技术领域
本发明涉及一种厌氧消化系统，具体涉及一种餐厨垃圾的厌氧消化装置。
背景技术：
餐厨垃圾是指家庭、学校、机关、公共食堂以及餐饮行业的食物废料、餐饮剩余物、食品加工废料及不可再食用的动植物油脂和各类油水混合物，是城市生活垃圾的一部分。目前国内厨余垃圾处理方式主要是以和生活垃圾一起填埋、焚烧处理为主，填埋处理方式会降低填埋场的使用年限，而对于焚烧处理方式，我国仅有深圳等少数发达城市采用了垃圾焚烧技术，且对焚烧所产生的二恶英、氮氧化物、二氧化硫等有害气体、粉尘、废水等还未能有效控制。为了实现资源的可持续发展，必须寻找更有效的处理方式，实现厨余垃圾的有效资源化，对我国的经济与环境发展产生重大的意义。
厌氧消化是微生物在不存在氧气的情况下分解生物可降解材料的一系列过程。生物可降解材料包括废纸、餐厨垃圾、高浓度有机废水、动物排泄物和液体废物等。厌氧消化适合于处理湿润的有机材料，被广泛用于有机废物的处理。
例如中国专利文献CN 102939369 A（申请号 201080063847.4）公开了一种厌氧反应器，反应器为罐的形式，通过实心部件被分开成分离的室。每个室包括进料分配系统、填充床以及用于生物气和液体排放的装置。使用时，进料分配系统将进料基本均匀地分配通过每个室的基部。每个堆叠的反应室优选的包括混合空间，其含有或适合于含有进料管线或进料分配系统。进料分配系统是可操作的以将进料递送并分配至室的基部并将其与厌氧细菌混合。在混合空间的上方，通常设置具有上填充格栅和下填充格栅的填充床。填充床包括填充介质和厌氧细菌。通过室内所包括的厌氧细菌将混合空间内的进料主要转换为挥发性脂肪酸、氢和二氧化碳。任何适合的填充介质均可在填充床中使用。为了为产甲烷细菌提供适合的环境，填充介质具有高表面积体积比。但是该厌氧反应器结构较复杂，运行时物料的流进流出控制繁琐。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、消化程度高的餐厨垃圾的厌氧消化装置。
实现本发明目的的技术方案是一种餐厨垃圾的厌氧消化装置，包括反应器主体、上盖、循环泵、输水管路、回水管路、控制阀和原水池；循环泵为双向循环泵；上盖设置在反应器主体的顶部，密封反应器主体内部的空腔；循环泵通过输水管路将原水池中的废液输送至反应器主体底部的进水口，循环泵通过回水管路将反应器主体内部的反应液从上方回流送入反应器内部。
反应器主体的内部设有固相反应区和液相反应区，反应器主体的底部设有底部排泥口；液相反应区包括上、下筛网和两个筛网之间的填料；固相反应区位于的上筛网的上方，固相反应区的底部设有排泥口。
上述上盖上设有出气口、回流进水口和测温口；出气口与出气管相连通，出气管与气体储罐相连；回流进水口与回水管路的出水口相连通；测温口内设置用于检测反应器主体内部的温度的测温探头。
所述输水管路按照液体的流向依次包括第一管道、第二管道、第三管道、第四管道和进水管；第一管道的进水口位于原水池内的液面下方，第一管道的出水口与第一三通的右接口相连，第一三通的左接口与第二管道的进水端相连，第二管道的出水端与循环泵的右侧端口相连，循环泵的左侧端口与第三管道的进水端相连，第三管道的出水端与第二三通的右接口的相连，第二三通的上接口与第四管道的进水端相连，第四管道的出水端与进水管的进水端相连，进水管的出水端从反应器主体的底部伸入反应器主体内，进水管的出水端连接布水器。
所述回水管路按照液体的流向依次包括出水管、第五管道、第六管道、第七管道和第八管道；出水管的进水端口位于液相反应区的下端，出水管的出水口与第五管道的进水口相连，第五管道的出水口与第三三通的左接口相连，第三三通的右接口与第六管道相连，第六管道的出水口接储液罐；第三三通的下接口与第七管道的进水口相连，第七管道的出水口与第二三通的左接口的相连，第七管道通过第二三通、输水管路的第三管道与循环泵的左侧端口相连，循环泵的右侧端口通过输水管路的第二管道和第一三通与第八管道的进水口相连，第八管道的出水口与回流进水管的进水端相连，回流进水管的出水端从上盖伸入反应器主体内。
