菌利用乙酸、CO2和H2等物质生产甲烷。这两个阶段可以在同一个反应器中进行，即为单相厌氧消化，也可以分别在不同的反应器中进行，即两相厌氧消化。这两类工艺在实践中都有广泛应用。单相厌氧消化系统更为简单，而两相厌氧消化工艺可以适应更高的负荷，系统不易过酸化而失效。
然而，产甲烷过程速率慢，导致整个处理周期长达20～30天，这限制了餐厨垃圾的处理效率，处理设施占地面积大。而且，在这一过程中，除餐厨垃圾中的部分有机质转化为沼气外，其余有机质和水分转化为二次污染物，厌氧消化后产生的大量沼液具有高氨氮、高COD(化学需氧量)的特点，在高标准的污水排放要求背景下，其处理成本高达40～100元/t，而沼渣也需要进一步焚烧或填埋处理。因此，如何快速低成本地处理餐厨垃圾的，并得到有经济利用价值的处理产物是亟待解决的问题。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种餐厨垃圾的处理方法及系统。
本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决：
一种餐厨垃圾的处理方法，包括如下步骤：
(1)除杂破碎：去除餐厨垃圾中的不能或不易生物降解的各种杂质，将剩余部分破碎成固体颗粒粒径小于5mm的浆液；
(2)水热处理：将步骤(1)得到的浆液进行水热处理；
(3)油脂分离：将经步骤(2)处理后的浆液进行分离，分离得到油脂，并将包含固相产物和其他液相产物的固液混合物进行步骤(4)；
(4)发酵：将步骤(3)得到的固液混合物进行发酵，在发酵的启动阶段一次性接种混菌；
(5)固液分离：将步骤(4)得到的发酵产物进行固液分离，得到富含有机酸和醇的高碳酸化液和富含蛋白质的固相残渣。
优选地，所述餐厨垃圾包括餐饮服务单位产生的餐饮垃圾和/或家庭厨房产生的厨余垃圾。
优选地，步骤(2)所述的水热处理温度为60～120℃，处理时间为30～120分钟。
优选地，所述步骤(4)的发酵的条件为：氧化还原电位为-600～50mV，pH在3.0～6.0之间，温度20～40℃，进料的固体浓度5～20wt％，固体停留时间2～10d。
优选地，所述氧化还原电位为-200～50mV；所述发酵采用厌氧或缺氧发酵模式，在厌氧发酵模式下，所述氧化还原电位通过以下条件进行实时调节：添加铁、氧化铁、碳颗粒中的至少一者，添加量是进料的固体质量的1-10wt％；在缺氧发酵模式下，所述氧化还原电位通过微曝气进行实时调节，所述微曝气的条件是：10～2000L空气/kg进料固体/d。
优选地，在所述缺氧发酵模式下，体系中的溶解氧小于2mg/L；所述混菌为消化污泥或脱水污泥。
优选地，所述pH值始终控制在4.5±0.1或6.0±0.1；和/或，所述进料的固体浓度为10wt％，固体停留时间4d。
优选地，还包括：将步骤(3)所得的油脂用于加工生物柴油物的步骤；和/或将步骤(5)中得到的高碳酸化液作为污水处理的碳源或进一步加工其他高值产品的步骤；和/或将步骤(5)中得到的富含蛋白质的固相残渣进行二次生物转化，加工得到蛋白饲料的步骤。
一种餐厨垃圾的处理系统，包括：通过管道依次连接的接料装置、自动分选装置、粉碎装置、水热反应器、油脂分离装置、发酵反应器和固液分离装置；其中，所述接料装置的进料口接收餐厨垃圾原料，出料口与所述自动分选装置的进料口连接；所述自动分选装置具有两个出料口，其中一个出料口用于排出杂质，另一个出料口与所述粉碎装置的进料口连接；所述粉碎装置的出料口与所述水热反应器的进料口连接，所述水热反应器的出料口与所述油脂分离装置的进料口连接，所述油脂分离装置具有两个出料口，其中一个出料口用于排出油脂，另一个出料口与所述发酵反应器的进料口连接；所述发酵反应器的出料口与所述固液分离装置的进料口连接，所述固液分离装置具有两个出料口，其中一个出料口用于排出富含有机酸和醇的高碳酸化液，另一个出料口用于排出富含蛋白质的固相残渣。
优选地，所述接料装置还具有沥水单元和用于排出餐厨垃圾沥水的第二出料口，所述第二出料口与所述油脂分离装置的进料口连接。
本发明有益效果包括：本发明根据餐厨垃圾的不同组分特点设计处理方法，将餐厨垃圾进行处理后得到油脂、富含有机酸和醇的高碳酸化液和富含蛋白质的固相残渣等可以被价值利用的成分，实现了餐厨垃圾的全量资源化利用，且处理周期可以降低至10天以下，工艺简单、处理效率高、生产成本低。
