CN116332680A - 餐厨垃圾沼渣堆肥-热解协同处置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种餐厨垃圾沼渣堆肥‑热解协同处置方法，包括以下过程：提供餐厨垃圾沼渣，所述餐厨垃圾沼渣为餐厨垃圾经厌氧发酵技术处理后的产物；将所述餐厨垃圾沼渣分为两部分，对第一部分餐厨垃圾沼渣进行热解，得到沼渣炭、生物油和热解气；将所述生物油和所述热解气进行燃烧产生热量；将第二部分餐厨垃圾沼渣和所述沼渣炭混合进行好氧堆肥，得到肥料。本发明将热解产生的沼渣炭添加到堆肥中，能显著提高堆肥温度，不仅能充分杀菌，而且能显著加快堆肥腐熟进度，缩短堆肥时间，提高沼渣处理效率，同时还降低臭气排放量。
Description
技术领域
本发明涉及垃圾处理技术领域，更具体地，涉及一种餐厨垃圾沼渣堆肥-热解协同处置方法。
背景技术
餐厨垃圾主要是餐饮企业、机关和学校食堂等公共餐饮服务部门所产生的食用残余(泔脚)。餐厨垃圾特点主要是含水量高，水份占到垃圾总量的80～90％；有机物含量高，油脂高，盐分含量高；易腐烂变质，易发酵，易发臭；易滋长寄生虫、卵及病原微生物和霉菌毒素等有害物质。餐厨垃圾若不经专门分类处理，会对环境造成严重的危害。
餐厨垃圾处理方法主要有填埋、焚烧、好氧堆肥、热解和厌氧发酵等，其中，填埋占地面积大，还存在空气污染和水污染等安全风险，目前很少使用；由于餐厨垃圾含水率较高，焚烧和热解会不仅消耗大量能量，而且产物的有机质利用率低；好氧堆肥存在堆肥时间长、处置效率低的问题；餐厨垃圾含有厌氧微生物所需的各种均衡营养，利用厌氧发酵法将其资源化是一种较为合适的处理法，目前有超过80％的餐厨垃圾通过厌氧消化技术处置，厌氧发酵法的产物包括沼气、沼液和沼渣，沼气可用于燃烧产生热量，沼液被排到污水处理厂进行污水处理，由于餐厨垃圾成分复杂，含有较高盐分，且沼渣腐熟不彻底，因此，餐厨垃圾厌氧发酵得到的沼渣不允许被直接用作肥料。
餐厨垃圾厌氧发酵得到的沼渣的处理方法包括焚烧、填埋、热解和好氧堆肥，然而，餐厨垃圾厌氧发酵得到的沼渣的含水量仍然较高，约60％左右，从能量消耗和有机质利用率方面考量，仍然不适用焚烧和热解的方法；好氧堆肥存在堆肥时间长、处理效率低的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种餐厨垃圾沼渣堆肥-热解协同处置方法，缩短堆肥时间，提高处置效率，同时降低热解的能量消耗。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种餐厨垃圾沼渣堆肥-热解协同处置方法，包括以下过程：
提供餐厨垃圾沼渣，所述餐厨垃圾沼渣为餐厨垃圾经厌氧发酵技术处理后的产物；
将所述餐厨垃圾沼渣分为两部分，对第一部分餐厨垃圾沼渣进行热解，得到沼渣炭、生物油和热解气；
将所述生物油和所述热解气进行燃烧产生热量；
将第二部分餐厨垃圾沼渣和所述沼渣炭混合进行好氧堆肥，得到肥料。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