一种如上所述的餐厨垃圾的厌氧消化装置对餐厨垃圾进行厌氧消化方法，包括以下步骤：
①菌种的驯化，驯化后的菌种附着在填料上。
②餐厨垃圾的固液分离，将餐厨垃圾进行固液分离，分离得到的固相垃圾的含固率为70%～80%，储放在原泥池；液相垃圾即废液储放在原水池中待处理。
③物料的装填，打开反应器主体顶部的上盖，将液相反应区的上、下筛网之间填充满步骤①的填料，厌氧菌种附着在填料内部；然后将原泥池中的固相垃圾转移至上筛网上方，固相垃圾的放置高度为反应器主体高度的1/5～2/5，固相垃圾装填完毕后盖上上盖。
④餐厨垃圾的厌氧消化，厨垃圾的厌氧消化过程总耗时为24～42天，由3～5个消化周期组成，每一个消化周期依次包括浸没式厌氧消化过程和淋滤反应过程；浸没式厌氧消化过程中废液浸没固相垃圾；淋滤反应过程中液相反应区中的反应液通过回水管路输送至反应器主体的顶部，反应液喷淋在固相反应区的固体垃圾上方；3～5个消化周期结束后完成餐厨垃圾的厌氧消化过程。
上述步骤①驯化菌种时，取含固率为5%～7%的城市污水处理厂的厌氧池中的原泥装入培养池中，培养池中放入填料，培养池中的原泥浸没填料，驯化菌种时，向培养池中加入营养液，在33℃～37℃下菌种驯化10～15d。
上述步骤④餐厨垃圾厌氧消化时，进行第一个消化周期的浸没式厌氧消化过程时，打开输水管路上的控制阀，关闭回水管路上的控制阀；打开循环泵，循环泵将原水池中的废液从反应器主体底部的进水管送入反应器主体内，待液面浸没固相反应区的固体垃圾的顶部，关闭循环泵，开始浸没式厌氧处理，浸没式厌氧处理持续4～7天；
待浸没式厌氧消化过程结束后，关闭输水管路上的控制阀，打开回水管路上的控制阀；打开循环泵，循环泵将液相反应区中的反应液通过回水管路输送至反应器主体的顶部，反应液喷淋在固相反应区的固体垃圾上方，固相反应区的固体垃圾进行淋滤反应4～7天，完成厌氧消化的第一个周期；
进行第二个消化周期的浸没式厌氧消化过程时，关闭循环泵和回水管路上的第三控制阀和第五控制阀；反应器主体内的污泥进行浸没式厌氧处理，持续4～7天；
待第二个消化周期的浸没式厌氧消化过程结束后，打开回水管路上的第三控制阀和第五控制阀；打开循环泵，循环泵将液相反应区中的反应液通过回水管路输送至反应器主体的顶部，反应液喷淋在固相反应区的固体垃圾上方，固相反应区的固体垃圾进行淋滤反应4～7天，从而完成餐厨垃圾的第二个周期的厌氧消化过程；
第三个消化周期至第五个消化周期的步骤与第二个消化周期相同。
本发明具有积极的效果：（1）本发明的消化装置通过设置双向循环泵，在厌氧消化的初始阶段将待处理的餐厨垃圾中的液体从反应器主体的底部进水口送入反应器主体内部，待厌氧消化一段时间后，将反应器主体内部的液体从反应器主体下部的出水管抽出，然后输送至反应器的顶部，从反应器的顶部向反应器主体内部的固相反应区喷淋。一台双向循环泵完成了反应体系的液体输送，整个反应装置结构简单，施工方便并且操作方便。
（2）本发明的餐厨垃圾的厌氧消化方法在对餐厨垃圾进行厌氧消化时，首先将餐厨垃圾进行固液相分离，将固相垃圾储放在原泥池，液相垃圾即废液储放在原水池中；待处理的固相垃圾预先转移至消化装置的反应器主体的固体反应区，原水池中的废液由循环泵输送至反应器主体内部浸没固体反应区的固相垃圾，厌氧消化一段时间后，再将反应器主体中的反应液从反应器主体下部抽出从上部喷淋在固相反应区，通过浸没式厌氧消化和淋滤反应交替运行的方式，可以使得餐厨垃圾的固相残渣和液相废液都得以充分厌氧消化反应，以最大程度使得餐厨垃圾得以处理，实现最大程度的资源化处理。同时此装置和方法除了处理餐厨垃圾外，也能够处理鸡粪、城市污泥等有机固体废弃物。
