CN114560722A - 一种将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，对待处理的厨余垃圾厌氧发酵液通过简化的预处理过程去除大颗粒固体，从而提高处理效率并降低能耗，得到处理后的液体；步骤2，将处理后的液体利用电渗析系统进行电渗析过程实现同步地脱盐除氮，得到浓缩液和脱盐除氮发酵液；步骤3，通过定期反转电极和化学清洗维持电渗析系统的离子交换膜性能；步骤4，对分离后的浓缩液和脱盐除氮发酵液实现资源化利用。
Description
技术领域
本发明涉及厨余垃圾的资源化利用领域，具体涉及一种将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法。
背景技术
我国在实行垃圾分类后，分类出来大量的厨余垃圾，主要采用厌氧消化处理，由此产生的大量沼液如何进行资源化处理正成为当前厌氧消化技术推广的瓶颈。厨余垃圾厌氧发酵液中含有丰富的N、P和有机质，还田利用可以为大量产生的沼液提供资源化利用出路，沼液中的丰富营养易于被植物吸收利用，可以减少化肥的使用，有效减少化肥生产过程的碳排放；同时，《餐厨垃圾生物发酵液对黄土丘陵区土壤质量的影响试验》中研究证明富含有机酸的新鲜发酵液可以作为释磷剂，有效改善干旱半干旱地区黄土的土壤肥力。但是，厨余垃圾，特别是其中的餐厨垃圾，来源于加盐烹饪过的食物，盐在厌氧消化的过程中不会被去除，从而导致其厌氧发酵液中含盐量往往较高，长期施用可能有造成土壤盐分累积的风险。
目前大型城市的普遍做法是将沼液作为污水处理，达标后纳管排放，或排入自然水体。然而沼液氨氮浓度非常高，给污水处理厂带来极大的处理压力，高N含量需要污水处理厂的反硝化过程投入非常高的碳源成本，这不仅使得丰富的营养资源未得到有效利用，还造成了非常高的处理成本投入。
针对上述问题，现有方法提出使用电渗析对沼液中的养分进行分离和浓缩，中国专利CN112499846A公开了一种用于沼液中营养物质浓缩与回收的方法，中国专利CN112520915A公开了一种同步回收沼液中的氮磷和去除抗生素的阳极电渗析方法，分离沼液中的N、P、K以期将浓缩液用作肥料，但这种处理方式存在几个明显的弊端：一是电渗析过程对离子没有选择性，养分浓缩的同时盐分也被浓缩，浓缩液用作肥料盐碱化风险更高；二是这种方法均主张通过膜过滤预处理以去除沼液中的悬浮性固体，包括微滤、超滤或纳滤，而后才能进行电渗析，但实际情况是沼液中含有大量直径在微米级的胶体等悬浮颗粒，极易造成滤膜堵塞，大通量的膜过滤预处理是难以实现的；三是这类方法更多关注分离出来的N、P如何利用，而完全忽略了剩余的发酵液如何处理和利用；四是的沼液往往仅指以腐殖质有机物为主的腐熟沼液，而未涉及以有机酸为主的新鲜发酵液。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法。
本发明提供了一种将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，对待处理的厨余垃圾厌氧发酵液通过简化的预处理过程去除大颗粒固体，从而提高处理效率并降低能耗，得到处理后的液体；步骤2，将处理后的液体利用电渗析系统进行电渗析过程实现同步地脱盐除氮，得到浓缩液和脱盐除氮发酵液；步骤3，通过定期反转电极和化学清洗维持电渗析系统的离子交换膜性能；步骤4，对分离后的浓缩液和脱盐除氮发酵液实现资源化利用。
在本发明提供的将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，厨余垃圾厌氧发酵液包括富含有机酸的新鲜发酵液和充分稳定的腐熟发酵液。
在本发明提供的将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，简化的预处理包括以下步骤：步骤1-1，将厨余垃圾厌氧发酵液在6000-8000r/min的转速下离心10min实现初步固液分离，得到上清液；步骤1-2，将上清液通过20-30μm孔径的微滤膜以进一步剔除浮渣，得到处理后的液体。
