CN111282962B

CN111282962B - 一种有机固体废弃物与餐厨垃圾协同处理的方法

Info

Publication number: CN111282962B
Application number: CN202010137737.3A
Authority: CN
Inventors: 李欢; 冯凯; 王巧; 李德彬; 蔡家柏
Original assignee: Shenzhen International Graduate School of Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen International Graduate School of Tsinghua University
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2021-04-23
Anticipated expiration: 2040-03-02
Also published as: CN111282962A

Abstract

本发明公开了一种有机固体废弃物与餐厨垃圾协同处理的方法，包括步骤：A1、接收有机固体废弃物；A2、将有机固体废弃物及沼渣和回流沼液混匀；A3、将混合后的物料湿式氧化；A4、将氧化后的物料机械脱水；B、将餐厨垃圾预处理得固液混合相；B7、将固液混合相水解酸化；C1、将A4得的滤液和B7得的酸化料混均后进行C2的厌氧产沼，得到的消化液进行C3，得到的沼气进行D1；C3、将消化液机械脱水，得沼渣和沼液；D1、将得到的沼气进行净化；D2、净化后的沼气进行发电，产生的高温烟气进入D3，并产生电能；D3、将高温烟气进行换热，获得的高温蒸汽通入A3中供能，循环热水分别通入B7和C2以提供热量。

Description

一种有机固体废弃物与餐厨垃圾协同处理的方法

技术领域

本发明涉及固废处理技术领域，特别是涉及一种有机固体废弃物与餐厨垃圾协同处理的方法。

背景技术

基于活性污泥法的污水处理技术是目前我国市政污水处理所采用的的主流技术，随着污水处理总量和处理深度的增加，市政污泥(以下简称“污泥”)的产量也在快速增长。传统上，我国的污泥采用卫生填埋的方式处理，但该方式占用土地资源，且污泥中含有一定量的有机质以及病原微生物、寄生虫卵等有毒有害物质，存在着污染地下水，对环境造成二次污染的风险，特别在人口密度大、土地供应紧张的大中型城市，污泥处理已成为污水厂增效扩容的瓶颈问题，制约着城市管理水平的提高。因此，“无害化、减量化、资源化”为主导的技术正成为目前污泥处理的发展方向。其中，厌氧消化不仅可以降解污染物，同时又能回收能源，正普遍应用于污泥的处理。然而，由于污泥存在有机质含量低，难降解部分比例高，C/N比低，营养不平衡等特点，致使其单独厌氧消化的产气低，有机质转化率低，处理周期长(30天以上)，设施占地面积大。

随着城市人民生活水平的提高和我国垃圾分类工作的推进，餐厨垃圾的产量也呈逐年上升趋势，其成分复杂，具有高含水率、高有机质含量的特点，不经处理极易腐败发臭，污染环境，但同时，其也具备极大的能源化潜力，包括油脂和沼气的回收利用。目前，厌氧消化已是我国餐厨垃圾处理的主流技术，据统计，70％以上的餐厨垃圾处理厂均采用了厌氧消化技术。然而，该技术也面临着易酸化，运行不稳定的问题。在高负荷下条件，餐厨垃圾发酵产酸速率快，系统容易积累有机酸，造成系统pH下降，最终抑制甲烷过程，导致系统面临失效风险，限制了处理效率的提高。

通过污泥和餐厨垃圾的共消化或者利用两相厌氧技术，可以在一定程度上改善消化效果。共消化可以调节物料碳氮比，保证营养均衡，提高产气效率；两相厌氧将产酸和产甲烷分相，一定程度上避免了产酸对产甲烷的影响，提高了处理负荷和系统运行稳定性。有专利CN 103508643 B提供了一种污水污泥和餐厨垃圾的处理装置及其方法，该专利集合了共消化及两相厌氧技术，将污泥和餐厨垃圾按一定比例混合后分别进行厌氧发酵产酸及产甲烷，有效解决了污泥和餐厨垃圾单独处理时各自存在的问题，但该方法还无法解决污泥中难降解有机质的对产甲烷过程的干扰，沼液脱水性能差，仍有大量的脱水泥饼(沼渣)的产生，无害化不够彻底，容易产生二次污染，后续处理困难。

