CN113955863B - 一种厨余垃圾处理系统及处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种厨余垃圾处理系统及处理工艺，采用两相厌氧消化工艺对厨余垃圾进行处理，通过在湿热预处理过程中增加超声处理，产甲烷阶段前将滤液采用含有氨氮去除菌的吸附剂进行安达能去除，可显著降低厌氧消化处理的进料成本，提高厌氧消化处理产物中甲烷的浓度。
Description
技术领域
本发明属于环保领域，具体为一种厨余垃圾处理系统及处理工艺。
背景技术
厨余垃圾是生活垃圾中最为常见的一种，随着垃圾分类工作的推进，对于厨余垃圾的处理工作愈发细化和重要，厨余垃圾的组分特点决定了处理工艺的类型，现阶段对于厨余垃圾处理的目标为“减量化，无害化，资源化”，常用的处理方式为厌氧消化，好氧堆肥和饲料化，应用最为广泛的是通过厌氧消化方式将厨余垃圾经微生物代谢产生甲烷，变废为宝。
为了提高厌氧消化产甲烷的效率和保证产物的纯净，需要对厨余垃圾进行湿热预处理，实现油水分离、固液分离，而湿热预处理工艺中，通常需要延长处理时间并提高处理温度以提高预处理的分离和初步水解效果，但较长时间和较高温度的湿热预处理工艺会降低固相物中的C/N，导致固相难以满足生物处理的C/N要求，进而降低厌氧消化产物中甲烷的浓度。
现有技术中，为改善湿热处理后垃圾固相C/N低的问题，通过改善预处理工艺参数、餐厨垃圾与厨余垃圾共消化、添加剂去除氨氮等方式提高厌氧消化产物中甲烷的浓度。但上述方法效果有限，工艺参数的改进过程复杂、影响因素多，且需要对进料进行混合改进，降低了湿热预处理的效果，添加剂的加入并未从实质上降低氨氮含量，只是将氨氮进行吸附，不能长效降低氨氮含量，作用时间有限。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种厨余垃圾处理系统及处理工艺。
一种厨余垃圾处理系统，包括储料仓、进料口、水解酸化腔、氨氮去除腔以及产甲烷腔，其中，储料仓接收经过湿热预处理后的固相物，储料仓与进料口连接，进料口与水解酸化腔连接，进料口设置电磁阀可控制进料口的开闭，水解酸化腔设置在产甲烷腔内部，水解酸化腔内设置有隔板，隔板上部设置有过滤孔，隔板外的腔体与氨氮去除腔连通，氨氮去除腔设置在产甲烷腔外部，氨氮去除腔与产甲烷腔连通，氨氮去除腔内设置有附着有氨氮去除菌的吸附剂，氨氮去除腔设置有调配口，产甲烷腔顶部设置有气体出料口，侧壁下部设置有渣料出料口。
进一步地，氨氮去除腔垂直设置高度在水解酸化腔与产甲烷腔底部之间，水解酸化腔与氨氮去除腔之间、氨氮去除腔与产甲烷腔之间均设置有电磁阀门。还可通过设置泵送装置控制流体运动方向。
进一步地，氨氮去除腔内设置有pH监测设备和升降装置，升降装置可将吸附剂浸入滤液或将吸附剂升高与滤液分离。
进一步地，氨氮去除腔设置有调配口，用于投加调配剂。
进一步地，调配剂包括水、碳酸氢钠。
进一步地，水解酸化腔顶部设置有压力感应器和气体出口。
进一步地，产甲烷腔内设置有搅拌装置。
一种厨余垃圾处理工艺，采用上述厨余垃圾处理系统进行两相厌氧消化工艺对厨余垃圾进行处理，其包括以下步骤：
S1、进料处理，将厨余垃圾进行分选，去除硬物后进行粉碎处理；
S2、湿热预处理，对粉碎处理后的进料进行湿热预处理，湿热预处理装置中设置超声振动装置，在湿热预处理过程中进行超声振动；湿热预处理后分离的废水进行净化处理，油脂进行回收利用；
S3、水解酸化，将湿热预处理出料固相物输送至水解酸化腔内进行水解酸化；