附图说明
图1为本发明优选实施方式中的餐厨垃圾的处理方法流程图；
图2为本发明优选实施方式中的餐厨垃圾的处理系统的示意图；
图3为实施例1得到的高碳酸化液中各产物浓度；
图4为实施例2得到的高碳酸化液中各产物浓度；
图5为餐厨垃圾原料中、实施例1得到的和实施例2得到的各组分的COD分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
本发明提供一种餐厨垃圾的处理方法，如图1所示，其包括如下步骤：
(1)除杂破碎：去除餐厨垃圾中的不能或不易生物降解的各种杂质(如玻璃、金属、塑料、木块和砂子等)，将剩余部分破碎成固体颗粒粒径小于5mm的浆液；
(2)水热处理：将步骤(1)得到的浆液进行水热处理；
(3)油脂分离：将经步骤(2)处理后的浆液进行分离，分离得到油脂，并将包含固相产物和其他液相产物的固液混合物(主要是多糖类物质和蛋白质)进行步骤(4)；
(4)发酵：将步骤(3)得到的固液混合物进行发酵，在发酵的启动阶段一次性接种混菌；
(5)固液分离：将步骤(4)得到的发酵产物进行固液分离，得到富含有机酸和醇的高碳酸化液和富含蛋白质的固相残渣。
通过本发明的处理方法，可以实现糖类和蛋白质的分流，例如高碳酸化液(高碳酸化液中碳氮比高于100)可以作为污水厂碳源或加工高值产品，如聚乳酸等；而固相蛋白质残渣可以用于饲养蝇蛆、黑水虻或者进行微生物发酵，用于生产各类蛋白饲料。这样，餐厨垃圾中的各类组分均可以分别转化为资源化产品(油脂可被转化成生物柴油、糖分可被转化成高碳酸化液并进一步可作为污水处理的碳源或进一步加工其他高值产品、蛋白质可被转化成蛋白饲料)，而且处理周期短，处理过程也没有大量污水、废渣的排放。
在一些优选的实施方式中，所述餐厨垃圾包括餐饮服务单位产生的餐饮垃圾和/或家庭厨房产生的厨余垃圾。
在一些优选的实施方式中，所述混菌为消化污泥或脱水污泥。在整个处理过程中，不再添加任何特定的菌制剂或酶制剂。
在一些优选的实施方式中，步骤(2)的水热处理温度为60～120℃，处理时间为30～120分钟，经过水热处理可以促进油脂分离以及部分大分子有机质从固相溶出和水解，便于后续的油脂分离和发酵。
在一些优选实施方式中，步骤(4)的发酵的条件为：氧化还原电位为-600～50mV，pH在3.0～6.0之间，温度20～40℃，进料的固体浓度5～20wt％，固体停留时间2～10d。该发酵过程的运行方式为半连续式或连续式，运行阶段始终控制氧化还原电位为-600～50mV之间，pH在3.0～6.0之间，且除了根据固体停留时间来定时进行排料、进料操作外，餐厨垃圾中不再添加任何特定的菌制剂或酶制剂，在该条件下，餐厨垃圾中80％以上的糖类物质降解为小分子(主要是C1-6)醇和酸，如乙醇、乳酸、挥发性脂肪酸等高碳发酵产物并溶于液相之中，而蛋白质基本不降解(其降解率在20％以下)并留存在固相之中。
在一些优选实施方式中，氧化还原电位为-200～50mV。
在一些优选实施方式中，发酵采用厌氧或缺氧发酵模式，在厌氧发酵模式下，所述氧化还原电位通过以下条件进行实时调节：添加铁、氧化铁、碳颗粒中的至少一者，添加量是进料的固体质量的1-10wt％；在缺氧发酵模式下，所述氧化还原电位通过微曝气进行实时调节，所述微曝气的条件是：10～2000L空气/kg进料固体/d。通过调控氧化还原电位，并与其他发酵条件协同，使得蛋白质基本不从固相中溶出，以此来控制蛋白质的降解率。
在一些优选实施方式中，在所述缺氧发酵模式下，体系中的溶解氧小于2mg/L。
在一些优选实施方式中，所述pH值始终控制在4.5±0.1或6.0±0.1；和/或，所述进料的固体浓度为10wt％，固体停留时间4d。实验表明，相比于其他条件，在该优选的条件下，产酸效率更高，蛋白质降解率更低。
在一些优选的实施方式中，步骤(3)所得的油脂(毛油)可用于加工生物柴油物；步骤(5)中得到的高碳酸化液可以作为污水处理的碳源或进一步加工其他高值产品；步骤(5)中得到的富含蛋白质的固相残渣可以进行二次生物转化，加工得到蛋白饲料，该二次生物转化例如可以采用蝇蛆、黑水虻幼虫等昆虫幼虫实现，也可以通过微生物发酵实现。
