利用厨余垃圾生产碳源的方法及装置与流程

本发明属于垃圾处理技术领域，更具体地说，是涉及一种利用厨余垃圾生产碳源的方法及装置。

背景技术：

随着我国对污水处理厂排放标准的提高，总氮超标问题越来越受到重视。目前，多数污水厂采用生物脱氮工艺，其中的反硝化过程需要有有机物(碳源)作为电子供体才能进行。但是，受生化处理工艺的限制，大多数污水处理厂的反硝化阶段均存在碳氮比失调或是生化性不足的问题，需要投加有机物作为补充碳源。目前使用最广泛的有甲醇、乙酸、葡萄糖和乙醇等，脱氮效果良好，但价格昂贵，导致污水厂在碳源上的费用占其日常运行及管理费用的50％以上。外加碳源的需求量巨大，因此，寻找一种高效、稳定、价格更为低廉的碳源可以有效降低污水处理厂运行费用，降低污水处理成本。

另一方面，厨余垃圾中有机物含量高，产生量大，容易发生腐败污染环境，同时又具有很强的资源化利用潜力。目前，用于厨余垃圾处理的方法主要有以下几种：堆肥、卫生填埋、焚烧和厌氧消化。卫生填埋处置最为简单，但是存在资源浪费、占地广、具有泄漏隐患的问题。焚烧处理最为彻底，但厨余垃圾含水率高，焚烧处理成本高。堆肥和厌氧消化都具有一定资源回收能力，但存在工艺较复杂，产品经济效益低的问题。随着我国生活垃圾分类管理制度的落地实施，急需开发新的厨余垃圾减量化、无害化、资源化处置技术。研究发现，厨余垃圾厌氧消化过程中，中间水解产物包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等多种挥发性有机酸(vfa)，均容易被反硝化菌吸收利用，是制作碳源的良好原料。但由于厨余垃圾成分较为复杂，发酵条件较难控制，产品成分不稳定，影响了厨余垃圾厌氧发酵制复合碳源的应用。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种利用厨余垃圾生产碳源的方法及装置，以解决现有技术中存在的厨余垃圾制作碳源时发酵条件难以控制的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种利用厨余垃圾生产碳源的方法，包括以下步骤：

对厨余垃圾进行破碎处理，并进行挤压脱水，分离出浆液；

对浆液进行三相分离，分离出固相的固渣、油相的油脂以及液相的浆液；

将三相分离产生的浆液与乳酸菌种子液进行混合，设置发酵参数后进行发酵；

将发酵液进行固液分离，并将产生的液体与有机物复配后形成碳源。

在一个实施例中，在对浆液进行三相分离，分离出固相的二次固渣、油相的油脂以及液相的浆液的步骤之前，对挤压脱水产生的浆液进行加热，使油脂溶出。

在一个实施例中，对挤压脱水产生的浆液进行加热的加热温度为80-120℃，加热时间为30-90min。

在一个实施例中，所述乳酸菌种子液的制作方法为：将乳杆菌菌种接入到100±5℃灭菌后的种子培养基中，在30-55℃的温度下培养5-15h，接种比为1％～10％。

在一个实施例中，所述种子培养基的成分为：葡萄糖10-50g/l，蛋白胨1-8g/l，酵母粉1-8g/l，磷酸二氢钾1-6g/l，磷酸氢二钾0.5-3g/l。

在一个实施例中，所述发酵参数包括有机负荷、ph值和发酵温度，所述有机负荷为10-20kgvsm^-3d^-1；所述ph值为5.0-7.0，所述发酵温度为35-50℃。

