CN117089442A - 一种以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置、工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于餐厨垃圾处理技术领域，具体涉及一种以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置、工艺。该装置包括水解酸化罐，水解酸化罐通过缓冲池一连接离心脱水机，离心脱水机通过缓冲池二连接厌氧罐。工艺包括将餐厨垃圾浆液输送至水解酸化罐水解酸化，控制pH为4.0～4.6，得到水解酸化液和气体产物，将水解酸化液输送至缓冲池一进行沉淀缓冲，得到缓冲后的水解酸化液，将缓冲后的水解酸化液输送至离心脱水机进行脱水，得到离心液和固渣，将离心液输送至缓冲池二进行沉淀缓冲，得到缓冲后的离心液，将缓冲后的离心液输送至厌氧罐进行颗粒性污泥培养，得到液体代谢物和气体代谢物。本发明能降低水力停留时间，提高有机负荷，降低工艺难度。

Description

一种以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置、工艺
技术领域
本发明属于餐厨垃圾处理技术领域，具体涉及一种以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置、工艺。
背景技术
厌氧消化技术是餐厨垃圾资源化的主要途径，在已建资源化项目中占比能达到66％。其中以湿式厌氧为主。目前湿式厌氧工艺主要采用传统四步式反应：水解、酸化、产乙酸和产甲烷四个阶段。
水解阶段餐厨垃圾中的碳水化合物、蛋白质和脂肪等悬浮颗粒有机质被微生物水解成如多糖、多肽和有机酸等可溶有机质；酸化阶段短链有机质被产酸菌降解成如葡萄糖、氨基酸、VFAs(挥发性脂肪酸)、NH3和H2S等；乙酸化阶段葡萄糖和氨基酸被产乙酸菌利用生成乙酸、H2和CO2；甲烷化阶段产甲烷菌将乙酸、H2转化成CH4和CO2。
通过上述原理，工程上普遍采用的是两相厌氧消化，通过将产酸菌和产甲烷菌分离开，各自处在其最适的环境条件下避免环境对菌群活性的抑制。
但是存在以下不足：
(1)目前两相厌氧消化技术，通常控制产酸相pH为5.0～6.5，因而产酸相产物多以丁酸、丙酸、乙酸、戊酸为主，这些产物后续甲烷化所需时间长。
(2)水解酸化、产甲烷两步停留时间长，加起来时间能达到22～43d。相应的，所需的水解罐、发酵罐容积大，占地面积大、投资成本高，同时需配置大型搅拌设施，运行成本高。
(3)水解阶段产生的气体成分复杂，CO2含量低，只有微量的甲烷和氢气，利用价值不高，常作为臭气进入全厂除臭系统进行处置，增加除臭投资成本及运行费用。
(4)厌氧罐容积负荷较低，仅为(2.5～3.5)kgVS/(m3·d)，容积产气率低。
(5)厌氧产生的沼气甲烷含量一般为55～65％，提纯成本较高，提纯程序复杂化。
(6)厌氧发酵后发酵液经两相离心分离后，沼液中COD含量等较高，后续所需的污水处理系统工艺复杂、流程较长、能耗较高。
从以上可以看出，高停留时间、低容积负荷直接导致工程复杂化、占地面积大，回收周期长。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置，降低水力停留时间，提高有机负荷，降低工艺难度。
一种以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置，包括水解酸化罐，所述水解酸化罐通过缓冲池一连接离心脱水机，所述离心脱水机通过缓冲池二连接厌氧罐。
优选的，所述水解酸化罐上分别有液位计一、温度传感器一以及搅拌器。
优选的，所述水解酸化罐上分别还有压力传感器和气体分析仪一，所述水解酸化罐还连接换热系统。
优选的，所述水解酸化罐和所述缓冲池一之间有安装在所述水解酸化罐上的出料泵一；所述缓冲池一和所述离心脱水机之间有安装在所述缓冲池一上的出料泵二；所述缓冲池二和所述连接厌氧罐之间有安装在所述缓冲池二上的出料泵三。
优选的，所述厌氧罐上分别有pH检测仪、液位计二以及温度传感器二。
优选的，所述厌氧罐上分别还有气体分析仪二和ORP分析仪，所述厌氧罐还分别回流泵和出料泵三。
