CN115318810A

CN115318810A - 一种利用乙醇水共液化耦合厌氧发酵生产生物油及甲烷的餐厨垃圾处置方法

Info

Publication number: CN115318810A
Application number: CN202210953727.6A
Authority: CN
Inventors: 严密; 刘瑜; 张艳; 温晓强; 仓腾; 崔金涛; 陈�峰; 杨亚勇
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2022-08-10
Filing date: 2022-08-10
Publication date: 2022-11-11
Anticipated expiration: 2042-08-10
Also published as: CN115318810B

Abstract

该发明公开一种利用乙醇水共液化耦合厌氧发酵生产生物油及甲烷的餐厨垃圾处置方法。将餐厨垃圾破碎后添加至水热反应釜中，加入水和一定量乙醇，使用高纯氮气吹扫；将反应釜加热至设定温度，同时进行搅拌。反应结束后，降温到室温后对固、液两相进行萃取，实现固液分离，液相采用分液漏斗对萃取相和有机废水进行两相分离，萃取相通过旋转蒸发器得到生物油、二氯甲烷和乙醇，回收的乙醇和有机废水用于厌氧发酵生产甲烷，发酵后的废水又可用于液化阶段的补水。本发明系统相对完整，反应迅速；相比传统的厌氧发酵，餐厨垃圾无需干燥处理，节省了大量的能源消耗。不仅产生了生物油和甲烷，还解决了传统发酵反应周期长，产生大量沼液沼渣的问题。

Description

一种利用乙醇水共液化耦合厌氧发酵生产生物油及甲烷的餐厨垃圾处置方法

技术领域

本发明属于餐厨垃圾无害化和资源化利用领域，具体涉及乙醇水共液化耦合厌氧发酵生产生物油及甲烷的餐厨垃圾处置方法。

技术背景

餐厨垃圾是指家庭、食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生的食物加工下脚料(餐厨垃圾)、食用残余(泔脚)和废弃食用油脂。其成分包括淀粉类、食物纤维类、动物脂肪类等物质，是城市生活垃圾中有机相的主要成分。目前，对于餐厨垃圾的处置方式包括卫生填埋，厌氧发酵，好氧堆肥，生物饲料、昆虫养殖、焚烧等方式；由于餐厨垃圾含水率、油含量和盐含量高，且易腐烂和发臭，这些传统的处置方式均不能够有效对其进行处理，如厌氧发酵反应周期长，卫生填埋占地面积大，渗滤液将造成二次污染，好氧堆肥易造成土壤盐碱化且肥力效果差，焚烧能耗较高，因此亟需开发一种新的对餐厨垃圾资源化无害化的处置技术。

水热液化是一种利用高温高压水（200-350℃，5-15MPa），用以裂解和破坏生物质大分子结构，然后通过水解、脱羧、脱氨基、再聚合等一系列反应最终生成生物油、水相产物、气体（90%以上为CO₂）和固体的热化学转化技术。然而，餐厨垃圾液化过程产生的生物油含有大量的有机酸和含氮化合物，会增加生物油的酸性和腐蚀性，燃烧过程中将会产生大量的NOx有害气体，且黏度大杂质多，进而降低生物油的品质。

此外，餐厨垃圾液化过程中将会产生大量的有机废水，该有机废水中含有大量的可溶性有机物，总有机碳（TOC）可高达22300 mg/L，化学需氧量（COD）高达60000 mg/L，总氮（TN）高达10700 mg/L，氨氮（NH₃-N）可达到200 mg/L，是一种典型的高浓度有机废水，需要对其进行生化降解处理。

因此研究一种对餐厨垃圾水热液化处理，并对其产生的有机废水进行降解处理的餐厨垃圾处理工艺，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明专利针对上述问题提出了一种乙醇水共液化耦合厌氧发酵生产生物油及甲烷的餐厨垃圾处置方法，餐厨垃圾在乙醇水共液化过程中产生生物油，同时液化阶段产生的废水用于厌氧发酵产生甲烷，最终实现餐厨垃圾的无害化和资源化利用。

