专利名称：餐厨垃圾沼气发酵耦合油脂分离回收的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于有机废弃物处理和清洁能源开发领域，具体涉及一种餐厨垃圾沼气发酵耦合油脂分离回收的方法和装置。
背景技术：
餐厨垃圾的存在给目前城市生活垃圾的主要处理手段(填埋和焚烧)带来很大的压力。例如，较高的有机质含量导致在填埋过程中产生大量会污染地下水和土壤圈的渗滤液以及无序排放的温室气体甲烷；较高的水分含量导致焚烧处理时需要添加大量额外的辅助燃料。餐厨垃圾的特点为水分含量高，水分含量> 70% ；有机质含量高，干物质中有机质含量> 90%;油脂含量高，干物质中油脂含量约30%。针对以上特点，对餐厨垃圾进行资源化和能源化综合利用已经成为一种发展趋势。针对高水分含量和高有机质含量，可以选择沼气发酵处理方式，在处理垃圾的同时能获得以甲烷为主的清洁可再生能源，当对沼渣进行适当加工后，还能获得有机肥料或饲料。针对高油脂含量，可以将餐厨垃圾中的油脂进行分离回收，用作油脂化工原料或用于生产生物柴油。由于油脂的沼气发酵周期较长，至少需要60天，而餐厨垃圾中的其它有机质(糖类、淀粉、粗纤维、蛋白)的沼气发酵周期最多只需要25天，因此油脂的存在会大大降低餐厨垃圾沼气发酵效率(李东等，有机垃圾组分中温厌氧消化产甲烷动力学研究.太阳能学报，2010，31 (3)，385-390)。另外，油脂的存在会对餐厨垃圾沼气发酵产生一定的抑制作用(李东等，城市生活有机垃圾各组分的厌氧消化产甲烷能力.环境科学学报，2008，观(11)，2观4-2290)。因此，建议对餐厨垃圾进行油脂分离和沼气发酵综合处理，实际上油脂化工品或生物柴油的附加值比沼气的附加值更高。餐厨垃圾中的油脂以漂浮油、分散油、乳化油、溶解油、固相内部油脂等5种形式存在。其中，漂浮油粒径较大，一般大于100 μ m,静置后能较快上浮，以连续相油膜或油层的形式飘浮于水面，用一般重力分离设备即能去除。分散油以小油滴形状悬浮分散在液相中，油滴粒径在25 100 μ m之间，当油表面存在电荷或受到机械外力时，油滴较为稳定，反之分散相的油滴则不稳定，静置一段时间后就会聚并成较大的油珠上浮到水面，这一状态的油也较易除去。当存在表面活性剂时，油脂在水中呈乳浊状或乳化状，形成油滴粒径在 0. 1 25 μ m之间的乳化油，乳化油的分离相对较为困难。溶解油以分子状态或化学状态分散于水相中形成超细油滴，粒径在几个纳米以下，油和水形成非常稳定的均相体系，用一般的物理方法无法去除。但由于油在水中的溶解度很小(5 15mg/L)，所以在水中的比例仅约为0.5%。固相内部油脂多以固态形式与餐厨垃圾固相颗粒紧密结合，几乎不能直接分离。餐厨垃圾中的油脂主要以固相内部油脂和漂浮油的方式存在，其它三种存在方式较少， 其中固相内部油脂占总油脂含量的80%以上，漂浮油占10% 15%，其余存在方式的油脂不足5%。餐厨垃圾油脂分离的关键在于将固相内部油脂释放进入液相，降低油脂分离难度，对于液相中的分散油、乳化油可采用粗粒化法、微气浮法等转化为漂浮油，然后进行重力分离。中国专利(申请号200710132239. 4)和文献(任连海等，餐厨垃圾固相油脂液化及分离回收的影响因素.清华大学学报(自然科学版)，2009，49(3)，387-390)公开了一种高温蒸煮的湿热处理方法，促使餐厨垃圾中的固相内部油脂释放进入液相中。中国专利(申请号200710306010. 8)公开了一种微气浮法和粗粒化法联用的油脂分离方法，用于将餐厨垃圾废水中的分散油、乳化油转化为漂浮油。