在一个实施例中，所述有机物为甲醇、乙酸钠、葡萄糖、乙醇中的一种或几种。

本发明还提供一种利用厨余垃圾生产碳源的装置，采用上述的利用厨余垃圾生产碳源的方法，包括：

破碎机，用于对厨余垃圾进行破碎处理，形成浆料；

挤压机，用于对浆料进行挤压，形成浆液；

三相离心机，用于对挤压形成的浆液进行三相分离，以分离出固相的固渣、油相的油脂以及液相的浆液；

发酵罐，用于对三相离心后并接入乳酸菌种子液的浆液进行发酵；以及

离心脱水机，用于对发酵产生的物质进行固液分离；

所述破碎机、所述挤压机、所述三相离心机、所述发酵罐和所述离心机依次连接。

在一个实施例中，所述利用厨余垃圾生产碳源的装置还包括设置在所述挤压机和所述三相离心机之间的水热罐，所述水热罐用于湿热水解挤压形成的浆液。

在一个实施例中，所述破碎机为双轴破碎机。

本发明提供的利用厨余垃圾生产碳源的方法及装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明利用厨余垃圾生产碳源的方法包括以下步骤：首先对厨余垃圾进行破碎处理并进行挤压脱水后，分离出浆液，然后对浆液进行三相分离，形成液相的浆液；在将三相分离产生的浆液于乳酸菌种子液进行混合并进行发酵；最后将发酵液进行固液分离，液相部分与有机物复配后形成碳源。在该方法中，以厨余垃圾为原料生产廉价、高效的复合碳源，控制发酵条件，接入高效乳酸菌，实现厨余垃圾的定向乳酸发酵，分离出含有较高浓度乳酸的发酵液，乳酸发酵液与其他有机物复配为污水处理的外加碳源，不仅实现厨余垃圾的无害化处理，还能降低污水厂脱氮成本。乳酸的挥发性低，因此以乳酸为主要成分的发酵液不仅成分较为稳定，而且发酵过程更容易控制，保证生产碳源工艺的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的利用厨余垃圾生产碳源的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的利用厨余垃圾生产碳源的装置的原理示意图。

其中，图中各附图标记：

1-破碎机；2-挤压机；3-水热罐；4-三相离心机；5-发酵罐；6-离心脱水机。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

现对本发明实施例提供的利用厨余垃圾生产碳源的方法进行说明。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1，利用厨余垃圾生产碳源的方法包括以下步骤：

s10：对厨余垃圾进行破碎处理，并进行挤压脱水，分离出浆液；

s20：对浆液进行三相分离，分离出固相的二次固渣、油相的油脂以及液相的浆液；

s30：将三相分离产生的浆液与乳酸菌种子液进行混合，设置发酵参数后进行发酵；

s40：将发酵液进行固液分离，并将产生的液体与有机物复配后形成碳源。

上述实施例中的利用厨余垃圾生产碳源的方法，首先对厨余垃圾进行破碎处理并进行挤压脱水后，分离出浆液，然后对浆液进行三相分离，形成液相的浆液；在将三相分离产生的浆液与乳酸菌种子液进行混合并进行发酵；最后将发酵液进行固液分离，液相部分与有机物复配后形成碳源。在该方法中，以厨余垃圾为原料生产廉价、高效的复合碳源，控制发酵条件，接入高效乳酸菌，实现厨余垃圾的定向乳酸发酵，分离出含有较高浓度乳酸的发酵液，乳酸发酵液与其他有机物复配为污水处理的外加碳源，不仅实现厨余垃圾的无害化处理，还能降低污水厂脱氮成本。乳酸的挥发性低，因此以乳酸为主要成分的发酵液不仅成分较为稳定，而且发酵过程更容易控制，保证生产碳源工艺的稳定性。

在步骤s10之前，挑选厨余垃圾中的塑料、包装纸、竹木、瓶盖、玻璃、金属物等不易发酵杂质，将不易发酵物质挑选出来，可以减小厨余垃圾中无机物的含量，提高发酵的效率，减少设备磨损。