发明是通过下面的技术方案得以实现的：

一种乙醇水共液化耦合厌氧发酵生产生物油和甲烷的餐厨垃圾处置方法，包括以下步骤：

将待处理的餐厨垃圾粉碎，在其粒径在1.3~7.6mm之间，搅拌均匀后添加至水热反应釜中；

在水热反应釜中添加水和乙醇后，保证餐厨垃圾含水量为80-90%，优选为85%，且乙醇和水的比例为3：5；

使用高纯氮气自下而上排除釜内空气以达到无氧环境，关闭进出阀门；

打开磁力搅拌器，保持转速为80-100rpm之间；

打开电加热控制器，将水热反应釜加热至设定温度（260-320℃），压力为10-15MPa;

达到设定温度和压力，保持停留时间30-40分钟后，使用冷却水对反应釜对其降温，降至室温后打开阀门，将固液混合反应物取出，并使用二氯甲烷对炉内进行喷淋洗涤，洗涤废水连同反应物一并进行收集；

使用二氯甲烷对固液混合物进行萃取并运用真空泵进行抽滤，固废分离后液相进入分液漏斗装置进行油水分离，固相经过进一步处理可用于土地使用或者焚烧炉焚烧；

分离后油相经过旋转蒸发器得到生物油、二氯甲烷和乙醇三相，回收的二氯甲烷可循环使用；

分离的水相和回收的乙醇泵入至中温批序式发酵装置，发酵废水碳氮比（C/N）控制在（25~20）:1，PH值宜控制在6.5~7.8，温度控制在35~38 ˚C，温度上下波动小于2˚C。发酵后得到甲烷和发酵后废水，发酵后废水作为循环水进入水热液化装置循环使用。

本发明中乙醇的添加可以与水热液化反应中间体如酸类/含氮化合物（如酰胺）发生酯化反应生成酯类物质，从而降低有机酸和含氮化合物的含量，最终提高生物油的品质，乙醇-水共液化产生的生物油黏度低，热值高（33~37MJ/kg），生物油特性更接近于生物油。

餐厨垃圾水热液化过程中将会产生大量的有机废水，是一种典型的高浓度有机废水，因此该废水可通过厌氧发酵工艺生产甲烷，同时降低废水中的COD，TOC和NH₃-N等大部分有机物浓度，从而达到生化降解效果，且有效避免了传统发酵过程中产生大量沼渣的缺陷。

而旋转蒸发回收的乙醇添加至有机废水中可提高废水的生化需氧量（BOD）浓度，从而提高废水的可发酵性，而发酵后的废水又可用于液化阶段的循环水利用，最终实现能源的多级回收与利用。

将乙醇水共液化技术与厌氧发酵工艺相结合，可以有效地将餐厨垃圾转化为生物油和甲烷等高值附加品，相比传统的厌氧发酵，餐厨垃圾无需干燥处理，节省了大量的能源消耗。不仅产生了生物油和甲烷等高值附加品，还解决了传统发酵过程中反应周期长，产生大量沼液沼渣的问题。因此，该项工艺是一种十分有前景的实现餐厨垃圾无害化和资源化利用的技术。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明结构系统相对完整，不仅快速处理大量餐厨垃圾，而且与传统的厌氧发酵相比，省去了脱水的过程，节省了大量的能源。

2、乙醇的添加，提高了生物油酯类的成分，降低了有机酸类和含氮化合物的含量，提高生物油品质，使生物油的特性更接近于柴油。

3、乙醇水共液化和厌氧发酵的有机结合，两者优劣互补，即解决了传统发酵过程发酵周期长，产生大量沼液沼渣的难题，又弥补了水热液化过程中产生大量有机废水的缺陷，两两互补，实现了能量的多级利用。

附图说明

以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明

图1为本发明的系统工艺流程框图。

具体实施方式

实施例1：

从垃圾处理厂收集的餐厨垃圾经粉碎成泥浆后，直接放入水热反应釜中，加水至餐厨含水率为85%后，将乙醇和水体积比例为3：5的乙醇加入反应釜中，使用高纯氮气排出釜内的空气，使反应在无氧环境下进行，将反应釜加热加压至260℃，10MPa，保持30分钟后使用冷却水降至室温。经过萃取、真空抽滤后实现固液分离，液相通过分液漏斗得到有机废水和萃取相，萃取相经旋蒸后得到生物油和有机溶剂（二氯甲烷和乙醇）。

