一种有机生物质垃圾三段式集成处理系统及方法与流程

本发明属于有机生物质废弃物资源化处理领域，具体而言，本发明涉及一种针对有机生物质垃圾，特别是厨余垃圾的三段式集成处理系统及处理方法。

背景技术：

我国正面临环境和能源的双重压力，随着经济和城市化进展的加速，全国能源消耗巨大，大城市中2/3面临垃圾围城的困境。通过技术手段将生活垃圾变为可利用资源，在一定程度上可以缓解我国能源和环境的危机。城市垃圾种类主要包括厨余物、废纸、废塑料、废织物、废金属、砖瓦渣土、粪便及废旧电器和绿化废物等。在没有进行垃圾分类前，这些混合垃圾的主要处理方式为：填埋法、焚烧法和堆肥法。

其中，填埋技术不能实现垃圾中有机生物质垃圾的资源化处理，浪费了能源。目前，已被许多发达国家明令禁止，我国也逐渐减少该处理方法的使用。焚烧技术是当前发达国家广泛采用的一种城市生活垃圾处理技术。但是焚烧技术面临基建投资及运转费用较高，存在烟气污染问题，且设备投资巨大。堆肥技术是在好氧条件下依靠自然界广泛分布的微生物将可生物降解的有机物向稳定的腐殖质进行生化转化的微生物学过程，通过堆肥，控制发酵过程的温度基本实现可腐烂垃圾的资源化、无害化处理。目前处理生活垃圾的主流技术依然是填埋和焚烧，堆肥使用的较少。

随着垃圾分类在全国范围内的进行，城市垃圾中的厨余垃圾部分被单独分离出来，这部分垃圾中的有机质含量高、易腐烂，如果按照传统的填埋、焚烧和堆肥处理，将造成能源的浪费。

目前，针对厨余垃圾处理技术及设备主要分为两大类，一是好氧发酵技术，在有氧条件下，厨余垃圾中的有机质大部分转化为二氧化碳，发酵过程温度升高至50-60℃，虽然实现了有机质的稳定化和无害化处理，发酵产物可以作为有机肥或者土壤改良剂，但在发酵过程中需要调节含水率，没有回收其中的能源，大量的有机物被转化为二氧化碳，造成能源的浪费；二是厌氧消化技术，厌氧消化可减少厨余垃圾的污染和二氧化碳排放量，同时产生沼气，在能源匮乏的今天，受到了越来越多的关注。

厌氧消化工艺分为湿式和干式，湿式厌氧消化技术通常控制含固率在10％以下，在厌氧状态下将厨余垃圾转化为沼气，为了发酵物料的充分混合和搅拌，通常需要在发酵过程中添加水，发酵后的残渣需要排出后再进行脱水然后好氧堆肥，最后形成有机肥产品。在整个过程中产生大量的高浓度沼液废水，而高浓度有机废水的处理难度非常大且成本高，例如熟悉的垃圾渗滤液。干式厌氧消化是指城市厨余垃圾(干物质浓度在15～40％)，通过厌氧菌将其分解为ch4、co2等气体的消化工艺。干式厌氧消化优点是原料的干物质浓度高、占地小、加热能耗低、预处理要求低、有机负荷高等优点，不需要加水稀释，可避免传统方法不足，但会导致进出料困难、传热传质不均匀等缺点。

虽然干式厌氧发酵作为一个有潜力的厨余垃圾处理方法，但由于其具有一些工艺技术上的难点，限制了其大规模应用，主要是以下四方面的原因：

1、含固率提高后有机质浓度增加，发酵起始阶段体系容易酸化，而甲烷菌的适宜环境为中性或者弱碱性，酸化导致产甲烷过程难以控制，甚至难以启动；

2、干式厌氧发酵过程物料为固态，没有流动性，造成物料难以进出厌氧反应器，缺乏高效的固态物料进出设备；

3、干式厌氧发酵后的物料还需要进行脱水及进一步好氧处理；

4、干式厌氧发酵体系内的物料为固态，固态物料在反应器内的混合传质存在困难，造成过程的传质、传热效率低，导致产甲烷效率低。

现有传统的厨余垃圾处理技术及设备基本都需要对厨余垃圾进行分选，将厨余垃圾中的塑料袋、废纸和筷子以及可能存在的铁制品和砂石等杂质去除，防止后续物料传送过程的堵塞。分选过程操作环境差，而且分拣不彻底，还是存在堵塞和设备损坏等一系列运行问题。