利用湿式氧化或催化湿式氧化技术，可以将污泥中大量的难降解有机质氧化分解成二氧化碳和水，使污泥中的病毒、病菌、寄生虫等有害生物被有效灭活，实现污泥的减容减量和泥饼的矿化，并且大大提高污泥的脱水性能。有专利CN 104355514 B提供一种基于湿式氧化的污泥处理方法，将氧气作为氧化剂，在温度为240℃～260℃，压力为4.0MPa～5.5MPa的条件下对含水率为90％的湿污泥进行氧化反应，但该方法仅是对污泥进行单独处理，需要外部能源供应，投资和运行费用高。同样，有专利CN 104556597 B提供了一种催化湿式氧化处理工业污泥的方法，采用粉末状活性炭/Fe³⁺复合催化剂作为催化剂，采用氧气作为氧化剂，将反应温度和压力分别降到了100℃和2.0MPa，但该方法的处理对象是工业污泥，依然需要外部能源供应，没有集合厌氧消化产沼技术，没有发挥与餐厨垃圾协同处理的优势解决能耗问题，降低处理成本，并且实现厌氧消化沼渣的彻底无害化。

综上所述，目前污泥和餐厨垃圾的单独处理均有各自的技术局限，传统的共消化并没有实现难降解有机质的彻底分解转化，消化后泥饼的无害化程度不足，容易产生二次污染，而污泥的湿式氧化或催化湿式技术运行成本高，迫切需要开发新的污泥与餐厨垃圾的协同处置技术以解决上述问题。

发明内容

为了弥补上述现有技术的不足，本发明提出一种有机固体废弃物与餐厨垃圾协同处理的方法。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种有机固体废弃物与餐厨垃圾协同处理的方法，包括如下步骤：

A1、接收：接收有机固体废弃物，并输送至均质反应器内，所述有机固体废弃物为市政污泥和/或禽畜粪便；

A2、均质混合：将步骤A1中输送的有机固体废弃物及步骤C3中产生的沼渣和回流沼液，在所述均质反应器中混合均匀；

A3、湿式氧化：在空气或氧气下，将经步骤A2混合后的物料在反应器内进行湿式氧化；

A4、机械脱水：将经过步骤A3氧化后的物料进行机械脱水，得到的固相外运处理，得到的滤液输送至均质池内；

B、预处理：将餐厨垃圾进行预处理后得到固液混合相和油相；

B7、水解酸化：将步骤B中得到的固液混合相进行水解酸化，得到酸化料，并输送至所述均质池内；

C1、均质混合：在所述均质池内将步骤A4输送的滤液和步骤B7输送的酸化料进行混合均匀；

C2、厌氧产沼：将经过C1处理的物料进行厌氧产沼，得到的消化液进行步骤C3，得到的沼气进行步骤D1；

C3、机械脱水：将所述消化液进行机械脱水，得到的沼渣输送至步骤A2中，得到的沼液一部分进入污水处理系统，一部分回流至步骤A2中；

D1、沼气净化：将步骤C2得到的沼气进行净化；

D2、沼气发电：将经过步骤D1净化后的沼气进行发电，产生的高温烟气进入步骤D3，产生的电能的一部分供所述方法中各步骤用电，剩余电能输送至电网系统；

D3、换热处理：将步骤D2产生的高温烟气进行换热，获得高温蒸汽和循环热水，将所述高温蒸汽通入所述步骤A3中供能，所述循环热水分别通入步骤B7和步骤C2以提供热量。

优选地，还包括如下步骤：B8、机械脱水：将所述步骤B7得到的酸化料进行机械脱水，得到滤液和固相，得到的滤液输送至所述均质池内进行所述步骤C1，得到的固相输送至所述步骤A2进行混合。