S4：氨氮去除，将水解酸化溢流出的滤液导入氨氮去除腔，经调配后与附着有氨氮去除菌的吸附剂混合，去除滤液中的氨氮；
S5：产甲烷，将去除氨氮后的滤液导入产甲烷腔，与产甲烷菌混合后产生甲烷并收集。
进一步地，步骤S2中，湿热预处理温度为90-110℃，时间为40-60min，压力为0.2-0.8MPa；
进一步地，步骤S2中，超声振动的频率为20-30kHz，功率为30-40W。
进一步地，步骤S4中，吸附剂的粒径为0.5-2mm，吸附剂包括重量比为1:1.5:1的鸟粪石、坡缕石和膨润土，吸附剂的重量占固相物的比例为12-13％；
进一步地，步骤S4中，氨氮去除菌占吸附剂的重量比例为6-8％，氨氮去除菌为重量比例为(1.7-2.5)：(2-1)：(2.5-1)：(2-1)的硝化细菌、巨大芽孢杆菌、嗜酸乳杆菌、粪产碱杆菌。
进一步地，步骤S4中，产甲烷腔的运行温度为32-35℃。
本申请中的微生物提取自城镇污水处理后的剩余污泥，并经常规发酵培养，得到的菌群密度≥2×109个/g。
本发明与现有技术相比，本申请通过在湿热预处理过程中增加超声处理，可显著提高湿热预处理的分离、水解效果，提高湿热预处理后产物的C/N，降低厌氧消化处理的进料成本，降低产甲烷原料中的氨氮含量，减少氨氮抑制作用，提高厌氧消化处理产物中甲烷的浓度。
1、通过在湿热预处理装置中设置超声振动装置，对湿热预处理过程中的厨余垃圾进行超声振动，加速湿热条件下厨余垃圾中油水与固相物的分离，并加速固相物在较低温度下的水解，促进湿热预处理的反应进度，降低了湿热预处理所需要的温度和时间，提高了固相物中C/N，由原来的15提高至16-17，保证了后期厌氧消化反应的高效进行，减少了厌氧消化过程中氨氮所占的比例。
2、结合湿热预处理后固相物中较高的C/N，本申请进一步对产甲烷前的滤液通过吸附剂进行氨氮去除，并且对吸附剂进行改进，由单纯的具备吸附功能的多孔矿石改进为均匀混合氨氮去除菌的吸附剂，并针对吸附剂的组成进行优化，经不断尝试发现比例为1:1.5:1的鸟粪石、坡缕石和膨润土，吸附剂的重量占滤液的比例为12-13％时吸附剂的吸附效果最佳；在吸附剂中混合的氨氮去除菌为重量比例为(1.7-2.5)：(2-1)：(2.5-1)：(2-1)的硝化细菌、巨大芽孢杆菌、嗜酸乳杆菌、粪产碱杆菌，经申请人研究发现，该比例的菌种配合作用，且菌种质量比例占吸附剂的重量比例为6-8％时，可实现较佳的氨氮去除效果。吸附剂既可以实现对于氨氮的吸附，又将氨氮靶向分解，吸附剂中吸附的氨氮去除菌可在吸附剂的吸附作用下在聚集氨氮的环境中进行代谢，提高厌氧消化的效率和氨氮去除的效率。
3、本申请中的两相厌氧消化装置可将厌氧两相厌氧消化工艺与氨氮去除的好氧工艺有机结合，将好氧处理环境的氨氮去除腔设置在腔体最外部，氨氮去除腔一端与最内部的水解酸化腔连通，可将水解酸化后的滤液作为进料导入氨氮去除腔中，并通过设置调配口实现滤液调配剂的加入，合理调整滤液的状态，使发酵环境适合菌种生长代谢；氨氮去除腔的另一端与中间层的产甲烷腔连通，将去除氨氮并调配后的滤液作为进料导入产甲烷腔，进行高效产甲烷工艺。通过装置的合理设置，可将难以在厌氧环境下存活的氨氮去除菌的高效氨氮去除作用与厌氧环境下的水解酸化、产甲烷作用相结合，与现有技术中将滤液导出并进行氨氮吹脱的方式相比，本申请采用的氨氮去除方式效率更高成本更低，更符合环境保护的需求，同时可快速便捷地调整滤液的状态，使其符合菌种代谢的条件，提高产甲烷效率。