综上所述，现有厨余垃圾处理设备及工艺大部分是以单一的厌氧或者好氧为主，且通常采用低浓度湿法厌氧发酵方法，没有将好氧、厌氧处理厨余垃圾的优势结合起来，而且操作流程复杂，需要多种类型的设备的组合，且必须采用分选后的垃圾，造成了投资和运行成本偏高。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是将好氧和厌氧发酵的优势结合起来，解决干式厌氧发酵容易酸化影响沼气产率的问题，通过螺旋输送解决无分选物料传输过程中的堵塞问题。

根据本发明的一个方面，本发明的一个目的在提供一种有机生物质垃圾三段式集成处理系统，包括以下部分：

三段式发酵反应器、螺旋进出料装置、外部循环盘管和除臭装置；

所述三段式发酵反应器分为第一微好氧区域、第二厌氧区域和第三好氧区域，彼此由隔板间隔分开，所述第一微好氧区域、第二厌氧区域和第三好氧区域的容积比约为1:4:1；

其中，所述第一微好氧区域具有：第一进料口，用于接收有机生物质垃圾物料，第一气体出口，用于排出所述第一微好氧区域中的气体；

所述第二厌氧区域具有：第二进料口，用于接收来自所述第一微好氧区域的物料，第二气体出口，用于排出所述第二厌氧区域中的气体；

所述第三好氧区域具有：第三进料口，用于接收来自第二厌氧区域的物料，第三气体出口，用于排出所述第三好氧区域中的气体；

所述三段式发酵反应器还具有贯穿所述第一微好氧区域、第二厌氧区域和第三好氧区域的同轴中心搅拌轴，在水平方向上形成推流的结构，用于实现三个区域中物料的同时搅拌，促进物料的混合和移动。

优选地，所述螺旋进出料装置包括第一螺旋进出料装置、第二螺旋进出料装置和第三螺旋进出料装置，所述第一螺旋进出料装置一端深入所述第一微好氧区域，另一端连接所述第二厌氧区域的所述第二进料口，用于将所述第一微好氧区域中的物料输送至所述第二厌氧区域中，所述第二螺旋进出料装置一端深入所述第二厌氧区域，另一端连接挤压脱水机，将物料首先进行脱水，所述挤压脱水机连接所述第三好氧区域的所述第三进料口，用于将所述第二厌氧区域中的物料输送至所述第三好氧区域中，所述第三螺旋进出料装置一端深入所述第三好氧区域内，用于将所述第三好氧区域内物料移出。

优选地，所述外部循环盘管为水循环盘管，用于所述第一微好氧区域、第二厌氧区域和第三好氧区域之间的循环传热。

优选地，所述除臭装置分别连接所述第一微好氧区域的所述第一气体出口、所述第二厌氧区域的所述第二气体出口和所述第三好氧区域的所述第三气体出口，用于去除气体臭味。

优选地，所述同轴中心搅拌轴上垂直搅拌轴的不同位置设置有固定搅拌桨叶，在所述第一微好氧区域和所述第三好氧区域中桨叶间距设置在20-50cm之间，在所述第二厌氧区域中桨叶间距设置在0.5-2m之间，桨叶在搅拌轴上呈螺旋分布。