优选地，在所述步骤A2中，含固率在5-12wt％。

优选地，所述步骤A3的条件为：温度50～250℃，反应器内压力0.1～3.0MPa，反应时间30～240min。

优选地，在所述步骤A3中，还加入催化剂进行反应，所述催化剂为过渡金属盐或过渡金属氧化物。

优选地，所述步骤B7的条件为：温度30～70℃，停留时间2～10d，进料含固率5～15wt％。

优选地，所述步骤C2中，条件为：温度35～37℃，或者50～60℃，停留时间15～22d。

优选地，所述步骤B包括：

B1、物料接收：将餐厨垃圾进行接收；

B3、分选除杂：将步骤B1接收的餐厨垃圾分选除杂，剔除的杂物进行外运处理，除杂后的餐厨垃圾进入步骤B4；

B4、破碎制浆：将经过步骤B3除杂后的餐厨垃圾粉碎为小于5mm的浆料；

B5、水热处理：将步骤B4得到的浆料进行水热处理，所述水热处理的热量来源于所述步骤D3产生的循环热水，所述水热处理的条件为：温度60～100℃，处理时间10～240min；

B6、三相分离：将经过步骤B5的水热处理后的浆料进行三相分离得到油相和固液混合相，所述固液混合相进行步骤B7。

优选地，所述步骤B1在进行物料接收时，还包括将所述餐厨垃圾进行沥液处理，所得的沥液进行步骤B2，沥液后的餐厨垃圾进行所述步骤B3；所述步骤B还包括：B2、沥液收集：将所述步骤B1产生的沥液进行收集后，输送至所述步骤B6中与经过步骤B5的水热处理后的浆料一起进行三相分离。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：

本发明的方法中，针对有机固体废弃物(市政污泥和/或禽畜粪便)有机质含量低，难降解部分比例高，直接厌氧消化性能差，有机质转化率低等问题，采用湿式氧化技术，强化固相中有机质的溶出以及难降解有机质的氧化分解，然后通过步骤A4的机械脱水的方式实现有机固体废弃物的分质，即获得的固相基本矿化(有80％以上的有机质转移到滤液当中)；针对餐厨垃圾单独厌氧易酸化的问题，采用两相厌氧技术，实现产酸(步骤B7)和产甲烷阶段(步骤C2)的物理分相，避免产酸过程对产甲烷的不利影响。餐厨垃圾经步骤B7的发酵产酸后，与经步骤A4得到的滤液合并进入产甲烷相进行共消化，均衡产甲烷系统所需的营养结构，提高消化效率，厌氧消化产生的沼气通过热电联产的方式，产生的电能在满足系统自用电需求后并入电网系统，产生的余热可以满足需要热量的各个步骤中的热量需求。

传统的共消化产生的沼气，在热电联产系统中只有30～40％被转化为电能，60-70％转化为热能，而产甲烷系统的热量需求仅为20％左右，剩余40％～50％的热量被损失掉。本发明在传统的共消化系统中加入湿式氧化技术，可以充分利用原先被损失的热量，不仅提高了系统的能量循环利用效率，也有效地控制了运行成本。此外，湿式氧化技术可以作为共消化后的沼渣的处理途径，解决现有技术沼渣处理困难，易产生二次污染的问题，实现系统净流出固相的基本无害化和减容减量。总之，相比于传统的技术，通过有机耦合湿式氧化、两相厌氧消化技术及共消化技术，解决了污泥无害化处理困难、有机质转化率低、减容减量效果差的问题，提高了餐厨垃圾厌氧消化消化的稳定性，系统有机质转化率可达90％以上，处理周期缩短到15～22d，协同处理的方案也可以提升系统整体的能量循环利用效率，能量综合利用率由传统的50～60％提高到80％以上，最终所产生的固相基本无机化，便于处置或利用。

附图说明

图1是本发明实施例1中的方法的流程示意图；

图2是本发明实施例3中的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

A1、接收：接收有机固体废弃物，并输送至均质反应器内，所述有机固体废弃物为市政污泥(如来自市政污水厂)和/或禽畜粪便；

D1、沼气净化：将步骤C2得到的沼气进行净化；

D2、沼气发电：将经过步骤D1净化后的沼气进行发电，产生的高温烟气(450-650℃)进入步骤D3，产生的电能的一部分供所述方法中各步骤用电，剩余电能输送至电网系统；

