CN113604511B - 一种农村有机垃圾无害化与资源化处理的方法 - Google Patents

一种农村有机垃圾无害化与资源化处理的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种农村有机垃圾无害化与资源化处理的方法，包括：分别对餐厨垃圾、粪便和秸秆进行预处理，得到预处理餐厨垃圾、预处理粪便和预处理秸秆，并对活性炭进行改性处理，所述改性处理包括：将所述活性炭和尿液混合后过滤，所得滤渣为改性活性炭；将所述预处理餐厨垃圾、所述粪便和所述秸秆混合，得到混合物，向所述混合物中加入所述改性活性炭和接种物，进行厌氧发酵，以产生沼气。本发明通过将餐厨垃圾、粪便和秸秆混合后进行厌氧发酵产生沼气，实现同时对多种农村有机垃圾的无害化和资源化处理，减少对农村生产环境和生活环境的影响；并通过在混合物中加入经过尿液改性的活性炭，加快沼气发酵启动速度，提高沼气产量和质量。

Description

一种农村有机垃圾无害化与资源化处理的方法
技术领域
本发明涉及废弃物资源化技术领域，具体而言，涉及一种农村有机垃圾无害化与资源化处理的方法。
背景技术
我国农业规模庞大，农村常驻人口仍占多数，相对于城市，农村废弃物污染问题更加突出，其中有机废弃物污染问题尤为严重。在农业产业化高速发展的过程中，农作物产量迅猛增加，产生的农作物秸秆也明显增加，并且由于农村基础设施不够完善，导致大量的人畜粪便、餐厨垃圾等无法得到有效的处理，严重影响到我国农村经济发展、农村生产环境以及生活环境质量。
有机垃圾通过厌氧发酵产生沼气，不仅能够解决有机垃圾处理问题，还能通过厌氧发酵产生沼气获得能源，是解决我国农村有机垃圾处理问题的一种有效手段。目前，沼气发酵常用的原料为畜禽粪便，而秸秆、餐厨垃圾的应用较少，并且现有沼气发酵方法产生沼气的效率较低，启动速度较慢，制得的沼气质量也较差，沼气中的甲烷含量较低。由于农村有机垃圾组成种类复杂，需要寻找一种能够同时处理多种有机垃圾的厌氧发酵产沼气方法，并加快沼气的启动速度，提高沼气产量和沼气质量。
发明内容
本发明所要解决的问题是现有技术中沼气发酵原料单一，无法同时利用多种农村有机垃圾，沼气发酵启动慢，产沼气量少并且质量欠佳。
为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种农村有机垃圾无害化与资源化处理的方法，包括：
分别对餐厨垃圾、粪便和秸秆进行预处理，得到预处理餐厨垃圾、预处理粪便和预处理秸秆，并对活性炭进行改性处理，所述改性处理包括：将所述活性炭和尿液混合后过滤，所得滤渣为改性活性炭；
将所述预处理餐厨垃圾、所述预处理粪便和所述预处理秸秆混合，得到混合物，向所述混合物中加入所述改性活性炭和接种物，进行厌氧发酵，以产生沼气。
优选地，所述改性处理过程中，所述活性炭与所述尿液的质量体积比为1:25-35。
优选地，所述改性处理还包括：将所述活性炭和所述尿液混合后在温度为40-60℃，转速为75-85r/min的条件下振荡0.5-1.5h后过滤。
优选地，对秸秆进行预处理包括：将所述秸秆风干并破碎成1-2cm小段，再进行湿法球磨处理。
优选地，所述湿法球磨处理的介质为预处理尿液，所述预处理尿液为所述活性炭与所述尿液混合后过滤后得到的滤液，所述秸秆与所述预处理尿液的质量体积比为1:2-4。
优选地，所述湿法球磨时处理过程中，球磨机的转速为400-600r/min。
优选地，所述预处理餐厨垃圾、所述预处理粪便和所述预处理秸秆的质量比为28-36:50-60:10-15。
优选地，所述改性活性炭的添加量为：每升发酵液中加入2-4g所述改性活性炭，其中，所述发酵液为所述混合物加入所述接种物后得到的混合溶液。
优选地，所述接种物为处于发酵中期的沼液，所述接种物的接种比为35-45％，接种后所述发酵液的总固体含量为5-10％。
优选地，所述厌氧发酵的发酵温度为34-36℃。
本发明相较于现有技术的有益效果如下：
本发明提供一种农村有机垃圾无害化与资源化处理的方法，通过将经过预处理的餐厨垃圾、粪便和秸秆进行混合后厌氧发酵产生沼气，实现同时对多种农村有机垃圾进行无害化和资源化处理，减少对农村生产环境和生活环境的影响；通过在混合物中加入经过尿液改性的活性炭，加快沼气发酵启动速度，提高沼气产量和沼气质量。
