有机垃圾资源化回用系统 |
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| 申请号 | CN201621051781.8 | 申请日 | 2016-09-13 | 公开(公告)号 | CN206089691U | 公开(公告)日 | 2017-04-12 |
| 申请人 | 香港生产力促进局; | 发明人 | 马耀华; 李国材; 吴璇; 黄健伟; 邓扬招; 卓镇洋; 张国华; 毕玉岩; | ||||
| 摘要 | 本实用新型涉及有机垃圾资源化回用系统，包括依次相连的预处理单元、分解有机物单元及产甲烷单元；预处理单元：自动分类有机垃圾筛选机及 超 声波 预处理机；分解有机物单元：分解有机物反应器、物理沉淀缸；产甲烷单元：pH调节缸、产甲烷 生物 反应器 及 污泥 沉淀缸；筛选机出口与预处理机进口相连，预处理机出口与分解有机物反应器进口相连，分解有机物反应器出口与沉淀缸 营养液 进口相连，营养液出口与调节缸进口相连，调节缸出口与产甲烷生物反应器的进口连接；该反应器出口与污泥沉淀缸的进 水 口相连。系统具有占地小、能耗低、操作简单、运行成本低、产生臭气少及可将垃圾中的有机物资源全部有效 回收利用 ，无污水排出，不污染环境等优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种有机垃圾资源化回用系统，其特征在于：所述系统包括依次相连的预处理单元、分解有机物单元及产甲烷单元： |
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| 说明书全文 | 有机垃圾资源化回用系统[0001] 本案要求2016年3月23日提交的美国申请号为：62/311,916，发明名称为：新型2步食物垃圾回收系统(An Innovative 2-Stage Food Waste Recycling System)的优先权，其所记载的内容全部并入本文。 技术领域[0002] 本实用新型涉及一种垃圾资源化回用系统，特别地，涉及有机垃圾资源化回用系统。 背景技术[0003] 近年来，随着中国城镇化的加速发展，城市每天产生的垃圾数量在迅速增长，如何合理处理城市生活垃圾及将其进行资源化利用已成为一个热门话题。据统计，世界各国绝大部分城市垃圾中约40％为餐厨垃圾，该类垃圾的主要特征是富含粗蛋白和粗纤维等有机物，因而易腐坏并产生恶臭。另一方面，由于该类垃圾的含水量高，热值低，一般不能直接焚烧。现阶段，由于缺乏完善的处理设备及系统，城市垃圾已引发一连串严重的环境问题，包括食水、土壤和空气污染等。因此，关于该类垃圾的无害化、资源化和减量化处理日益受到各界的关注。 [0004] 传统上来说，厌氧消化工艺可有效地将垃圾中的有机物转化为沼气从而加以利用，各国政府也计划投资或建造了很多大型的集中式厌氧消化系统去处理城市中产生的有机垃圾。然而这种传统的集中式有机垃圾处理系统存在着许多局限，例如，处理系统占地大，需要复杂的垃圾物流运输系统，并且需要搭配复杂的垃圾分拣系统。另一方面，该类集中式的厌氧消化系统出来的最终产品主要有两种：生物沼气和沼渣。其中，产生的生物沼气一般会用于发电，由于需要复杂的设备才可以将沼气的热能转为电能，而且其能源效率是很低的。另一方面，产生的沼渣中含有难降解或不可降解的杂质，因而其营养价值较低，作为堆肥的效果差，市场收益较低。因此，一般而言，大型的集中式厌氧消化系统的经济回报是不高的，都需要政府投入大量的人力物力加以修建和维持。再加之，对于土地价值较高的城市来说，很难找到合适的地点去建造大型的集中式有机垃圾处理系统。因此，如何建造(尤其是在人口密集的城市)高效的有机垃圾处理系统已成为解决该类垃圾处理工艺的难点。实用新型内容 [0005] 本实用新型的主要目的在于提供新型有机垃圾资源化回用方法，以将垃圾中的有机垃圾全部变成具有市场价值的产品，实现有机垃圾的完全资源化利用。 [0006] 本实用新型的另一目的在于提供可应用于上述方法的系统。 [0007] 为此，一方面，本实用新型提供一种有机垃圾资源化回用方法，所述方法依次包括如下阶段： [0011] 本实用新型所述方法采用预处理阶段、分解有机物阶段及产甲烷阶段将垃圾中的有机物全部变成3种具有市场价值的产品，实现有机垃圾的完全资源化利用。这3种分别为废油脂、营养液(富含有机酸)及固体残渣(富含蛋白质)，其中所述废油脂可最终转化为生物柴油；所述营养液可最终可转化为生物沼气；固体残渣通过进一步的干燥处理后可最终转化为环保饲料，例如鱼饲料。