优选的，所述水解酸化罐为CSTR发酵罐，所述厌氧罐为UASB厌氧罐。
本申请的另一个目的是提供一种利用所述的以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置的工艺，包括如下步骤：
将餐厨垃圾浆液输送至所述水解酸化罐进行水解酸化，得到水解酸化液和气体产物，将所述水解酸化液输送至缓冲池一进行沉淀缓冲，得到缓冲后的水解酸化液，将所述缓冲后的水解酸化液输送至离心脱水机进行脱水，得到离心液和固渣，将离心液输送至缓冲池二进行沉淀缓冲，得到缓冲后的离心液，将所述缓冲后的离心液输送至厌氧罐进行颗粒性污泥培养，得到液体代谢物和气体代谢物。
优选的，回流泵回流所述液体代谢物至所述厌氧罐内来调节厌氧罐的pH值或者投放药剂调节调节厌氧罐的pH值，所述药剂包括氢氧化钠和/或碳酸氢钠。
优选的，物料在水解酸化罐1和厌氧罐14内的总HRT≤7d。
优选的，所述餐厨垃圾浆液的TS为10～12％，粒径＜10mm,VS/TS为82～85％，砂杂含量＜1.0％，pH为5.0～6.0，所述液体代谢物的SCOD为3515～4250mg/L。
本发明的有益效果是：
(1)区别于传统的厌氧发酵装置，本申请将水解酸化罐1和厌氧罐14联用，提升工艺效率，还配合回流泵20，调节pH值。本申请还设置换热系统，在水解酸化罐1的非进、出料的时间，能启动出料泵一7将水解酸化罐1内物料输往换热系统8，换热后的物料重新回到水解酸化罐1，这能实现水解酸化罐1内恒温。
(2)pH、氧化还原电位(ORP)和水力停留时间(HRT)是影响发酵类型的关键因素。本申请通过控制pH可以定向调控发酵类型的形成，较高的pH(＞5.5)有利于丁酸型和丙酸型发酵形成，而较低的pH(4.0～4.5)更利于乙醇型发酵的形成。区别为传统的水解产物丁酸、丙酸、乙酸、戊酸，本发明控制水解酸化罐1pH值范围为4.0-4.5，停留时间为5d，形成乙醇型发酵优势菌群，发酵主要产物为乙醇、乙酸和乳酸。而且本申请所需碱性试剂少，且必要时能不添加碱性试剂，经济性好。水解酸化罐1的代谢产物以乙醇、乳酸、乙酸为主，该类产物作为基质进行甲烷化，能快速实现甲烷化，大幅提高产甲烷反应器效率。水解酸化过程气体产物以二氧化碳为主，氢气和甲烷含量几乎为0，CSTR形式的水解酸化罐1产生的气体利用价值高，还能避免进入后端除臭系统，减少除臭投资成本及运行费用。水解酸化阶段有机负荷可达8-10kgVS/(m3·d)，产甲烷阶段容积负荷为24.3gCOD/(L.d)。显著提高两相厌氧工艺的处理效率。
(3)低pH条件下高效产酸颗粒污泥的厌氧罐14，反应器容积效率高，VFA类物质产量高。其中乙醇为中性物质不会引起pH下降，乙酸可以直接被乙酸型产甲烷菌利用。产生的气体中甲烷含量高、热值高，后续可利用价值高，同时也可减少沼气提纯的投资和运行费用。另外，本申请厌氧罐14的COD去除率较高，减轻了后端污水处理系统的难度，降低了污水处理系统能耗。
(4)高有机负荷和短停留时间能显著减少水解酸化罐1与厌氧罐14的罐体容积，明显降低工程总体投资和占地面积。而且因为本申请中水解酸化罐1和厌氧罐14的容积较小，所需配套的搅拌器、泵等设备(如液位计一2、温度传感器一3、搅拌器4、压力传感器5、气体分析仪一6、出料泵一7、换热系统8、pH检测仪15、液位计二16、温度传感器二17、气体分析仪二18、ORP分析仪19、出料泵三21)功率会相应降低，可大幅降低运行电耗，节省运行费用。
综上，通过控制环境参数，将厌氧产酸发酵过程(在水解酸化罐1中)的中间产物由常规的丁酸、丙酸、乙酸、戊酸等转变为乙醇、乳酸。中间产物的改变能大幅提高产酸发酵效率，促进产酸发酵。加上后端的厌氧罐14，提高了甲烷化。本申请还能大幅缩短传统厌氧工艺的停留时间，提高有机负荷，降低工艺难度，减少成本，节省工程造价，缩短投资回收期。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的整体结构示意图；
图中标记为：1.水解酸化罐；2.液位计一；3.温度传感器一；4.搅拌器；5.压力传感器；6.气体分析仪一；7.出料泵一；8.换热系统；9.缓冲池一；10.出料泵二；11.离心脱水机；12.缓冲池二；13.出料泵三；14.厌氧罐；15.pH检测仪；16.液位计二；17.温度传感器二；18.气体分析仪二；19.ORP分析仪；20.回流泵；21.出料泵三。
