CN1686624A - 生活垃圾化学稳定化处理技术 - Google Patents

Abstract

生活垃圾化学稳定化处理技术属于有机固体废弃物处理及综合利用领域。本发明是采用化学方法对生活垃圾等有机固体废弃物进行快速化学稳定化，代替长期堆肥发酵的稳定化。化学稳定化处理技术就是对有机生活垃圾中含碳、氮的有机高分子化合物，进行快速降解成小分子，做为第一步骤。第二步骤进行分子重排固氨的美拉德反应，形成小分子碳氮复合物，可做为优质高效的有机氮肥和有机氮复合肥的主要成分。还可以开发其它高附加值产品。

Description

生活垃圾化学稳定化处理技术

本发明公开了生活垃圾化学稳定化处理技术

技术领域：

本发明属于有机固体废弃物处理及综合利用领域

背景技术：

目前，国内外，对生活垃圾等有机固体废弃物进行稳定化处理都采用长期的堆肥发酵法，时间为20天-30天；其结果虽然达到了传统意义上的稳定化，不再二次发酵产热，杀灭了大量的虫卵和病害菌；但负面的效应也很明显；因长期堆肥发酵，产生大量的温室气体和挥发性有毒有害气体；尤其是恶臭气体，对环境的污染很严重，招至蚊蝇寄生，易产生流行性传染病。由于长期堆肥发酵耗尽了70％以上营养物质，积累了大量的抑制性物质；即微生物毒素；有害重金属不能被微生物分解，挥发。由于有机物分解挥发，而使垃圾减量，使重金属相对累积量增大。堆肥因存在大量的微生物毒素和没有被杀灭的有害微生物；再加上一定量的重金属，从而失去了做肥料的价值。发达国家一开始，允许绿化用；做为土壤改良剂。后来，由于规避生态风险，不允许做绿化用，只能做卫生填埋厂的浮盖土。由于长期堆肥发酵易产生大量的易燃气体；如甲烷、一氧化碳、氢气等；经常发生燃烧和爆炸。

发明内容：

本发明的目的，是要解决生活垃圾等有机固体废弃物；通过堆肥发酵，达到传统意义上的稳定化所带来的一系列负面效应；以快速的化学稳定化技术代替传统的长期堆肥发酵的稳定化，克服了堆肥发酵的负面效应；其具体途径是通过化学催化降解固氨的方法；具体技术包括化学催化水解固氨；超高压汽水热裂解固氨；微波化学诱导催化分解固氨；等离子体化学催化裂解固氨；高温高压机械化学催化膨化热裂解固氨。化学催化降解温度为200℃-500℃，压力为1.0MPa-10.0MPa，反应时间为2min-2h。

化学催化降解固氨分二个步骤进行；第一个步骤，使易降解的有机物包括厨余、废果品、纸；木本与草植物剩余物和废弃物；动物皮革，布类的天然纤维、人造纤维、非塑料的化学合成纤维。化学组成是纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉、脂肪、粘多糖、蛋白质。第一步骤化学催化降解成小分子碳化物；为不同分子量的糖类；如葡萄糖、木糖、甘露糖，糖醇类；如丙三醇，糖醛酸类；如葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸，有机酸类；如甲酸、乙酸，脂肪类，苯丙烷类；如紫丁香基苯丙烷、愈创木基苯丙烷、对羟基苯丙烷。小分子氮化物；为不同分子量的肽类、氨基酸类、氨类。第二步骤；上述的小分子碳化物和小分子氮化物进行分子重排的美拉德反应；即催化固氨反应，形成不同分子量的小分子碳、氮复合物；包括不同分子量的小分子糖铵、糖醇铵；糖醛酸铵、有机酸铵、脂肪酸铵；氨基紫丁香基苯丙烷，氨基愈创木基苯丙烷、氨基对羟基苯丙烷。第二步骤，分子重排催化固氨的反应温度；为70℃-300℃，压力为1.0MPa-3.0MPa，反应时间为0.5h-4.0h，固氨反应分内源性固氨和外源性固氨；内源性固氨指利用有机废弃物本身所含的氨或氨基化合物固氨；外源性固氨是为了增加有机氮肥的氮素营养，外加液氨或氨水强化固氨叫外源性固氨。固氨过程中固氨量的计算；以纤维素、淀粉组成中的葡萄糖单元固氨为例；一个葡萄糖单元固定一个氨基计算，固定的氮为葡萄糖铵总量的6％。一个葡萄糖单元最多能固定三个氨基，最高含氮量达18％。