附图说明
图1为本发明实施例中一种农村有机垃圾无害化与资源化处理的方法流程图；
图2为本发明实施例1与对比例1、对比例2生产的沼气的日产量对比分析图；
图3为本发明实施例1与对比例1、对比例2生产的沼气中甲烷日产量对比分析图；
图4为本发明实施例1与对比例1、对比例2生产的沼气中甲烷含量对比分析图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明实施例提供一种农村有机垃圾无害化与资源化处理的方法，如图1所示，包括：
S1、分别对餐厨垃圾、粪便和秸秆进行预处理，得到预处理餐厨垃圾、预处理粪便和预处理秸秆；
S2、对活性炭进行改性处理，将活性炭和尿液混合并过滤，所得滤渣为改性活性炭；
S3、将预处理餐厨垃圾、预处理粪便和预处理秸秆混合，加入改性活性炭和接种物；
S4、保持厌氧条件进行发酵，产生沼气。
餐厨垃圾、粪便和秸秆都是农村常见的有机垃圾，若不能妥善处理将会严重影响农村生产环境和生活环境，其中餐厨垃圾中含有大量油脂、盐、蛋白质以及碳水化合物，单独用于发酵产沼气，需要较为复杂的脱盐脱油脂处理，难以直接利用，秸秆中富含木质素、纤维素，单独发酵启动缓慢，而粪便中有机氮等物质较为丰富，单独发酵容易对微生物产生氨抑制。
本实施例根据餐厨垃圾、粪便和秸秆的特性分别进行预处理，改变物料状态，提高物料的均一性，便于发酵过程中被降解利用，餐厨垃圾与粪便的预处理可以为破碎或者浆化处理。
将粪便与餐厨垃圾、秸秆混合，能减少餐厨垃圾中过量的油脂、盐分，粪便中过量有机氮以及秸秆中木质素、纤维素对发酵带来的影响，实现同时对多种农村有机垃圾进行处理。保持在厌氧条件下发酵，在接种物内发酵微生物的作用下，混合物料中发酵产生沼气。
活性炭是一种经过特殊处理的炭，具有丰富的微孔结构，比表面积非常大，有很强的吸附作用，能够与多种物质结合，经过尿液改性的活性炭，增加了活性炭的表面官能团数量，进一步改善了活性炭的孔隙率，提高了活性炭的吸附能力，加快混合物的发酵启动速度，提高沼气产量。
对活性炭进行改性时，活性炭与尿液的质量体积比为1:25-35。并且混合后的活性炭和尿液在温度为40-60℃，转速为75-85r/min条件下振荡0.5-1.5h后过滤。在混合振荡过程中，尿液中的部分含氮基团会被活性炭吸附，从而增加活性炭表面官能团的数量，同时也增加了活性炭微孔结构，提高了活性炭孔隙率，使活性炭的吸附能力进一步提高。另外，活性炭也会吸附尿液中的氮磷钾等元素，一方面避免发酵起始阶段氮元素过高产生氨抑制，影响发酵的进行，另一方面吸附的元素能够为发酵微生物提供营养物质，使发酵顺利进行。
为了提高秸秆发酵效率，将秸秆风干并破碎成1-2cm小段，再进行湿法球磨处理。经过湿法球磨处理后的秸秆成为质地均匀的小颗粒，能够增加比表面积，使秸秆在发酵过程更容易被降解利用。
为了提高秸秆湿法球磨的效果，使用活性炭与尿液混合过滤后得到的预处理尿液作为湿法球磨的介质。尿液中的马尿酸、柠檬酸和氯离子等物质能够在一定程度上破坏秸秆中木质素结构，减少木质素对纤维素和半纤维素的包裹作用，进一步增加秸秆在发酵时的降解利用率。
在湿法球磨过程中，秸秆与预处理尿液的质量体积比为1:2-4，湿法球磨时球磨机的转速为400-600r/min。在此条件下，湿法球磨的效果更好。
本发明实施例中预处理餐厨垃圾、预处理粪便和预处理秸秆的体积比为28-36:50-60:10-15。按照该配比，能够减少餐厨垃圾中油脂、盐和秸秆中木质素对发酵的影响，能够快速启动发酵，并对混合物料进行降解利用，提高沼气产量。
本发明实施例中，改性活性炭的添加量为：每升发酵液中加入2-4g改性活性炭，其中发酵液为混合物加入接种物后得到的混合溶液。改性活性炭能够吸附发酵液中的有害物质和过量氨氮，并提供营养物质，保证发酵的正常进行，提高发酵效率。
为了进一步提高发酵启动速度，接种物为处于发酵中期的沼液，接种物的接种比为35-45％，接种后发酵液的TS(总固体含量)为5-10％。处于发酵中期的沼液，发酵微生物活性较强，并且沼液中还残留大量能够被发酵微生物快速吸收利用的营养物质，接种后能快速启动发酵，接种比为35-45％可以提供足够的启动沼气发酵所需的发酵微生物，将TS设置为5-10％既能保证微生物的厌氧环境，同时也提供足够底物用于发酵产生沼气。