所得的生物油产率为44.90wt%，热值为31.78 MJ/kg，有机废水和乙醇泵入发酵装置产甲烷，COD去除率为30%，甲烷产率为287mL/gCOD，发酵后的废水又泵入液化系统充当循环水。

实施例2

从垃圾处理厂收集的餐厨垃圾经粉碎成泥浆后，直接放入水热反应釜中，使用例1中的发酵废水作为补水添加至水热反应釜中，加水至餐厨含水率为90%后，将乙醇和水体积比例为3：5的乙醇加入反应釜中，使用高纯氮气排出釜内的空气，使反应在无氧环境下进行，将反应釜加热加压至320℃，12MPa，保持40分钟后使用冷却水降至室温。经过萃取、真空抽滤后实现固液分离，液相通过分液漏斗得到有机废水和萃取相，萃取相经旋蒸后得到生物油和有机溶剂（二氯甲烷和乙醇）。

生物油产率为47.59wt%，热值为37.54MJ/kg，有机废水和乙醇泵入发酵装置产甲烷，COD去除率为26%，甲烷产率为236mL/gCOD，发酵后的废水又泵入液化系统充当循环水。

Claims

1.一种利用乙醇水共液化耦合厌氧发酵生产生物油及甲烷的餐厨垃圾处置方法，其特征在于,包括以下步骤：

（1）将待处理的餐厨垃圾进行粉碎，搅拌均匀后添加至水热反应釜中；

（2）在水热反应釜中添加一定量的水和乙醇，关闭进出阀门；

（3）在搅拌状态下，将水热反应釜加热至设定温度和压力;

（4）达到设定的温度和压力，保持停留时间30-40分钟后，使用冷却水对反应釜降温，降至室温后打开阀门，将固液混合物取出，并使用二氯甲烷对炉内进行喷淋洗涤，洗涤废水连同反应物一并进行收集；

（5）使用二氯甲烷对固液混合物进行萃取并运用真空泵进行抽滤，固废分离后液相进入分液漏斗装置进行油水分离；

（6）分离后油相经过旋转蒸发器得到生物油、二氯甲烷和乙醇三相，回收的二氯甲烷可循环使用；

（7）分离的水相和回收的乙醇泵入至厌氧发酵装置，发酵后得到甲烷和发酵后废水，发酵后的废水作为循环水进入水热液化装置循环使用。

2.根据权利要求1所述的一种利用乙醇水共液化耦合厌氧发酵生产生物油及甲烷的餐厨垃圾处置方法，其特征在于，步骤（2）中添加的水的量使得餐厨垃圾含水量为80-90%，优选为85%，添加的乙醇和水的比例为3：5。

3.根据权利要求1所述的一种利用乙醇水共液化耦合厌氧发酵生产生物油及甲烷的餐厨垃圾处置方法，其特征在于，在步骤（2）中还包括使用高纯氮气自下而上排除反应釜内空气的操作，以达到无氧的反应环境。

4.根据权利要求1所述的一种利用乙醇水共液化耦合厌氧发酵生产生物油及甲烷的餐厨垃圾处置方法，其特征在于，步骤（4）中水热反应釜中设定的温度为260-320℃，压力为10-15MPa。

5.根据权利要求1所述的一种利用乙醇水共液化耦合厌氧发酵生产生物油及甲烷的餐厨垃圾处置方法，其特征在于，步骤（5）中固废分离后的固相，经过进一步处理用于土地使用或者焚烧炉焚烧。

6.根据权利要求1所述的一种利用乙醇水共液化耦合厌氧发酵生产生物油及甲烷的餐厨垃圾处置方法，其特征在于，步骤（1）中餐厨垃圾进行粉碎，其粒径在1.3~7.6mm之间，搅拌均匀后添加至水热反应釜中。

7.根据权利要求1所述的一种乙醇水共液化耦合厌氧发酵生产生物油及甲烷的餐厨垃圾处置方法，其特征在于，步骤（3）中搅拌通过磁力搅拌器进行，转速为80-100rpm。

8.根据权利要求1所述的一种乙醇水共液化耦合厌氧发酵生产生物油及甲烷的餐厨垃圾处置方法，其特征在于，步骤（7）厌氧发酵过程中，发酵废水碳氮比（C/N）控制在（25~20）:1，PH值控制在6.5~7.8，温度控制在35~38 ˚C，温度上下波动小于2˚C。