在步骤s10中，对厨余垃圾进行破碎处理之前加水调节厨余垃圾含水率，然后进入破碎机1进行全量破碎，制成浆料。加水调节时的固液比可为1:1至1:5，如1:2、1:3、1:4等。破碎机1可选为双轴多齿破碎机，轴的旋转方向与厨余垃圾的流向相反，可以将大块有机物、塑料等划破，能够将厨余垃圾推进至用于挤压脱水的设备中。破碎机1的出料粒径为10-30mm，双轴多齿破碎机的出料直径一般小于15mm，远小于一般破碎机1的出料直径，而厨余垃圾的出料粒径越小，越容易混合均匀，后续水解酸化的速度就越快。可选用高压螺旋挤压机对厨余垃圾进行挤压脱水，分离出浆液和固渣。高压螺旋挤压机2为两级挤压或者三级挤压，分离出的固渣的含水率低于70％。分离出的固渣可进入湿热水解工艺，后续进行厌氧发酵，分离后的浆液则准备进行加热或者直接进行三相分离。

在步骤s20之前，对步骤s10分离出的浆液进行加热，使浆液内部的固态油脂溶出，便于后续能够分离出更多的油脂，部分固相有机物液化，增加液相的有机物含量，可以提高碳源的转化率。可采用水热罐3对浆液进行加热，即采用通蒸汽的方法对浆液进行加热，加热温度为80-120℃，加热时间为30-90min。例如，加热温度为100℃，加热时间为45min；加热温度为90℃，加热时间为30min；加热温度为100℃，加热时间为60min。

在步骤s20中，采用三相离心机4对浆液进行三相分离，分离出固相的固渣、油相的油脂以及液相的浆液。三相离心机4可为卧螺式。分离出的固渣可进入湿热水解工艺，后续进行厌氧发酵；分离出的油脂的纯度不低于95％，可用作工业油脂(如化工原料或者制取生物柴油)，具有较高的回收价值。油脂可以收集在油脂储罐中，定期由油罐车外运，售卖给有资质的企业。

在步骤s30中，可将三相分离产生的浆液转入发酵罐，接入乳酸菌种子液，设置发酵参数后进行发酵，发酵时间为36-96h，如48h、72h、96h。发酵参数包括有机负荷、ph值、发酵温度等。有机负荷为10-20kgvsm^-3d^-1，如10kgvsm^-3d^-1、15kgvsm^-3d^-1、20kgvsm^-3d^-1等。常规厌氧消化产甲烷系统在高有机负荷下运行时，会因为vfa积累和氨氮抑制而导致系统失稳，因此一般的厌氧消化系统的有机负荷均低于5kgvsm-3d-1，水力停留时间超过7天。与厌氧消化产甲烷系统相比，本发明的方法将有机负荷大幅提高，水力停留时间缩短，大大提高了厨余垃圾的处理效率，减少投资占地和运行成本。ph值为5.0-7.0，如5.0、6.0、7.0等，ph的控制方式为添加盐酸。在厌氧消化产甲烷系统中，乳酸菌能够适应5.0-8.5的ph范围，而乳酸菌能适应的ph范围要小得多，一般在6.5-7.5。因此，本发明将ph值控制到5.0-7.0的范围内，有利于乳酸菌的生长代谢，并减少了碱的使用量。发酵温度为35-50℃，控制方式为蒸汽加热。在一定温度范围内，乳酸菌的活性随温度升高而增强，但超过一定温度后，乳酸菌活性会降低。各种不同温度下，水解酸化产物中小分子有机物的组成成分也有所不同。

可选地，乳酸菌种子液的制作方法为：将乳杆菌菌种接入到100±5℃灭菌后的种子培养基中，在30-55℃的温度下培养5-15h，接种比为1％～10％，乳杆菌可为鼠李糖乳杆菌，接种比可为5％、7％等。种子培养基的成分为：葡萄糖10-50g/l，蛋白胨1-8g/l，酵母粉1-8g/l，磷酸二氢钾1-6g/l，磷酸氢二钾0.5-3g/l，按上述配方配置种子培养基后，将种子培养基加热到100±5℃灭菌5-20min后，待冷却到40℃以下再接入乳杆菌菌种。

