專利名稱：一種連續(xù)固態(tài)發(fā)酵餐廚垃圾生產(chǎn)氫氣和甲烷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于廢棄物資源化利用技術(shù)，特別涉及一種連續(xù)固態(tài)發(fā)酵餐廚垃圾生產(chǎn)氫氣和甲烷的方法。
背景技術(shù)：
餐廚垃圾指的是指居民日常生活以及食品加工中產(chǎn)生的食物廢料，來源主要集中在酒店、食品工廠、學(xué)校、政府、科研機構(gòu)等，是城市生活垃圾的豐要組成部分。餐廚垃圾主要成分包括米和面粉類食物殘余、蔬菜、動植物油、肉骨等，從化學(xué)組成上，有淀粉、纖維素、 蛋白質(zhì)、脂類和無機鹽。近年來，隨著我國城市人民生活水平的提高，餐廚垃圾的產(chǎn)生量迅速增加。清華大學(xué)環(huán)境系固體廢物污染控制及資源化研究所的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，中國城市每年產(chǎn)生餐廚垃圾不低于6000萬噸。國內(nèi)主要城市的餐廚垃圾產(chǎn)生量均已超過1000噸/天，其中北京高達 1600噸/天，上海達1300噸/天，杭州也在1000噸/天左右。從目前國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展看，適合大規(guī)模集中處理餐廚垃圾的技術(shù)主要有高溫消毒或微生物發(fā)酵制取動物飼料、好氧發(fā)酵堆肥、厭氧消化制取沼氣和肥料、熱解處理、焚燒處理和酶解發(fā)酵乙醇等技術(shù)。餐廚垃圾制取飼料雖然可以充分利用餐廚垃圾中的營養(yǎng)成分，具有很好的資源化效果，但是這種方式生產(chǎn)的飼料的安全性較差，比如這種飼料可能引起口蹄疫和瘋牛病?；谶@種考慮，從餐廚垃圾生產(chǎn)動物飼料在許多國家是明令禁止的。 通過好氧堆肥可以生產(chǎn)有機肥料。但是這種技術(shù)生產(chǎn)能耗較大，操作過程較復(fù)雜，設(shè)備投資大，目前餐廚垃圾主要集中產(chǎn)生于大城市，而有機肥的使用卻在農(nóng)村地區(qū)，肥料的銷路也有問題。熱解處理餐廚垃圾可以得到燃油等產(chǎn)品，但是餐廚垃圾的熱值偏低，含水量較高，熱解前期需要消耗較多的外部熱能，從而增加成本。焚燒處理可以實現(xiàn)較好的減容性，但是餐廚垃圾熱值偏低，高含水率會導(dǎo)致焚燒爐內(nèi)燃燒不完全，促進二噁英的生成。相比較而言，生物厭氧消化處理可以做到較大程度的資源化、能源化，技術(shù)風(fēng)險較小，對餐廚垃圾收運和存放時間要求較低。國內(nèi)對餐廚垃圾發(fā)酵氫氣和甲烷進行了大量研究。比如，申請?zhí)?00910040914. X的發(fā)明專利公開了一種固體有機廢棄物厭氧干發(fā)酵氫甲烷聯(lián)產(chǎn)的方法。該專利將產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷階段進行了人為的空間分離，避免了常規(guī)產(chǎn)沼氣技術(shù)存在的酸積累、抑制產(chǎn)甲烷菌活性的問題，同時實現(xiàn)了以甲烷為主的生物燃氣的連續(xù)生產(chǎn)。申請?zhí)枮?00710028223. 9的發(fā)明專利公開了一種利用廚余垃圾常溫厭氧發(fā)酵的方法。 該工藝在發(fā)酵前對原料進行熱處理，然后進行氫氣發(fā)酵，側(cè)重要氫氣的生產(chǎn)。發(fā)明專利ZL 200610027750. 3公開了一種礦化垃圾協(xié)同泔腳廢棄物和污泥聯(lián)合產(chǎn)氫的方法。該工藝實現(xiàn)了對填埋垃圾的資源化利用，成本較為低廉。申請?zhí)枮?00910072665. 2的發(fā)明專利公開了一種適合于寒冷地區(qū)的生物質(zhì)產(chǎn)能裝置，該裝置主要針對東北的寒冷地區(qū)，利用太陽能，燃氣熱水器等為產(chǎn)能裝置提供熱量供應(yīng)，從而保證該系統(tǒng)可以四季循環(huán)運行。通過上述分析可以看出，為了處理日益增加的餐廚垃圾，生產(chǎn)工藝的連續(xù)性非常重要，連續(xù)性才能保證設(shè)備的高效運行。同時，必要的預(yù)處理對于發(fā)酵的速度也至關(guān)重要，沒有適當?shù)念A(yù)處理就難以保證發(fā)酵的速度。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的隨著社會生活的日益發(fā)展，人民生活水平日益提高，餐廚垃圾在我國的產(chǎn)量逐年增加。餐廚垃圾如果不能及時處理將會產(chǎn)生異味、滋生細菌和病毒并傳播疾病， 給環(huán)境衛(wèi)生帶來惡劣的影響。但是另一方面，餐廚垃圾又是放錯地方的資料，其含有豐富的養(yǎng)分，如能充分利用將會產(chǎn)生顯著的社會和經(jīng)濟效益。本發(fā)明的目的就是提高厭氧消化處理的效率，發(fā)明一種連續(xù)固態(tài)發(fā)酵餐廚垃圾生產(chǎn)氫氣和甲烷的方法，在處理廢棄物的同時為社會提供能源供應(yīng)。

