专利名称：一种餐厨垃圾两步连续厌氧发酵产沼气的方法
技术领域：
本发明属于固体废弃物处理与资源化领域，更具体是ー种餐厨垃圾中高温两步连续厌氧发酵产沼气的方法，以解决餐厨垃圾产沼气效率低的问题。
背景技术：
餐厨垃圾是居民在生活消费过程中形成的生活废物。餐厨垃圾主要成分包括米和面粉类食物残余、蔬菜、动植物油、肉骨等，从化学组成上，有淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐。因其有机物含量丰富、水分含量高、易腐烂，其性状和气味都会对环境卫生造成恶劣影响，且容易滋长病原微生物、霉菌毒素等有害物质。中国餐厨垃圾产量很大。来自北京市发展改革委的数字，北京市每天产生1200吨餐厨垃圾。清华大学环境系固体废物污染控制及资源化研究所的统计数据表明，中国城市毎年产生餐厨垃圾不低于6000万吨。现阶段，餐厨垃圾主要用于制作饲料、堆肥，但是饲料中的病原微生物可以通过食物链危害人体，堆肥处理的臭气等二次污染严重。进行餐厨垃圾的厌氧消化处理，不仅可有效处理垃圾，而且可从餐厨垃圾获得燃气能源，变废为宝。但目前的餐厨垃圾厌氧消化处理技术存有缺陷，传统的単相厌氧发酵エ艺，存在发酵体系易发生酸化从而造成餐厨垃圾产沼气不稳定和产沼气效率低的问题。采用两相发酵エ艺可以解决餐厨垃圾单相发酵体系易酸化的问题，但已报道的两相厌氧消化エ艺中，发酵过程需要添加酸或碱调节发酵过程的PH，造成运行成本较高，而且多为间歇性操作，酸化水解后的发酵物料需要进行固液分离，分离后的发酵液进行第二步厌氧产沼气发酵，过程繁琐，难以实现エ业化推广。同吋，目前已开发的餐厨垃圾厌氧消化エ艺，大都采用单一的中温或者高温发酵，没有针对酸化水解和厌氧发酵产沼气两个过程进行分别优化，从而存在餐厨垃圾降解效果不好、产沼气效率低的问题。因此，开发一种可提高餐厨垃圾降解和产沼气效率的适于エ业化运行的连续式两步厌氧发酵产沼气的方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供ー种餐厨垃圾两步连续厌氧发酵产沼气的方法，以克服现有的餐厨垃圾厌氧消化处理技术存在的问题，尤其是两相厌氧发酵エ艺存在难以连续运行、餐厨垃圾酸化水解和产沼气效率低的问题。为实现上述目的，本发明提供的餐厨垃圾两步连续厌氧发酵产沼气的方法，包括以下步骤I)将餐厨垃圾粉碎打浆；2)打浆后的餐厨垃圾中加水，转入第一 CSTR厌氧发酵罐进行酸化水解；3)将第一歩酸化水解后的发酵物料转入第二 CSTR厌氧发酵罐进行厌氧发酵产沼气，采用厌氧接种物。所述的方法，其中，步骤I包括去除不可降解或较难粉碎的固体无机物。所述的方法，其中，去除的固体无机物为贝壳、筷子以及塑料。
所述的方法，其中，步骤2中加水后的餐厨垃圾固含量为50-150gVS/L。所述的方法，其中，步骤2和步骤3是用氮气转换CSTR厌氧发酵罐内的空气。所述的方法，其中，步骤2中餐厨垃圾酸化水解的温度为30_37°C，水力停留时间为1-6天。所述的方法，其中，步骤3中的厌氧接种物为污水处理厂厌氧消化污泥，接种物固含量为 10-30gVS/L。所述的方法，其中，步骤3中发酵温度为45-60°C，水力停留时间为20-45天。所述的方法，其中，步骤2发酵后的沼液回收用于打浆后餐厨垃圾中的加水。所述的方法，其中，第一 CSTR厌氧发酵罐酸化水解后的发酵物料全部转入第二CSTR厌氧发酵罐。
