专利名称：一种厨余垃圾处理装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及厨余垃圾的处理装置和方法，特别涉及厨余垃圾单相厌氧消化处理装置和方法。
背景技术：
厨余垃圾单相厌氧消化工艺在提高有机负荷过程中容易出现系统内pH急剧下降，产甲烷菌由于酸度过高受到抑制而导致系统运行失败的问题，解决问题的关键是如何在提高有机负荷的同时降低系统内酸度。有机废物厌氧消化过程中，低的PH状况是由两种酸度引起的，挥发性有机酸(VFA酸度)和H2CO3酸度。VFA通常被认为是厌氧消化过程失败的一个重要原因，而由高CO2分压引起的H2CO3酸度很少得到关注。本发明针对厌氧消化过程中产生的高CO2分压，采用去除气相中CO2,以提高厨余垃圾单相厌氧消化过程中有机负荷和工艺稳定性。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术的不足，提供一种厨余垃圾处理装置及其处理方法，采用产气回流搅拌过程中加入碱液吸收装置去除CO2气体，降低反应器内酸度，以提高厨余垃圾单相厌氧消化过程的处理效率。为实现上述目的本发明采用以下技术方案一种厨余垃圾处理装置，由单相厌氧消化反应器、输气管、气体循环泵、碱液吸收装置、产气计量装置和真空泵组成，所述单相厌氧消化反应器由下部中空细长部分和上部三相分离器组成，所述碱液吸收装置中装有质量浓度为5%的NaOH，所述产气计量装置为一倒置的带有刻度的玻璃水柱和水槽；所述气体循环泵通过输气管分别与所述单相厌氧消化反应器下端和所述碱液吸收装置上端相连；所述单相厌氧消化反应器的上端通过输气管分别与所述碱液吸收装置的下端和所述产气计量装置的下端相连；所述产气计量装置的上端通过输气管与真空泵相连。本发明还公开了一种使用所述厨余垃圾处理装置处理厨余垃圾的方法，包括以下步骤I、厨余垃圾首先破碎成浆液，测得总固体(TS)质量百分含量为20%，挥发性固体(VS)组成占TS的质量百分比为95%，进料厨余垃圾的pH为3. 9 ;2、厨余垃圾单相厌氧消化过程以间歇操作方式运行，运行周期为24h，其中进料时间15分钟，反应时间22. 5小时，沉淀I小时，出料15分钟；3、将厨余垃圾由反应器下部泵入反应器后，开启气体循环泵，将厨余垃圾厌氧消化过程中产生的气体以lOOmL/min的速度回流入反应器对反应物料进行搅拌，在气体循环管路中加入碱液吸收装置，具体操作为厌氧消化过程中产生的混合气体(主要包括甲烷和CO2)在循环回反应器之前首先通入NaOH溶液将CO2气体吸收，NaOH溶液质量百分比浓度设定在5%，经过NaOH溶液吸收后的混合气再回流回反应器对反应物料进行搅拌；
4、当利用pH计监测到NaOH溶液的pH低于pHIO时，利用新配制的5%的NaOH溶液更换吸收碱液；没有回流的气体直接进入产气计量装置。所述单向厌氧消化反应器、碱液吸收装置和产气计量装置的上端均为出料处，下端均为进料处。本发明的优点是I、单相厌氧消化反应器投资低、运行维护费用低；2、在单相厌氧消化过程中加入碱液吸收装置吸收CO2降低反应器内酸度后，不但提高了单相厌氧消化反应器的处理负荷，而且提高了单相厌氧消化工艺的耐负荷冲击能力。
图I为本发明方法所采用的厨余垃圾单相厌氧消化反应器。图2为本发明流程图。
具体实施例方式以下实施例中所用厨余垃圾处理装置由单相厌氧消化反应器I、输气管2、气体循环泵4、碱液吸收装置3、产气计量装置5和真空泵6构成如图2所示。单相厌氧消化反应器由下部中空细长部分8和上部三相分离器7组成，如图I所示；气体循环泵采用兰格蠕动泵(型号BT300-2J)，输气管采用硅胶管(管内径为9. 6mm);碱液吸收装置利用装有质量百分比浓度为5%的NaOH的250mL溶剂瓶，进行倒置；采用排水计量法计量产气量，排水法中采用倒置的玻璃水柱。