附图说明
图1为本发明的厌氧消化装置的结构示意图；
上述附图中的标记如下：反应器主体1，固相反应区11，排泥口11-1，液相反应区12，筛网12-1，填料12-2，底部排泥口13；
上盖2，出气管21，回流进水管22，喷淋头23，测温探头24；
循环泵3；
输水管路4，第一管道41，第二管道42，第三管道43，第四管道44；进水管45，布水器45-1，
回水管路5，出水管51，第五管道52，第六管道53，第七管道54，第八管道55；
第一控制阀61，第二控制阀62，第三控制阀63，第四控制阀64，第五控制阀65；
原水池7。
具体实施方式
（实施例1、餐厨垃圾的厌氧消化装置）
见图1，本实施例的餐厨垃圾的厌氧消化装置包括反应器主体1、上盖2、循环泵3、输水管路4、回水管路5、控制阀和原水池7。上盖2设置在反应器主体1的顶部，密封反应器主体1内部的空腔。循环泵3通过输水管路4将原水池7中的废液输送至反应器主体1的进水口，循环泵3通过回水管路5将反应器主体1内部的反应液从反应器上方回流送入反应器1内部。
反应器主体1的内部设有固相反应区11和液相反应区12，反应器主体1的底部设有底部排泥口13。所述液相反应区12设置在反应器主体1的内部空腔的下部，固相反应区11位于液相反应区12的上方。
液相反应区12包括上、下筛网12-1和两个筛网之间的填料12-2。下筛网12-1距离反应器主体1底部的距离为反应器主体1高度的1/10～1/5。上筛网与下筛网之间的距离为反应器主体1高度的2/5～3/5。上筛网与下筛网均采用304不锈钢材料制成，上筛网与下筛网的目数均为500目。
填料12-2填充满上、下筛网12-1之间的空间。填料12-2上附着生物膜，填料中包含厌氧菌种，为了给厌氧菌种提供适合的生长环境，填料12-2所选用的材质具有高表面积/体积比。本实施例所选用的填料12-2购自宜兴市高塍恒光环保设备厂的生物挂膜组合填料，填料由半软性高分子聚合物和软性醛化维纶丝组成，软性醛化维纶丝被压制在半软性高分子聚合物内圈上。所述生物膜是经过培养驯化后，附着于填料上的微生物膜，填料上开始挂膜时从边缘的软性填料醛化维纶上开始挂膜，一周后，生物膜就会延伸至内圈半软性填料上，使软性和半软性皆产生效果，最终达到较好的处理效果。
上筛网12-1通过反应器主体1的内壁上等间距设置的4个或4个以上的挂钩固定在反应器主体1的内部，下筛网12-1的固定方式与上筛网12-1相同。
固相反应区11位于上筛网12-1的上方。固相反应区11的高度为反应器主体1高度的1/5～2/5。固相反应区11的底部设有排泥口11-1，排泥口11-1位于上筛网12-1的上方。
上盖2上设有出气口、回流进水口和测温口。出气口与出气管21相连通，出气管21与气体储罐相连。回流进水口与回流进水管22相连通，回流进水管22的出水口设置喷淋头23。测温口内设置测温探头24，用于检测反应器主体1内部的温度。
循环泵3为双向循环泵，本实施例中所用的双向循环泵为保定兰格恒流泵有限公司的JL350-2J型号的双向循环泵。
所述输水管路4按照液体的流向依次包括第一管道41、第二管道42、第三管道43、第四管道44和进水管45。第一管道41的进水口位于原水池7内的液面下方，第一管道41的出水口与第一三通的右接口相连，第一三通的左接口与第二管道42的进水端相连，第二管道42的出水端与循环泵3的右侧端口相连，循环泵3的左侧端口与第三管道43的进水端相连，第三管道43的出水端与第二三通的右接口的相连，第二三通的上接口与第四管道44的进水端相连，第四管道44的出水端与进水管45的进水端相连，进水管45的出水端从反应器主体1的底部伸入反应器主体1内，进水管45的出水端连接布水器45-1。