本发明提供的可提高餐厨垃圾降解和产沼气效率的适于工业化连续运行的中高温两步厌氧消化的方法，其优点在于I)两步发酵过程均无需控制pH，通过控制餐厨垃圾的水力停留时间，即可维持体系PH的相对稳定，第一步餐厨垃圾酸化水解过程产生的挥发性脂肪酸可使第一步发酵过程的PH维持在较低水平，而第二步厌氧发酵产沼气过程中，第一步酸化水解产生的脂肪酸可很快被甲烷菌利用生成甲烷，可使发酵体系的PH稳定在7-8，因此整个发酵过程无需额外添加酸或碱控制PH，节省了酸或碱，降低了运行成本。2)中温条件下，餐厨垃圾酸化率较高，而在更高的温度条件下，代谢产物中乳酸的产量增加，不利于第二步厌氧产甲烷发酵。而在高温条件下，厌氧产甲烷菌具有更高的活性，产甲烷速率更高。因此本发明采用中温条件下酸化水解和高温条件下产沼气相结合餐厨垃圾处理工艺，大大提高了餐厨垃圾的降解效率和产沼气效率。3)本方法为连续式发酵法，每一步发酵过程均采用全混式CSTR连续式运行方式，第一步发酵罐排放出的发酵物料连续式全部转入第二个发酵罐，且第二步厌氧产沼气发酵后的沼液可回收用于稀释第一步厌氧产酸发酵的餐厨垃圾原料，整个工艺过程连续不间断，不会产生二次污染物。
图I为本发明技术的工艺流程图；图2为实施例I第一步TVFA产量和第二步沼气产量。图中主要符号说明I打浆机，2稀释装置，3第一 CSTR发酵罐，4第二 CSTR发酵罐。
具体实施例方式本发明的技术步骤如下I)将收集到的餐厨垃圾进行简单分选，去除较大的固体无机物，如贝壳、筷子、塑料等，然后采用打浆机进行餐厨垃圾粉碎打浆，把餐厨垃圾打成浆状。2)把打成浆状的餐厨垃圾加水混合进行稀释，稀释到餐厨垃圾固含量为50-150gVS/L，稀释后的餐厨垃圾加入到第一 CSTR(全混合厌氧)发酵罐，采用氮气置换发酵罐内空气，启动餐厨垃圾的厌氧酸化水解过程，发酵过程采用连续运行方式，后续酸化水解过程无需再进行氮气置換，控制餐厨垃圾的水力停留时间为1-6天。因为高温酸化过程易产生乳酸等不利于后续发酵产沼气的代谢产物，而中温发酵过程不仅不会降低餐厨垃圾的水解效果，而且产生有助于餐厨垃圾的酸化水解，因此控制发酵体系温度为30-37°C。3)将第一步餐厨垃圾酸化水解后的发酵物料全部连续转入第二 CSTR发酵罐，采用浓缩的污水处理厂厌氧消化污泥为接种物，采用氮气置换发酵罐内空气，启动餐厨垃圾的厌氧消化产沼气发酵，发酵过程采用连续运行方式，后续发酵过程无需再进行氮气置換，控制餐厨垃圾的水力停留时间为20-45天。因为高温发酵过程具有比中温发酵更高的产沼气效率，因此控制发酵体系温度为45-60°C。餐厨垃圾第二步厌氧发酵产沼气发酵后的沼液可回收用于第一步餐厨垃圾原料的稀释，从而減少发酵过程水的用量。本发明的餐厨垃圾中高温两步连续厌氧发酵产沼气的方法，无论是酸化水解过程还是厌氧发酵产沼气过程，两步过程中均不需要添加任何酸或碱调节发酵体系的PH，通过反应过程的自身调节，酸化水解过程的PH可稳定在3-5，厌氧发酵产沼气过程的pH可稳定在7-8，大大降低了餐厨垃圾整个发酵过程的运行成本。
以下结合附图和实施例作具体描述。需要说明的是本发明所采用的设备均为公知设备，因此不对涉及的设备作进ー步的介绍。实施例I.餐厨垃圾取自青岛凤凤生态美食苑，去除筷子、贝壳、塑料等较大的固体无机物，然后用食品打浆机I进行粉碎打浆，測定打浆后餐厨垃圾的组成和固含量如表I和表2所示。把打成浆状的餐厨垃圾与水通过稀释装置2混合进行稀释，稀释后餐厨垃圾固含量为75gVS/L。接种物厌氧消化污泥取自青岛团岛污水处理厂，离心浓缩，測定浓缩后的接种物固含量(如表2)。表I餐厨垃圾元素组成
N% C% H% S% C/N C/H------
_4.02 — 51.78_7.27 — 0.35 — 12.9 7.2表2餐厨垃圾和接种物固含量