首先将厨余垃圾进料装入反应器中，进料完毕后打开气体循环泵，循环气体经过三通进入反应器对厨余垃圾进料进行搅拌，在反应器三相分离器气体空间的气体首先经过管道进入倒置的碱液吸收装置，经过碱液吸收装置CO2被吸收后的剩余气体重新进入气体循环管路被气体循环泵重新打入反应器，单相厌氧反应器三相分离器上部产气除进入碱液吸收装置的，其余进入气体计量装置中的倒置玻璃水柱，气体计量装置在每次进料前首先读数，读数后利用真空泵将倒置玻璃水柱中页面提升至初始刻度。以下实施例中COD和TS测定方法根据参考文献“APHA Standard Method for theExamination of Water and Waterwater 1995”进行测定；碳酸氢盐碱度根据参考文献“贺延龄废水的厌氧生物处理1998”进行测定。实施例I :I、厨余垃圾首先破碎成浆液，测得总固体(TS)的质量百分比浓度为20%，挥发性固体(VS)组成占TS的质量百分比浓度为95%，进料厨余垃圾的pH为3. 3，进料时将厨余垃圾用自来水进行稀释，稀释后的厨余垃圾的总固体(TS)的质量百分比浓度为4.3%，进料COD浓度为51g/L，水力停留时间为10天，厨余垃圾的进料COD负荷为4. 3g · (L · d)—1 ；2、厨余垃圾单相厌氧消化在有效容积为2L的玻璃反应器内进行，反应器如附图I所示。反应器由下部中空的细长部分和上部三相分离器组成。下部细长部分直径为60mm，高400mm;上部球形部分直径为150mm。厨余垃圾单相厌氧消化过程以间歇操作方式运行，运行周期为24h，其中进料时间15分钟，反应时间22. 5小时，沉淀I小时，出料15分钟，厨余垃圾单相厌氧消化反应在35°C内的温室内进行；
3、将厨余垃圾由反应器下部细长部分泵入反应器后，开启气体循环泵，将厨余垃圾厌氧消化过程中产生的一部分气体以lOOmL/min的速度回流入反应器对反应物料用回流气体进行搅拌；在气体循环管路中加入碱液吸收装置，具体操作为厌氧消化过程中产生的混合气体(主要包括甲烷和CO2)在循环回反应器之前首先通入NaOH溶液将CO2气体吸收，NaOH溶液质量百分比浓度设定在5%，经过NaOH溶液吸收后的混合气再回流回反应器对反应物料进行搅拌；4、当利用pH计监测到NaOH溶液的pH低于pHIO时,利用新配制的质量百分比浓度为5%的NaOH溶液更换吸收碱液；另一部分没有回流的混和气直接进入产气计量装置。当此工艺稳定运行30天后，分别检测了 COD、TS、甲烷产量、碳酸氢盐碱度和VFA浓度，水解酸化产物中有机酸组分乳酸、甲酸、乙酸、丙酸和丁酸采用高效液相色谱(2010A)进行测定，实验所用仪器为日本岛津公司产2010A型高效液相色谱，紫外检测器，C18反相色谱柱，CLASS-VP色谱工作站。流动相为体积比15%色谱纯甲醇和85%磷酸二氢钾缓冲溶液(15mmol/L,pH = 2. I)的混合液，流速I. 5mL/min，检测波长为210nm，柱温为25。。，进 样量为5 μ L0测试样品首先经过4. 4 μ m滤纸和O. 45 μ m滤膜过滤，根据需要用流动相进行稀释，超声脱气后进入仪器进行测定；气体体积通过排水法计量，其中甲烷含量由装有填充柱TDX102的气相色谱(GC 14B)检测，实验仪器采用日本岛津公司产GC-14B型气相色谱仪，热导检测器，不锈钢填充柱(担体TDX — 102，粒径60-80目，填充柱长2mX Φ2πιπι)。测定条件柱温100°C，进样器温度100°C，检测器温度120°C，工作电流65mA，载气为氩气，流量20mL/min，进样量20 μ L。COD和TS去除率分别由进料COD和TS浓度减出料COD和TS浓度除以进料COD和TS的浓度。检测结果表明C0D的去除率为68%，TS去除率为63%，甲烷产量为I. 5L · (L ΜΓ1，碳酸氢盐碱度为5. 2g/L，出料液中的VFA浓度为3. 6g/L，pH为8。实施例2 I、厨余垃圾首先破碎成浆液，测得总固体(TS)的质量百分含量为20%，挥发性固体组分(VS)占TS的质量百分比为95%，进料厨余垃圾的pH为3，进料时将厨余垃圾用自来水进行稀释，稀释后的厨余垃圾TS为6. 1%，进料COD浓度设定为82g/L，水力停留时间为13. 