此外，通过透膜过滤器可将转化过程中产生的水处理后回用至预处理阶段用于形成浆液，本实用新型所述方法通过3个阶段的配合可使整个方法无污水排出。 [0012] 本实用新型所述废油脂、营养液及固体残渣是根据所得分解物中成分的密度来定义的，所得分解物经过一定时间物理沉淀后，出现明显分层情况，最上层的是密度最低的废油脂；最下层是固体残渣(固体沉淀，总固体含量(TS)约为10％～15％)，该固体残渣多为经过微生物分解后的食物残余，因为经过水解发酵及酸化作用，剩余物中以大分子的蛋白质为主，经测定，蛋白质的含量约为30～40％；中间一层是富含有机酸的营养液(该营养液中的悬浮固体颗粒含量(SS)可少于5,000mg/L)，该液体中含有大量的有机酸，该类有机酸是产甲烷菌的食物，产甲烷菌会将该类水中的有机酸转化为甲烷。 [0013] 根据本实用新型的具体实施方式，在所述预处理阶段中： [0014] 采用自动分类有机垃圾筛选机处理所述垃圾，使垃圾中的有机物部分磨碎及与其他非有机物进行分离，并使磨碎后的有机物变成浆液； [0016] 缸体，其上部设有供所述垃圾投入的进料口，所述缸体的下部设有排料孔； [0017] 搅拌装置，能旋转地设于所述缸体内，并能通过旋转搅拌将所述垃圾中的有机垃圾研磨为有机物颗粒； [0018] 喷淋装置，朝向所述缸体内，并能朝所述排料孔喷洒液体，所述液体携带所述有机物颗粒经由所述排料孔冲出所述缸体外； [0020] 优选地，将垃圾中的有机物磨碎至直径小于2毫米。 [0021] 优选地，所述含纤维素的填充剂包括谷壳、木屑、秸秆中的一种或多种。 [0022] 优选地，使所述浆液的固体含量为5％～10％。 [0023] 采用自动分类有机垃圾筛选机可实现自动分类，无需复杂的垃圾分拣系统，节省了占地面积，人力成本等。本实用新型所述自动分类有机垃圾筛选机的工作原理是先将垃圾与一些富含纤维素的填充剂，如谷壳、木屑、秸秆的填充剂混合，通过机器缸体内的搅拌桨顺时针和逆时针的搅动将垃圾中的有机物部分磨碎，优选磨碎至颗粒直径小于2毫米；再通过缸体内设置的喷洒装置洒水至缸体内，从而将已磨碎的细小颗粒有机物随水冲出来；这些加入的喷洒水可来自于后续分解有机物反应阶段产出的富含有机酸的营养液或后续产甲烷阶段中的产水(例如透膜过滤器中的产水)：经过该机器处理后，垃圾中的有机物部分会变成均质浆液流出至下一个单元，优选浆液的固体含量为5～10％，而大块的难降解或不可分解的垃圾如动物骨头、木筷、一次性塑料餐具等物质则会继续留存在机器的缸体内。 [0024] 本实用新型所述自动分类有机垃圾筛选机为申请日为2016年7月1日向中国专利局递交的申请号为201610514680.8，发明名称为“一种自动分类有机垃圾处理系统”中的自动分类有机垃圾处理系统。本案以引用的方式将该案记载的内容全部并入。 [0025] 根据本实用新型的具体实施方式，在所述预处理阶段中： [0027] 超声波会引起空化作用，可将有机物部分的细胞壁或细胞膜破坏掉，使得细胞中的物质成分更好的释放出来，增加了浆液中有机物的可溶性，有利于缩短下一个分解有机物阶段中微生物菌的反应时间。 [0028] 根据本实用新型的具体实施方式，在所述分解有机物阶段中： [0029] 控制分解体系pH为3.5～6.5，温度为28～40℃及控制水力停留时间为2～5天；且[0030] 利用物理沉淀缸通过静置从分解后的混合物中分离出所述废油脂、所述营养液及所述固体残渣。 [0031] 优选地，所述分解有机物反应器还设置机械搅拌装置、pH计和/或温度控制装置。 [0032] 将pH及温度控制在该范围内，有利于微生物的水解、发酵及酸化，预处理阶段所得浆液在分解有机物反应器内的水力停留时间仅需2～5天，即可完成分解转化反应，流至下一个单元。 [0033] 如前所述，步骤(1)所得浆液(富含有机物的浆液)被微生物分解转化成3种产品：废油脂，富含有机酸的营养液和富含蛋白质的固体残渣。由于这3种产品的密度是不同的，所以经过一定时间物理沉淀后，可出现明显分层情况。最上层的是密度最低的废油脂，该类废油脂可经过回收后作为制造生物柴油的原料；最下层是富含蛋白质的固体残渣(总固体含量(TS)约为10～15％)，该类固体残渣可通过进一步的干燥处理后成为环保饲料的原材料；中间一层是富含有机酸的营养液(该营养液中的悬浮固体颗粒含量(SS)少于5,000mg/L)。 [0034] 根据本实用新型的具体实施方式，在所述分解有机物阶段中，所述有机物分解反应器稳态运行后，该反应器内的有效微生物菌种包括水解菌、发酵菌及产酸菌，以总菌的相对丰度计，有效微生物菌种占75％～95％。 [0035] 优选地，以总菌的相对丰度计，所述有效微生物菌种包括1～5％的水解菌、60～85％发酵菌及6～20％的产酸菌。 [0036] 有效微生物菌种的占比及各种菌的比例可按基因测序方法(优选16S rRNA Gene Sequencing)测序得到。 [0037] 采用上述微生物可使分解反应效率很高，处理有机物的速度快等优点。 [0038] 可应用于本实用新型的示例性水解菌包括但不限于梭菌属(Clostridium)和/或普氏菌属(Prevotella)水解菌。 [0039] 可应用于本实用新型的示例性发酵菌包括但不限于乳杆菌属(Lactobacillus)、乳球菌属(Lactococcus)、明串珠菌属(Leuconostoc)发酵菌中的一种或多种。 [0040] 本实用新型所述产酸菌包括产乙酸菌及酸化菌；可应用于本实用新型的示例性产乙酸菌包括但不限于醋菌属(Acetobacter)产乙酸菌。可应用于本实用新型的示例性酸化菌包括但不限于巨型球菌属(Megasphaera)酸化菌。 [0041] 根据本实用新型的具体实施方式，在所述产甲烷阶段中，所述产甲烷生物反应器为上流式厌氧污泥床反应器，且 [0042] 调节所述营养液或从所述物理沉淀缸中分离出的营养液的pH为6～7并使其进入所述上流式厌氧污泥床反应器； [0043] 控制该反应器内的温度28～40℃及水力停留时间为7～10天； [0044] 优选地，还控制所述透膜过滤器的水力停留时间为1～2天。 [0045] 本实用新型所述分解有机物阶段中产生的营养液若以可溶性化学需氧量(SCOD)计，其范围通常在20,000～100,000mg/L。经产甲烷阶段处理后，可下降至4,000～15,000mg/L。若进一步经透膜过滤器处理，还可进一步下降至1,000～8,000mg/L。 [0046] 考虑到整个回用系统的紧凑性，本实用新型优选采用上流式厌氧污泥床(UASB)反应器。富含有机酸的营养液可从该反应器的底部进入，而产生的生物沼气可在该反应器的顶部进行收集。另一方面，为了防止带有产甲烷菌的厌氧污泥大量流失的情况，在该UASB反应器后端还可配备有一个小型的沉淀缸，根据系统运行情况定期将沉淀缸内的厌氧污泥回抽至反应器中。 [0047] 将产甲烷生物反应器内的温度控制在28℃～40℃范围内可使反应器内的生长环境最适宜产甲烷菌的生长。富含有机酸的营养液中的绝大部分的有机物在水力停留时间为7～10天内转化为富含甲烷的生物沼气，甲烷的含量约为50％～85％。该气体可经过水汽分离及除硫等气体提纯装置后，进一步的提高甲烷含量。该单元反应后的出水中所含的有机物含量，若以可溶性化学需氧量(SCOD)计，范围通常在4,000～15,000mg/L。 [0048] 根据本实用新型的具体实施方式，在所述产甲烷阶段中，产甲烷生物反应器稳态运行后，该反应器内的有效微生物菌种包括产甲烷菌和产乙酸菌，以总菌的相对丰度计，有效微生物菌种占20～35％。 [0049] 本实用新型所述方法优选适用于餐厨垃圾。这些餐厨垃圾可来自于当地社区、食品加工厂和餐饮厂。 [0050] 另一方面，本实用新型开发了一种有机垃圾资源化回用系统，该系统可应用于本实用新型的方法。具体而言，所述系统包括依次相连的预处理单元、分解有机物单元及产甲烷单元： [0051] 所述预处理单元包括：自动分类有机垃圾筛选机及超声波预处理机； [0052] 所述自动分类有机垃圾筛选机包括研磨分离装置，所述研磨分离装置包括： [0053] 缸体，其上部设有供所述垃圾投入的进料口，所述缸体的下部设有排料孔； [0054] 搅拌装置，能旋转地设于所述缸体内，并能通过旋转搅拌将所述垃圾中的有机垃圾研磨为有机物颗粒； [0055] 喷淋装置，朝向所述缸体内，并能朝所述排料孔喷洒液体，所述液体携带所述有机物颗粒经由所述排料孔冲出所述缸体外； [0056] 所述分解有机物单元包括分解有机物反应器、物理沉淀缸； [0057] 所述产甲烷单元包括：pH调节缸、产甲烷生物反应器及污泥沉淀缸； [0058] 所述自动分类有机垃圾筛选机的物料出口与超声波预处理机的物料进口相连，所述超声波预处理机的物料出口与所述分解有机物反应器的物料进口相连；所述分解有机物反应器的物料出口与所述物理沉淀缸的营养液进口相连，所述物理沉淀缸的营养液出口与所述pH调节缸的物料进口相连，所述pH调节缸的物料出口与所述产甲烷生物反应器的物料进口连接；所述产甲烷生物反应器的物料出口与所述污泥沉淀缸的进水口相连。 [0059] 优选地，所述产甲烷单元还包括透膜过滤器，所述污泥沉淀缸的出水口与所述透膜过滤器的进水口相连。 [0060] 本实用新型所述自动分类有机垃圾筛选机如前所述，其可将垃圾中的有机物部分磨碎及与其他非有机物进行分离，并使磨碎后的有机物变成浆液。 [0061] 本实用新型所述超声波预处理机可对所得浆液进行超声。 [0062] 本实用新型所述分解有机物反应器为利用微生物菌将超声后的浆液经过微生物分解变成由废油脂、营养液及固体残渣组成的分解物的场所。 [0063] 本实用新型所述物理沉淀缸可通过静置从所述分解物中分离出所述废油脂、所述营养液及固体残渣。 [0064] 本实用新型所述pH调节缸可作为调节所述营养液的pH调节的场所，将其pH调节至6～7。 [0065] 本实用新型所述产甲烷生物反应器能利用厌氧活性污泥将所述营养液转化为含甲烷的生物沼气。 [0066] 本实用新型所述透膜过滤器可处理所述产甲烷生物反应器产生的水。优选地，所述透膜过滤器包括依次相连的中间缸、膜组件及产水缸；所述中间缸的物料进口与所述污泥沉淀缸的出水口相连。 [0067] 根据本实用新型的具体实施方式，在本实用新型所述回收系统中，所述自动分类有机垃圾筛选机中的所述喷淋装置与所述产水缸的出水口或所述物理沉淀缸的营养液出口相连。 [0069] 根据本实用新型的具体实施方式，在本实用新型所述回收系统中，所述分解有机物反应器还设置机械搅拌装置、pH计和/或温度控制装置。 [0070] 根据本实用新型的具体实施方式，本实用新型所述系统还包括污泥干燥装置，其与所述物理沉淀缸的固体沉淀物出口相连。 [0071] 根据本实用新型的具体实施方式，本实用新型所述系统还包括使整个系统自动化的自动控制装置。 [0074] 本实用新型提供的方法及系统特别适用于餐厨垃圾的资源化回收利用。该系统可连续地把垃圾中的有机物从其它难降解或不可分解的垃圾中分离出来，再利用微生物菌将其全部变成具有市场价值的产品，实现有机垃圾的完全资源化利用。 [0075] 本实用新型提供的新型有机垃圾资源化回用系统，用于将垃圾中的有机物从其它难降解或不可分解的垃圾中分离出来，并实现有机垃圾的完全资源化利用，所述有机垃圾资源化回用系统包括三个单元：预处理单元、分解有机物单元和产甲烷单元。 [0076] 如前所述的新型有机垃圾资源化回用系统，其中，利用微生物菌将垃圾中的有机物全部变成三种具有市场价值的产品。 [0077] 如前所述的新型有机垃圾资源化回用系统，其中，所述3种产品分别是： [0078] 废油脂，其可最终转化为生物柴油； [0079] 富含多种有机酸的营养液，其可最终可转化为生物沼气；及 [0080] 富含蛋白质的固体残渣，其可最终转化为环保饲料。 [0081] 如前所述的新型有机垃圾资源化回用系统，其中，所述预处理单元可包括： [0082] 自动分类有机垃圾筛选机，其可将垃圾中的有机物磨碎成细小颗粒，转变成固体含量为5％～10％的均质浆液流出； [0083] 超声波预处理机，其可将有机物的细胞壁或细胞膜破坏掉，使得细胞中的物质成分更好的释放出来，增加浆液中有机物的可溶性，缩短后续的反应时间。 [0084] 如前所述的新型有机垃圾资源化回用系统，其中，所述分解有机物单元可包括： [0085] 分解有机物反应器，其可配备机械搅拌装置，使得所述反应器内有机物与可分解有机物的微生物菌混合均匀，所述反应器内可设有可自动调节pH值及温度的装置，以维持反应器内的微生物菌在最适宜生长的环境，所述反应器的水力停留时间为2～5天； [0086] 物理沉淀缸，经过所述物理沉淀缸后，浆液分为三层，废油脂、富含多种有机酸的营养液及富含蛋白质的固体残渣。 [0087] 如前所述的新型有机垃圾资源化回用系统，其中，所述产甲烷单元可包括： [0088] 产甲烷生物反应器，所述反应器可为上流式厌氧污泥床(UASB)，并可在所述反应器后端配备有沉淀缸，根据系统运行情况定期将沉淀缸内的厌氧污泥回抽至反应器中，所述反应器内设有可自动调节温度的装置以维持反应器内的有效菌在最适宜生长的环境，所述反应器的水力停留时间为7～10天，营养液中的绝大部分的有机物将会在所述反应器中转化为富含甲烷的生物沼气； [0089] 透膜过滤器，所述透膜过滤器的水力停留时间设计值为1～2天，所述透膜过滤器用于处理产甲烷生物反应器的出水，将有用的微生物菌尽可能的保留在系统内不流失，并进一步的降解出水中所含的有机物。 [0090] 如前所述的新型有机垃圾资源化回用系统，其中，该透膜过滤器的全部产水可回用至预处理阶段中的有机垃圾筛选机中，因此整个系统无污水排出。 [0091] 本实用新型所述系统可将城市生活垃圾，特别是餐厨垃圾中的有机垃圾进行资源化回收利用的系统，其可把垃圾中的有机物从其它难降解或不可分解的垃圾中分离出来，通过厌氧消化过程，利用微生物菌可将垃圾中的有机物进行完全资源化利用回收。经过该系统处理后，垃圾中可降解的有机物质将变成3种具有市场价值的产品：废油脂(其可最终转化为生物柴油)、富含多种有机酸的营养液(其可最终可转化为生物沼气)及富含蛋白质的固体残渣(其可最终转化为环保饲料)。该系统具有占地小、系统能耗低、系统操作简单、运行成本低、产生臭气少及可将垃圾中的有机物资源全部有效回收利用，无污水排出，不污染环境等优点。因此，该系统可作为一般城市生活垃圾的有机资源回收处理系统将垃圾中可降解的有机资源进行回收利用。 [0092] 如图1所示，本实用新型所述系统主要有3个单元组成：预处理单元、分解有机物单元和产甲烷单元，相应地，采用该系统的方法分为3个阶段，分别为：预处理阶段、分解有机物阶段和产甲烷阶段。如图1所示，经过预处理单元后，复杂的有机物，如淀粉、纤维素、蛋白质、脂类等将会从垃圾中分离出来，进入到分解有机物单元。在该单元中，复杂的有机物例如有机垃圾中的碳水化物、蛋白质或脂肪会先被微生物菌分解为可溶性的有机物，然后再通过可产有机酸的微生物菌将这些可溶性有机物变成碳链更短的有机酸、乙醇、二氧化碳和氢气等。经过该阶段的分解反应后，有机物会转变成三种可资源回收利用的产物：废油脂，营养液和固体残渣。其中，废油脂可作为原料用于生产生物柴油；富含蛋白质的固体残渣可经过干燥后成为环保饲料(例如鱼饲料)的制造原料；富含可溶性有机酸的营养液将会进入到下一个产甲烷单元。在该产甲烷单元中，产甲烷菌会将有机酸进一步转化为主要成分是甲烷和二氧化碳的生物沼气。 [0093] 下面进一步对可应用于本实用新型的阶段及单元作详细说明： [0094] (1)预处理单元(对于与方法的预处理阶段) [0095] 如图2所示，有机垃圾的预处理单元可包括自动分类有机垃圾筛选机和超声波预处理机。该单元最主要的作用是连续地将垃圾中的有机物分离出来并被磨成颗粒很小的均质浆液，从而使得可资源化利用的有机物进入到下一单元进行生化反应；并通过超声波作用，加快后续的反应效率。关于有机垃圾筛选机和超声波处理机的详细说明如下： [0096] (a)自动分类有机垃圾筛选机 [0097] 自动分类有机垃圾筛选机如前所述。该筛选机的工作原理是先将垃圾与一些富含纤维素的填充剂，如谷壳、木屑、秸秆的填充剂混合，通过机器缸体内的搅拌桨顺时针和逆时针的搅动将垃圾中的有机物部分磨碎，优选磨碎至颗粒直径小于2毫米；再通过缸体内设置的喷洒装置洒水至缸体内，从而将已磨碎的细小颗粒有机物随水冲出来；这些加入的喷洒水，可来自于后续分解有机物反应单元产出的富含有机酸的营养液或后续产甲烷单元中透膜过滤器的产水；经过该筛选机处理后，垃圾中的有机物部分会变成均质浆液流出至下一个单元，优选该均质浆液的固体含量为5％～10％，而大块的难降解或不可分解的垃圾如动物骨头、木筷、一次性塑料餐具等物质则会继续留存在机器的缸体内。 [0098] (b)超声波预处理机： [0099] 由自动分类有机垃圾筛选机处理后的均质浆液进入到一个低频率的超声波预处理机中，优选地，该超声波的频率范围为20～60KHz。该超声波会在缸体内引起空化作用，可将有机物部分的细胞壁或细胞膜破坏掉，使得细胞中的物质成分更好的释放出来，增加了浆液中有机物的可溶性，因而有利于缩短下一个分解有机物单元中微生物菌的反应时间。 [0100] (2)分解有机物单元(对于与方法的分解有机物阶段) [0101] 大部分生化反应在分解有机物单元进行。如图3所示，该单元可包括分解有机物反应器和物理沉淀缸。经过预处理后的均质浆液中的复杂有机物在该反应器内会被分解成低分子可溶性有机物，然后再进一步转化为有机酸。经过该单元处理后，垃圾中的有机物转变成3种产品：废油脂，营养液及固体残渣，这3种产品会在一定时间物理沉淀后分层。关于分解有机物反应器和物理沉淀缸的详细说明如下: [0102] (a)分解有机物反应器 [0103] 绝大部分的水解、发酵、酸化反应都在这个生物反应器内完成。该生物反应器配备机械搅拌装置以提高生化反应的传质速率，使得反应器内有机物与微生物菌可以充分进行混合均匀，以此增加水解、酸化和发酵的速度。该反应器内可设有可自动调节pH值及温度的装置，反应器内pH值维持在3.5～6.5范围内，温度保持在28～40℃范围内，正常条件下，该反应器的水力停留时间为2～5天，将会流至下一个单元。 [0104] (b)物理沉淀缸 [0105] 富含有机物的浆液在分解有机物反应器中被微生物菌分解成3种产品：废油脂，富含可溶性有机酸的营养液和富含蛋白质的固体残渣。