本发明实施例将餐厨垃圾沼渣一部分用于热解，一部分用于堆肥，将热解产生的沼渣炭添加到堆肥中，能显著提高堆肥温度，不仅能充分杀灭致病菌，而且能显著加快堆肥腐熟进度，缩短堆肥时间，提高沼渣处理效率。提高堆肥温度主要是因为本发明的沼渣炭含有更大量的微孔和中孔，可以有效保存输入的曝气以及水分、养料、微生物等物质，加快微生物的生长速度，不仅提高堆肥温度，而且缩短堆肥时间。另，由于沼渣炭中含有水参与热解形成的芳香环系统结构以及含氧官能团等，能够吸附氨气和挥发性含硫气体，显著降低臭气排气量(臭气主要包括氨气和挥发性含硫气体)，可以减少处置发酵过程产生的臭气，降低成本以及减少空气污染。由于沼渣炭中还含有来自厌氧发酵过程加入的絮凝剂的Ca、Fe等金属元素，能够和S、N元素结合，进一步降低臭气排气量。
本发明相比单独热解方法，还能显著降低能耗以及提高有机质的利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1是本发明一具体实施例的餐厨垃圾沼渣堆肥-热解协同处置方法的流程图。
图2是不同水分浓度的餐厨垃圾沼渣热解制备的沼渣炭孔径和孔体积关系图。
图3是不同水分浓度的餐厨垃圾沼渣热解制备的沼渣炭的结构和官能团的对比关系图。
图4是堆肥过程中沼渣炭的添加量对堆肥体温度的影响关系图。
图5是堆肥过程中沼渣炭的添加量与累积氨气排放的关系图。
图6是堆肥过程中沼渣炭的添加量与累积含硫气体排放的关系图。
图7是餐厨垃圾沼渣按照一定的比例进行堆肥和热解协同处置的净碳排放量关系图。
图8是堆肥过程中不同沼渣炭添加量的发芽率与堆肥时间的关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1，本发明公开了一种餐厨垃圾沼渣堆肥-热解协同处置方法，包括以下过程：
1)提供餐厨垃圾沼渣，餐厨垃圾沼渣为餐厨垃圾经厌氧发酵技术处理后的产物，餐厨垃圾是指餐饮企业、机关和学校食堂等公共餐饮服务部门所产生的食用残余(泔脚)。
在上述过程中，厌氧发酵技术为现有常规技术，包括以下过程：
第一，将餐厨垃圾进行预处理，分离出杂质，得到第一中间产物；
第二，对第一中间产物进行破碎分拣制浆，得到第二中间产物；
第三，对第二中间产物进行油水分离，分离出油脂，得到第三中间产物；
第四，对第三中间产物进行水解酸化，得到第四中间产物；
第五，对第四中间产物进行发酵，得到固液混合物和沼气，沼气被收集用于燃烧提供热量；
第六，向固液混合物中加入絮凝剂，对固液混合物进行压滤脱水，分离出沼液和餐厨垃圾沼渣。絮凝剂通常包括CaO和/或FeCl3，絮凝剂的质量通常为固液混合物的质量的0.03％～0.1％。
上述厌氧发酵过程不包括干燥处理，得到的是湿餐厨垃圾沼渣，含水量仍较高，约40wt.％～80wt.％。另，餐厨垃圾沼渣中含有大量难降解的有机和无机成分(例如盐等)，不但无法充分利用其中蕴含的丰富的有机质资源，而且其较高的盐分、氨氮含量也对空气、土壤和水体造成了威胁，导致餐厨垃圾沼渣不能直接用作肥料。
2)将餐厨垃圾沼渣分为两部分，对第一部分餐厨垃圾沼渣进行热解，得到沼渣炭、生物油和热解气。
上述过程直接热解湿餐厨垃圾沼渣得到的沼渣炭，与餐厨垃圾沼渣干燥后热解得到的生物炭相比，不定形态炭结构、孔隙大小以及炭结构上的含氧官能团的种类得到改善，这是由于：湿餐厨垃圾沼渣中的水分会参与热解反应，改善沼渣炭的理化性质，如比表面积、官能团种类等，因此，直接热解湿餐厨垃圾沼渣得到的沼渣炭，与餐厨垃圾沼渣直接热解干燥后热解得到的餐厨垃圾沼渣得到的沼渣炭的理化性质也不尽相同。
上述过程直接热解湿餐厨垃圾沼渣得到的沼渣炭，与未经水解酸化和发酵的餐厨垃圾干燥后热解得到的生物炭相比，不定形态炭结构、孔隙大小以及炭结构上的含氧官能团的种类也均不尽相同，这是由于，第一，餐厨垃圾经过厌氧发酵后的产物与餐厨垃圾已不属于同一种物质；第二，沼渣炭中还含有来自厌氧发酵过程加入的絮凝剂的Ca、Fe等金属元素，也会改变沼渣炭的理化性质。