然而，湿热处理方法需要将餐厨垃圾加热到150°C左右的高温，工艺能耗较高；微气浮法需要微气泡发生器，也需要能耗；而粗粒化法不仅需要粗粒化填料，增加设备成本， 还需要控制严格的工艺条件以保证油脂回收效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种餐厨垃圾沼气发酵耦合油脂分离回收的方法和装置，实现餐厨垃圾沼气发酵和油脂回收的同步处理，并降低油脂回收的能耗。本发明餐厨垃圾沼气发酵耦合油脂分离回收的方法，如图1所示，包括以下步骤(1)餐厨垃圾除杂破碎取餐厨垃圾挑拣去除大块物料，如骨头、瓶盖、筷子、牙签、包装袋、废弃桌布后进行破碎处理，破碎后原料粒径小于5mm ；(2)接种与原料浓度调节添加来自沼气池的厌氧活性污泥作为沼气发酵接种物，添加水或来自油脂重力分离步骤的废水调节混合原料的固体质量浓度小于6% ；(3)沼气发酵耦合油脂分离将上述混合原料放入反应器中进行同步沼气发酵和油脂分离，控制沼气发酵的温度为30°C 60°C，优选为37°C或55°C，pH值为6. 8 7. 5，水力停留时间为15 25天；在反应器内，餐厨垃圾固体有机颗粒在沼气发酵接种物中含有的微生物和胞外酶的连续分解水解作用下固体物质逐步释放并分散到水中，固相内部油脂也释放到水中形成分散油、乳化油，利用沼气发酵产生的大量沼气微气泡，依靠表面张力作用将分散油和乳化油粘附于微气泡上，分散油和乳化油随同微气泡上浮形成漂浮油；将以漂浮油为主的油水混合物分离出；(4)油脂重力分离利用油水密度差和油水不相容性，采用传统重力分离方法回收油水混合物中的油脂，剩下的废水返回原料调节步骤用于调节原料的固体质量浓度。作为本发明的改进，可以将完成沼气发酵和油脂分离的发酵残余物加工成有机肥料或饲料。本发明方法的创新之处在于，将餐厨垃圾沼气发酵和餐厨垃圾油脂分离耦合在一起，充分利用沼气发酵过程中微生物和酶对餐厨垃圾固体有机颗粒的连续分解水解作用， 促使固相内部油脂释放到水中形成分散油和乳化油；充分利用沼气发酵产生的沼气微气泡，将水中的分散油和乳化油转化为漂浮油，通过本发明方法可以降低餐厨垃圾油脂分离的能耗。本发明中餐厨垃圾沼气发酵耦合油脂分离回收的方法，其核心在于沼气发酵耦合油脂分离步骤。本发明还提出了便于实现该步骤的沼气发酵耦合油脂分离装置，该装置为圆柱形罐体，设置有进料口、出料口、排渣口、排油口、沼气出口、搅拌轴、电机，排油口位置高于出料口位置，排油口附近的罐体内壁上设置拦油板，搅拌轴上固定刮油板，刮油板末端固定橡胶触片，刮油板、橡胶触片、排油口、拦油板在同一水平高度，排油口和排油管通过阀门连通，在油脂层高度位置对应的圆柱形罐体外壁缠绕加热带以定期融化粘在罐体内壁上的凝固油脂。作为本发明的进一步说明，在搅拌轴旋转过程中，橡胶触片应碰到拦油板。作为本发明的一种改进，为便于观察，在上述圆柱形罐体上设置视窗，视窗位置与油脂层在同一高度。作为本发明的一种改进，在排油管外壁缠绕加热带，以便融化粘在排油管内壁上的凝固油脂。作为本发明的一种改进，为便于工艺操作，进料口、出料口、排渣口、沼气出口与罐体之间设置阀门。本发明装置的创新之处在于，将刮油装置内嵌在沼气发酵反应器内部，无需增加单独的餐厨垃圾油脂分离装置，如高温蒸煮罐和微气浮除油罐，简化工艺和降低设备投资成本。
图1是本发明方法的工艺过程示意2是本发明装置的剖视3是本发明装置的斜剖视4是本发明装置中刮油装置的运行示意图附图标记说明1-进料口，2-出料口，3-排渣口，4-排油口，5-排油管，6-电机， 7-搅拌轴，8-刮油板，9-橡胶触片，10-拦油板，11-沼气出口，12-加热带，13-阀门