第一步骤；化学催化降解所用催化剂共三种；酸性催化剂，碱性催化剂，电化学催化剂。酸性催化剂包括无机酸如盐酸、硝酸、硫酸、氢氟酸、氟硅酸、氨基磺酸；有机酸包括挥发性有机酸和不挥发有机酸；酸性氧化物；如三氧化硫、二氧化硫，强酸弱碱盐；如硫酸铵、硫酸镁。碱性催化剂包括碱金属、碱土金属的氧化物、氢氧化物、弱酸强碱盐，氨类包括氨的氢化物、氢氧化物、有机胺，碱金属、碱土金属的氧化物、氢氧化物；包括；氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化镁，氧化钠、氧化钾、氧化镁，弱酸强碱盐包括碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸镁，乙酸钠、乙酸钾等。氨的氢合物、氢氧化物、有机胺包括氨、氢氧化铵，有机胺包括甲胺、乙胺、丙胺、丁胺、季胺。电化学催化剂包括电解水中的酸性水和碱性水，电解食盐产生的盐酸、氢氧化钠、次氯酸钠等。

利用有机废弃物经化学催化降解自身产生的催化剂；例如半纤维素降解过程中脱乙酰基产生乙酸；木质素降解过程中脱甲氧基产生甲酸；蛋白质降解过程中，产生氨基酸，都可做为催化剂，不在另加催化剂，叫自身催化剂；也叫内源性催化剂。有机废弃物经厌氧发酵的初始阶段为水解酸化阶段，产生大量混合有机酸做催化剂；也叫自身催化或内源催化。靠自身产生的有机酸做催化剂具有节约成本，不用外购；但催化剂反应时间太长，达十小时以上，造成设备尺寸很大，也有不经济的问题。催化剂加量一般以无机H⁺计算为有机质的0.1％-5％。

第二步骤分子重排的固氨反应所用催化剂为碱性催化剂同第一步骤化学催化降解的碱性催化剂相同；加量用固氨物料的PH控制，为6-9。

化学催化降解固氨的稳定化处理流程、方法具体是有机废弃物；如生活垃圾先经破袋、分选、去杂、资源回收，纯化的有机物占95％时先破碎，然后进化学催化降解罐。加催化剂，有先加和后加之分；先加，需将催化剂同有机物用混拌机混和均匀，然后再进化学催化降解罐，后加催化剂，为先将有机物经破碎后，进化学催化降解罐；然后，在降解罐外，加一套催化剂循环装置，用高压泵将液体催化剂经喷头喷入降解罐的上部，流经整个料层，渗滤到罐底部，再流回催化剂罐，往复循环，使催化降解反应均匀。降解产物分两个部分；一个是液体部分，一个是固体部分。对于液体部分，加入固氨催化剂后，进行固氨反应，PH控制在6-9，反应时间为0.5h-4h，温度为70℃-300℃，压力为1.0MPa-3.0MPa。反应完成后，经四效薄膜蒸发器进行蒸发浓缩。热源用化学催化降解后的尾气。浓缩到含固量由3％-5％浓缩到40％-70％。可以通过调整氮、磷、钾养分的合适比例，制成有机氮液肥和有机氮复合液肥；也可同固氨脱水粉状物料混合后，干燥脱水，制成固体的有机氮肥或有机氮复合肥。可以用内源固氨、只调整PH值不另加液氨和氨水制成普通有机氮肥。也可另加液氨和氨水进行外源性固氨再掺磷、钾及中、微量元素生产高养分有机氮复合肥。