附图说明
图1为厨余垃圾处理装置的结构示意图
图2为本申请厨余垃圾处理工艺流程图
附图标记
1-储料仓，2-进料口，3-水解酸化腔，3.1-隔板，3.2-气体出口，3.3-管道，4-氨氮去除腔，4.1-吸附剂，4.2-pH监测设备，4.3-管道，4.4-调配口，5-产甲烷腔，5.1-气体出料口，5.2-渣料储料口，5.3-搅拌装置。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种厨余垃圾处理系统，包括储料仓1、进料口2、水解酸化腔3、氨氮去除腔4以及产甲烷腔5，其中，储料仓1接收经过湿热预处理后的固相物，储料仓1与进料口2连接，进料口2与水解酸化腔3连接，进料口2设置电磁阀可控制进料口的开闭，保证水解酸化腔3内的厌氧环境，水解酸化腔3设置在产甲烷腔5内部，水解酸化腔3内设置有隔板3.1，隔板3.1外的腔体与氨氮去除腔4通过管道3.3连通，氨氮去除腔4设置在产甲烷腔5外部，氨氮去除腔4与产甲烷腔5通过管道4.3连通，氨氮去除腔4内设置有附着有氨氮去除菌的吸附剂4.1，氨氮去除腔4设置有调配口4.4，用于将调配剂投加到滤液中，产甲烷腔5顶部设置有气体出料口5.1，侧壁下部设置有渣料出料口5.2。
优选地，氨氮去除腔4垂直设置高度在水解酸化腔3与产甲烷腔5底部之间，以便于滤液在重力作用下更顺畅地由水解酸化腔3导入氨氮去除腔4，并能从氨氮去除腔4导入产甲烷腔5，水解酸化腔3与氨氮去除腔4之间的管道3.3、氨氮去除腔4与产甲烷腔5之间的管道4.3均设置有电磁阀门，可控制滤液的流动，并保证厌氧消化过程中环境的低氧状态。
优选地，氨氮去除腔4内设置有pH监测设备4.2和升降装置，升降装置可将吸附剂4.1浸入滤液或将吸附剂4.1升高与滤液分离。
优选地，调配剂包括水、碳酸氢钠。
优选地，水解酸化腔3顶部设置有压力感应器和气体出口3.2。
优选地，产甲烷腔5内设置有搅拌装置5.3。
如图2所示，一种厨余垃圾处理工艺，采用上述厨余垃圾处理系统进行两相厌氧消化工艺对厨余垃圾进行处理，其包括以下步骤：
S1、进料处理，将厨余垃圾进行分选，去除硬物后进行粉碎处理；
S2、湿热预处理，对粉碎处理后的进料进行湿热预处理，湿热预处理装置中设置超声振动装置，在湿热预处理过程中进行超声振动；湿热预处理后分离的废水进行净化处理，油脂进行回收利用；
S3、水解酸化，将湿热预处理出料固相物由储料仓1、进料口2输送至水解酸化腔3内进行水解酸化，经水解酸化后的固相物产生液体，经隔板3.1上部的过滤孔溢流后进入管道3.3内，在滤液量不足时电磁阀关闭，保证水解酸化环境稳定，当滤液足量后打开电磁阀门，滤液进入氨氮去除腔4，氨氮去除腔4与管道4.3间的电磁阀关闭；水解酸化过程中产生氢气，通过压力感应器监测内部气体压力，并根据需要将气体从顶部气体出口3.2排出至产甲烷腔5，参与甲烷的合成；
S4：氨氮去除，将水解酸化溢流出的滤液导入氨氮去除腔4，经调配后与附着有氨氮去除菌的吸附剂4.1混合，去除滤液中的氨氮，具体地，滤液储存至足量时，关闭管道3.3与氨氮去除腔4之间的电磁阀，并检测氨氮去除腔4内滤液的pH值，由于水解酸化过程产生大量酸性物质，导致滤液的pH较低，约为4～5，且其中的氨氮含量较高，浓度达到3000-4000mg/L，该浓度对于氨氮去除菌来说过高，不利于氨氮的高效去除，因此需要通过调配口4.4向滤液中加入适量水以降低氨氮浓度，使其更利于氨氮去除菌的代谢，当氨氮浓度降至2000-2500mg/L时，通过升降装置将吸附剂浸入滤液中，进行氨氮去除；此外，调配口还可进行金属粉末的加入，以提高产甲烷过程中的电子迁移，加速甲烷的产生速率，或者根据需要添加碳酸氢钠，以调整滤液的pH值；氨氮去除腔4内可通过调控实现好氧或微量氧环境，为氨氮去除菌提供合适的外部环境，通过电磁阀控制氨氮去除腔4与厌氧环境间的隔离，此外，还可通过保留适量滤液或水以实现滤液的快速调配或水密封；
