CN113546948A - 一种强化餐厨垃圾热水解生产溶解性反硝化碳源并同步分离回收油脂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强化餐厨垃圾热水解生产溶解性反硝化碳源并同步分离回收油脂的方法，包括餐厨垃圾的分选与破碎、高温热水解处理、气浮法分离油脂、残留油脂的萃取与萃取剂的回收、游离油脂的回收、乳化油脂的去除以及溶解性碳源的获取等步骤。本发明在热水解过程中添加盐酸可以使水解酸化液中的溶解性有机物增加2倍以上，提高了反硝化溶解性碳源的生产效率；利用高压蒸汽不均匀逐步释放产生的自然气浮分离回收油脂，节约了成本。本发明不仅实现了餐厨垃圾高效生产反硝化碳源，同时实现游离油脂的分离和回收，还进一步去除乳化油，水解酸化液中油脂去除率可达99.5％，实现餐厨垃圾多组分资源化回收利用。

Description

一种强化餐厨垃圾热水解生产溶解性反硝化碳源并同步分离 回收油脂的方法

技术领域

本发明涉及一种餐厨垃圾回收再利用的方法，具体涉及一种强化餐厨垃圾热水解生产溶解性反硝化碳源并同步分离回收油脂的方法，属于餐厨垃圾处理与资源化利用技术领域。

背景技术

污水处理厂排放的残余氮导致了地表水的严重富营养化，因此，有必要降低污水处理厂出水的氮对环境的排放。目前常采用反硝化作为深度脱氮处理。然而，由于生活污水中有机碳氮比(C/N)较低，废水中的有机碳源往往不足够进行深度反硝化脱氮。因此，需要外部添加有机碳源，目前经常采用添加甲醇、乙酸等有机碳源来进行深度反硝化，增加了污水处理成本。为了控制成本，并实现废弃物资源化利用，许多有机废弃物被尝试生产用于反硝化的溶解性碳源。餐厨垃圾是一种典型的有机废弃物，其数量大、有机含量高、可生化性高，可以作为生产反硝化碳源的基质。目前利用餐厨垃圾生产溶解性反硝化碳源通常采用生物发酵的方法，但需要的时间长达数天至一周，效率较低。热水解是一种高效的有机物快速水解技术，通过高压蒸汽处理破碎细胞，水解大分子物质。通过添加一些催化剂，更能够进一步促进餐厨垃圾中有机成分的水解，增加溶解性有机物质的产率。热水解后的水解酸化液可以作为污水处理中深度脱氮的反硝化碳源。

餐厨垃圾中除了碳水化合物、蛋白质，还含有油脂。由于饮食习惯的差异，不同地区的餐厨垃圾中油脂含量差异很大(3.8～33.7％)。以往的研究表明，油脂对污水生物处理系统有不利的影响，会引起活性污泥上浮，生物质流失等问题。尤其是脂肪在管道系统中凝结成块，易造成管道堵塞，系统故障。如果餐厨垃圾水解液中油脂不能有效分离，而存在于反硝化碳源中，随着碳源一起进入污水处理系统将造成不利的影响。根据油滴大小，油脂形态可分为乳化态油和游离态油。要完全消除油脂对反硝化过程的不利影响，不仅要去除游离态油，还要进一步去除乳化油。而油脂本身又是一种高价值的有机物，回收油脂能显著提升餐厨垃圾处理的经济效益。因此，本发明利用餐厨垃圾热水解高效生产溶解性反硝化碳源，同时分离回收油脂，实现餐厨垃圾不同组分的资源化利用。

发明内容

本发明提供了一种强化餐厨垃圾热水解生产溶解性反硝化碳源并同步分离回收油脂的方法，通过热水解高效生产溶解性反硝化碳源，同时分离回收油脂，实现餐厨垃圾不同组分的回收利用。

本发明强化餐厨垃圾热水解生产溶解性反硝化碳源并同步分离回收油脂的方法，包括如下步骤：

(1)餐厨垃圾的分选与破碎：将收集的餐厨垃圾进行分选，剔除骨头、贝壳、纸张等杂物，然后进行破碎、制浆；

(2)高压热水解处理：将破碎制浆后的餐厨垃圾倒入反应釜中，加入0.1～5.0‰的浓盐酸，并通入饱和蒸汽，加热物料至150～180℃，一边加热一边搅拌，使物料均匀受热；维持150～180℃温度和0.6～0.8MPa压力30～40min，保证有机大分子物质水解的同时也促进肉类残渣中脂肪的充分溶出。通过步骤(2)的高压蒸汽处理促使大分子物质发生水解酸化，所获得的水解酸化液富含溶解性有机物。