D3、换热处理：将步骤D2产生的高温烟气进行换热，获得高温蒸汽(100-300℃)和循环热水(50-100℃)，将所述高温蒸汽通入所述步骤A3中供能，所述循环热水分别通入步骤B7和步骤C2以提供热量。

在一些优选的实施例中，所述方法还包括如下步骤：B8、机械脱水：将所述步骤B7得到的酸化料进行机械脱水，得到滤液和固相，得到的滤液输送至所述均质池内进行所述步骤C1，得到的固相输送至所述步骤A2进行混合。

在一些优选的实施例中，在所述步骤A2的均质反应器中，混合物的含固率在5-12wt％。

在一些优选的实施例中，所述步骤A3的条件为：温度50～250℃，反应器内压力0.1～3.0MPa，反应时间30～240min。

在一些优选的实施例中，在所述步骤A3中，还加入催化剂进行反应，所述催化剂为过渡金属盐或过渡金属氧化物，如铁系催化剂、TiZrO₄/Ru催化剂(钛锆氧化物负载钌非均相催化剂)等。

在一些优选的实施例中，在所述步骤A3中，供应纯度80％以上的氧气。

在一些优选的实施例中，所述步骤B7的条件为：温度30～70℃，停留时间2～10d，进料(即步骤B得到的固液混合相)含固率5～15wt％。

在一些优选的实施例中，所述步骤C2中，条件为：温度35～37℃，或者50～60℃，停留时间15～22d。

在一些优选的实施例中，所述步骤B具体包括：

B1、物料接收：将餐厨垃圾进行接收；

B4、破碎制浆：将经过步骤B3除杂后的餐厨垃圾进行粉碎为小于5mm的浆料；

在一些优选的实施例中，所述步骤B1在进行物料接收时，还包括将所述餐厨垃圾进行沥液处理，所得的沥液进行步骤B2，沥液后的餐厨垃圾进行所述步骤B3；所述步骤B还包括：B2、沥液收集：将所述步骤B1产生的沥液进行收集后，输送至所述步骤B6中与经过步骤B5的水热处理后的浆料一起进行三相分离。

以下有机固体废弃物以来自市政污水厂的市政污泥(以下简称“污泥”)为例，对本发明的协同处理的方法进行详细阐述。

实施例1

如图1，一种市政污泥和餐厨垃圾协同处理的方法，包括如下步骤：

A1、接收：将污泥进行接收，并输送至均质反应器内进行步骤A2；

A2、均质混合：将步骤A1中输送的污泥及步骤C3中产生的沼渣和回流沼液，在均质反应器中混合均匀，均质反应器中的混合物的含固率在5-12wt％，本例中，含固率控制在10wt％。

A3、湿式氧化：在空气或氧气下，将经步骤A2混合后的物料在反应器内进行湿式氧化，其中向反应器内供应空气或氧气(本例中，所供的是纯度为90％的氧气)，氧化的条件为：温度50～250℃(本例具体为220℃)，反应器内压力0.1～3.0MPa(本例具体为3.0MPa)，反应时间30～240min(本例具体为60min)，并加入TiZrO₄/Ru催化剂。

A4、机械脱水：将经过步骤A3氧化后的物料进行机械脱水，得到的固相(即基本无机化的泥饼)外运处理，得到的滤液输送至均质池内进行步骤C1；

B1、物料接收：将餐厨垃圾进行接收，并将餐厨垃圾进行沥液处理，所得的沥液进行步骤B2，沥液后的餐厨垃圾进行步骤B3；

B2、沥液收集：将步骤B1产生的沥液进行收集后，输送至步骤B6中与经过步骤B5的水热处理后的浆料合并一起进行三相分离；

B5、水热处理：将步骤B4得到的浆料进行水热处理，通过水热反应促进固相中油脂的溶出，水热处理的热量来源于下方步骤D3产生的循环热水，水热处理的条件为：温度60～100℃(本例具体为70℃)，处理时间10～240min(本例具体为30min)；