所述回水管路5按照液体的流向依次包括出水管51、第五管道52、第六管道53、第七管道54和第八管道55。出水管51的进水端口位于液相反应区12的下端，出水管51的出水口与第五管道52的进水口相连，第五管道52的出水口与第三三通的左接口相连，第三三通的右接口与第六管道53相连，第六管道53的出水口接储液罐；第三三通的下接口与第七管道54的进水口相连，第七管道54的出水口与第二三通的左接口的相连，第七管道54通过第二三通、输水管路4的第三管道43与循环泵3的左侧端口相连，循环泵3的右侧端口通过输水管路4的第二管道42和第一三通与第八管道55的进水口相连，第八管道55的出水口与回流进水管22的进水端相连，回流进水管22的出水端从上盖2伸入反应器主体1内。
回水管路5与输水管路4共用一段管路，可以简化管道设计，节省基建投资。
控制阀包括第一控制阀61、第二控制阀62、第三控制阀63、第四控制阀64和第五控制阀65，分别设置在对应的管道上。其中第一控制阀61设置在输水管路4的第一管道41上，第二控制阀62设置在输水管路4的进水管45上，第三控制阀63设置在回水管路5的出水管51上，第四控制阀64设置在回水管路5的第六管道53上，第五控制阀65设置在回水管路5的第八管道55上。
本发明的消化装置通过设置双向循环泵，在厌氧消化的初始阶段可以将待处理的餐厨垃圾中的液体从反应器主体的底部进水口送入反应器主体内部，待厌氧消化一段时间后，再将反应器主体内部的液体从反应器主体下部的出水管抽出，然后输送至反应器的顶部，从反应器的顶部向反应器主体内部的固相反应区喷淋。一台双向循环泵完成了反应体系的液体输送，整个反应装置管道设计简洁，结构简单，施工方便并且操作方便。
本发明的消化装置在反应器主体1的内部分隔设置固相反应区11和液相反应区12，而不是将餐厨垃圾与菌种混合后直接在反应器主体1内部厌氧消化，使得液相废弃物具有更高的消化效率，同时固相废弃物也能得到充分消化，以提高废弃物整体消化产气率，同时具有固相液相易分离，反应彻底的优点。
（实施例2、餐厨垃圾的厌氧消化方法）
本实施例的餐厨垃圾的厌氧消化方法所用的装置为实施例1所述的厌氧消化装置。
本实施例的餐厨垃圾的厌氧消化方法包括以下步骤：
①菌种的驯化。取含固率为5%～7%的城市污水处理厂的厌氧池中的原泥装入培养池中，培养池中放入填料12-2，培养池中的原泥浸没填料12-2，驯化菌种时，为满足培养池内微生物生长的需求，向培养池中加入营养元素葡萄糖、N、P及微量元素Fe、Co、Ni配制成的营养液，每1kg原泥中加入10L的培养液；在中温（35±2℃）条件下菌种驯化10～15d。驯化结束后填料12-2上附着驯化后得到的厌氧菌种。
所述培养液中，每1L培养液含有1.03g葡萄糖、1g碳酸氢钠氮、0.26g氯化铵、45mg硫酸镁、30mg磷酸氢二钾、25mg柠檬酸钠、15mg氯化钙、1mg硫酸镍、4mg三氯化铁等。
②餐厨垃圾的固液分离。将家庭、学校、机关、公共食堂以及餐饮行业的食物废料、餐饮剩余物、食品加工废料及不可再食用的动植物油脂和各类油水混合物送入三相螺旋挤压脱水机中进行固液分离，分离得到的固相垃圾的含固率为70%～80%，储放在原泥池；液相垃圾即废液储放在原水池7中待处理。
步骤①和步骤②时间上无先后之分。
③物料的装填。打开反应器主体1顶部的上盖2，将液相反应区12的上、下筛网之间填充满从步骤①的培养池中取出的填料12-2，厌氧菌种附着在填料12-2内部；然后将原泥池中的固相垃圾转移至上筛网上方，固相垃圾的放置高度为反应器主体1高度的1/5～2/5。固相垃圾装填完毕后盖上上盖2。