(3)气浮法分离油脂：利用高压蒸汽逐步不均匀释放产生自然气浮，通过阀门来控制释放蒸汽的气体流速。反应釜中压力为0.5MPa以上时，控制释放气体流速在1～2m/s之间，压力降到0.5MPa以下后，气体流速控制在0.3～0.8m/s，释放蒸汽至反应釜中压力降至0.3～0.4MPa。在此过程中，游离油和溶出的脂肪随着蒸汽上浮，进而分离回收油脂；

(4)残留油脂的萃取与萃取剂的回收：冷却温度至80～100℃，加入1.0～5.0％的萃取剂，对残留的油脂进一步萃取；萃取30min后，再加热到105～115℃，缓慢释放蒸汽产生气浮分离萃取剂和油，控制释放蒸汽的气体流速在0.3～0.5m/s，释放蒸汽至反应釜中压力降至0.01MPa以下，在常压70～100℃下将萃取剂回收再利用；

(5)游离油脂的回收：气浮分离出来的游离油脂中包含了植物油和动物油，置于10～20℃环境中充分冷却后，回收液态的植物油和固态的动物脂肪；

(6)乳化油脂的去除：在进行处理后的水解液中加入1.0～5.0‰的破乳剂来破坏乳化油的结构稳定性；充分混合后，进行沉淀过滤，实现乳化油脂的去除；经过破乳去除乳化油脂后的水解酸化液直接作为反硝化碳源使用。

所述萃取剂为正己烷。

所述破乳剂的主要成分为聚丙烯酰胺。

本发明生产的溶解性反硝化碳源用于处理含硝态氮废水，可以实现和传统碳源乙酸钠类似的脱氮效果，实现餐厨垃圾资源化利用。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、本发明能够对物料进行灭菌，初步对餐厨垃圾进行无菌化处理；

2、本发明通过餐厨垃圾热水解生产溶解性碳源，相比发酵生产碳源所需3～7天，热水解处理只需30～90min，实现了餐厨垃圾快速高效生产溶解性反硝化碳源；

3、在高压热水解处理过程中，同时进行脂肪的溶出和回收，节约能耗；

4、热水解中添加0.1～5.0‰的盐酸可以强化有机物的水解酸化，水解酸化液溶解性有机物增加2倍以上，提高了反硝化溶解性碳源的生产效率；

5、本发明利用高压蒸汽不均匀逐步释放产生的自然气浮分离回收油脂，节约了成本；

6、本发明使用正己烷对残留油脂进行萃取，最大限度地回收了餐厨垃圾中的油脂；

7、本发明不仅实现了游离油脂的分离和回收，还进一步去除水解酸化液中的乳化油脂，油脂的分离回收率相比其他油脂去除工艺更高，可以达到99.5％以上。

附图说明

图1为本发明餐厨垃圾热水解生产溶解性反硝化碳源并同步分离回收油脂的流程图。

图2为本发明通过添加盐酸强化餐厨垃圾热水解生产溶解性碳源效果。

图3为利用本发明的餐厨垃圾水解酸化液作为反硝化溶解性碳源处理含硝态氮废水的效果。

具体实施方式

如图1所示：餐厨垃圾热水解生产溶解性反硝化碳源并同步分离回收油脂的流程，具体方法如下：

(1)首先将收集来的餐厨垃圾进行分选，剔除骨头、贝壳、纸张等杂物，然后进行破碎，搅拌制浆。将物料转移入反应釜中。

(2)在反应釜中加入2.0‰的浓盐酸后通入饱和蒸汽加热至150～180℃，一边加热一边搅拌，使物料均匀受热，维持150～180℃和0.6～0.8MPa压力30～40min。

(3)通过阀门来控制释放蒸汽的气体流速，利用高压蒸汽逐步不均匀释放产生自然气浮。反应釜中压力为0.5MPa以上时，控制释放气体流速在1～2m/s，压力降到0.5MPa以下后，气体流速控制在0.3～0.8m/s，释放蒸汽至反应釜中压力降至0.3～0.4MPa，使水解酸化液中游离油脂随着气体上浮，进而分离回收获得油脂。冷却温度至90℃，加入2.0％的正己烷萃取剂，对残留的油脂进一步萃取。萃取30min后，再次加热至110℃后缓慢释放蒸汽产生气浮分离萃取剂和油脂。控制释放蒸汽的气体流速在0.4m/s，释放蒸汽至反应釜中压力降至0.01MPa以下。然后在常压和70～100℃下将萃取剂蒸干回收利用。