在步骤s40中，将在发酵罐中发酵完成的液体(发酵液)转入离心脱水机6中进行固液分离，所得的液体与其他有机物复配后，即可形成用作污水处理的碳源，碳源的tcod浓度不低于100g/l，碳氮比高于150。其中，发酵液的成分主要为乳酸，为提高发酵液的cod值，提高复合碳源的通用性，将发酵液与其他有机物进行复配，所用有机物为甲醇、乙酸钠、葡萄糖、乙醇中的一种或几种。离心脱水机6可为全自动变频离心脱水机，脱水污泥含水率为80-85％。

实施例一：

市政收运餐厨垃圾，经分拣去除不能发酵的金属、塑料等杂物，加水调节固液比为1:3，进行破碎磨浆和三级挤压脱水，制成厨余垃圾浆液。浆液泵入水热罐3中，通蒸汽加热到100℃，水热45min，经三相离心机4提取粗油脂。提油后的浆液泵入发酵罐5中，接入5％的种子液，调节ph值为6.0，有机负荷为150kgvsm^-3d^-1，发酵温度40℃，发酵72h。发酵后液体使用离心脱水机6进行固液分离，分离出的液相与25％的乙酸钠按照3:1的质量比复配，即为复合碳源。

实施例二：

市政收运餐厨垃圾，经分拣去除不能发酵的金属、塑料等杂物，加水调节固液比为1:2，进行破碎磨浆和三级挤压脱水，制成厨余垃圾浆液。浆液泵入水热罐3中，通蒸汽加热到90℃，水热30min，经三相离心机4提取粗油脂。提油后的浆液泵入发酵罐5中，接入5％的种子液，调节ph值为7.0，有机负荷为10kgvsm^-3d^-1，发酵温度35℃，发酵48h。发酵后液体使用离心脱水机6进行固液分离，分离出的液相与25％的乙酸钠按照3:1的比例复配，即为复合碳源。

实施例三：

市政收运餐厨垃圾，经分拣去除不能发酵的金属、塑料等杂物，加水调节固液比为1:4，进行破碎磨浆和三级挤压脱水，制成厨余垃圾浆液。浆液泵入水热罐3中，通蒸汽加热到100℃，水热60min，经三相离心机4提取粗油脂。提油后的浆液泵入发酵罐5中，接入5％的种子液，调节ph值为5.0，有机负荷为20kgvsm^-3d^-1，发酵温度50℃，发酵96h。发酵后液体使用离心脱水机6进行固液分离，分离出的液相与25％的乙酸钠按照3:1的比例复配，即为复合碳源。

对比例一：

采用同类专利(cn103243125b一种利用餐厨垃圾厌氧制碳源的方法)所记载的制备工艺。首先将厨余垃圾中纸张、塑料、无机物等不利于发酵的物质去除，并将厨余垃圾粉碎值1cm以下的粒径。将预处理的厨余垃圾放入厌氧产酸反应器中进行发酵，控制温度为35℃，ph为6.0，发酵3天后，取上清液以8000r/min的转速离心，所得液体即为复合碳源。

对比例二(非现有技术)：

本对比例与实施例一的区别在于没有s20。

市政收运餐厨垃圾，经分拣去除不能发酵的金属、塑料等杂物，进行破碎磨浆和三级挤压脱水，制成厨余垃圾浆液。浆液泵入发酵罐5中，调节ph值为6.0，有机负荷为150kgvsm^-3d^-1，发酵温度40℃，发酵72h。发酵后液体使用离心脱水机6进行固液分离，分离出的液相与25％的乙酸钠按照3:1的比例复配，即为复合碳源。