S5：产甲烷，将去除氨氮后的滤液导入产甲烷腔5，与产甲烷菌混合后产生甲烷并收集；具体地，打开氨氮去除腔4与产甲烷腔5之间的电磁阀，将去除氨氮并调配后的滤液导入产甲烷腔5，与接种污泥接触，并可通过搅拌装置5.3进行搅拌，加速甲烷的产生速率，产生的甲烷可通过气体出料口5.1输送至储气装置进行收集。
其中，步骤S2中，湿热预处理温度为100℃，时间为50min，压力为0.8MPa；超声振动的频率为25kHz，功率为35W。
步骤S4中，吸附剂的粒径为0.5-2mm，吸附剂包括重量比为1:1.5:1的鸟粪石、坡缕石和膨润土，吸附剂的重量占固相物的比例为12％；氨氮去除菌占吸附剂的重量比例为7％，氨氮去除菌为重量比例为2：1.5：1.7：1.5的硝化细菌、巨大芽孢杆菌、嗜酸乳杆菌、粪产碱杆菌。产甲烷腔的运行温度为35℃，该温度下，产甲烷菌的产甲烷效率较高，且能为产甲烷腔5外部的氨氮去除腔4提供热量输送，氨氮去除菌的适宜温度为29-32℃，由此，仅在产甲烷腔5底部及侧壁设置加热装置即可实现各腔内温度的恒定，且降低热量损耗，提高热量利用率。
本申请中的微生物提取自城镇污水处理后的剩余污泥，并经常规发酵培养，得到的菌群密度≥2×109个/g。步骤S2湿热预处理后厨余垃圾的C/N达到17，通过超声振动的辅助，可降低湿热预处理所需的温度和时间，加速油、水的分离以及水解的进行，减少水解过程中C/N的降低，在进料负荷为100kg/d的情况下，两相厌氧消化的产气率达到3.27m3/(m3·d)，其中甲烷含量高达70％，甲烷浓度明显增加。
对比例1
该对比例中，以共消化的方式提高进料C/N，以餐厨垃圾与厨余垃圾重量比例为2:1的方式混合，其他操作步骤均与实施例1相同，湿热预处理阶段所需的温度为140℃，时间为70min，压力为0.8MPa，在进料负荷为100kg/d的情况下，两相厌氧消化的产气率达到3.29m3/(m3·d)，其中甲烷含量为67.8％。
由此可知，本申请实施例1可在不使用餐厨垃圾混合的情况下实现与对比例1相当的产气效果，但可显著降低进料成本，减少餐厨垃圾用量，减少湿热预处理所需的温度和时间。
对比例2
该对比例与实施例1相比，区别为：吸附剂不进行氨氮去除菌的吸附，在进料负荷为100kg/d的情况下，两相厌氧消化的产气率为2.67m3/(m3·d)，其中甲烷含量为62.7％。
由此可知，氨氮去除菌的吸附带来了显著的氨氮去除效果，可显著降低氨氮抑制对于甲烷产率的影响，提高厌氧消化的效率和产量。
对比例3
该对比例与实施例1区别为：以共消化的方式提高进料C/N，以餐厨垃圾与厨余垃圾重量比例为2:1的方式混合，并且吸附剂不进行氨氮去除菌的吸附，在进料负荷为100kg/d的情况下，两相厌氧消化的产气率为2.21m3/(m3·d)，其中甲烷含量为63.3％。
对比例4
该对比例与实施例1区别为：氨氮去除菌为重量比例为1：1：1：1的硝化细菌、巨大芽孢杆菌、嗜酸乳杆菌、粪产碱杆菌，在进料负荷为100kg/d的情况下，两相厌氧消化的产气率达到2.82m3/(m3·d)，其中甲烷含量为65.7％。