由于这3种产品的密度是不同的，所以经过一定时间物理沉淀后，可出现明显分层情况。最上层的是密度最低的废油脂，该类废油脂可经过回收后作为制造生物柴油的原料；最下层是富含蛋白质的固体残渣(总固体含量(TS)约为10％～15％)，该类固体残渣可通过进一步的干燥处理后成为环保饲料的原材料，在反应过程中，该固体残渣可回至分解有机物反应器以提高分解有机物反应器的有效菌种含量。当系统稳定运行后，固体残渣可不再进行持续回泥；中间一层是富含可溶性有机酸的营养液(该营养液中的悬浮固体颗粒含量(SS)少于5,000mg/L)。如图3所示，该营养液的去处可有两个：部分营养液可回流至前面的预处理单元中的有机垃圾筛选机中；部的营养液可进入到下一个产甲烷单元。该富含可溶性有机酸的营养液中有机物含量，若以可溶性化学需氧量(SCOD)计，范围在20,000～100,000mg/L。 [0106] (3)产甲烷单元(对于与方法的产甲烷阶段) [0107] 富含有机酸的营养液经过pH调节至6～7后，在产甲烷菌的作用下会被转化为富含甲烷的生物沼气。如图4所示，产甲烷单元可包括产甲烷生物反应器和透膜过滤器，关于产甲烷生物反应器和透膜过滤器的详细说明如下： [0108] (a)产甲烷生物反应器 [0109] 考虑到整个回用系统的紧凑性，本实用新型可采用上流式厌氧污泥床(UASB)反应器。富含有机酸的营养液可从该反应器的底部进入，而产生的生物沼气可在该反应器的顶部进行收集。另一方面，为了防止带有产甲烷菌的厌氧污泥大量流失的情况，在该UASB反应器后端可配备有一个小型的沉淀缸，根据系统运行情况定期将沉淀缸内的厌氧污泥回抽至反应器中。污泥驯化可在该反应器内完成，产甲烷生物反应器内的微生物菌会慢慢转变成颗粒污泥，使得该阶段的反应效率更高。实际应用该反应器时，将产甲烷生物反应器内的温度控制在28℃～40℃范围内可使反应器内的生长环境最适宜产甲烷菌的生长。富含有机酸的营养液中的绝大部分的有机物水力停留时间为7～10天内转化为富含甲烷的生物沼气，甲烷的含量约为50％～85％。该气体可经过水汽分离及除硫等气体提纯装置后，进一步的提高甲烷含量。该单元反应后的出水中所含的有机物含量，若以可溶性化学需氧量(SCOD)计，范围在4,000～15,000mg/L。 [0110] (b)透膜过滤器 [0111] 透膜过滤器最主要的作用是处理产甲烷生物反应器的出水，将有用的微生物菌尽可能的保留在系统内不流失，并进一步的降解出水中所含的有机物。经过透膜过滤器处理后的产水中所含的有机物含量，若以可溶性化学需氧量(SCOD)计，范围在1,000～8,000mg/L。该产水将会回用至预处理阶段中的有机垃圾筛选机中，因而整个系统无污水排出。透膜过滤器的水力停留时间为1～2天。 [0112] 本实用新型还具有如下有益效果： [0113] (1)在产甲烷单元中，控制营养液进入产甲烷生化反应器，在该反应器内有机酸被产甲烷菌转化成生物气(主要是甲烷及二氧化碳)。 [0114] 在分解有机物单元以及产甲烷单元的操作条件和细菌种类是不同的。本实用新型在两个分开的生物反应器内控制这两组细菌以期提高它们的效率。并且，在利用分解有机物单元的方法中从食物垃圾中产生的脂肪或油脂在产甲烷单元之前被去除以最小化对甲烷工序的干扰。此外，分开缓慢发热的产甲烷菌在分开的生物反应器内可保护甲烷化受食品垃圾性质的波动和使生物沼气的产生更加稳定和可控。 [0115] (2)不像传统的集中食物垃圾处理设施，本实用新型开发的系统无需负载的食物垃圾存储系统。通过预处理工序，可消耗的有机物质可磨成小的有机颗粒，其可容易地从例如动物骨头、纤维和牙签的惰性物质中分离。 [0116] 系统的分解有机物单元将食物垃圾分解成3种可资源回收利用的产物，即，废油脂，富含可溶性有机酸的营养液和富含蛋白质的固体残渣。其中，废油脂可作为原料用于生产生物柴油；富含蛋白质的固体残渣可经过干燥后成为环保饲料(例如鱼饲料)的制造原料；富含可溶性有机酸的营养液可进入到下一个产甲烷阶段。 [0117] 每吨食物垃圾(基于95％的有机碎片和70％的湿重)产生约10～50L废油脂、约100～200m3含50％～85％的生物气及约1～1.5m3干重量约10％～15％的湿固体残余物。该湿泥含有均质的有机颗粒，其可被进一步处理成有价值的产品，例如鱼饲料。 [0118] (3)在分解有机物单元中分解反应器的HRT为2～5天，而在产甲烷单元中的产甲烷反应器的HRT为7～10天。总的系统HRT短于传统的一步厌氧消化系统(20～30天)，可减少占地面积。 [0119] (4)不像传统的集中食物垃圾处理设施，该设施通常采用单一步骤的系统，本实用新型的系统可通过控制营养液进入产甲烷单元的进料速率，可控制产生生物气的速率，以便匹配生物气的产生和所需要的模式，以减少生物气的储藏。 [0121] 下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。 [0122] 图1是本实用新型回用方法具体实施方式的原理图； [0123] 图2是本实用新型预处理阶段具体实施方式的工艺流程图； [0124] 图3是本实用新型分解有机物阶段具体实施方式的工艺流程图； [0125] 图4是本实用新型产甲烷阶段具体实施方式的工艺流程图； [0126] 图5是实施例2所采用的回用系统的构造示意图，其中，图中标号具有如下意义： [0127] 1：自动分类有机垃圾筛选机；2：超声波预处理机；3：分解有机物反应器；4：物理沉淀缸；5：污泥干燥装置；6：pH调节缸；71：产甲烷生物反应器；72：污泥沉淀缸；8：透膜过滤器；81：中间缸；82：膜组件；83：产水缸；9：除臭装置；91：抽风机；10：自动控制装置。 具体实施方式[0128] 结合图5的示意图和实施例，进一步对本实用新型进行说明，但本实用新型的内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例中，未注明具体条件的实验方法为所属领域熟知的常规方法和常规条件，或按照仪器制造商所建议的条件。 [0129] 实施例1 [0130] 以香港普通连锁茶餐厅收集到的垃圾为例来进行说明。本实施例中所用的垃圾中除了米饭、粥粉面、蔬菜及肉外，还掺杂着少量的难降解或不能降解的垃圾，如牙签、骨头、一次性餐具等。本实施例中的有机垃圾资源化回用系统为连续进料模式，总处理量为每天50公斤未分拣过的餐厅垃圾。经测定，该类垃圾的总固体含量(TS)约为20％～40％，其中挥发性固体含量占总固体含量(VS/TS)约为90％～95％。 [0131] 本实施例利用如图5所述的有机垃圾资源化回用系统，所述系统包括依次相连的预处理单元、分解有机物单元及产甲烷单元： [0132] 所述预处理单元包括：自动分类有机垃圾筛选机1及超声波预处理机2； [0133] 所述自动分类有机垃圾筛选机包括研磨分离装置，所述研磨分离装置包括： [0134] 缸体，其上部设有供所述垃圾投入的进料口，所述缸体的下部设有排料孔； [0135] 搅拌装置，能旋转地设于所述缸体内，并能通过旋转搅拌将所述垃圾中的有机垃圾研磨为有机物颗粒； [0136] 喷淋装置，朝向所述缸体内，并能朝所述排料孔喷洒液体，所述液体携带所述有机物颗粒经由所述排料孔冲出所述缸体外； [0137] 所述分解有机物单元包括分解有机物反应器3、物理沉淀缸4； [0138] 所述产甲烷单元包括：pH调节缸6、产甲烷生物反应器71、污泥沉淀缸72及透膜过滤器8； [0139] 所述自动分类有机垃圾筛选机1的物料出口与超声波预处理机2的物料进口相连，所述超声波预处理机2的物料出口与所述分解有机物反应器3的物料进口相连；所述分解有机物反应器3的物料出口与所述物理沉淀缸4的物料进口相连，所述物理沉淀缸4的物料出口与所述pH调节缸6的物料进口相连，所述pH调节缸6的物料出口与所述产甲烷生物反应器71的物料进口连接，所述产甲烷生物反应器71的物料出口与所述污泥沉淀缸72相连，所述污泥沉淀缸72的出水口与所述透膜过滤器的进水口相连； [0140] 所述透膜过滤器包括依次相连的中间缸81、膜组件82及产水缸83；所述中间缸的物料进口与所述污泥沉淀缸的出水口相连； [0141] 所述回收系统还包括除臭装置9，所述除臭装置9分别与所述产水缸83及所述超声波预处理机2的相连，并且在该管路上设置抽风机91； [0142] 所述产水缸83的出水口与所述自动分类有机垃圾筛选机1中的所述喷淋装置相连。 [0143] 所述系统还设有自动控制装置10。 [0144] 本实施例所述方法包括如下步骤： [0145] (1)预处理阶段：约重50公斤的餐厅垃圾连续每日分批次投料至自动有机垃圾筛选机1中，经过该筛选机处理后，垃圾中的有机物会变成总固体含量(TS)为5％～7％，固体颗粒直径约为1～2mm的均质浆液流出，而大块的难降解或不可分解的垃圾如骨头、木筷、一次性塑料餐具等物质则会暂时留存在该筛选机内，而后再通过其他排料口定期排出。均质浆液随后将进入至超声波处理机2中再进行处理，超声波的频率范围设置为20～40KHz，该超声波处理机的水力停留时间约为30分钟。 [0146] (2)分解有机物阶段：经过预处理后的均质浆液将会持续自流至带有慢速搅拌器的分解有机物反应器3中，与该分解有机物反应器3内带有可分解有机物的微生物菌的接种物进行混合。该接种物的浓度以总固体含量(TS)计约为10％左右，其加入量约为该反应器整体容积的10％左右。该接种物富含水解菌、发酵菌及产酸菌等菌种，有效菌种的占比约为80％左右(接种物是在实验室内利用以米饭为主的餐厨垃圾加水后，总固体含量(TS)约为 10％左右的混合物，放置于密闭反应器内控制温度约35℃，维持机械搅拌速度在30rpm，自行发酵约30天后的混合物)。控制该反应器内温度约为30～40℃，pH值约为4～6，水力停留时间约为3天。当系统启动初期，物理沉淀缸静置沉淀后的部分固体沉淀物会回流至该反应器中，以增加反应器内的微生物菌含量。系统稳定运行约1个月后，停止回流，利用基因测序方法(16S rRNA Gene Sequencing)对该反应器内的均质浆液抽样并进行基因测序，发现该生物反应器中抽样样本内所含的有用菌种类别及占比见下表1所示： [0147] 表1 [0148] [0149] 然后，浆液会再流至水力停留时间约为1天的斜底的物理沉淀缸4进行静置沉淀实现固液分离，经过反应器中微生物菌分解后，预处理后的浆液变成3层：最上层为废油脂，约有0.5～1升/天，该类废油脂经测定后可作为生物柴油的原料；中间层为固体含量低于5000mg/L的富含有机酸的营养液，约有90升/天，该营养液会再经过泵抽至产甲烷生物反应器内转化为富含甲烷的生物沼气；最下层的固体沉淀物则为富含蛋白质的固体残渣，约有 0.6～0.7升/天，该类固体残渣经测定其成分与一般鱼饲料接近。具体各项成分与鱼饲料的对比见下表2所示： [0150] 表2 [0151] [0152] [0153] (3)产甲烷阶段：经测定，富含有机酸的营养液pH值约为4～5.5，可溶性化学需氧量(SCOD)约为30,000～80,000mg/L。将该营养液调节pH值约为6～6.5后经泵定时定量由底部泵入产甲烷生物反应器71(UASB反应器)中，该反应器中已存在带有产甲烷菌的厌氧污泥(该活性污泥可来自于利用厌氧工艺处理食品业废水或生活污水的污水站的厌氧罐内的污泥，本实施例污泥来自于广东省九江酒厂污水站厌氧罐内污泥)，其泥床高度约占整个反应器的20％～40％。当系统稳定运行3个月后，利用基因测序方法(16S rRNA Gene Sequencing)对反应器内的厌氧活性污泥抽样并进行基因测序，发现该生物反应器中抽样样本内所含的有用菌种类别及占比见下表3： [0154] 表3 [0155] [0156] 通过反应器内部的温控设备维持反应器内温度约为28～40℃，该反应器的水力停留时间约为7～10天。水中的有机物在该反应器内会转变成富含甲烷的生物沼气，并经UASB反应器顶部收集释出，再经过水气分离装置及脱硫装置将其中的水分及硫化氢去除后存储利用。经测定，该生物沼气中甲烷的含量约为70％～80％，二氧化碳含量约为15％～25％。UASB反应器后的出水中可溶性化学需氧量(SCOD)约为5,000～15,000mg/L，经过透膜过滤器再处理后，出水中的可溶性化学需氧量会进一步降低至1500～4000mg/L。膜的全部产水将会回用至预处理阶段的有机垃圾筛选机，因此，整个系统将无污水排出。 [0157] (4)其他附属装置：整个回用系统的主要附属装置有以下几项： [0158] (a)除臭装置9：由于垃圾在处理过程中会产生异味，整个回用系统中除产甲烷生物反应器及透膜过滤器外，其他会产生臭味的反应器或水缸将会进行完全密封处理，该类臭气会经由抽风机91抽至一个除臭装置9进行处理，经过处理后的气体再外排至大气中，针对不同的垃圾种类，可选用化学除臭药剂或生物滤塔的方式进行除臭。 [0159] (b)污泥干燥装置5：经微生物分解阶段处理后排出的最下层固体沉淀物为富含蛋白质的固体残渣，可采用低能耗高效率的污泥干燥装置5(如热泵)进行升温干燥，将其制备成动物饲料的原料。 [0161] 以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。需要说明的是，本实用新型的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本实用新型的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本实用新型理所当然地涵盖了与本案实用新型点有关的其它组合及具体应用。 |
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