在本发明提供的将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，电渗析系统为常规电渗析堆栈膜组件，包括交替放置的阴/阳离子交换膜，在离子交换膜的分隔下形成淡室、浓室和极液室，淡室、浓室和极液室分别通过硅胶软管与外置容器相连。阴/阳离子交换膜的数量为5-10对。处理后的液体通过磁力泵在电渗析系统的淡室中循环，水和3-5％Na2SO4溶液分别在浓室和极液室中循环。处理后的液体、水以及3-5％Na2SO4溶液的体积比为1：1：1。电渗析系统通过直流电源供电，以电流密度10-30mA/cm2在恒流模式下运行。
在本发明提供的将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法中，还可以具有这样的特征：其中，直到淡室的电导率低于1mS/cm，结束电渗析系统的同步脱盐除氮电渗析分离过程。
在本发明提供的将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法中，还可以具有这样的特征：其中，定期反转电极和化学清洗的方法为：每次电渗析结束后对电渗析系统进行清洗，浓室和淡室均更换为电导率为5mS/cm的NaCl溶液并反转电极，然后使用相同的电流密度清洗10-15min，从而洗脱附着在离子交换膜上的带电有机物和胶体，进一步地，连续进行5批次电渗析操作后，依次使用0.2mol/L的NaOH和0.2mol/L的HCl清洗，进一步清洗残留在离子交换膜表面的不带电有机物。
在本发明提供的将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中，浓缩液进行资源化利用的方法为：首先将浓缩液首先调节pH至10-12，其次，空气吹脱浓缩液并使用2mol/LH2SO4溶液吸收，最后以(NH4)2SO4的形式回收铵，铵可用于进一步制作肥料。
在本发明提供的将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中，脱盐除氮发酵液进行资源化利用的方法为：脱盐除氮发酵液保留了有机碳，作为碳肥进行土地利用。或脱盐除氮发酵液作为污水处理厂反硝化脱氮的碳源，在缺氧阶段引入到生物反应池中。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法，因为具体步骤为：步骤1，对待处理的厨余垃圾厌氧发酵液通过简化的预处理过程去除大颗粒固体，从而提高处理效率并降低能耗，得到处理后的液体；步骤2，将处理后的液体利用电渗析系统进行电渗析过程实现同步地脱盐除氮，得到浓缩液和脱盐除氮发酵液；步骤3，通过定期反转电极和化学清洗维持电渗析系统的离子交换膜性能；步骤4，对分离后的浓缩液和脱盐除氮发酵液实现资源化利用。
因此，与现有技术相比，本发明具有以下显著优势：
本发明简化了预处理过程，避免了使用小孔径滤膜对发酵液进行固液分离，大大减少了预处理能耗，提高了预处理效率；结合后续膜清洁操作，无需对发酵液进行彻底的固液分离，多批次操作证明离子交换膜的性能未受显著影响；
在本发明提供的简化的预处理方法中，离心和大孔径微滤可以有效去除容易引起电渗析管路阻塞的大颗粒和浮渣，避免了高能耗的高压过滤，剩余的小颗粒悬浮固体不会造成显著的离子交换膜跨膜阻力增加。
本发明对沼液进行同步脱盐除氮操作，所得的产品可实现多途径利用，浓缩液中的铵进行单独回收，避免高盐浓度的浓缩液直接施用；而且从高氮含量的浓缩液中脱氨，其脱氨效率远高于直接从沼液进行脱氨；剩余沼液含丰富的有机碳，则可以作为碳肥施用显著改善土壤有机质含量，同时丰富的有机碳可以作为城市污水处理厂反硝化脱氮的碳源，降低污水处理厂脱氮成本。
附图说明
图1是本发明的实施例中将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用方法的流程示意图；
图2是本发明的实施例1中腐熟发酵液电渗析处理过程营养物质变化图；
图3是本发明的实施例2中新鲜发酵液电渗析处理过程营养物质变化图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明一种将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法作具体阐述。
<实施例1>