(4)将气浮分离出来的游离油脂置于15℃环境中充分冷却后，回收油脂。对热水解后的物料在操作压力为0.5～0.8MPa下进行压滤处理，快速实现固液分离。在处理后的水解酸化液中加入1.0～5.0‰的破乳剂，充分混合后，进行沉淀过滤，实现乳化油脂的去除。经过破乳去除乳化油后的水解酸化液直接作为反硝化碳源使用。

实施例1：

本发明餐厨垃圾热水解生产溶解性反硝化碳源并同步分离回收油脂的方法详细步骤如下：

1、餐厨垃圾的分选、破碎、制浆步骤

收集来的餐厨垃圾先卸料至物料槽中，密闭盛放，通过底部的螺旋输送机进行输送。在输送皮带上进行人工初步筛分，剔除贝壳、纸张、塑料袋等比重较大的无机物。这些无机物不能够进行溶解性碳源的制备或者进行其他资源化利用，而且剔除它们可以保证后续设备的稳定运行。将初步筛分的餐厨垃圾输送至破碎机，破碎至20mm以下来满足后续处理。接着将物料输送至搅拌机和破碎泵来进行制浆步骤，通过循环的搅拌和破碎最终使得物料呈浆状物。

2、高压热水解处理步骤

将浆状物料通过柱塞泵输送至反应釜中，加入2.0‰的盐酸。然后将饱和蒸汽通入反应釜进行加热至150～180℃，并进行搅拌使得物料受热均匀。维持150～180℃和0.6～0.8MPa30～40min，保证充分热水解及餐厨垃圾中的脂肪充分溶出。反应釜内部装有湿度、温度、压力检测系统，在线观察这些参数的变化情况。

3、气浮法分离油脂步骤

保温保压30～40min后，缓慢释放蒸汽。通过控制阀门和阀门出口的流速检测来控制释放蒸汽的气体流速，反应釜中压力为0.5MPa以上时，控制释放气体流速在1～2m/s之间，压力降到0.5MPa以下后，气体流速控制在0.3～0.8m/s，释放蒸汽至反应釜中压力降至0.3～0.4MPa。利用高压蒸汽逐步不均匀释放过程中压力释放产生的自然气浮，促使水解酸化液中的游离油脂随着气体上浮，分离回收获得油脂。

4、残留油脂的萃取与萃取剂的回收步骤

冷却至80～100℃，加入1.0～5.0％的正己烷萃取剂，对残留的油脂进一步萃取。萃取30min后，再次加热至105～115℃后缓慢释放蒸汽产生气浮分离萃取剂和油脂，控制释放蒸汽的气体流速在0.3～0.5m/s，释放蒸汽至反应釜中压力降至0.01MPa以下。对分离出的萃取剂和油，在常压和70～100℃下将萃取剂蒸发并回收，获得萃取分离出来的游离油脂。

5、游离油脂的回收步骤

步骤(3)和(4)分离出来的游离油脂中包含了植物油和动物油，置于10～20℃环境中充分冷却后，回收液态的植物油和固态的动物脂肪。

6、乳化油脂的去除步骤

反应釜经过两次缓慢释放蒸汽后已经泄压完毕，随后进行卸料，输送至压滤机，在操作压力为06～0.8MPa下对物料进行挤压，实现固液分离。固液分离后的水解酸化液中含有多糖、挥发性脂肪酸等可利用的成分，但是含有的乳化油可能对后续过程造成不利影响。因此在水解酸化液中加入1.0～5.0‰的破乳剂来破坏乳化油的结构稳定性，使其发生絮凝聚结。充分混合后，进行沉淀过滤，实现乳化油脂的去除。乳化油脂的去除后，水解酸化液中的油脂去除率可达99.5％。

7、溶解性碳源的获取

在步骤2的高压蒸汽热水解处理中，餐厨垃圾中的碳水化合物等大分子物质已经发生水解，所获得的水解酸化液富含溶解性有机物，经过步骤3-6的除油处理后作为反硝化碳源使用。