生活垃圾中的有机物通过化学催化降解成小分子碳化物和氮化物；然后经分子重排，催化固氨生成碳氮复合物，达到稳定化。其原理是碳氮复合物中的碳氮结合键中，碳的原子半径小于氮的原子半径，所以碳的电负性比氮的大，电子云偏向碳原子一方，使氮原子呈阳离子状态，呈现正电荷。微生物表面是负电荷，两者一接触，微生物就受到抑制，或被杀灭，不能继续繁殖，也就不能发酵产热，从而达到了稳定化。另外，小分子碳氮复合物相当部分呈水溶性状态，其浓度远大于微生物细胞液浓度，二者一接触，使微生物细胞液中水份倒渗；从而使微生物失去生命，不能存活。由于上述两方面的原因，使有机废弃物通过化学催化降解固氨的化学方法达到快速稳定化。

本发明的积极效果是通过化学催化降解固氨达到快速稳定化。在此过程中，没有二次污染物放出，尾气中存在微量甲酸和乙酸，不是国家规定的禁止排放的污染物，通过吸收塔吸收，用石灰中和成难溶的甲酸钙和乙酸钙，返回到肥料中，补充中量元素钙。由于稳定化，不产生恶臭，使处理厂没有蚊蝇寄生，很清洁。由于处理时间短，使处理装置占地面积小，不足堆肥占地的四分之一。

本发明的积极效果还表现在生成的有机氮肥和有机氮复合肥将无机氮转化成有机氮，使有机和无机部分通过美拉德反应而固氨，形成一体化。打破了化肥行业只能靠二氧化碳固氨和酸固氨的传统模式。本发明使肥料行业增加了新的品种；有机氮肥和有机氮复合肥；使碳氮平衡，被农作物根系一起吸收，从根本上避免了由于单纯施用化肥造成的农产品的硝酸盐、亚硝酸盐的化学残留。

由于有机氮肥和有机氮复合肥属中、长效肥，养分利用率由纯化肥的20％-30％提高到50％-60％。避免了纯化肥在土壤中的氨挥发损失；同时也避免了硝化，反硝化的挥发损失；还避免了纯化肥由于在土壤中快速自然流动到土壤深层和地表径流中的淋溶损失；进而避免了污染地下水和地面水资源。由于有机氮肥和有机氮复合肥的养分利用率高，肥效期长，较低含量就能达纯化肥的较高含量，使生产厂家的生产成本降低。农民买到的有机氮肥由于养分利用率高、省钱，减少了投入，增加了产出。在山东省济宁市对玉米，西红柿等所作的试验、示范表明；有机氮复合肥同纯化肥复合肥做对比试验得出，比纯化肥节省养分高达50％，使农民增产增收。由于无机氮转化成有机氮，微生物不能破坏碳氮键。只能降解糖单元互相连接的氧桥键，使分子量越来越小。作物根系直接吸收的是氨基糖类，避免了碳氮失衡的化学残留。本发明工艺所生产的是增产型绿色肥料；国际上，尤其是发达国家对于有机农产品的生产，不准施用化肥，只能施用传统有机肥，产量是施用化肥的三分之一。本发明所生产的有机氮复合肥在等养分条件下，同纯化肥复混肥比较，产量要高出20％-30％。