本發(fā)明的構(gòu)思傳統(tǒng)的厭氧消化是通過液態(tài)發(fā)酵的方法進行的。餐廚垃圾的一個特點是其組成十分復(fù)雜，且還有較多的不溶性底物，這樣的底物作為液態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基時需要先進行粉碎均漿，然后再加入一定比例的水。這樣的工藝就造成了生產(chǎn)能耗增加，同時發(fā)酵結(jié)束后還要處理大量的有機廢水。相對于液態(tài)發(fā)酵，固態(tài)發(fā)酵是在不含有游離水的固態(tài)物料上進行的節(jié)水節(jié)能的綠色發(fā)酵方式，而餐廚垃圾這樣的發(fā)酵底物實際上更適于固態(tài)發(fā)酵(或干發(fā)酵)。本發(fā)明技術(shù)方案本發(fā)明通過以下步驟實現(xiàn)連續(xù)固態(tài)發(fā)酵餐廚垃圾生產(chǎn)氫氣和甲烷(1)利用離心脫水機對餐廚垃圾進行液固分離，使餐廚垃圾的含水量降低到40-50% (w/w)之間；(2)對脫水后的餐廚垃圾進行汽爆處理，通過此步驟在1. 0-2. OMPa, 30-900秒的汽爆條件下對餐廚垃圾中的淀粉類和纖維素類原料進行預(yù)處理便于后續(xù)的降解和發(fā)酵； (3)將汽爆處理后的餐廚垃圾按照1 0. 1-0. 5比例(重量比)混合城市污水處理廠的污泥后送入連續(xù)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器中進行厭氧發(fā)酵；(4)發(fā)酵進行5-10天后停止污泥的添加， 汽爆后的餐廚垃圾單獨進料，同時開啟蠕動泵將反應(yīng)器底部的發(fā)酵渣以汽爆餐廚垃圾進料速度的5-30% (質(zhì)量比)打入反應(yīng)器頂部接種新進入的汽爆餐廚垃圾；(5)發(fā)酵過程中每 1-12小時啟動羅茨風(fēng)機一次將所產(chǎn)生的氣體帶出，同時對物料進行攪拌并刺激微生物的生長，每次啟動l-5min，流量為0. I-Im3 (氣體)/m3 (物料)/分鐘；(6)通過反應(yīng)器夾套的水溫控制反應(yīng)器內(nèi)部物料的溫度為34-37°C或54-65°C，反應(yīng)器中產(chǎn)生的氣體用作循環(huán)氣體，當氣體壓力高于0. IMPa時通過循環(huán)系統(tǒng)的三向閥將氣體導(dǎo)入氣體凈化器中凈化處理，脫硫、 分離二氧化碳后得到氫氣和甲烷氣體；(7)發(fā)酵完成的殘渣進一步干燥后用作有機肥料。本發(fā)明具有以下特點和優(yōu)勢1.通過汽爆對餐廚垃圾進行處理，實現(xiàn)了餐廚垃圾的消毒滅菌和纖維素原料的預(yù)處理，既優(yōu)化了生產(chǎn)環(huán)境條件，又增加了纖維素原料的降解率；2.采用固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)氫氣和甲烷，避免了后續(xù)的廢水處理，消除了治污的同時又產(chǎn)生新的環(huán)境污染的問題；3.采用連續(xù)發(fā)酵的生產(chǎn)工藝相對分批發(fā)酵大大增加了垃圾處理的效率，完全可以處理日益增加的垃圾處理量。


圖1連續(xù)固態(tài)發(fā)酵餐廚垃圾生產(chǎn)氫氣和沼氣工藝流程圖，1餐廚垃圾，2待處理廢水，3脫水餐廚垃圾，4汽爆餐廚垃圾，5氫氣，6甲烷，7硫化氫和二氧化碳，8有機肥，9高速離心機，10汽爆罐，11進料器，12螺旋進料器，13連續(xù)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)塔，14羅茨循環(huán)風(fēng)機，15 三向閥，16氣體凈化器，17螺旋出料器，18蠕動泵。