对比例5
该对比例与实施例1区别为：氨氮去除的方式为氨氮吹脱，其他处理方式均与实施例1相同，在进料负荷为100kg/d的情况下，两相厌氧消化的产气率达到3.04m3/(m3·d)，其中甲烷含量为66.3％。
由此可知，采用本申请中的氨氮去除方式可提高氨氮去除率，降低产甲烷过程中的氨氮含量，缓解氨氮抑制作用，提高产甲烷效率和浓度。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种厨余垃圾处理系统，包括储料仓、进料口、水解酸化腔、氨氮去除腔以及产甲烷腔，其特征在于，储料仓接收经过湿热预处理后的固相物，储料仓与进料口连接，进料口与水解酸化腔连接，进料口设置电磁阀可控制进料口的开闭，水解酸化腔设置在产甲烷腔内部，水解酸化腔内设置有隔板，隔板上部设置有过滤孔，隔板外的腔体与氨氮去除腔连通，氨氮去除腔设置在产甲烷腔外部，氨氮去除腔与产甲烷腔连通，氨氮去除腔内设置有附着有氨氮去除菌的吸附剂，氨氮去除腔设置有调配口，产甲烷腔顶部设置有气体出料口，侧壁下部设置有渣料出料口；氨氮去除腔垂直设置高度在水解酸化腔与产甲烷腔底部之间，水解酸化腔与氨氮去除腔之间、氨氮去除腔与产甲烷腔之间均设置有电磁阀门；氨氮去除腔内设置有pH监测设备和升降装置，升降装置可将吸附剂浸入滤液或将吸附剂升高与滤液分离；氨氮去除腔设置有调配口，用于投加调配剂，调配剂包括水、碳酸氢钠；水解酸化腔顶部设置有压力感应器和气体出口，产甲烷腔内设置有搅拌装置；其中，吸附剂的粒径为0.5-2mm，吸附剂包括重量比为1:1.5:1的鸟粪石、坡缕石和膨润土，吸附剂的重量占滤液的比例为12-13％；氨氮去除菌占吸附剂的重量比例为6-8％，氨氮去除菌为重量比例为(1.7-2.5)：(2-1)：(2.5-1)：(2-1)的硝化细菌、巨大芽孢杆菌、嗜酸乳杆菌、粪产碱杆菌。
2.一种厨余垃圾处理工艺，采用权利要求1中所述的厨余垃圾处理系统进行两相厌氧消化工艺对厨余垃圾进行处理，其包括以下步骤：
S1、进料处理，将厨余垃圾进行分选，去除硬物后进行粉碎处理；
S2、湿热预处理，对粉碎处理后的进料进行湿热预处理，湿热预处理装置中设置超声振动装置，在湿热预处理过程中进行超声振动；湿热预处理后分离的废水进行净化处理，油脂进行回收利用；
S3、水解酸化，将湿热预处理出料固相物输送至水解酸化腔内进行水解酸化；
S4：氨氮去除，将水解酸化溢流出的滤液导入氨氮去除腔，经调配后与附着有氨氮去除菌的吸附剂混合，去除滤液中的氨氮；
S5：产甲烷，将去除氨氮后的滤液导入产甲烷腔，与产甲烷菌混合后产生甲烷并收集；
其中，步骤S4中，吸附剂的粒径为0.5-2mm，吸附剂包括重量比为1:1.5:1的鸟粪石、坡缕石和膨润土，吸附剂的重量占滤液的比例为12-13％；氨氮去除菌占吸附剂的重量比例为6-8％，氨氮去除菌为重量比例为(1.7-2.5)：(2-1)：(2.5-1)：(2-1)的硝化细菌、巨大芽孢杆菌、嗜酸乳杆菌、粪产碱杆菌。
3.根据权利要求2所述的厨余垃圾处理工艺，其特征在于，步骤S2中，湿热预处理温度为90-110℃，时间为40-60min，压力为0.2-0.8MPa；超声振动的频率为20-30kHz，功率为30-40W。
4.根据权利要求2所述的厨余垃圾处理工艺，其特征在于，步骤S4中，产甲烷腔的运行温度为32-35℃。
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