在本实施例中，提供了一种将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法。
使用本实施例的方案，对来自某厨余垃圾厌氧消化处理厂稳定运行的消化罐出水进行同步脱盐除氮，本实施例的厨余垃圾厌氧发酵液在消化罐内停留28天，总固体(TS)含量3.05％，挥发分(VS)40.33％TS，悬浮固体9.8g/L，pH7.9，电导率34.1mS/cm，总有机碳(TOC)浓度3294.7mg/L，总氮(TN)浓度4920.7mg/L，其中氨氮(AN)浓度3395.2mg/L，总磷(TP)浓度99.3mg/L，Cl-浓度3536.6mg/L，Na+浓度2305.0mg/L。
图1是本实施例中的将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用方法的流程示意图。
如图1所示，本实施例所涉及的将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法包括以下步骤：
步骤S1，对待处理的厨余垃圾厌氧发酵液通过简化的预处理过程去除大颗粒固体，从而提高处理效率并降低能耗，得到处理后的液体。
其中，简化的预处理包括以下步骤：
步骤S1-1，将厨余垃圾厌氧发酵液在7000r/min的转速下离心10min实现初步固液分离，得到上清液。
步骤S1-2，将上清液通过25μm孔径的微滤膜以进一步剔除浮渣，得到处理后的液体。
经过简化后的固液分离步骤后，总固体含量1.47％，挥发分39.65％TS，悬浮固体1.0g/L，总有机碳浓度1845.3mg/L，总氮浓度4091.0mg/L，其余组分浓度与固液分离前大致相同。
步骤S2，将处理后的液体利用电渗析系统进行电渗析过程实现同步地脱盐除氮，得到浓缩液和脱盐除氮发酵液。
其中，电渗析系统为常规电渗析堆栈膜组件，包括交替放置的阴/阳离子交换膜，在离子交换膜的分隔下形成淡室、浓室和极液室，淡室、浓室和极液室分别通过硅胶软管与外置容器相连。
处理后的液体通过磁力泵在电渗析系统的淡室中循环，以80L/h的循环流量在外置容器与电渗析淡室之间循环，浓室和极液室中循环的分别为水和3％Na2SO4溶液，以相同的流量循环。
电渗析系统通过直流电源供电，以电流密度15mA/cm2在恒流模式下运行。直到淡室的电导率低于1mS/cm，结束电渗析系统的同步脱盐除氮电渗析分离过程。
步骤S3，通过定期反转电极和化学清洗维持电渗析系统的离子交换膜性能。具体方法为：
浓室和淡室均更换为电导率为5mS/cm的NaCl溶液并反转电极，然后使用相同的电流密度清洗13min，进一步地，连续进行5批次电渗析操作后，依次使用0.2mol/L的NaOH和0.2mol/L的HCl清洗，进一步清洗残留在离子交换膜表面的不带电有机物。
步骤S4，对分离后的浓缩液和脱盐除氮发酵液实现资源化利用。
其中，浓缩液进行资源化利用的方法为：
首先将浓缩液首先调节pH至11，其次，空气吹脱浓缩液并使用2mol/LH2SO4溶液吸收，最后以(NH4)2SO4的形式回收铵，氨氮回收率超过75％，铵可用于进一步制作肥料。
其中，脱盐除氮发酵液进行资源化利用的方法为：
发酵液经过简化后的固液分离操作出水依然浑浊，组成复杂，面对该发酵液电渗析依然表现出稳定的除盐效果，电渗析操作120min后Na+去除率约80％，Cl-去除率超过95％。
图2是本实施例1中的腐熟发酵液电渗析处理过程营养物质变化图。
如图2所示，该图展示了该过程中营养物质的转移规律，该过程有效去除了腐熟发酵液中的氮，超过85％的氮转移到浓室液体中，在该过程中有机碳浓度几乎保持不变，同时仍有约50％的磷保留在发酵液中，处理结束后剩余发酵液中含丰富的有机碳，盐含量极低，有机物相对稳定，可用作碳肥安全施用。
脱盐除氮发酵液保留了有机碳，作为碳肥进行土地利用，或脱盐除氮发酵液作为污水处理厂反硝化脱氮的碳源，在缺氧阶段引入到生物反应池中。
<实施例2>
在本实施例中，提供了一种将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法。