具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。如图2、3所示，本实施例装置(沼气发酵耦合油脂分离一体化反应器)为圆柱形罐体，设置有进料口 1、出料口 2、排渣口 3、排油口 4、沼气出口 11、搅拌轴7、电机6，排油口 4位置高于出料口 2位置，排油口 4附近的罐体内壁上设置拦油板10，搅拌轴上固定刮油板 8，刮油板8末端固定橡胶触片9，刮油板8、橡胶触片9、排油口 4、拦油板10在同一水平高度，在搅拌轴7旋转过程中，橡胶触片9应碰到拦油板10。排油口 4和排油管5通过阀门 13连通，在油脂层高度位置对应的圆柱形罐体外壁缠绕加热带12以定期融化粘在罐体内壁上的凝固油脂。在上述圆柱形罐体上设置视窗，视窗位置与油脂层在同一高度。为便于工艺操作，在进料口 1、出料口 2、排渣口 3、沼气出口 11与罐体之间可设置阀门。实施例1 收集餐厨垃圾挑拣去除大块骨头、瓶盖、筷子、牙签、包装袋、废弃桌布后，采用餐厨垃圾破碎机将原料破碎至粒径5mm以内；添加来自沼气池的厌氧活性污泥作为沼气发酵接种物，并添加水调节混合原料的固体质量浓度小于6% ；将上述混合原料从进料口 1泵入反应器中进行同步沼气发酵和油脂分离，通过视窗观察控制混合原料的液面至排油口位置高度，控制沼气发酵的温度为37°C，pH值为6. 8 7. 5，水力停留时间为25天；在反应器内，餐厨垃圾固体有机颗粒在沼气发酵微生物和胞外水解酶的连续分解水解作用下固体物质逐步释放并分散到水中，固相内部油脂也释放到水中形成分散油、乳化油，此时，利用沼气发酵产生的大量沼气微气泡，将分散油和乳化油随同沼气微气泡一同上浮形成漂浮油， 沼气则从沼气出口 11排出。如图4所示，当电机6带动搅拌轴7顺时针旋转对发酵原料进行搅拌时，刮油板8和橡胶触片9也随之顺时针旋转，漂浮油在刮油板8和橡胶触片9的推动作用以及拦油板10的阻挡作用下聚集到排油口 4处，在重力作用下以漂浮油为主的油水混合物从排油口 4、排油管5排出。值得一提的是当电机6开启时，需同时打开阀门13。以漂浮油为主的油水混合物经重力分离设备回收油脂；完成沼气发酵和油脂分离的发酵残余物从出料口 2排出，用作有机肥料使用；定期接通加热带电12源进行加热以融化粘附在反应器罐体内壁和排油管内壁上的凝固油脂；定期从排渣口 3清除反应器底部的碎骨头等无机物质。实施例2收集餐厨垃圾挑拣去除大块骨头、瓶盖、筷子、牙签、包装袋、废弃桌布后，采用餐厨垃圾破碎机将原料破碎至粒径5mm以内；添加来自沼气池的厌氧活性污泥作为沼气发酵接种物，并添加来自油脂重力分离步骤的废水调节混合原料的固体质量浓度小于6% ；将上述混合原料从进料口1泵入沼气发酵耦合油脂分离一体化反应器中进行同步沼气发酵和油脂分离，通过视窗观察控制混合原料的液面至排油口位置高度，控制沼气发酵的温度为 55°C，pH值为6. 8 7. 5，水力停留时间为15天；在反应器内，餐厨垃圾固体有机颗粒在沼气发酵微生物和胞外水解酶的连续分解水解作用下固体物质逐步释放并分散到水中，固相内部油脂也释放到水中形成分散油、乳化油，此时，利用沼气发酵产生的大量沼气微气泡， 将分散油和乳化油随同沼气微气泡一同上浮形成漂浮油，沼气则从沼气出口 11排出；当电机6带动搅拌轴7顺时针旋转对发酵原料进行搅拌时，刮油板8和橡胶触片9也随之顺时针旋转，漂浮油在刮油板8和橡胶触片9的推动作用以及拦油板10的阻挡作用下聚集到排油口 4处，在重力作用下以漂浮油为主的油水混合物从排油口 4、排油管5排出，值得一提的是当电机6开启时，需同时打开阀门13;以漂浮油为主的油水混合物经重力分离设备回收油脂；完成沼气发酵和油脂分离的发酵残余物从出料口 2排出，用作有机肥料使用；定期接通加热带电源进行加热以融化粘附在反应器罐体内壁和排油管内壁上的凝固油脂；定期从排渣口 3清除反应器底部的碎骨头等无机物质。最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