实施例2：

本发明通过添加盐酸强化餐厨垃圾热水解生产溶解性碳源：

餐厨垃圾搅拌均匀后，分别取10gTS破碎好的餐厨垃圾放入五个100mL反应釜中，调节TS至15％；向其中四个反应釜中分别加入餐厨垃圾和水质量之和的0.25‰，0.50‰，0.75‰和1.00‰的盐酸，而后进行搅拌。将五个反应釜一起放入105℃烘箱中，使五个反应釜一起随烘箱从105℃升温至160℃，为保证反应釜内部温度也达到指定温度，本实验统一从升温至160℃的10min后开始计时，一起加热30min。加热结束后将五个反应釜从烘箱中拿出进行冷却。从反应釜中取出处理后的餐厨垃圾，放入两支50ml离心管中进行离心，离心机转速10000rad/min，离心时间15min，离心后用注射器吸取上清液，用0.45μm的滤膜进行过滤。分析不同酸添加后的水解酸化液里溶解性有机物含量，结果如图2所示。这个结果表明添加盐酸可以大幅度提高热水解效果，使水解酸化液中的溶解性有机物增加2倍以上，强化溶解性碳源的生产。

实施例3：

利用本发明的餐厨垃圾水解酸化液作为反硝化溶解性碳源处理含硝态氮废水：

反应器有效工作容积500mL，按照表1所示，加入硝酸钾作为硝酸盐(25mg/L硝酸根)，并设置无碳源的空白实验，以及分别加入乙酸钠碳源和本发明餐厨垃圾水解酸化液碳源，反硝化反应在微氧或缺氧(溶解氧小于0.1mg/L)的条件下进行。在反应的0min、15min、30min、45min、60min、75min、90min、105min、120min、135min、150min、165min、180min、195min、210min、225min、240min、255min、270min，285min、300min、315min、330min、345min、360min、375min、390min、405min、420min、435min、450min这些时间点取样。每次取样之后，立即用台式高速离心机离心处理，离心机转速为8000rad/min，离心4min，离心后马上用0.45μm的滤膜进行过滤。分析反硝化过程中硝态氮浓度变化，结果如图3所示，原水中硝酸盐的浓度为25mg/L，加入餐厨垃圾水解酸化液后，经过300min反硝化过程，硝酸盐的浓度降低至0～5.0mg/L。这个结果表明废水中的硝态氮能被有效去除，进而证明本发明的餐厨垃圾水解酸化液作为反硝化碳源的可行性。

表1硝酸钾和反硝化碳源的接种比例设计

编号	C/N	碳源种类	硝态氮浓度(mg/L)	外加COD(mg/L)
					1	-	-	25	-
2	4	水解酸化液	25	100
					3	5	水解酸化液	25	125
4	6	水解酸化液	25	150
					5	7	水解酸化液	25	175
6	6	乙酸钠	25	150

Claims (6)

1.一种强化餐厨垃圾热水解生产溶解性反硝化碳源并同步分离回收油脂的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：餐厨垃圾的分选与破碎

将收集的餐厨垃圾进行分选，剔除杂物，然后进行破碎、制浆；

步骤2：高压热水解处理

将破碎制浆后的餐厨垃圾倒入反应釜中，加入浓盐酸，并通入饱和蒸汽，加热物料至150～180℃，维持150～180℃温度和0.6～0.8MPa压力30～40min，保证有机大分子物质水解的同时也促进肉类残渣中脂肪的充分溶出；

步骤3：气浮法分离油脂

利用高压蒸汽逐步不均匀释放产生自然气浮，通过阀门来控制释放蒸汽的气体流速，释放蒸汽至反应釜中压力降至0.3～0.4MPa；在此过程中，游离油和溶出的脂肪随着蒸汽上浮，进而分离回收油脂；

步骤4：残留油脂的萃取与萃取剂的回收

体系冷却温度至80～100℃，加入萃取剂，对残留的油脂进一步萃取；萃取30min后，再加热至105～115℃，缓慢释放蒸汽产生气浮分离萃取剂和油，释放蒸汽至反应釜中压力降至0.01MPa以下，在常压70～100℃下将萃取剂回收再利用；

步骤5：游离油脂的回收

气浮分离出来的游离油脂中包含了植物油和动物油，置于10～20℃环境中充分冷却后，回收液态的植物油和固态的动物脂肪；

步骤6：乳化油脂的去除

在处理后的水解液中加入破乳剂来破坏乳化油的结构稳定性；充分混合后，进行沉淀过滤，实现乳化油脂的去除；经过破乳去除乳化油脂后的水解酸化液直接作为反硝化碳源使用。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤2中，加入浓盐酸使得体系中盐酸的浓度为0.1～5.0‰。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤3中，反应釜中压力为0.5MPa以上时，控制释放气体流速在1～2m/s之间，压力降到0.5MPa以下后，气体流速控制在0.3～0.8m/s。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤4中，所述萃取剂为正己烷。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤4中，控制释放蒸汽的气体流速在0.3～0.5m/s。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤6中，所述破乳剂为聚丙烯酰胺。

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