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例中所使用的设备或材料若如无特别说明，均可容易地从商业公司获取。在水处理中，以下缩写为通用缩写，具体含义在此不多赘述：
TS：总固体，
VS：挥发性固体，
VFA(s):挥发性脂肪酸，
COD：化学需氧量，
HRT：水力停留时间。
以下提及的CSTR发酵罐、沉淀池、UASB厌氧罐的工作原理为公知，在此不多赘述。
实施例1
参照图1，一种以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置，包括水解酸化罐1，优先水解酸化罐1为CSTR发酵罐，CSTR发酵罐优选体积为1000m3的CSTR发酵罐，水解酸化罐1上有在线仪表和自动控制系统，水解酸化罐1顶端安装有搅拌器4，搅拌器4向内穿入水解酸化罐1，水解酸化罐1的顶端还分别安装有压力传感器5和气体分析仪一6，气体分析仪一6用于分析水解酸化罐1内水解酸化得到的气体成分。压力传感器5用于检测水解酸化罐1内的压力。水解酸化罐1的侧面还分别安装有液位计一2和温度传感器一3，液位计一2用于监测水解酸化罐1内的液位高度，温度传感器一3用于监测水解酸化罐1内的温度。水解酸化罐1的侧面还连接有出料泵一7，出料泵一7连接缓冲池一9，出料泵一7和缓冲池一9之间的管道连接换热系统8的一端，换热系统8的另一端和水解酸化罐1连接，换热系统8优选为换热器，换热器优选为套管式换热器，换热器的冷、热源分别优选为外部的锅炉热水和冷却塔自来水。
缓冲池一9上安装有搅拌装置，缓冲池一9通过出料泵二10连接离心脱水机11，离心脱水机11优选为两相离心脱水机，离心脱水机11连接缓冲池二12，缓冲池二12位置高度与离心脱水机11，缓冲池二12通过出料泵三13连接厌氧罐14，厌氧罐14优选为UASB厌氧罐，UASB厌氧罐优选体积为400m3的UASB厌氧罐，厌氧罐14的一侧侧面分别安装有pH检测仪15和液位计二16以及温度传感器二17，厌氧罐14的顶部安装有气体分析仪二18，厌氧罐14的另一侧侧面分别安装有ORP分析仪19和连接有回流泵20，厌氧罐14还连接有出料泵三21。
厌氧罐14还连接外部的三相分离器。
其中，上述的“连接”含义都为管道式连接，缓冲池一9和出料泵二10之间也是管道式连接，缓冲池二12和出料泵三13之间也是管道式连接。未写明作用的装置在下述工艺和工作原理中具体阐明。
利用上述以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置进行的工艺，包括如下步骤：
S1.外部输送装置(优选泵)将餐厨垃圾浆液输送至水解酸化罐1进行水解酸化，以下参数，温度值由温度传感器一3检测，水解酸化罐1内的压力由压力传感器5检测，气体产物的成分由气体分析仪一6检测分析，水解酸化罐1内的液位变化由液位计一2检测。
餐厨垃圾浆液的进料条件为：TS为10～12％，粒径＜10mm，VS/TS为82～85％，砂杂含量＜1.0％，pH为5.0～6.0。
另外，碳水化合物、蛋白质和脂肪是餐厨垃圾中的三大有机成分，餐厨垃圾在经过前端分选、破碎、除杂、除砂、三相提油油后，进入水解酸化罐1内的餐厨垃圾浆液中剩下的成分包括碳水化合物、蛋白质、脂肪、纤维素、杂质中的至少一种，主要组分为碳水化合物和蛋白质，以干重计，碳水化合物(测定时用糖类表示)占比为47.2％，蛋白质占比为30.1％，脂肪占比为3.2％。
测得进料的餐厨垃圾浆液中TCOD为160±3.0g/kg，SCOD为136±3.0g/kg。因前端预处理工艺含加热提油，因此进料的餐厨垃圾浆料温度为45℃。
操作人员通过水解酸化罐1的在线仪表和自动控制系统调控水解酸化罐1内的参数为：pH为4.0～4.6，有机负荷为8-10kgVS/(m3·d)，HRT平均为5d，温度为恒温35±1℃，采用机械搅拌的形式进行搅拌，具体为搅拌器4搅拌餐厨垃圾浆液。