具體實施例方式下面結(jié)合附 圖通過實施例對本發(fā)明做進一步說明。實施例1從北京某大學(xué)食堂收集的餐廚垃圾，首先利用高速離心機9脫水收集的餐廚垃圾 1，使餐廚垃圾1的含水量降低到45% (w/w)。然后使用500L的汽爆罐10對脫水后的餐廚垃圾3進行汽爆處理，汽爆條件為蒸汽壓力1. 20MPa，汽爆維壓時間為180秒。經(jīng)過汽爆處理后的餐廚垃圾液化現(xiàn)象明顯，餐廚垃圾中的淀粉類和纖維素類原料明顯得到降解，這非常有利于后續(xù)的厭氧發(fā)酵。將汽爆處理后的餐廚垃圾4按照1 0. 2的比例(重量比)混合城市污水處理廠的污泥后送入連續(xù)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)塔13中進行厭氧發(fā)酵，物料從螺旋進料器12中進入，這個進料器在進料的同時會形成料塞，這樣就對反應(yīng)器起到了密封作用， 可以有效地保證反應(yīng)器內(nèi)部的厭氧環(huán)境。連續(xù)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)塔通過外表的夾套保持內(nèi)部溫度為34-37°C，通過調(diào)節(jié)螺旋進料器12和螺旋出料器17的運行速度，確保物料在反應(yīng)器內(nèi)部的停留時間為5天。發(fā)酵進行到第8天后停止污泥的添加，汽爆后的餐廚垃圾單獨進料， 同時開啟蠕動泵18將反應(yīng)器底部的發(fā)酵渣以汽爆餐廚垃圾進料速度的10% (質(zhì)量比)打入反應(yīng)器頂部接種新進入的汽爆餐廚垃圾。發(fā)酵過程中每4小時啟動羅茨風(fēng)機一次將所產(chǎn)生的氣體帶出，同時對物料進行攪拌并刺激微生物的生長，每次啟動5min，流量為0. 2m3 (氣體)/m3 (物料)/分鐘。反應(yīng)器中產(chǎn)生的氣體用作循環(huán)氣體，當氣體壓力高于0. IMPa時通過循環(huán)系統(tǒng)的三向閥15將氣體導(dǎo)入氣體凈化器16中凈化處理，脫硫、分離二氧化碳后得到氫氣和甲烷氣體。發(fā)酵完成的殘渣進一步干燥后用作有機肥料8。生產(chǎn)穩(wěn)定進行了 56天， 氫氣的平均產(chǎn)率為1. 5L/kg餐廚垃圾，甲烷的平均產(chǎn)率為45L/kg餐廚垃圾。實施例2從北京某大學(xué)食堂收集的餐廚垃圾，首先利用高速離心機9脫水收集的餐廚垃圾 1，使餐廚垃圾1的含水量降低到40% (w/w)。然后使用1000L的汽爆罐10對脫水后的餐廚垃圾3進行汽爆處理，汽爆條件為蒸汽壓力2MPa，汽爆維壓時間為60秒。經(jīng)過汽爆處理后的餐廚垃圾液化現(xiàn)象明顯，餐廚垃圾中的淀粉類和纖維素類原料明顯得到降解，這非常有利于后續(xù)的厭氧發(fā)酵。將汽爆處理后的餐廚垃圾4按照1 0. 1的比例(重量比)混合城市污水處理廠的污泥后送入連續(xù)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)塔13中進行厭氧發(fā)酵，物料從螺旋進料器12中進入，這個進料器在進料的同時會形成料塞，這樣就對反應(yīng)器起到了密封作用，可以有效地保證反應(yīng)器內(nèi)部的厭氧環(huán)境。連續(xù)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)塔通過外表的夾套保持內(nèi)部溫度為54-65°C，通過調(diào)節(jié)螺旋進料器12和螺旋出料器17的運行速度，確保物料在反應(yīng)器內(nèi)部的停留時間為6天。發(fā)酵進行到第10天后停止污泥的添加，汽爆后的餐廚垃圾單獨進料， 同時開啟蠕動泵18將反應(yīng)器底部的發(fā)酵渣以汽爆餐廚垃圾進料速度的9% (質(zhì)量比)打入反應(yīng)器頂部接種新進入的汽爆餐廚垃圾。發(fā)酵過程中每4小時啟動羅茨風(fēng)機一次將所產(chǎn)生的氣體帶出，同時對物料進行攪拌并刺激微生物的生長，每次啟動3min，流量為0. 5m3 (氣體)/m3(物料)/分鐘。反應(yīng)器中產(chǎn)生的氣體用作循環(huán)氣體，當氣體壓力高于0. IMPa時通過循環(huán)系統(tǒng)的三向閥15將氣體導(dǎo)入氣體凈化器16中凈化處理，脫硫、分離二氧化碳后得到氫氣和甲烷氣體。發(fā)酵完成的殘渣通過螺旋放料器17排出后進一步干燥后用作有機肥料8。 生產(chǎn)穩(wěn)定進行了 79天，氫氣的平均產(chǎn)率為1. 