3天，厨余垃圾的进料COD负荷为6. 2g · (L · d)-1 ；2、厨余垃圾单相厌氧消化在有效容积为2L的玻璃反应器内进行，反应器图示如附图I所示。反应器由下部细长部分和上部三相分离器组成，下部细长部分直径为60mm，高400mm;上部球形部分直径为150mm。厨余垃圾单相厌氧消化过程以间歇操作方式运行，运行周期为24h，其中进料时间15分钟，反应时间22. 5小时，沉淀I小时，出料15分钟，厨余垃圾单相厌氧消化反应在35°C内的温室内进行；3、将厨余垃圾由反应器下部泵入反应器后，开启气体循环泵，将厨余垃圾厌氧消化过程中产生的一部分气体以100mL/min的速度回流入反应器对反应物料进行搅拌；在气体循环管路中加入碱液吸收装置，具体操作为厌氧消化过程中产生的混合气体(主要包括甲烷和CO2)在循环回反应器之前首先通入NaOH溶液将CO2气体吸收，NaOH溶液质量百分比浓度设定在5%，经过NaOH溶液吸收后的混合气再回流回反应器对反应物料进行搅拌；4、当利用pH计监测到NaOH溶液的pH低于pHIO时,利用新配制的质量百分比浓度为5%的NaOH溶液更换吸收碱液；另一部分没有回流的混和气直接进入产气计量装置。
当此工艺稳定运行30天后，分别检测了 COD、TS、甲烷产量、碳酸氢盐碱度和VFA浓度，测定方法同实施例I。COD采用标准重铬酸钾法测定；碳酸氢盐碱度采用滴定法测定；水解酸化产物中有机酸组分乳酸、甲酸、乙酸、丙酸和丁酸采用高效液相色谱(2010A)进行测定，测定方法同实施例I ;气体体积通过排水法计量，计量方法同实施例1，其中甲烷含量由装有填充柱TDX102的气相色谱(GC-14B)检测，检测方法同实施例I。COD和TS去除率分别由进料COD和TS浓度减出料COD和TS浓度除以进料COD和TS的浓度。检测结果表明C0D的去除率为66%，TS去除率为63%，甲烷产量为2. OL · (L · d)—1，碳酸氢盐碱度为4. 5g/L，出料液中的VFA浓度为4. 5g/L，pH为7. 8。实施例3:I、厨余垃圾首先破碎成浆液，测得总固体(TS)质量百分含量为20%，挥发性固体组分(VS)占TS的质量百分比为95%，进料厨余垃圾的pH为3，进料时将厨余垃圾用自来水进行稀释，稀释后的厨余垃圾TS为8. 5 %，进料COD浓度设定为114g/L，水力停留时间为13. 3天，厨余垃圾的进料COD负荷为8. 4g · (L · d)—1 ； 2、厨余垃圾单相厌氧消化在有效容积为2L的玻璃反应器内进行，反应器图示如附图所示。反应器由下部细长部分和上部三相分离器组成。下部细长部分直径为60mm，高400mm ;上部球形部分直径为150mm。厨余垃圾单相厌氧消化过程以间歇操作方式运行，运行周期为24h，其中进料时间15分钟，反应时间22. 5小时，沉淀I小时，出料15分钟，厨余垃圾单相厌氧消化反应在35°C内的温室内进行；3、将厨余垃圾由反应器下部泵入反应器后，开启气体循环泵，将厨余垃圾厌氧消化过程中产生的一部分气体以100mL/min的速度回流入反应器对反应物料进行搅拌；在气体循环管路中加入碱液吸收装置，具体操作为厌氧消化过程中产生的混合气体(主要包括甲烷和CO2)在循环回反应器之前首先通入NaOH溶液将CO2气体吸收，NaOH溶液质量百分比浓度设定在5%，经过NaOH溶液吸收后的混合气再回流回反应器对反应物料进行搅拌；4、当利用pH计监测到NaOH溶液的pH低于pHIO时,利用新配制的质量百分比浓度为5%的NaOH溶液更换吸收碱液；另一部分没有回流的混和气直接进入产气计量装置。当此工艺稳定运行30天后，分别检测了 COD、TS、甲烷产量、碳酸氢盐碱度和VFA浓度，检测方法同实施例I。COD采用标准重铬酸钾法测定；碳酸氢盐碱度采用滴定法测定；水解酸化产物中有机酸组分乳酸、甲酸、乙酸、丙酸和丁酸采用高效液相色谱(2010A)进行测定，测定方法同实施例I ;气体体积通过排水法计量，计量方法同实施例1，其中甲烷含量由装有填充柱TDX102的气相色谱(GC 14B)检测，检测方法同实施例I。