在一具体实施例中，热解的温度为500℃～700℃，热解的时间为20min～60min。
3)将生物油和热解气进行燃烧产生热量，热量可用于发电，产生的电能用于好氧堆肥过程使用。
4)将第二部分餐厨垃圾沼渣和沼渣炭混合进行好氧堆肥，得到肥料。
具体的，好氧堆肥的过程分为升温阶段、高温阶段、降温阶段和腐熟阶段。
升温阶段：易降解有机物分解，产生热量和CO2，堆肥体升温。
高温阶段：大量有机物降解，同时伴随着CO2、NH3、含硫气体的排放。
降温阶段：有机物分解变慢，形成腐殖质的前体物。
腐熟阶段：形成腐殖质，堆肥体的发芽率提高，可以达到80％以上。
本发明将餐厨垃圾沼渣一部分用于热解，一部分用于堆肥，将热解产生的沼渣炭添加到堆肥中，能显著提高堆肥温度，不仅能充分杀菌，而且能显著加快堆肥腐熟进度，缩短堆肥时间，提高沼渣处理效率。提高堆肥温度主要是因为本发明的沼渣炭含有更大量的微孔和中孔，可以有效保存输入的曝气以及水分、养料、微生物等物质，加快微生物的生长速度，不仅提高堆肥温度，而且降低堆肥时间。另，由于沼渣炭中含有水参与热解形成的芳香环系统结构以及含氧官能团等，能够吸附氨气和挥发性含硫气体，显著降低臭气排气量(臭气主要包括氨气和挥发性含硫气体)，可以不必处置发酵过程产生的臭气，降低成本以及减少空气污染。由于沼渣炭中还含有来自厌氧发酵过程加入的絮凝剂的Ca、Fe等金属元素，也能够和S、N元素结合，进一步降低臭气排气量。
本发明相比单独热解方法，还能显著降低能耗以及提高有机质的利用率。
在一具体实施例中，餐厨垃圾沼渣的含水率为40wt.％～80wt.％，不仅不用对餐厨垃圾沼渣进行干燥损耗电能和处置干燥过程中产生的臭气，而且，经实验验证，随着水分含量增加，沼渣炭中的微孔结构和中孔结构均出现增加的趋势，提高了孔隙的体积和比表面积，能显著提高好氧堆肥的处理效率。水分参与热解，还显著增加了芳香环系统结构以及含氧官能团等数量，能够吸附氨气和挥发性含硫气体，显著降低臭气排气量(臭气主要包括氨气和挥发性含硫气体)，可以不必处置发酵过程产生的臭气，降低成本以及减少空气污染。
在一具体实施例中，第一部分餐厨垃圾沼渣和第二部分餐厨垃圾沼渣的质量比为2:8～3:7，将沼渣按上述比例进行热解和堆肥的协同处理产生的净碳排放比单独堆肥或单独热解处理的净碳排放低。
在一具体实施例中，好氧堆肥过程中，沼渣炭的添加质量为第二部分餐厨垃圾沼渣的干重质量的12.5％～25％，能够显著提高堆肥温度，加快沼渣处理效率，同时，净碳排放低。
在一具体实施例中，餐厨垃圾沼渣中含有金属化合物，具体的，金属化合物中的金属元素可以包括Ca、Fe、Mg、Na等中的一种或两种以上，金属化合物中的金属元素可以和臭气中的S、N等元素结合，降低臭气的排放量，避免堆肥污染环境。金属元素的质量占餐厨垃圾沼渣的质量百分比为0.1％～5％。
以下为具体实施例。
实施例1
对不同水分浓度的餐厨垃圾沼渣热解制备的沼渣炭孔径结构进行了研究，如图2所示，分别给出了含水率为5wt.％、20wt.％、40wt.％和60％的沼渣热解后得到的沼渣炭的孔径与孔体积的对应关系，从图2可以看到：随着沼渣水分含量的增加，所制备出的沼渣炭微孔结构和中孔结构均出现增加的趋势，原因是：水分参与了沼渣的热解反应，与更多的碳元素发生反应，生成更多的孔径结构。