B6、三相分离：将经过步骤B5的水热处理后的浆料进行三相分离得到油相和固液混合相，固液混合相进行步骤B7，油相可以用于制备生物柴油；

B7、水解酸化：将步骤B6中得到的固液混合相进行水解酸化，得到酸化料，并输送至均质池内进行步骤C1，步骤B7的条件为：温度30～70℃(本例具体为35℃)，停留时间2～10d(本例具体为4d)，进料含固率5～15wt％(本例具体为10wt％)；

C1、均质混合：在均质池内将步骤A4输送的滤液和步骤B7输送的酸化料进行混合均匀；

C2、厌氧产沼：将经过C1处理的物料进行厌氧产沼，得到的消化液进行步骤C3，得到的沼气进行步骤D1，步骤C2中，条件为：温度35～37℃，或者50～60℃(本例具体为35℃)，停留时间15～22d(本例具体为20d)；

C3、机械脱水：将消化液进行机械脱水，得到的沼渣输送至步骤A2中，得到的沼液一部分进入污水处理系统进行后续处理，一部分回流至步骤A2中；

D1、沼气净化：将步骤C2得到的沼气进行净化；

D2、沼气发电：将经过步骤D1净化后的沼气进行发电，产生的高温烟气进入步骤D3，产生的电能的一部分供本实施例方法中各步骤自用电，剩余电能输送至电网系统；

D3、换热处理：将步骤D2产生的高温烟气进行换热，获得高温蒸汽和循环热水，将高温蒸汽通入步骤A3中供能，循环热水分别通入步骤B7、步骤C2和步骤B5以提供热量。

上述各个步骤中的机械脱水均采用板框过滤的方式。

步骤C2的厌氧产沼可采用UASB、IC、EGSB等构型的反应器实现快速的甲烷转化。由于液相部分直接厌氧，提高了系统的传质效率，厌氧消化周期可缩短到2-7天。

本实施案例所述的方法可实现市政污泥和餐厨垃圾的分质分相高效协同厌氧消化，反应前后污泥的总COD分别为93.2g/L和45.1g/L，反应后溶解性COD为35.7g/L，污泥有机质溶出率为84.5％，矿化率为51.6％，单位有机质沼气产量为790m³/d，系统有机质转化率为90.8％，能量综合利用率为85.6％，实现能源100％自供的同时向外输出电能，最终所产生的污泥基本无机化，便于处置或利用。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：

步骤A2中的含固率控制在5wt％。步骤A3中：温度为180℃，反应器内压力为1.5MPa，反应时间为30min，不使用催化剂，所供的氧气纯度为80％。步骤B5中：水热处理温度为80℃，处理时间为45min。步骤B7中：温度为55℃，停留时间为3d，进料含固率为5wt％。步骤C2中：温度为55℃，停留时间为15d。

本实施案例的方法可实现市政污泥和餐厨垃圾的分质分相高效协同厌氧消化，反应前后污泥的总COD分别为46.6g/L和30.7g/L，反应后溶解性COD为23.6g/L，污泥有机质溶出率为84.8％，相比实施例1的矿化率较低，为34.1％，有机质更多的在厌氧产沼阶段转化为沼气，单位有机质沼气产量为812m³/d，系统有机质转化率为93.3％，能量综合利用率为86.9％，实现能源100％自供的同时向外输出电能，最终所产生的污泥基本无机化，便于处置或利用。

实施例3

如图2所示，其与实施例1的区别在于：还包括如下步骤B8：

B8、机械脱水：将步骤B7得到的酸化料先进行步骤B8的机械脱水，得到滤液和固相，得到的滤液再输送至均质池内进行步骤C1，得到的固相输送至步骤A2中与污泥、沼渣和回流沼液进行混合。