__TS 一(g/L)VS (g/L)餐厨垃圾269249
接种物15.2 _10.1把稀释后的餐厨垃圾加入到第一 CSTR发酵罐3，发酵罐体积5L，首先加入4. 5L餐厨垃圾，用氮气吹扫30分钟，置換发酵罐内空气，控制餐厨垃圾的水力停留时间为3天，进出料速率为I. 5L/day，使用循环水加热，控制发酵体系温度为37± 1°C，每30分钟搅拌I分钟，启动餐厨垃圾的厌氧酸化水解过程。稳定运行后，挥发性脂肪酸(TVFA)产量为15-20g/(L day)(如图2所示)，pH在4. 6-5. 5之间。第二 CSTR发酵罐4体积50L，首先加入接种物45L，初始pH7. 6，用氮气吹扫30分钟，置換发酵罐内空气，将第一步餐厨垃圾酸化水解后的发酵物料转入第二 CSTR发酵罐4，进出料速率为I. 5L/day，控制餐厨垃圾的水力停留时间为30天，使用循环水加热，控制发酵体系温度为55±1°C，每30分钟搅拌I分钟，启动餐厨垃圾的厌氧消化产沼气发酵。实验启动后，餐厨垃圾第二步厌氧发酵产沼气发酵后的沼液回收用于第一步餐厨垃圾原料的稀释，从而减少发酵过程水的用量。稳定运行后，日产气量85-110L/day (如图2所示)，平均日产量 847. 5ml/(gV S day)，甲烷含量 60-75%，pH 在 7. 5-7. 8 之间。
权利要求
1.一种餐厨垃圾两步连续厌氧发酵产沼气的方法，包括以下步骤 1)将餐厨垃圾粉碎打浆； 2)打浆后的餐厨垃圾中加水，转入第一CSTR厌氧发酵罐进行酸化水解； 3)将第一步酸化水解后的发酵物料转入第二CSTR厌氧发酵罐进行厌氧发酵产沼气，采用厌氧接种物。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，步骤I包括去除不可降解或较难粉碎的固体无机物。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，去除的固体无机物为贝壳、筷子以及塑料。
4.根据权利要求I所述的方法，其中，步骤2中加水后的餐厨垃圾固含量为50-150gVS/Lo
5.根据权利要求I所述的方法，其中，步骤2和步骤3是用氮气转换CSTR厌氧发酵罐内的空气。
6.根据权利要求I所述的方法，其中，步骤2中餐厨垃圾酸化水解的温度为30-37°C，水力停留时间为1-6天。
7.根据权利要求I所述的方法，其中，步骤3中的厌氧接种物为污水处理厂厌氧消化污泥，接种物固含量为10-30gVS/L。
8.根据权利要求I所述的方法，其中，步骤3中发酵温度为45-60°C，水力停留时间为20-45 天。
9.根据权利要求I所述的方法，其中，步骤2发酵后的沼液回收用于打浆后餐厨垃圾中的加水。
10.根据权利要求I所述的方法，其中，第一CSTR厌氧发酵罐酸化水解后的发酵物料全部转入第二 CSTR厌氧发酵罐。
全文摘要
一种餐厨垃圾两步连续厌氧发酵产沼气的方法，包括以下步骤1)将餐厨垃圾粉碎打浆；2)打浆后的餐厨垃圾中加水，转入第一CSTR厌氧发酵罐进行酸化水解；3)将第一步酸化水解后的发酵物料转入第二CSTR厌氧发酵罐进行厌氧发酵产沼气，采用厌氧接种物。本发明的两步厌氧消化过程采用连续运行方式，将餐厨垃圾先酸化水解再进行高温厌氧发酵产沼气，酸化水解后的发酵物料无需进行固液分离。解决了餐厨垃圾降解快、厌氧发酵过程产气不稳定的问题，可实现餐厨垃圾工业化厌氧消化处理。
文档编号C12M1/107GK102757889SQ20111011516
公开日2012年10月31日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者孟宪武, 戴萌, 杨智满, 罗生军, 许晓辉, 郭荣波 申请人:中国科学院青岛生物能源与过程研究所