对上述热解后得到的沼渣炭的孔径结构和官能团进行进一步研究，如图3所示，其中，VR代表碳结构上的甲基，GR代表碳结构上的3-5个芳香环结构，GL代表碳结构上的含氧官能团，SL代表碳结构上的对位芳香环结构，每一种官能团的竖条纹从左到右分别代表含水率为5wt.％、20wt.％、40wt.％和60％的沼渣热解实验，可见，随着水分含量的增加，沼渣炭中的不定形态碳结构上的甲基、芳香环结构、含氧官能团以及对位芳香环的种类均出现增加的趋势，原因可能是水分促进了聚合芳香环系统的降解，生成更多的简单芳香环系统结构，进而增加不定形态的碳结构和含氧官能团结构。
因此，优选的，餐厨垃圾沼渣的含水率为40％～80％。
实施例2
沼渣炭的添加量对堆肥过程中温度的影响
在餐厨垃圾沼渣堆肥过程中，分别添加质量为餐厨垃圾沼渣的干重质量的6.25wt.％(R2)、12.5wt.％(R3)、25wt.％(R4)的沼渣炭，不同质量含量的沼渣炭，以0添加沼渣炭(R1)为对比，结果如图4所示，可见，添加沼渣炭可以提高堆肥体的温度，随着沼渣炭添加量的增加，温度增加的效果越明显，表明添加沼渣炭利于堆肥体的温度提升。
对上述各发酵过程的臭气(包括氨气和挥发性含硫气体)进行收集，研究沼渣炭的添加量对堆肥过程中氨气和挥发性含硫气体排放的影响。
参考图5，随沼渣炭添加量的增加，累积氨气排放减少5％～21％，原因可能是：沼渣炭中的官能团对氨气的吸附作用，以及沼渣炭的多孔结构促进硝化细菌的生长，加速了铵态氮向硝态氮的转化，减少铵态氮向氨气的转化，进而减少氨气的排放。
餐厨垃圾沼渣堆肥过程中累积挥发性含硫气体的排放如图6所示，可见，添加沼渣炭可以减少含硫气体排放16％-20％。原因可能是沼渣炭中的多孔结构和金属元素对挥发性含硫气体的吸附作用。
因此，优选的，好氧堆肥过程中，沼渣炭在沼渣炭和第二部分餐厨垃圾沼渣的混合物中的质量百分比为12.5％～25％，不仅可显著提高堆肥温度，充分杀菌，缩短堆肥时间，而且能显著降低臭气排放量20％左右。
实施例3
将餐厨垃圾沼渣按照一定的比例进行堆肥和热解协同处置，研究净碳排放量，结果如图7所示，其中，E0代表全部选用堆肥处置，E1代表堆肥与热解的处置比例为9:1，E2代表堆肥与热解的处置比例为8:2，E3代表堆肥与热解的处置比例为7:3，E4代表堆肥与热解的处置比例为6:4，E5代表堆肥与热解的处置比例为5:5。
具体实验过程为：采用相同的餐厨垃圾沼渣，按不同比例进行堆肥和热解，热解的过程为：将餐厨垃圾沼渣置于管式炉中600℃条件下进行热解60min，得到沼渣炭、生物油和热解气。好氧堆肥的过程为：将沼渣炭和餐厨垃圾沼渣混合后进行堆肥，堆肥体进入升温阶段、高温阶段、降温阶段和腐熟阶段四个过程，高温阶段的温度应超过55℃；在腐熟阶段过程中，堆肥体的发芽率超过80％，可认为堆肥结束，得到肥料，以及处置堆肥过程产生的臭气。
净碳排放量包括间接碳排放量和直接碳排放量，间接碳排放量是指产生沼渣处理过程中所消耗的净能量所需排放的碳量，直接碳排放量是指沼渣处理过程中直接向外排放的碳量。
具体的，间接碳排放量的计算包括：计算热解过程所需要的电能Q1，计算热解过程产生的生物油和热解气燃烧后能释放的能量Q2，计算堆肥过程中曝气所消耗的电量Q3，用Q1-Q2+Q3计算净耗能量Q，将净耗能量Q转化为燃烧燃料得到能量Q过程中所能释放的碳量。
直接碳排放量的计算包括：计算生物油和热解气燃烧所释放的烟气中的碳量，计算堆肥过程中所产生的CO2中的碳量。