COD和TS去除率分别由进料COD和TS浓度减出料COD和TS浓度除以进料COD和TS的浓度。检测结果表明C0D的去除率为66%，TS去除率为69%，甲烷产量为2. 5L · (L · d)—1，碳酸氢盐碱度为3. 8g/L，出料液中的VFA浓度为4. 7g/L，pH为7. 7。对比例I :在没有应用本发明时，厨余垃圾单相厌氧消化操作过程中产气回流进行搅拌，但没有在产气回流过程中加入CO2的碱液吸收装置。厨余垃圾首先破碎成浆液，测得总固体(TS)为20%，挥发性固体组分(VS)占TS的质量百分比为95%，进料厨余垃圾的pH为3，进料时将厨余垃圾用自来水分别稀释到质量百分比浓度为2. 2%和4. 3 %，进料COD浓度分别为20g/L和51g/L，水力停留时间分别为6. 7天和13. 3天，厨余垃圾的进料COD负荷分别为2. 8g · (L · dr1和4. 3g · (L · d)—1 ;厨余垃圾单相厌氧消化在有效容积为2L的玻璃反应器内进行，反应器图示如附图所示。反应器由下部细长部分和上部三相分离器组成。下部细长部分直径为60mm，高400mm ;上部球形部分直径为150mm。厨余垃圾单相厌氧消化过程以间歇操作方式运行，运行周期为24h，其中进料时间15分钟，反应时间22. 5小时，沉淀I小时，出料15分钟，厨余垃圾单相厌氧消化反应在35°C内的温室内进行；将厨余垃圾由反应器下部泵入反应器后，开启气体循环泵，将厨余垃圾厌氧消化过程中产生的一部分气体以100mL/min的速度回流入反应器对反应物料进行搅拌。另一部分没有回流的混和气直接进入产气计量装置。在每个COD负荷下，工艺稳定运行30天后，分别检测了 COD、TS、甲烷产量、碳酸氢盐碱度和VFA浓度，检测方法同实施例I。COD去除率逐渐升高并稳定在50%。pH和VFA浓度分别稳定在7. 5和4 5g/L。甲烷产量在初期迅速增加，而后在IOd后稳定在1.5L· (L^d)'在每次进料中将碳酸氢钠加入厨余垃圾中，反应器内的碳酸氢盐碱度保持在2g/L附近。CO2分压由平均50%逐渐降低到40%左右。当进料COD负荷提高到5g · (L ·(!) ―1时.反应器中的pH在前5天由平均7. 3逐渐下降到6. 8，之后迅速下降到6以下，VFA浓度迅速增加到超过9g/L，COD去除率逐渐下降到20%以下。COD负荷率提高后， 甲烷产量首先持续稳定6d，之后迅速降低到O. 25L· (I^dr1以下。反应器中的碳酸氢盐碱度在COD负荷提高后也逐渐下降，CO2分压持续上升到90%。在pH下降到6.2时，增加碳酸氢钠的投加量为每天4g，但显然碱度的投加量不足，反应器的性能并没有恢复，厌氧反应器的运行仍然因为酸化而失败。继续增加碳酸氢钠的投加量不能阻止反应器的酸化。当应用本发明时在其它条件不变的情况下，在每个COD负荷下，工艺稳定运行30天后，分别检测了 COD、TS、甲烷产量、碳酸氢盐碱度和VFA浓度，检测方法同实施例I。COD负荷率逐渐由 2.8g· (L· dr1 提高至 5. Ig · (L* d)^,6. 2g* (L · d) 和 8. 4g · (L · d)—1时，工艺能够稳定运彳丁。进料COD负荷可以提闻8g · (L · d) 1以上。尽管进料厨余垃圾的PH很低，但反应器中的pH在7-8之间变化。随着COD负荷率的提高，出料中VFA浓度逐渐由2. 7g/L 上升至IJ 3. 6g/L，4. 5g/L 和 4. 7g/L，在 COD 负荷为 6. 2g · (L · d) Λ 和 8. 4g · (L · d)时，VFA浓度变化不大。在COD负荷为2. 8g · (L · d)—1时，VFA浓度逐渐下降，表明反应器中微生物对VFA的利用逐渐提高。随着COD负荷率的提高，碳酸氢盐碱度呈现先升高后下降的趋势。COD负荷率逐渐由2.8g· (L· dr1提高至5. Ig · (L* d)^,6. 2g · (L· d)—1，和8. 4g · (L · dr1时，反应器内的碳酸氢盐碱度分别为3. 2g/L，5. 