本发明的实施例针对污泥有机质含量低，难降解物质部分比例高，直接厌氧消化性能差的特点，采用湿式氧化技术，强化难降解有机质的分解转化以及向液相中的转移，然后通过机械脱水的方式实现污泥的分质，即获得的泥饼基本无机化，而80％以上的有机质转移到滤液当中，针对餐厨垃圾单独厌氧易酸化的问题，采用两相厌氧技术，实现产酸和产甲烷阶段的物理分相，餐厨垃圾经过产酸发酵后，与污泥湿式氧化的滤液合并进入产甲烷相进行共消化，产生的沼气可以进行热电联产，满足湿式氧化的能量需求，产生的沼渣再次进行湿式氧化，实现系统流出污泥的彻底无害化，也即：本发明实施例集成了湿式氧化、两相厌氧消化和共消化技术，可以协同处理市政污泥和餐厨垃圾，通过湿式氧化技术实现市政污泥与共消化沼渣中80％以上有机质的溶出与30～50％的矿化，改善污泥的脱水性能，利用机械脱水的方式进行固液分离，80％以上的有机质转移到液相中，固相基本无机化。通过两相厌氧消化技术实现餐厨垃圾发酵产酸和产甲烷的物理分相，避免产酸对产甲烷的影响，提高系统的稳定性及处理负荷；通过合并污泥催化湿式氧化滤液和餐厨垃圾酸化液，均衡产甲烷系统所需的营养结构，然后共消化，提高系统的消化效率；产生的沼气进行热电联产，实现100％的能量自给，剩余电能还可并入电网系统。

以上实施例是以市政污泥进行的说明，在其他实施例中，还可以处理其他厌氧消化性能差的有机固体废弃物，例如禽畜粪便。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种有机固体废弃物与餐厨垃圾协同处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A3、湿式氧化：在空气或氧气下，将经步骤A2混合后的物料在反应器内进行湿式氧化，以强化固相中有机质的溶出以及难降解有机质的氧化分解，所述步骤A3的条件为：温度50～250℃，反应器内压力0.1～3.0MPa，反应时间30～240min；

A4、机械脱水：将经过步骤A3氧化后的物料进行机械脱水，得到的固相外运处理，得到的滤液输送至均质池内，有80％以上的有机质转移到滤液当中，固相基本无机化；

D1、沼气净化：将步骤C2得到的沼气进行净化；

2.如权利要求1所述的有机固体废弃物与餐厨垃圾协同处理的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

B8、机械脱水：将所述步骤B7得到的酸化料进行机械脱水，得到滤液和固相，得到的滤液输送至所述均质池内进行所述步骤C1，得到的固相输送至所述步骤A2进行混合。

3.如权利要求1或2所述的有机固体废弃物与餐厨垃圾协同处理的方法，其特征在于，在所述步骤A2中，含固率在5-12wt％。

4.如权利要求1或2所述的有机固体废弃物与餐厨垃圾协同处理的方法，其特征在于，在所述步骤A3中，还加入催化剂进行反应，所述催化剂为过渡金属盐或过渡金属氧化物。

5.如权利要求1或2所述的有机固体废弃物与餐厨垃圾协同处理的方法，其特征在于，所述步骤B7的条件为：温度30～70℃，停留时间2～10d，进料含固率5～15wt％。

6.如权利要求1或2所述的有机固体废弃物与餐厨垃圾协同处理的方法，其特征在于，所述步骤C2中，条件为：温度35～37℃，或者50～60℃，停留时间15～22d。

7.如权利要求1或2所述的有机固体废弃物与餐厨垃圾协同处理的方法，其特征在于，所述步骤B包括：

B1、物料接收：将餐厨垃圾进行接收；

8.如权利要求7所述的有机固体废弃物与餐厨垃圾协同处理的方法，其特征在于，所述步骤B1在进行物料接收时，还包括将所述餐厨垃圾进行沥液处理，所得的沥液进行步骤B2，沥液后的餐厨垃圾进行所述步骤B3；

所述步骤B还包括：

B2、沥液收集：将所述步骤B1产生的沥液进行收集后，输送至所述步骤B6中与经过步骤B5的水热处理后的浆料一起进行三相分离。