为了保证沼气发酵的稳定性，厌氧发酵的发酵温度为34-36℃。发酵微生物在34-36℃温度范围内活力较好，能够稳定生长并发酵产生沼气。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种农村有机垃圾无害化与资源化处理的方法，包括以下步骤：
将餐厨垃圾进行浆化处理，粪便进行破碎处理；
将活性炭和尿液按照质量体积比为1:30的比例混合均匀，混合后在温度为50℃，转速为80r/min条件下振荡1h，对活性炭进行改性，过滤后的滤渣为改性活性炭，滤液为预处理尿液；
将秸秆风干并后破碎成1-2cm的小段，使用预处理尿液作为介质进行湿法球磨处理，秸秆与预处理尿液的质量体积比为1:3，球磨机的转速设置为500r/min；
将经过第一步和第三步处理的餐厨垃圾、粪便和秸秆按照32:56:12的体积比进行混合；
在第四步中得到的混合物中接种处于发酵中期的沼液并混合均匀作为发酵液，接种比为40％，接种后的TS为8％，每升发酵液中加入3g改性活性炭；
在厌氧环境下，控制发酵温度为35℃，进行发酵，产生沼气。
实施例2
将餐厨垃圾、粪便进行破碎处理；
将活性炭和尿液按照质量体积比为1:25的比例混合均匀，混合后在温度为40℃，转速为75r/min条件下振荡0.5h，对活性炭进行改性，过滤后的滤渣为改性活性炭，滤液为预处理尿液；
将秸秆风干并后破碎成1-2cm的小段，使用预处理尿液作为介质进行湿法球磨处理，秸秆与预处理尿液的质量体积比为1:2，球磨机的转速设置为400r/min；
将经过第一步和第三步处理的餐厨垃圾、粪便和秸秆按照28:50:15的体积比进行混合；
在第四步中得到的混合物中接种处于发酵中期的沼液并混合均匀作为发酵液，接种比为35％，接种后的TS为5％，每升发酵液中加入2g改性活性炭；
在厌氧环境下，控制发酵温度为34℃，进行发酵，产生沼气。
实施例3
将餐厨垃圾、粪便进行破碎处理；
将活性炭和尿液按照质量体积比为1:35的比例混合均匀，混合后在温度为60℃，转速为85r/min条件下振荡1.5h，对活性炭进行改性，过滤后的滤渣为改性活性炭，滤液为预处理尿液；
将秸秆风干并后破碎成1-2cm的小段，使用预处理尿液作为介质进行湿法球磨处理，秸秆与预处理尿液的质量体积比为1:4，球磨机的转速设置为600r/min；
将经过第一步和第三步处理的餐厨垃圾、粪便和秸秆按照36:60:10的体积比进行混合；
在第四步中得到的混合物中接种处于发酵中期沼液并混合均匀作为发酵液，接种比为45％，接种后的TS为10％，每升发酵液中加入4g改性活性炭；
在厌氧环境下，控制发酵温度为36℃，进行发酵，产生沼气。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，未添加改性活性炭，其余条件与实施例1一致。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，添加的活性炭未经过尿液改性处理，其余条件与实施例1一致。
效果实施例
分别按照实施例1、对比例1和对比例2的方法发酵生产沼气，在发酵过程中对实施例1、对比例1和对比例2产生的沼气的产量进行监控，并分析实施例1、对比例1和对比例2所产生沼气中的甲烷含量，监控时间为30天，对监控和收集到的数据进行对比分析。
(1)沼气日产量和甲烷日产量数据对比
实施例1、对比例1、对比例2的沼气日产量对比情况如图2所示，而甲烷是沼气中主要的能源物质，甲烷日产量对比情况如附图3所示，其中，图2中的横坐标表示发酵时间，单位为天(d)，纵坐标表示沼气日产量，单位为mL，图3中横坐标表示发酵时间，单位为天(d)，纵坐标表示甲烷日产量，单位为mL。采用实施例1的方法，第一天的沼气产量为4740.8mL，甲烷产量为3594.0mL，相对于对比例1和对比例2，沼气产量分别提高了95.5％和75.5％，甲烷产量分别提高了144.9％和100.4％，并且通过趋势对比，实施例1、对比例1和对比例2的沼气日产量和甲烷日产量均在第4天达到峰值，说明本实施例1的方法能够明显加快发酵启动速度。