2g/L，4. 5g/L，和3. 8g/L。在反应系统内的碳酸氢盐碱度主要是由系统中的pH、CO2分压和VFA浓度决定。当COD负荷率由2. 8g · (L · dr1提高到5. Ig · (L · d)—1时，碳酸氢盐碱度猛然上升，主要是由于COD负荷的提高使系统中产生了更多的CO2，而CO2在气相中低的CO2分压条件下在溶液中是以碳酸氢盐碱度存在。当COD负荷继续提高到6. 2g · (L · dr1时，碳酸氢盐碱度下降，是由于出料中VFA浓度逐渐上升，消耗了一部分碳酸氢盐碱度。整个提高COD负荷的过程中，由于混合气中的CO2连续被碱液吸收，因而气相中的C02浓度很低，在COD负荷率为
2.8g · (L · dr1 和 5. Ig · (L · dr1 时，C02 浓度仅为 1%，在 COD 负荷率为 6. 2g · (L · d)—1和8. 4g · (L · dr1时增加到10%。在提高COD负荷过程中，VFA和碳酸氢盐碱度逐渐下降，但COD去除率和甲烷产量保持平稳上升，直到在COD负荷率为8. 4g · (L · d) ―1时保持稳定。
权利要求
1.一种厨余垃圾处理装置，其特征在于由单相厌氧消化反应器、输气管、气体循环泵、碱液吸收装置、产气计量装置和真空泵组成；所述单相厌氧消化反应器由下部中空细长部分和上部三相分离器组成，所述碱液吸收装置中装有NaOH，所述产气计量装置为带有刻度的玻璃水柱和水槽；所述气体循环泵通过输气管分别与所述单相厌氧消化反应器下端和所述碱液吸收装置上端相连；所述单相厌氧消化反应器的上端通过输气管分别与所述碱液吸收装置的下端和所述产气计量装置的下端相连；所述产气计量装置的上端通过输气管与真空泵相连；所述单向厌氧消化反应器、碱液吸收装置和产气计量装置的上端均为出料处，下端均为进料处。
2.如权利要求I所述的处理装置，其中，所述碱液吸收装置中装有质量浓度为5%的NaOH。
3.一种使用权利要求I或2所述厨余垃圾处理装置处理厨余垃圾的方法，包括以下步骤 a、厨余垃圾首先破碎成浆液，测得总固体质量百分含量为20%，挥发性固体组成占总固体的质量百分比为95%，进料厨余垃圾的pH为3. 9 ; b、厨余垃圾单相厌氧消化过程以间歇操作方式运行，运行周期为24h，其中进料时间15分钟，反应时间22. 5小时，沉淀I小时，出料15分钟； C、将厨余垃圾由反应器下部泵入反应器后，开启气体循环泵，将厨余垃圾厌氧消化过程中产生的气体回流入反应器对反应物料进行搅拌，在气体循环管路中加入碱液吸收装置，具体操作为厌氧消化过程中产生的混合气体在循环回反应器之前首先通入NaOH溶液将CO2气体吸收，经过NaOH溶液吸收后的混合气再回流回反应器对反应物料进行搅拌； d、当利用pH计监测到NaOH溶液的pH低于pHIO时，利用新配制的5%的NaOH溶液更换吸收碱液；没有回流的气体直接进入产气计量装置。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述步骤c中所述产生的气体以100mL/min的速度回流入反应器。
全文摘要
本发明涉及一种厨余垃圾处理装置及其处理方法，所述厨余垃圾处理装置，由单相厌氧消化反应器、输气管、气体循环泵、碱液吸收装置、产气计量装置和真空泵组成，所述单相厌氧消化反应器由下部中空细长部分和上部三相分离器组成，所述碱液吸收装置中装有NaOH，所述产气计量装置为一倒置的带有刻度的玻璃水柱；所述气体循环泵通过输气管分别与所述单相厌氧消化反应器下端和所述碱液吸收装置上端相连；所述单相厌氧消化反应器的上端通过输气管分别与所述碱液吸收装置的下端和所述产气计量装置的下端相连；所述产气计量装置的上端通过输气管与真空泵相连，本发明降低了反应器内酸度，以提高厨余垃圾单相厌氧消化过程的处理效率。
文档编号B09B3/00GK102806226SQ201210272270
公开日2012年12月5日 申请日期2012年8月2日 优先权日2012年8月2日
发明者张波, 蔡伟民, 何义亮 申请人:上海交通大学