优选地，所述第一微好氧区域、第二厌氧区域和第三好氧区域均配置有压力表、温度计、氧气浓度传感器、溶解氧浓度传感器。

优选地，所述第一微好氧区域第三好氧区域均设置穿孔曝气管，用于向两个区域中鼓入空气或氧气。

优选地，所述三段式发酵反应器为长方体或圆柱形或u形，采用钢筋混凝土结构、碳钢或者不锈钢材质。

优选地，根据本发明的所述处理系统，包括沼气收集装置，用于收集产自所述第二厌氧区域的沼气。

根据本发明的另一个方面，提供了一种有机生物质垃圾三段式集成处理方法，包括以下步骤：

1)有机生物质垃圾粉碎

不经历分拣过程，将含有杂质的有机生物质垃圾直接进行粉碎处理，至粒径小于100mm；

2)微好氧处理

将步骤1)中粉碎处理的粒径小于100mm加入上述有机生物质垃圾三段式集成处理系统中所述三段式发酵反应器中的所述第一微好氧区域中，鼓入空气或纯氧气，保持所述第一微好氧区域中氧气的体积含量为1％-10％，微好氧处理3-5天，发酵温度30-60℃。通过氧气浓度传感器监控氧气浓度，并由此控制鼓风机的工作时间，从而控制氧气含量。

3)厌氧发酵处理

将步骤2)中经过微好氧处理的物料通过所述第一螺旋进出料装置输送至所述第二厌氧区域中，密闭第二厌氧区域并将温度保持在35-65℃，进行厌氧发酵处理，所述厌氧发酵处理中的物料的含水率约60-80％左右，产生的沼气由所述第二气体出口排出，经过所述除臭装置除臭后由所述沼气收集装置收集，经过厌氧发酵处理的物料经过所述第二螺旋进出料装置输送至挤压脱水机，将物料首先进行在线挤压脱水，将物料含水率降至40-60％，滤液通过外置循环水泵回流至所述第二厌氧区域内部。

4)好氧发酵处理

将步骤3)中经过挤压脱水后的物料输送至所述第三好氧区域中，通过好氧微生物的作用，将物料进行进一步降解和降低含水率，该好氧发酵过程温度为50-60℃。

优选地，根据本发明的所述处理方法中所述微好氧处理、厌氧发酵处理和好氧发酵处理采用同轴中心搅拌轴搅拌。

优选地，根据本发明的所述处理方法中通过鼓风机向所述微好氧处理和好氧发酵处理提供氧气或空气，根据氧气浓度和温度向两个区域内鼓入氧气或空气。

优选地，根据本发明的所述处理方法中所述微好氧处理和好氧发酵处理产生的气体通过管道收集后进行除臭处理，更优选地，由厌氧发酵处理产生的沼气通过所述沼气收集装置进行收集。

优选地，根据本发明的所述处理方法中采用水循环盘管进行传热，将好氧发酵处理产生的热量传递到厌氧发酵处理区域，可以为厌氧发酵过程保温和升温，降低整个发酵过程的能耗。

有益效果

根据本发明的系统通过集成微好氧、厌氧和好氧过程，对厨余垃圾进行微好氧预处理，避免在厌氧过程酸化导致的运行不稳定问题；其次采用卧式推流和一体化慢搅拌的方式，提高发酵过程的传质和传热效率，厌氧发酵过程不额外添加水；第三采用多级螺旋输送的方式将物料在微好氧、厌氧及好氧过程中实现在线传送，克服了干式厌氧发酵过程中物流流动性差和堵塞的问题，不需要进行厨余垃圾的分选预处理，直接将物料粉碎后通过螺旋输送到反应器内进行处理。从而提供一种城市厨余垃圾无分选生物集成处理的方法及装置。该工艺实用性强，连续高效，很好地解决了城市厨余垃圾所带来的环境问题，并资源化综合利用这些废物，适用于对易生物降解有机废物的环保治理。