对比例三(非现有技术)：

本对比例与实施例一的区别在于没有s40。

市政收运餐厨垃圾，经分拣去除不能发酵的金属、塑料等杂物，进行破碎磨浆和三级挤压脱水，制成厨余垃圾浆液。浆液泵入水热罐3中，通蒸汽加热到100℃，水热45min，经三相离心机4提取粗油脂。提油后的浆液泵入发酵罐5中，调节ph值为6.0，有机负荷为150kgvsm^-3d^-1，发酵温度40℃，发酵72h。发酵后取上清液直接作为复合碳源。

对比例四(非现有技术)：

本对比例与实施例一的区别在于没有加乳酸菌种子液。

市政收运的餐厨垃圾，经分拣去除不能发酵的金属、塑料等杂物，加水调节固液比为1:3，进行破碎磨浆和三级挤压脱水，制成厨余垃圾浆液。浆液泵入水热罐3中，通蒸汽加热到100℃，水热45min，经三相离心机4提取粗油脂。提油后的浆液泵入发酵罐5中，调节ph值为6.0，有机负荷为150kgvsm^-3d^-1，发酵温度40℃，发酵72h。发酵后液体使用离心脱水机6进行固液分离，分离出的液相与25％的乙酸钠按照3:1的比例复配，即为复合碳源。

对实施例一至实施例三及对比例一至对比例四所得到的复合碳源进行测试，得到如下表1所示的数据。其中，cod浓度采用《化学需氧量的测定》gb11914-89标准方法方式测定，氨氮浓度采用《水质氨氮的测定纳士试剂分光光度法》hj535-2009标准方法测定。

表1

由表1的结果可以得知，实施例一至实施例三所得到的复合碳源的cod浓度均高于100g/l，碳氮比高于150，vfa浓度高于5000mg/l，表明含有较高浓度易降解的小分子有机物，容易被微生物吸收利用。从对比例一至对比例四的结果可知，缺少本发明中的既有步骤，所制复合碳源的cod浓度、碳氮比和vfa浓度均有所降低，使用效益不高。

请参阅图2，本发明还提供一种利用厨余垃圾生产碳源的装置，采用上述任一实施例中的利用厨余垃圾生产碳源的方法进行碳源的生产，该装置包括依次连接的破碎机1、挤压机2、三相离心机4、发酵罐5和离心脱水机6，破碎机1用于对厨余垃圾进行破碎处理，使厨余垃圾形成浆料，挤压机2用于对浆料进行挤压，形成浆液，三相离心机4将挤压形成的浆液进行三相分离，从而分离出固相的固渣、油相的油脂以及液相的浆液，三相离心产生的浆液转入发酵罐5中，并接入乳酸菌种子液，对浆液进行发酵，然后离心脱水机6对发酵产生的物质进行固液分离，分离出的液体与有机物进行复配，形成碳源，可以大幅降低污水处理厂的碳源成本。

本发明提供的利用厨余垃圾生产碳源的装置，以厨余垃圾为原料生产廉价、高效的复合碳源，控制发酵条件，接入高效乳酸菌，实现厨余垃圾的定向乳酸发酵，分离出含有较高浓度乳酸的发酵液，乳酸发酵液与其他有机物复配为污水处理的外加碳源，不仅实现厨余垃圾的无害化处理，还能降低污水厂脱氮成本。乳酸的挥发性低，因此以乳酸为主要成分的发酵液不仅成分较为稳定，而且发酵过程更容易控制，保证生产碳源工艺的稳定性。

在本发明的其中一个实施例中，利用厨余垃圾生产碳源的装置还包括水热罐3，水热罐3设置在挤压机2和三相离心机4之间，破碎机1破碎后形成浆料，浆料经过挤压机2挤压后形成浆液，浆液在水热罐3中进行加热，使得浆液内部的油脂溶出，便于后续能够分离出更多的油脂，部分固相有机物融化为液相，增加液相的有机物含量，可以提高碳源的转化率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。