本发明还提供一种餐厨垃圾的处理系统，如图2所示，其包括：通过管道依次连接的接料装置1、自动分选装置2、粉碎装置3、水热反应器4、油脂分离装置5、发酵反应器6和固液分离装置7；其中，接料装置1的进料口接收餐厨垃圾原料，出料口与自动分选装置2的进料口连接；自动分选装置2具有两个出料口，其中一个出料口用于排出杂质，另一个出料口与粉碎装置3的进料口连接；粉碎装置3的出料口与水热反应器4的进料口连接，水热反应器4的出料口与油脂分离装置5的进料口连接，油脂分离装置5具有两个出料口，其中一个出料口用于排出油脂，另一个出料口与发酵反应器6的进料口连接；发酵反应器6的出料口与固液分离装置7的进料口连接，固液分离装置7具有两个出料口，其中一个出料口用于排出富含有机酸和醇的高碳酸化液，另一个出料口用于排出富含蛋白质的固相残渣。
优选地，接料装置1还具有沥水单元和用于排出餐厨垃圾沥水的第二出料口，第二出料口与油脂分离装置5的进料口连接。该沥水单元可以将含有溶解性有机质的水和部分具有流动性的油脂分离出来，输送到分离装置5进行进一步分离回收。
优选地，发酵反应器为厌氧发酵反应器。
优选地，发酵反应器为缺氧发酵反应器，发酵反应器中还设置有曝气单元。
优选地，还包括二次生物转化单元8，固液分离装置7的用于排出富含蛋白质的固相残渣的出料口与二次生物转化单元8连接，以用于生产蛋白饲料。
以下通过更具体的实施例并结合附图对本发明进行更为详细的阐述。
实施例1
将收集到的餐厨垃圾进行除杂破碎，去除各类杂质，并将剩余餐厨垃圾破碎成粒径小于5mm的浆料。将浆料输入水热处理池，在80℃条件下搅拌加热60分钟，使得固相内油脂充分溶出，然后输入三相分离机，分离油脂，油脂可以进一步加工成生物柴油。剩余的固液混合物输入可控发酵反应器进行厌氧发酵，在启动阶段一次性接种混菌(本例中，接种的是消化污泥)，控制固体停留时间为4天，pH为4.5(并在整个发酵过程，始终控制体系的pH为4.5)，温度35±2℃，进料含固率为10wt％，在体系中加入占进料固体质量10wt％的氧化铁，并根据需要实时补加氧化铁，以使得氧化还原电位在-200～50mV之间，机械搅拌。排出的发酵产物进行固液分离，得到富含有机酸和醇的高碳酸化液和富含蛋白质的固相残渣。对排出的发酵产物进行预处理后通过气相色谱和液相色谱检测，如图3所示，为本实施例得到的高碳酸化液中各产物浓度，虚线框内为本实施发酵条件(如pH＝4.5，固体停留时间为4天，温度35±2℃，进料含固率为10％等)下的数据，其中，高碳酸化液中主要包括乙酸、乳酸以及少量的乙醇、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、丙醇等，总COD为68.36±2.89g/L，而氨氮浓度为0.13±0.01g/L，可以送入市政污水厂做碳源；固相部分进行蛋白检测，其中总蛋白质采用凯氏定氮仪测试，溶解性蛋白质采用考马斯亮蓝法测试，结果换算成COD当量，本例中测得的蛋白质含量为50.0％(以COD计)，可以用于饲养黑水虻幼虫，幼虫收获后烘干，作为蛋白饲料。
实施例2
将收集到的餐厨垃圾进行除杂破碎，去除各类杂质，并将剩余餐厨垃圾破碎成粒径小于5mm的浆料。将浆料输入水热处理池，在120℃条件下搅拌加热30分钟，使得固相内油脂充分溶出，然后输入三相分离机，分离油脂，油脂可以进一步加工成生物柴油。剩余的固液混合物输入可控发酵反应器进行缺氧发酵(也即控制体系中的溶解氧小于2mg/L)，在启动阶段一次性接种混菌(本例中，接种的是脱水污泥)，控制固体停留时间为4天，pH为6.0(并在整个发酵过程，始终控制体系的pH为6.0)，温度35±2℃，进料含固率为10wt％，在体系中通过10～2000L空气/kg进料固体/d下的微曝气调节氧化还原电位在-200～50mV之间，机械搅拌。排出的发酵产物进行固液分离，得到富含有机酸和醇的高碳酸化液和富含蛋白质的固相残渣。对排出的发酵产物进行预处理后通过气相色谱和液相色谱检测，如图4所示，为本实施例得到的高碳酸化液中各产物浓度，虚线框内为本实施发酵条件(如pH＝6，固体停留时间为4天，温度35±2℃，进料含固率为10％等)下的数据，其中高碳酸化液中主要包括乙醇、乙酸、丁酸、己酸、乳酸和少量庚酸和，总COD为64.13±1.12g/L，氨氮浓度为0.04±0.01g/L，可以送入市政污水厂做碳源使用；固相部分进行蛋白检测，其中总蛋白质采用凯氏定氮仪测试，溶解性蛋白质采用考马斯亮蓝法测试，结果换算成COD当量，本例中测得的蛋白质含量为47.5％(以COD计)，可以用于饲料蝇蛆幼虫，幼虫收获后烘干，作为蛋白饲料。