附图说明

图1为表示根据本发明的处理方法的流程图。

图2为根据本发明的有机生物质垃圾三段式集成处理系统的所述三段式发酵反应器的侧视图。

图3为根据本发明的有机生物质垃圾三段式集成处理系统的所述三段式发酵反应器的主视图。

图4为根据本发明的有机生物质垃圾三段式集成处理系统的所述三段式发酵反应器的立体结构示意图。

图5为根据本发明的有机生物质垃圾三段式集成处理系统的所述三段式发酵反应器的物料流程示意图。

图6为根据本发明的有机生物质垃圾三段式集成处理系统的水循环盘管的结构示意图。

附图标记

1-三段式发酵反应器，2-螺旋进出料装置，3-外部循环盘管，4-除臭装置，5-隔板，6-同轴中心搅拌轴，7-桨叶，8-挤压脱水机，9-穿孔曝气管，11-第一微好氧区域，12-第二厌氧区域，13-第三好氧区域，111-第一进料口，112-第一气体出口，121-第二进料口，122-第二气体出口，131-第三进料口，132-第三气体出口，21-第一螺旋进出料装置，22-第二螺旋进出料装置，23-第三螺旋进出料装置。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细地描述本公开的优选的实施方式。在描述之前，应当了解在说明书和所附权利要求中使用的术语，并不应解释为局限于一般及辞典意义，而是应当基于允许发明人为最好的解释而适当定义术语的原则，基于对应于本发明技术层面的意义及概念进行解释。因此，在此的描述仅为说明目的的优选实例，而并非是意指限制本发明的范围，因而应当了解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以做出其他等同实施和修改。

本文所使用的术语“第一”、“第二”等是用来解释各种构成元件，并且它们仅用于将一种构成元件与另一种构成元件区分的目的。

并且，本文中所使用的术语仅用于解释示例性实施例，且并不旨在限制本发明。单数表达也包括其复数表达，除非在上下文中另有明确表示。在本文中所使用的“包含”、“配备有”或“具有”之类的术语用于指定实践特性、数目、步骤、构成元件或其组合的存在，并且应当理解为不排除一个或多个其他特性、数目、步骤、构成元件或其组合的添加或存在的可能。

并且，如果一个层或一个元件被提及为形成于“层”或“元件”的“上面”或“上方”，这意味着每一个层或元件被直接形成在该层或元件上，或者在层、主体或基材之间可形成其他的层或元件。

为了阐明本发明，在附图中省略了与描述无关的部分，并且在整个说明书中，相同或相似的部件由相同的附图标记表示。

另外，为了便于说明，任意地示出了附图中所示的每个部件的尺寸和厚度，因此本发明不必限于附图中所示的那些。

在整个说明书中，当提到某个元件“连接”到另一个元件时，它不仅包括“直接连接”，还包括其他构件之间的“间接连接”。另外，当提到某个元件“包括”某个部件时，这意味着该元件可以进一步包括其他部件而不是排除其他部件，除非相反地明确描述。

下面参考图2至图6详细说明本发明的所述微生物发酵处理系统，根据本发明的处理系统，包括以下部分：

三段式发酵反应器1、螺旋进出料装置2、外部循环盘管3和除臭装置4(部分图中未示出)；

所述三段式发酵反应器1分为第一微好氧区域11、第二厌氧区域12和第三好氧区域13，彼此由隔板5间隔分开；

其中，所述第一微好氧区域11具有：第一进料口111，用于接收有机生物质垃圾物料，第一气体出口112，用于排出所述第一微好氧区域11中的气体；

所述第二厌氧区域12具有：第二进料口121，用于接收来自所述第一微好氧区域11的物料，第二气体出口122，用于排出所述第二厌氧区域12中的气体；

所述第三好氧区域13具有：第三进料口131，用于接收来自第二厌氧区域12的物料，第三气体出口132，用于排出所述第三好氧区域13中的气体；

所述三段式发酵反应器1还具有贯穿所述第一微好氧区域11、第二厌氧区域12和第三好氧区域13的同轴中心搅拌轴6，在水平方向上形成推流的结构，用于实现三个区域中物料的同时搅拌，促进物料的混合和移动。

优选地，所述螺旋进出料装置2包括第一螺旋进出料装置21、第二螺旋进出料装置22和第三螺旋进出料装置23，所述第一螺旋进出料装置21一端深入所述第一微好氧区域11，另一端连接所述第二厌氧区域12的所述第二进料口121，用于将所述第一微好氧区域11中的物料输送至所述第二厌氧区域12中，所述第二螺旋进出料装置22一端深入所述第二厌氧区域12，另一端连接挤压脱水机8，将物料首先进行脱水，所述挤压脱水机8连接所述第三好氧区域13的所述第三进料口131，用于将所述第二厌氧区域12中的物料输送至所述第三好氧区域13中，所述第三螺旋进出料装置23一端深入所述第三好氧区域13内，用于将所述第三好氧区域13内物料移出。