使用本实施例的方案，对来自某厨余垃圾厌氧消化处理厂预水解酸化的新鲜发酵液进行同步脱盐除氮，该新鲜发酵液停留时间仅为1-2天，含丰富的有机酸；总固体含量5.83％，挥发分80.64％TS，悬浮固体18.3g/L，pH4.19，电导率12.6mS/cm，总有机碳浓度22606mg/L，总挥发性有机酸(VFAs)浓度9941.7mg/L，总氮浓度1883.4mg/L，其中氨氮浓度1364.8mg/L，总磷浓度377.0mg/L，Cl-浓度2669.2mg/L，Na+浓度1711mg/L。
步骤S1，对待处理的厨余垃圾厌氧发酵液通过简化的预处理过程去除大颗粒固体，从而提高处理效率并降低能耗，得到处理后的液体。
其中，简化的预处理包括以下步骤：
步骤S1-1，将厨余垃圾厌氧发酵液在6000r/min的转速下离心10min实现初步固液分离，得到上清液。
步骤S1-2，将上清液通过25μm孔径的微滤膜以进一步剔除浮渣，得到处理后的液体。
经过简化后的固液分离步骤后，总固体含量3.98％，挥发分68.39％TS，悬浮固体1.5g/L，总有机碳浓度16473mg/L，总氮浓度1639.7mg/L，总磷浓度292.4mg/L，其余组分浓度与固液分离前大致相同。
步骤S2，将处理后的液体利用电渗析系统进行电渗析过程实现同步地脱盐除氮，得到浓缩液和脱盐除氮发酵液。
其中，电渗析系统为常规电渗析堆栈膜组件，包括交替放置的阴/阳离子交换膜，在离子交换膜的分隔下形成淡室、浓室和极液室，淡室、浓室和极液室分别通过硅胶软管与外置容器相连。
处理后的液体通过磁力泵在电渗析系统的淡室中循环，以80L/h的循环流量在外置容器与电渗析淡室之间循环，浓室和极液室中循环的分别为水和3％Na2SO4溶液，以相同的流量循环。
电渗析系统通过直流电源供电，以电流密度15mA/cm2在恒流模式下运行。直到淡室的电导率低于1mS/cm，结束电渗析系统的同步脱盐除氮电渗析分离过程。
步骤S3，通过定期反转电极和化学清洗维持电渗析系统的离子交换膜性能。具体方法为：
浓室和淡室均更换为电导率为5mS/cm的NaCl溶液并反转电极，然后使用相同的电流密度清洗13min，进一步地，连续进行5批次电渗析操作后，依次使用0.2mol/L的NaOH和0.2mol/L的HCl清洗，进一步清洗残留在离子交换膜表面的不带电有机物。
步骤S4，对分离后的浓缩液和脱盐除氮发酵液实现资源化利用。
图3是本实施例中的新鲜发酵液电渗析处理过程营养物质变化图。
经脱盐除氮操作后，电渗析操作120min后Na+和Cl-去除率均超过99％，如图3所示，该图展示了该过程中营养物质的转移规律，该过程有效去除了新鲜发酵液中以铵态氮形式存在的氮，由于发酵液尚未经过完全消化，一部分氮仍以有机氮的形式存在，这部分氮被保留在发酵液中；该过程中有机碳的浓度有所下降，但剩余新鲜发酵液中的有机碳浓度仍高达9000mg/L，挥发性脂肪酸浓度约6800mg/L，总氮去除率约为50％；处理后的发酵液仍含有丰富的有机物，特别是小分子有机酸，可用于改善西北干旱半干旱地区的黄土肥力，无需担心盐分带来的盐渍化风险；此外，新鲜发酵液中的大量有机物易于被微生物利用，经过本实施例的处理方式，可去除约50％的氮，可以作为污水反硝化脱氮时的优质碳源，可大大降低污水处理厂的运营成本。
实施例的作用与效果
根据上述实施例所涉及的将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法，因为具体步骤为：步骤1，对待处理的厨余垃圾厌氧发酵液通过简化的预处理过程去除大颗粒固体，从而提高处理效率并降低能耗，得到处理后的液体；步骤2，将处理后的液体利用电渗析系统进行电渗析过程实现同步地脱盐除氮，得到浓缩液和脱盐除氮发酵液；步骤3，通过定期反转电极和化学清洗维持电渗析系统的离子交换膜性能；步骤4，对分离后的浓缩液和脱盐除氮发酵液实现资源化利用。
因此，与现有技术相比，上述实施例具有以下显著优势：
上述实施例简化了预处理过程，避免了使用小孔径滤膜对发酵液进行固液分离，大大减少了预处理能耗，提高了预处理效率；结合后续膜清洁操作，无需对发酵液进行彻底的固液分离，多批次操作证明离子交换膜的性能未受显著影响；
在上述实施例提供的简化的预处理方法中，离心和大孔径微滤可以有效去除容易引起电渗析管路阻塞的大颗粒和浮渣，避免了高能耗的高压过滤，剩余的小颗粒悬浮固体不会造成显著的离子交换膜跨膜阻力增加。