45L/kg餐廚垃圾，甲烷的平均產(chǎn)率為46. 3L/kg 餐廚垃圾。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)固態(tài)發(fā)酵餐廚垃圾生產(chǎn)氫氣和甲烷的方法，其特征在于該方法以餐廚垃圾為原料通過以下步驟生產(chǎn)氫氣和甲烷(1)利用離心脫水機對餐廚垃圾進行液固分離， 使餐廚垃圾的含水量降低到40-50% (w/w)之間；(2)對脫水后的餐廚垃圾進行汽爆處理； (3)將汽爆處理后的餐廚垃圾混合城市污水處理廠的污泥后送入連續(xù)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器中進行厭氧發(fā)酵；(4)發(fā)酵進行5-10天后停止污泥的添加，汽爆后的餐廚垃圾單獨進料，同時開啟蠕動泵將反應(yīng)器底部的發(fā)酵渣打入反應(yīng)器頂部接種新進入的汽爆餐廚垃圾；(5)發(fā)酵過程中用羅茨風(fēng)機的循環(huán)風(fēng)對物料進行攪拌并刺激微生物的生長；(6)通過反應(yīng)器夾套的水溫控制反應(yīng)器內(nèi)部物料的溫度，反應(yīng)器中產(chǎn)生的氣體用作循環(huán)氣體，當氣體壓力高于 0. IMPa時通過循環(huán)系統(tǒng)的三向閥將氣體導(dǎo)入氣體凈化器中凈化處理，脫硫、分離二氧化碳后得到氫氣和甲烷氣體；(7)發(fā)酵完成的殘渣進一步干燥后用作有機肥料。
2.如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)固態(tài)發(fā)酵餐廚垃圾生產(chǎn)氫氣和甲烷的方法，其特征在于，所述的汽爆預(yù)處理條件為蒸汽壓力1. 0-2. OMPa，停留時間30-900秒。
3.如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)固態(tài)發(fā)酵餐廚垃圾生產(chǎn)氫氣和甲烷的方法，其特征在于，所述的餐廚垃圾和污泥的重量比為1 0.1-0.5。
4.如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)固態(tài)發(fā)酵餐廚垃圾生產(chǎn)氫氣和甲烷的方法，其特征在于，將反應(yīng)器底部的發(fā)酵渣以汽爆餐廚垃圾進料速度的5-30%質(zhì)量比打入反應(yīng)器頂部接種新進入的汽爆餐廚垃圾。
5.如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)固態(tài)發(fā)酵餐廚垃圾生產(chǎn)氫氣和甲烷的方法，其特征在于，所述的循環(huán)風(fēng)為每1-12小時一次，每次l-5min，流量為0. I-Im3氣體/m3物料/分鐘。
6.如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)固態(tài)發(fā)酵餐廚垃圾生產(chǎn)氫氣和甲烷的方法，其特征在于，所述的反應(yīng)器內(nèi)部物料的溫度為34-37°C或54-65°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種連續(xù)固態(tài)發(fā)酵餐廚垃圾生產(chǎn)氫氣和甲烷的方法，通過以下步驟實現(xiàn)(1)脫水餐廚垃圾；(2)汽爆處理；(3)混合污泥啟動連續(xù)固態(tài)發(fā)酵；(4)發(fā)酵啟動后餐廚垃圾單獨進料，同時用底部發(fā)酵渣在頂部接種新進入的汽爆餐廚垃圾；(5)發(fā)酵過程中用循環(huán)風(fēng)對物料攪拌；(6)當氣體壓力高于0.1MPa時自動提取分離；(7)發(fā)酵完成的殘渣進一步干燥后用作有機肥料。本發(fā)明具有如下優(yōu)勢通過汽爆對餐廚垃圾進行處理，增加了原料的降解速率；采用固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)氫氣和甲烷，避免了后續(xù)的廢水處理；采用連續(xù)發(fā)酵工藝增加了效率。
文檔編號C12P3/00GK102168109SQ201110034289
公開日2011年8月31日 申請日期2011年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月1日
發(fā)明者李宏強, 陳洪章 申請人:中國科學(xué)院過程工程研究所