④餐厨垃圾的厌氧消化。餐厨垃圾的厌氧消化过程总耗时为24～42天，由3～5个消化周期组成，每一个周期依次包括浸没式厌氧消化过程和淋滤反应过程。也即厌氧消化过程中，浸没式厌氧消化过程和淋滤反应过程交替进行。
进行第一个消化周期的浸没式厌氧消化过程时，打开输水管路4上的第一控制阀61和第二控制阀62，关闭回水管路5上的第三控制阀63、第四控制阀64和第五控制阀65；打开循环泵3，循环泵3将原水池7中的废液从反应器主体1底部的进水管45送入反应器主体1内，待液面浸没固相反应区11的固体垃圾的顶部，开始餐厨垃圾的浸没式厌氧消化过程，浸没式厌氧处理持续4～7天（本实施例中为5天）。浸没式厌氧消化过程中，氧化还原电位ORP为-200～-350mv，厌氧消化温度为35～40℃。待浸没式厌氧消化过程结束后，关闭输水管路4上的第一控制阀61和第二控制阀62，打开回水管路5上的第三控制阀63和第五控制阀65；打开循环泵3，循环泵3将液相反应区12中的反应液通过回水管路5输送至反应器主体1的顶部，反应液喷淋在固相反应区11的固体垃圾上方，固相反应区11的固体垃圾进行淋滤反应4～7天（本实施例中为5天），从而完成餐厨垃圾的第一个周期的厌氧消化过程。淋滤过程中，氧化还原电位ORP为-200～-350mv，固体垃圾的温度为35～40℃。
进行第二个消化周期的浸没式厌氧消化过程时，关闭循环泵3和回水管路5上的第三控制阀63和第五控制阀65；反应器主体1内的污泥进行浸没式厌氧处理持续4～7天（本实施例中为5天）。
待第二个消化周期的浸没式厌氧消化过程结束后，打开回水管路5上的第三控制阀63和第五控制阀65；打开循环泵3，循环泵3将液相反应区12中的反应液通过回水管路5输送至反应器主体1的顶部，反应液喷淋在固相反应区11的固体垃圾上方，固相反应区11的固体垃圾进行淋滤反应4～7天（本实施例中为5天），从而完成餐厨垃圾的第二个周期的厌氧消化过程。
第三个消化周期至第五个消化周期的步骤与第二个消化周期相同。本实施例中包括三个消化周期。
餐厨垃圾的厌氧消化结束后，关闭循环泵3，打开固相反应区11下方的排泥口11-1将消化后的固体垃圾排出，消化后的固体垃圾经过杀灭病原菌后可用于景观、林地和农业用肥。打开回水管路5上的第三控制阀63和第四控制阀64，将反应液排出反应器主体，消化后的反应液有机物浓度大大降低，进入厂区污水处理设施进一步处理后，可排入污水管道，进入污水处理厂统一处理。
厌氧消化过程中产生的甲烷从出气管21排出后，收集在气体储罐中。
本实施例通过浸没式厌氧消化和淋滤反应的方式，使餐厨垃圾的厌氧条件下通过微生物作用将餐厨垃圾泥通过厌氧发酵转为清洁能源——甲烷，不仅可解决餐厨垃圾的处置问题，也可在一定程度上减少对化石燃料的依赖，进而减少由于使用化石燃料所造成的环境污染问题。能为社会带来显著的经济和环境生态效益，在倡导绿色化学、清洁化工的21世纪具有极其诱人的应用前景。
（应用例1）
取学校食堂的餐厨垃圾，未进行厌氧消化处理前，检测液相废液COD值为120000mg/L；按照实施例2的方法进行厌氧消化处理后，废液的COD值下降至6000～8000mg/L，消化后的固体垃圾减重88%以上。收集得到甲烷562.21L。
作为对比的，同样取学校食堂的餐厨垃圾1kg，未进行厌氧消化处理前，液相废液COD值为120000mg/L。进行厌氧消化时，将餐厨垃圾直接与驯化后的污泥0.3kg直接混合，污泥的驯化方法与实施例2的步骤①相同。厌氧消化30天后，废液的COD值下降至10000～13000mg/L。收集得到甲烷489.12L。
因此本发明的消化装置和方法使得餐厨垃圾固液分离得到的液相废弃物具有更高的消化效率，同时固相废弃物也能得到充分消化，废弃物整体消化产气量提高。