具体实施方式：

结合工艺流程图，具体说明实施例。

生活垃圾经分选；具体是筛选，结合风选，可利用的资源得到了回收。分选出的有机垃圾纯度为95％以上，进贮槽。然后经大倾角输送机送入化学催化降解罐；同时加入催化剂。催化剂为按一吨浓硫酸(98％)计，混合五吨磷矿粉(含P₂O₅30％以上)。加入量为纯有机质的20％，催化剂为反应过程中产生的游离硫酸和被释放的磷酸。物料装满后，打开锅炉高温高压蒸汽电动调节阀，通人过热蒸汽，温度为250℃，压力为1.4MPa，反应时间2小时。含酸降解液通过密封罐和泵同降解罐相连接并连续循环，使催化剂和物料混和均匀。降解反应完成后，关闭蒸汽阀门，降解液进固氨罐。降解罐通人锅炉经空压机热交换器进入热空气贮罐的热空气；温度为200℃，压力为0.7MPa，脱水时间1h，使物料含水量不超过40％时，关闭热风阀；使罐内保持0.3MPa的压力，打开降解罐底部的气动排料阀，一次性排料至泄料罐。泄料罐顶部的引风机在排料前打开。排料过程产生的水蒸汽及夹带微量甲酸、乙酸经引风机送至吸收塔底部进气口。降解罐正常运行产生的含甲酸、乙酸尾气也同样进入吸收罐底部进汽口。吸收液罐的吸收液为水。由泵打入尾气吸收塔顶部，通过喷头以雾状吸收液喷淋而下，同尾气逆流接触，尾气中所含微量甲酸、乙酸被水吸收。水体积为尾气体积的8％。当吸收液浓度高达5％时，进中和反应罐。水再重新补充。进中和反应罐时，加入石灰，进行中和反应。加入量以钙离子计，为甲酸加乙酸总量的3倍量，反应时间4小时，反应温度常温，形成的甲酸钙、乙酸钙难溶于水，用泵送至离心机，进行离心脱水后，含水量达50％左右，送至贮罐备用。进入泄料罐的降解物料，送自筛分机筛分，筛孔为12mm，筛下物进固氨罐。固氨时，加固氨催化剂氧化镁中和到PH等于7。固氨时的温度为150℃，压力为0.8MPa，反应时间2h。如生产普通有机氮肥，不用通液氨或加氨水；按农业部颁布的农业行业标准中的有机肥料营养指标控制。如生产高含氮量的有机氮肥和有机氮复合肥，需通入液氨或加入氨水。通人量或加入量按国家标准的有机无机复混肥控制。氮、磷、钾总量大于等于15％。如按20％控制，氮至少为8％，如减去原来有机氮肥中的有机氮2％，需再加6％的氮，折合液氨为7.3％，实际加液氨量为1吨有机质的8％。固氨反应温度为150℃，从锅炉蒸汽通到固氨罐夹层加热。脱水是用热风；温度为150℃，压力为0.3MPa，反应时间；通液氨终了计算4h，脱水时间1h。固氨罐尾气中有余氨，约200mg/L左右，用吸收塔吸收。尾气用引风机送至吸收塔底部，吸收液为水，用泵打入吸收罐上部的喷头，对尾气进行喷淋。吸收液水的加量为尾气体积的5％，分三层吸收。当吸收液中氨浓度达15％时，送至氨蒸发罐，蒸发温度为90℃，氨以蒸汽形式逸出，经氨压缩机压缩成液氨至贮罐，以利循环利用。固氨后的固体粉料，经罐内脱水达40％时，再经干燥机脱水，含水量达25％时，进入混和机；经薄膜蒸发器蒸发、浓缩由原来的5％浓缩到70％时，也同时进混和机；同时进入的还有乙酸钙、甲酸钙都充分混合，再经干燥机干燥；如生产普通有机氮肥，不加液氨，按农业部农业行业标准的有机肥料控制；含水量不大于20％。如生产高含氮的有机氮肥或有机氮复合肥时，含水量控制在不大于8％。干燥后的有机氮肥进贮槽，再进入电脑配料机。如生产有机氮肥，只加添加剂和中、微量元素后，进行造粒。造粒后，经干燥冷却机进行脱水干燥和冷却，然后进行计量、包装、封口后，再经输送机输送给码垛机，码垛入库。如生产有机氮复合肥，需加入磷肥、钾肥、中、微量元素，调节营养。在必要的情况下，还要加入化学氮肥，但使有机氮同无机氮之比，不能超过1∶1。有机氮比例越大越好，其它工艺环节如前所述。

Claims (8)

1.生活垃圾的化学稳定化处理技术，其特征在于第一步骤是生活垃圾中的易降解有机物，在催化剂作用下，快速降解成小分子碳化物和小分子氮化物。第二步骤也是在催化剂作用下，实行分子重排的美拉德反应而固氨，形成小分子碳氮复合物，可做为有机氮肥或有机氮复合肥的主要部分，完成了快速的化学稳定化；从而代替了传统的长期堆肥发酵的稳定化。

2.按权利要求1所述的化学稳定化，其特征在于易降解有机物包括厨余、果品、纸、草本及木本植物、动物皮草、布类的天然纤维、人造纤维、非塑料类化学合成纤维，化学组成是纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉、脂肪、粘多糖、蛋白质。