图5是餐厨垃圾原料中各组分、实施例1得到的各组分和实施例2得到的各组分COD分布图。图5中，以COD为基准，把固、液相中包含的几乎所有物质统一换算成COD，以便于从COD的角度观察发酵前后各物质的分布和变化，通过对比餐厨垃圾原料，可以看到：发酵过程主要是将餐厨垃圾原料中的不溶性的多糖转化为各种小分子酸和醇，而固相中的蛋白质(即方框e表示的颗粒态蛋白质)没有明显变化。
图5中，方框a表示乳酸，方框b表示乙酸，方框c表示溶解态多糖，方框d表示其他(“其他”中一部分是固体，一部分是液体(如戊酸、庚酸等)，从溶解态COD的曲线看，曲线上的三个点可以当做固相和液相的分界点，该点之上是固相，之下是液相)，方框e表示颗粒态蛋白质，方框f表示颗粒态多糖，方框g表示己酸，方框h表示损失，方框i表示丁酸；在三个柱状图中：方框d和方框f之间的圆点填充的方框表示粗脂肪，方框c和方框d之间的黑色填充方框表示溶解态蛋白质；在第二个柱状图(表示实施例2)中，方框a和方框b之间的竖线填充的方框表示乙醇；在第三个柱状图(表示实施例1)中，方框a和方框b之间的方框有两个，其中一个竖线填充的方框表示乙醇，另一个斜交叉线填充的方框表示丙醇，方框c和方框b之间的竖直交叉线填充的方框表示丙酸；其他物质在图的下方示意。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种餐厨垃圾的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）除杂破碎：去除餐厨垃圾中的不能或不易生物降解的各种杂质，将剩余部分破碎成固体颗粒粒径小于5 mm的浆液；
（2）水热处理：将步骤（1）得到的浆液进行水热处理；所述水热处理温度为80～120℃，处理时间为30～60分钟，经过水热处理可以促进油脂分离以及部分大分子有机质从固相溶出和水解，便于后续的油脂分离和发酵；
（3）油脂分离：将经步骤（2）处理后的浆液进行分离，分离得到油脂，并将包含固相产物和其他液相产物的固液混合物进行步骤（4）；
（4）发酵：将步骤（3）得到的固液混合物进行发酵，在发酵的启动阶段一次性接种混菌；
所述发酵的条件为：氧化还原电位为-200～50 mV， pH在4.5~6.0之间，温度20~40℃，进料的固体浓度5~20wt%，固体停留时间2~4 d；
所述发酵采用厌氧或缺氧发酵模式，在厌氧发酵模式下，所述氧化还原电位通过以下条件进行实时调节：添加铁、氧化铁、碳颗粒中的至少一者，添加量是进料的固体质量的1-10wt%；在缺氧发酵模式下，所述氧化还原电位通过微曝气进行实时调节，所述微曝气的条件是：10~2000L 空气/kg 进料固体/d；
通过调控氧化还原电位，并与其他发酵条件协同，使得蛋白质基本不从固相中溶出，以此来控制蛋白质的降解率；
（5）固液分离：将步骤（4）得到的发酵产物进行固液分离，得到富含有机酸和醇的高碳酸化液和富含蛋白质的固相残渣。
2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述餐厨垃圾包括餐饮服务单位产生的餐饮垃圾和/或家庭厨房产生的厨余垃圾。
3.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，在所述缺氧发酵模式下，体系中的溶解氧小于2mg/L；所述混菌为消化污泥或脱水污泥。
4.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述pH值始终控制在4.5±0.1或6.0±0.1；和/或，所述进料的固体浓度为10wt%，固体停留时间4d。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的处理方法，其特征在于，还包括：将步骤（3）所得的油脂用于加工生物柴油物的步骤；和/或将步骤（5）中得到的高碳酸化液作为污水处理的碳源或进一步加工其他高值产品的步骤；和/或将步骤（5）中得到的富含蛋白质的固相残渣进行二次生物转化，加工得到蛋白饲料的步骤。
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