餐厨垃圾浆液在水解酸化罐1内反应后，得到水解酸化液和气体产物，水解酸化液的成分包括乙醇、乙酸、乳酸中至少一种，乳酸为其中最主要的代谢产物，浓度为8.1-15.5g/L；乙酸浓度为2.8±1.0g/L；乙醇浓度为1.2±0.6g/L。气体产物包括CO2、H2、CH4中的至少一种，二氧化碳的含量占气体总含量的98％，气体能从水解酸化罐1的上端侧面进入外部的储气系统，另外，外部的储气系统收集的气体只需要经过较为简单的提纯工艺就能进行后续利用。
水解酸化罐1每天均匀进出料次数根据实际需求决定，优选8次。
每日检测水解酸化罐1指标如下：
进料：进料量、TS、VS、pH。
罐内指标：有机负荷、VFA及各组分成分分析、pH。
气体指标：CO2、H2、CH4含量。
每周检测水解酸化罐1指标如下：
罐内指标：TS、VS、COD。
餐厨垃圾浆液在水解酸化罐1内结束反应后开始出料，出料中TCOD和SCOD分别为41.1±3.0g/L和27.2±3.0g/L。启动出料泵一7，出料泵一7将水解酸化罐1内的水解酸化液(即出料)泵入缓冲池一9，水解酸化液在缓冲池一9内沉淀缓冲，得到缓冲后的水解酸化液。
另外，在水解酸化罐1的非进、出料的时间，能启动出料泵一7将水解酸化罐1内物料输往换热系统8，换热后的物料重新回到水解酸化罐1，这能实现水解酸化罐1内恒温。
启动出料泵二10，将缓冲后的水解酸化液输送至离心脱水机11进行脱水，在离心力作用下，得到离心液和固渣，固渣含固率为20％，固渣可输送至外部作为营养土进行后续利用。离心液中SCOD为24.1±2.0g/L，离心液包含溶解性有机物，溶解性有机物包括VFA，VFA包括乳酸、乙酸、乙醇中的至少一种，乳酸浓度为6.4-12.1g/L；乙酸浓度为2.2±1.0g/L；乙醇浓度为0.9±0.5g/L。
反应后，离心液通过管道进入缓冲池二12进行沉淀缓冲，得到缓冲后的离心液，然后启动出料泵三13，将缓冲后的离心液输送至厌氧罐14进行颗粒性污泥培养，较大颗粒污泥的形状为椭球状和/或短杆状，较小污泥的形状为球状，颜色以黑灰色为主。颗粒污泥中的菌群包括球菌、杆菌和长杆菌以及产甲烷菌中的至少一种。其中，在产甲烷菌中，以乙酸为基质生成甲烷的产甲烷髦毛菌Methanosaeta spp.为颗粒污泥中的优势菌群，丰度达到48.65％，以H2和CO2为基质生成甲烷氢营养型的Methanolinea(甲烷绳菌属)、Methanospirillum(甲烷螺旋菌属)丰度占比较少，两者分别为15.3％和5.34％。
以下参数，厌氧罐14内pH值由pH检测仪检测，温度值由温度传感器二17检测，气体产物的成分由气体分析仪二18检测分析，厌氧罐14内的氧化还原状态的综合指标由ORP分析仪19检测反馈。
缓冲后的离心液在厌氧罐14内HRT为2d，容积负荷为24.3±2.0gCOD/(L.d)。反应结束后，得到液体代谢物和气体代谢物，液体代谢物的SCOD为3515～4250mg/L，SCOD去除率为81％～85％。液体代谢物包括VFA，VFA包括乳酸、乙酸、丙酸中的至少一种，丙酸含量最高，为350mg/L。
气体代谢物包括沼气，沼气中甲烷比例为70％-80％，平均甲烷产率为256ml/gCOD。气体代谢物被外部的三相分离器收集，后续经过脱硫处理，能继续被利用。
整体工艺中，物料在水解酸化罐1和厌氧罐14内的总HRT为7d，在水解酸化阶段(水解酸化罐1内)，ORP为-236mv至-239mv；在产甲烷阶段(厌氧罐14内)，ORP为-287mv至-293mv。
需要出料时，启动出料泵三21，将厌氧罐14内的液体代谢物排出厌氧罐14。
实施例2
参照图1，一种以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置、工艺，区别于实施例1，进一步的，当需要调节厌氧罐14内的pH值时，启动回流泵20回流液体代谢物至厌氧罐14内调节pH值或者投放药剂调节碱度，药剂包括氢氧化钠和/或碳酸氢钠。这能控制厌氧罐14中pH值为7.2-7.5。其余步骤与实施例1相同。
实施例3
一种以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置、工艺，区别于实施例1和2，进一步的，根据需求，在温度较低，如冬季时，操作人员可在进水管道上设置补温装置，优选采用蒸汽或者热水进行补温，维持水解酸化罐1和厌氧罐14的温度都为恒温35±1℃。其余步骤与实施例1或2相同。
对比例1