(2)发酵周期对比
通过对比分析，采用实施例1的方法20天可结束发酵，而对比例1和对比例2分别需要26天和25天，说明实施例1的方法能够缩短发酵周期。这主要是由于本发明实施例1的方法能够快速启动发酵，并保持较高的反应效率，也能够尽快结束发酵反应。
(3)单位TS沼气产量和单位TS甲烷产量数据对比
通过对整个发酵过程中的沼气产量和甲烷产量进行统计，并计算采用实施例1、对比例1和对比例2方法，单位TS沼气产量和单位TS甲烷产量，结果如表1所示：
表1：产量对比表
项目 实施例1 对比例1 对比例2
单位TS沼气产量(mL/g) 498.8 421.4 454.7
单位TS沼甲烷产量(mL/g) 388.1 295.9 314.1
甲烷含量(％) 77.81 70.22 69.08
从表1可以看出，采用实施例1的方法制备得到的单位TS沼气产量和单位TS甲烷产量均明显高于采用对比例1和对比例2方法制得的单位TS沼气产量和单位TS甲烷产量，说明实施例1的方法能够显著提高沼气产量和甲烷产量。
甲烷含量高低是评价沼气质量的重要指标，质量较好的沼气中甲烷含量也会比较高，从图4和表1中可以看出，在发酵周期内，无论沼气含量变化的趋势还是总体甲烷含量，实施例1均明显好于对比例1和对比例2，其中，图4中横坐标代表发酵时间，单位是天(d)，纵坐标代表甲烷含量，单位为％，说明实施例1的方法能够显著提高沼气质量。
综上所述，本发明的方法能够加快沼气发酵启动速度，缩短发酵周期，提高有机垃圾发酵所产生沼气的产量和质量。这主要由于本发明将餐厨垃圾、粪便和秸秆选择合适的预处理方式并合理搭配，提高了降解转化效率并降低了有害物质对发酵的影响，尿液对活性炭的改性进一步增加了活性炭的吸附性能并为发酵提供营养物质，保证发酵起始阶段不被过量氨氮抑制，并保持较高的发酵效率，充分降解发酵底物，使沼气产量和质量均得到提高。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种农村有机垃圾无害化与资源化处理的方法，其特征在于，包括：
分别对餐厨垃圾、粪便和秸秆进行预处理，得到预处理餐厨垃圾、预处理粪便和预处理秸秆，其中，对所述餐厨垃圾进行预处理包括：对所述餐厨垃圾进行浆化处理；对所述粪便进行预处理包括：对所述粪便进行破碎处理；对所述秸秆进行预处理包括：将所述秸秆风干并破碎成1-2cm小段，再进行湿法球磨处理，所述湿法球磨处理的介质为预处理尿液；并对活性炭进行改性处理，所述改性处理包括：将活性炭和尿液按照质量体积比为1:25-35混合后在温度为40-60℃，转速为75-85r/min的条件下振荡0.5-1.5h后过滤，所得滤渣为改性活性炭，所得滤液为所述预处理尿液；
将所述预处理餐厨垃圾、所述预处理粪便和所述预处理秸秆混合，得到混合物，向所述混合物中加入所述改性活性炭和接种物，进行厌氧发酵，以产生沼气。
2.根据权利要求1所述农村有机垃圾无害化与资源化处理的方法，其特征在于，所述秸秆与所述预处理尿液的质量体积比为1:2-4。
3.根据权利要求2所述农村有机垃圾无害化与资源化处理的方法，其特征在于，所述湿法球磨处理过程中，球磨机的转速为400-600r/min。
4.根据权利要求1所述农村有机垃圾无害化与资源化处理的方法，其特征在于，所述预处理餐厨垃圾、所述预处理粪便和所述预处理秸秆的质量比为28-36:50-60:10-15。
5.根据权利要求1所述农村有机垃圾无害化与资源化处理的方法，其特征在于，所述改性活性炭的添加量为：每升发酵液中加入2-4g所述改性活性炭，其中，所述发酵液为所述混合物加入所述接种物后得到的混合溶液。
6.根据权利要求5所述农村有机垃圾无害化与资源化处理的方法，其特征在于，所述接种物为处于发酵中期的沼液，所述接种物的接种比为35-45%，接种后所述发酵液的总固体含量为5-10%。
7.根据权利要求1所述的农村有机垃圾无害化与资源化处理的方法，其特征在于，所述厌氧发酵的发酵温度为34-36℃。
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