从图7可以看到：当热解和堆肥按照合适的比例(2:8～3:7)进行处置时，餐厨垃圾沼渣处置产生的净碳排放比单独堆肥或单独热解处置的净碳排放低，可以降低净碳排放，提高环保性。
实施例4
参考图8，其为堆肥过程中不同沼渣炭添加量的发芽率与堆肥时间的关系图，R1为对照组(不添加沼渣炭)，R2，R3和R4组中沼渣炭的添加量分别为6.25％，12.5％和25％，每组数据包括的矩形图从左到右依次代表R1、R2、R3和R4。由图可知，R4在第35天时发芽率超过100％，而对照组(R1)在第50天的发芽率仍低于40％，表明还需要更长的时间提高发芽率。从目前的结果来看，添加25％的沼渣炭相比添加6.25％、12.5％的沼渣炭可以提高堆肥时间30％((50-35)/50*100％)以上，相对对照组可以更显著缩短堆肥时间。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种餐厨垃圾沼渣堆肥-热解协同处置方法，其特征在于，包括以下过程：
提供餐厨垃圾沼渣，所述餐厨垃圾沼渣为餐厨垃圾经厌氧发酵技术处理后的产物；
将所述餐厨垃圾沼渣分为两部分，对第一部分餐厨垃圾沼渣进行热解，得到沼渣炭、生物油和热解气；
将所述生物油和所述热解气进行燃烧产生热量；
将第二部分餐厨垃圾沼渣和所述沼渣炭混合进行好氧堆肥，得到肥料。
2.根据权利要求1所述的餐厨垃圾沼渣堆肥-热解协同处置方法，其特征在于，所述餐厨垃圾沼渣的含水率为40wt.％～80wt.％。
3.根据权利要求1所述的餐厨垃圾沼渣堆肥-热解协同处置方法，其特征在于，所述第一部分餐厨垃圾沼渣和所述第二部分餐厨垃圾沼渣的质量比为2:8～3:7。
4.根据权利要求1所述的餐厨垃圾沼渣堆肥-热解协同处置方法，其特征在于，所述好氧堆肥过程中，所述沼渣炭的添加质量为所述第二部分餐厨垃圾沼渣的干重质量的12.5％～25％。
5.根据权利要求1所述的餐厨垃圾沼渣堆肥-热解协同处置方法，其特征在于，所述热解的温度为500℃～700℃，所述热解的时间为20min～60min。
6.根据权利要求1所述的餐厨垃圾沼渣堆肥-热解协同处置方法，其特征在于，所述餐厨垃圾沼渣中含有金属化合物。
7.根据权利要求1所述的餐厨垃圾沼渣堆肥-热解协同处置方法，其特征在于，所述厌氧发酵技术包括以下过程：
将餐厨垃圾预处理，分离出杂质，得到第一中间产物；
对所述第一中间产物进行破碎分拣制浆，得到第二中间产物；
对所述第二中间产物进行油水分离，分离出油脂，得到第三中间产物；
对所述第三中间产物进行水解酸化，得到第四中间产物；
对所述第四中间产物进行发酵，得到固液混合物和沼气；
向所述固液混合物中加入絮凝剂，对所述固液混合物进行压滤脱水，得到沼液和餐厨垃圾沼渣。
8.根据权利要求7所述的餐厨垃圾沼渣堆肥-热解协同处置方法，其特征在于，所述絮凝剂包括CaO和/或FeCl3，所述絮凝剂的添加质量为所述固液混合物的质量的0.03％～0.1％。
9.根据权利要求1所述的餐厨垃圾沼渣堆肥-热解协同处置方法，其特征在于，所述好氧堆肥包括以下过程：
升温阶段：易降解有机物分解，产生热量和CO2，堆肥体升温；
高温阶段：大量有机物降解，同时伴随着CO2、NH3、含硫气体的排放；
降温阶段：有机物分解变慢，形成腐殖质的前体物；
腐熟阶段：形成腐殖质，堆肥体的发芽率达到80％以上。
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