一种传统厌氧发酵装置、工艺，按照传统的以丁酸、丙酸、乙酸、戊酸产酸相产物的两相厌氧工程，原料、步骤和条件与实施例1基本相同。不同之处在于，水解阶段(水解酸化罐1内)不人为调节pH，产甲烷阶段采用传统CSTR工艺，即将实施例1的厌氧罐14替换为CSTR厌氧发酵罐。
将实施例1和对比例1的性能进行对比，结果参照下述表1。
表1
结果分析：和对比例1相比，即和传统技术相比，实施例1阶段产物不同，能缩短整体工艺的HRT时间，对比例1的HRT能达到实施例1的4.5倍，对比例1的有机负荷较低，从而影响厌氧发酵效率，降低产气率，增加厌氧发酵的运行成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置，其特征在于，包括水解酸化罐(1)，所述水解酸化罐(1)通过缓冲池一(9)连接离心脱水机(11)，所述离心脱水机(11)通过缓冲池二(12)连接厌氧罐(14)。
2.根据权利要求1所述的以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置，其特征在于，所述水解酸化罐(1)上分别有液位计一(2)、温度传感器一(3)以及搅拌器(4)。
3.根据权利要求1所述的以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置，其特征在于，所述水解酸化罐(1)上分别还有压力传感器(5)和气体分析仪一(6)，所述水解酸化罐(1)还连接换热系统(8)。
4.根据权利要求1所述的以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置，其特征在于，所述水解酸化罐(1)和所述缓冲池一(9)之间有安装在所述水解酸化罐(1)上的出料泵一(7)；所述缓冲池一(9)和所述离心脱水机(11)之间有安装在所述缓冲池一(9)上的出料泵二(10)；所述缓冲池二(12)和所述连接厌氧罐(14)之间有安装在所述缓冲池二(12)上的出料泵三(13)。
5.根据权利要求1所述的以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置，其特征在于，所述厌氧罐(14)上分别有pH检测仪(15)、液位计二(16)以及温度传感器二(17)。
6.根据权利要求1所述的以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置，其特征在于，所述厌氧罐(14)上分别还有气体分析仪二(18)和ORP分析仪(19)，所述厌氧罐(14)还分别回流泵(20)和出料泵三(21)。
7.根据权利要求1所述的以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置，其特征在于，所述水解酸化罐(1)为CSTR发酵罐，所述厌氧罐(14)为UASB厌氧罐。
8.一种利用权利要求1～7任意一项所述的以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置的工艺，其特征在于，包括如下步骤：
将餐厨垃圾浆液输送至所述水解酸化罐(1)进行水解酸化，控制所述水解酸化罐(1)中pH为4.0～4.6，得到水解酸化液和气体产物，将所述水解酸化液输送至缓冲池一(9)进行沉淀缓冲，得到缓冲后的水解酸化液，将所述缓冲后的水解酸化液输送至离心脱水机(11)进行脱水，得到离心液和固渣，将离心液输送至缓冲池二(12)进行沉淀缓冲，得到缓冲后的离心液，将所述缓冲后的离心液输送至厌氧罐(14)进行颗粒性污泥培养，得到液体代谢物和气体代谢物。
9.根据权利要求8所述的以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置的工艺，其特征在于，回流泵(20)回流所述液体代谢物至所述厌氧罐(14)内来调节厌氧罐(14)的pH值或投放药剂调节厌氧罐(14)的pH值，所述药剂包括氢氧化钠和/或碳酸氢钠。
10.根据权利要求8所述的以乙醇作为餐厨垃圾中间产物的厌氧发酵装置的工艺，其特征在于，物料在水解酸化罐1和厌氧罐14内的总HRT≤7d。
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