权利要求
1.一种餐厨垃圾沼气发酵耦合油脂分离回收的方法，其特征在于包括以下步骤(1)餐厨垃圾除杂破碎取餐厨垃圾挑拣去除大块物料后进行破碎处理，破碎后原料粒径小于5mm ；(2)接种与原料浓度调节添加来自沼气池的厌氧活性污泥作为沼气发酵接种物，添加水或来自油脂重力分离步骤的废水调节混合原料的固体质量浓度小于6% ；(3)沼气发酵耦合油脂分离将上述混合原料放入反应器中进行同步沼气发酵和油脂分离，控制沼气发酵的温度为30°C 60°C，优选为37°C或55°C，pH值为6. 8 7. 5，水力停留时间为15 25天；在反应器内，餐厨垃圾固体有机颗粒在微生物和胞外酶的连续分解水解作用下固体物质逐步释放并分散到水中，固相内部油脂也释放到水中形成分散油、乳化油，利用沼气发酵产生的大量沼气微气泡，依靠表面张力作用将分散油和乳化油粘附于微气泡上，分散油和乳化油随同微气泡上浮形成漂浮油；将以漂浮油为主的油水混合物分离出；(4)油脂重力分离利用油水密度差和油水不相容性，采用传统重力分离方法回收油水混合物中的油脂，剩下的废水返回原料调节步骤用于调节原料的固体质量浓度。
2.如权利要求1所述的餐厨垃圾沼气发酵耦合油脂分离回收的方法，其特征在于还包括以下步骤(5)将完成沼气发酵和油脂分离的发酵残余物加工成有机肥料或饲料。
3.一种沼气发酵耦合油脂分离装置，该装置为圆柱形罐体，其特征在于所述罐体设置有进料口、出料口、排渣口、排油口、沼气出口、搅拌轴、电机，排油口位置高于出料口位置，排油口附近的罐体内壁上设置拦油板，搅拌轴上固定刮油板，刮油板末端固定橡胶触片，刮油板、橡胶触片、排油口、拦油板在同一水平高度，在搅拌轴旋转过程中，橡胶触片应碰到拦油板；排油口和排油管通过阀门连通。
4.如权利要求3所述的沼气发酵耦合油脂分离装置，其特征在于在油脂层高度位置对应的圆柱形罐体外壁缠绕加热带以定期融化粘在罐体内壁上的凝固油脂。
5.如权利要求3或4所述的沼气发酵耦合油脂分离装置，其特征在于所述圆柱形罐体上设置视窗，视窗位置与油脂层在同一高度。
6.如权利要求3或4所述的沼气发酵耦合油脂分离装置，其特征在于在排油管外壁缠绕加热带，以便融化粘在排油管内壁上的凝固油脂。
7.如权利要求3或4所述的沼气发酵耦合油脂分离装置，其特征在于进料口、出料口、排渣口、沼气出口与罐体之间设置阀门。
全文摘要
本发明提供了一种餐厨垃圾沼气发酵耦合油脂分离回收的方法和装置。该方法包括步骤为1)餐厨垃圾除杂破碎；2)接种与原料浓度调节；3)沼气发酵耦合油脂分离；4)油脂重力分离。本发明方法将餐厨垃圾沼气发酵和餐厨垃圾油脂分离耦合在一起，充分利用沼气发酵过程中微生物和酶对餐厨垃圾固体有机颗粒的连续分解水解作用，促使固相内部油脂释放到水中形成分散油和乳化油；充分利用沼气发酵产生的沼气微气泡，将水中的分散油和乳化油转化为漂浮油，可以降低餐厨垃圾油脂分离的能耗。本发明装置为沼气发酵耦合油脂分离一体化反应器，将刮油装置内嵌在沼气发酵反应器内部，简化工艺和降低设备投资成本。
文档编号A23K1/00GK102304548SQ20111015954
公开日2012年1月4日 申请日期2011年6月15日 优先权日2011年6月15日
发明者孔晓英, 孙永明, 李 东, 李连华, 甄峰, 袁振宏 申请人:中国科学院广州能源研究所