3.按权利要求1所述的化学稳定化，其特征在于化学催化降解固氨包括化学催化水解固氨；超高压汽、水、热裂解固氨；微波化学诱导催化分解固氨；等离子体化学催化热裂解固氨；高速高温机械化学催化膨化裂解固氨；降解温度为200℃～500℃，压力为1.0MPa～10MPa，反应时间为2min～2h。

4.按权利要求1所述的化学稳定化，其特征在于第一步骤降解有机物的催化剂包括酸性催化剂；碱性催化剂；电化学催化剂，酸性催化剂包括无机酸；有机酸；酸性氧化物；强酸弱碱盐；碱性催化剂包括碱金属、碱土金属的氧化物；氢氧化物；弱酸强碱盐，氨类包括无机氨、有机胺、氢氧化铵，电化学催化剂包括电解水产生的酸性水和碱性水；电解食盐产生的盐酸和碱；催化反应还包括内源性催化和外源性催化，内源性催化是有机物在降解过程中，产生的有机酸如半纤维在降解过程中脱掉的乙酰基形成的乙酸；木质素在降解过程中脱掉甲氧基形成的甲酸；蛋白质在降解过程中形成的氨基酸；脂肪在降解过程中形成的脂肪酸，都是内源催化剂，也是自身催化剂，有机物厌氧发酸的第一阶段；水解酸化阶段；产生的混合有机酸，做为催化剂；也属于内源催化剂；也是自身催化剂，酸性催化剂用量，以氢离子计，为有机质总量的0.1％～10％；碱性催化剂以氢氧根离子计，为有机质总量的0.1％～10％。

5.按权利要求1所述的化学稳定化，其特征在于第二步实行分子重排的美拉德反应固氨，其催化剂为碱性催化剂，其用量按PH控制为6-9，固氨反应时间为0.5h-4h，固氨反应温度为70℃～300℃，反应压力为1.0MPa～3.0MPa。

6.按权利要求1所述的化学稳定化，其特征在于快速降解成小分子碳化物，包括不同分子量的糖类；如葡萄糖、木糖、甘露糖，糖醇类；如丙三醇，糖醛酸类；如葡萄糖醛酸、半乳糖酸，有机酸类；如甲酸、乙酸，脂肪酸类，苯丙烷类；如紫丁香基苯丙烷、愈创木基苯丙烷、对羟基苯丙烷，小分子氮化物包括不同分子量的肽类、氨基酸类、氨类，形成小分子碳氮复合物；包括糖铵、糖醇铵、糖醛酸铵、有机酸铵、丙三醇铵、脂肪酸铵、氨基紫丁香基苯丙烷、氨基愈创木基苯丙烷、氨基对羟基苯丙烷等，固氨分为内源性固氨和外源性固氨；内源性固氨是利用有机物本身含氨基的化合物；如氨基酸和肽，外源性固氨是用外加液氨或氨水或碳酸氢铵做为氮源固氨，固氮量的计算方法按一个葡萄糖单元计算，固定一个氨基折算含氮量为6％，一个葡萄糖单元可固定1-3个氨基。

7.按权利要求6所述的生产有机氮复合肥的过程，基特征在于为了增加磷、钾成份，可用酸化磷矿粉做催化剂，按98％浓硫酸计算，一吨硫酸同含P₂O₅ 30％以上的磷矿粉3吨-10吨。加入量为有机质的5％～30％，因酸性强，中和酸性可用氧化镁；并做为固氨催化剂，以增加有机氮复合肥的中量元素，磷的不足部分可加磷肥补充；钾可直接加钾肥于固氨后的有机氮肥中，也可在加酸性磷钙粉同时加入。

8.按权利要求1所述的化学稳定化处理技术，其特征在于除适用于生活垃圾处理外，还适用于工农业有机废弃物和剩余物；包括人、畜、禽粪便；农作物桔杆；树叶、枝桠、锯屑、森林腐殖土；泥炭土，工业有机发酵废弃物；如酒精渣、柠檬酸渣、醋酸渣，利用植物为原料加工后的废弃物，如木糖醇渣、糠醛渣，制糖后的甜菜渣、甘蔗渣，罐头厂的果渣，还有污水处理厂的脱水活性污泥。