上述实施例对沼液进行同步脱盐除氮操作，所得的产品可实现多途径利用，浓缩液中的铵进行单独回收，避免高盐浓度的浓缩液直接施用；而且从高氮含量的浓缩液中脱氨，其脱氨效率远高于直接从沼液进行脱氨；剩余沼液含丰富的有机碳，则可以作为碳肥施用显著改善土壤有机质含量，同时丰富的有机碳可以作为城市污水处理厂反硝化脱氮的碳源，降低污水处理厂脱氮成本。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对待处理的厨余垃圾厌氧发酵液通过简化的预处理过程去除大颗粒固体，从而提高处理效率并降低能耗，得到处理后的液体；
步骤2，将所述处理后的液体利用电渗析系统进行电渗析过程实现同步地脱盐除氮，得到浓缩液和脱盐除氮发酵液；
步骤3，通过定期反转电极和化学清洗维持所述电渗析系统的离子交换膜性能；
步骤4，对分离后的所述浓缩液和所述脱盐除氮发酵液实现资源化利用。
2.根据权利要求1所述的一种将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法，其特征在于：
其中，步骤1中，所述厨余垃圾厌氧发酵液包括富含有机酸的新鲜发酵液和充分稳定的腐熟发酵液。
3.根据权利要求1所述的一种将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法，其特征在于：
其中，步骤1中，所述简化的预处理包括以下步骤：
步骤1-1，将所述厨余垃圾厌氧发酵液在6000-8000r/min的转速下离心10min实现初步固液分离，得到上清液；
步骤1-2，将所述上清液通过20-30μm孔径的微滤膜以进一步剔除浮渣，得到所述处理后的液体。
4.根据权利要求1所述的一种将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法，其特征在于：
其中，步骤2中，所述电渗析系统为常规电渗析堆栈膜组件，包括交替放置的阴/阳离子交换膜，在离子交换膜的分隔下形成淡室、浓室和极液室，
所述淡室、所述浓室和所述极液室分别通过硅胶软管与外置容器相连，
所述阴/阳离子交换膜的数量为5-10对，
所述处理后的液体通过磁力泵在所述电渗析系统的所述淡室中循环，水和3-5％Na2SO4溶液分别在所述浓室和所述极液室中循环，
处理后的液体、所述水以及所述3-5％Na2SO4溶液的体积比为1：1：1，
所述电渗析系统通过直流电源供电，以电流密度10-30mA/cm2在恒流模式下运行。
5.根据权利要求4所述的一种将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法，其特征在于：
其中，直到所述淡室的电导率低于1mS/cm，结束所述电渗析系统的同步脱盐除氮电渗析分离过程。
6.根据权利要求1所述的一种将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法，其特征在于：
其中，所述定期反转电极和化学清洗的方法为：
每次电渗析结束后对所述电渗析系统进行清洗，浓室和淡室均更换为电导率为5mS/cm的NaCl溶液并反转电极，然后使用相同的电流密度清洗10-15min，从而洗脱附着在离子交换膜上的带电有机物和胶体，进一步地，连续进行5批次电渗析操作后，依次使用0.2mol/L的NaOH和0.2mol/L的HCl清洗，进一步清洗残留在所述离子交换膜表面的不带电有机物。
7.根据权利要求1所述的一种将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法，其特征在于：
其中，步骤3中，所述浓缩液进行资源化利用的方法为：
首先将所述浓缩液首先调节pH至10-12，其次，空气吹脱所述浓缩液并使用2mol/LH2SO4溶液吸收，最后以(NH4)2SO4的形式回收铵，所述铵可用于进一步制作肥料。
8.根据权利要求1所述的一种将厨余垃圾厌氧发酵液资源化利用的方法，其特征在于：
其中，步骤3中，所述脱盐除氮发酵液进行资源化利用的方法为：
所述脱盐除氮发酵液保留了有机碳，作为碳肥进行土地利用，或，
所述脱盐除氮发酵液作为污水处理厂反硝化脱氮的碳源，在缺氧阶段引入到生物反应池中。
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