优选地，所述外部循环盘管3为水循环盘管，用于所述第一微好氧区域11、第二厌氧区域12和第三好氧区域13之间的循环传热。

优选地，所述除臭装置4分别连接所述第一微好氧区域11的所述第一气体出口112、所述第二厌氧区域12的所述第二气体出口122和所述第三好氧区域13的所述第三气体出口132，用于去除气体臭味。

优选地，所述同轴中心搅拌轴6上垂直搅拌轴的不同位置设置有固定搅拌桨叶7，在所述第一微好氧区域11和所述第三好氧区域13中桨叶7间距设置在20-50cm之间，在所述第二厌氧区域12中桨叶7间距设置在0.5-2m之间，桨叶7在搅拌轴6上呈螺旋分布。

优选地，所述第一微好氧区域11、第二厌氧区域12和第三好氧区域13均配置有压力表、温度计、氧气浓度传感器、溶解氧浓度传感器(图中未示出)。

优选地，所述第一微好氧区域11和第三好氧区域13均设置穿孔曝气管9，用于向两个区域中鼓入空气或氧气。

优选地，所述三段式发酵反应器1为长方体或圆柱形，采用钢筋混凝土结构、碳钢或者不锈钢材质。

优选地，根据本发明的所述处理系统，包括沼气收集装置(图中未示出)，用于收集产自所述第二厌氧区域12的沼气。

下面，根据图1和图5详细描述本发明的所述有机生物质垃圾三段式集成处理方法，该方法包括以下步骤：

1)有机生物质垃圾粉碎

厨余垃圾中不可避免混有不同类型的其他垃圾，比如塑料袋、塑料瓶、瓶盖之类的，常规好氧或者厌氧发酵过程由于采用的工艺设备不同，经常导致垃圾输送过程中堵塞或者泵等设备损坏。但在根据本发明处理系统中物料的传送采用封闭的螺旋输送，垃圾中即使存在这些杂质也不影响物料的传送。因此，在进行微好氧预处理之前厨余垃圾的粉碎的粒径小于100mm即可，粉碎后的物料中含有塑料袋之类的杂质不影响该设备的正常运行。

2)微好氧处理

厨余垃圾经过初步破碎后进入微好氧区域11，在微好氧发酵预处理过程中那些易酸化、易分解的小分子物质被微生物快速利用，同时产生热量，物料的温度升高到50-60℃。其它较难降解的纤维素等进入下一厌氧处理阶段，进行厌氧发酵产甲烷。所以微好氧预处理的功能是可以快速分解有机小分子物质，防止进入厌氧过程的物料酸化，影响沼气产率。在微好氧区域11的底部通入空气，控制发酵过程的氧气体积含量为1％-10％(空气氧含量)，微好氧处理3-5天，发酵温度30-60℃。通过氧气浓度电极控制鼓风机的工作时间，从而控制氧气含量。发酵过程产生的热量给物料加热，在进入下一厌氧发酵阶段后不需要升温可以直接产沼气，提高沼气产率，降低过程热耗。微好氧发酵结束后，物料通过封闭的第一螺旋进出料装置21输送进入第二厌氧区域12。

试验证明，通过微好氧过程的预处理，可以实现两个功能，一是避免厌氧高浓度发酵过程的酸化，另一方面提高了下一厌氧发酵阶段的产甲烷效率，第二厌氧区域12的容积产气率可以达到2-3m³/(m³·d)。

3)厌氧发酵处理

将步骤2)中经过微好氧处理的物料通过所述第一螺旋进出料装置21输送至所述第二厌氧区域12中，密闭第二厌氧区域12并将温度保持在35-65℃。厨余垃圾在厌氧阶段的分解过程分为水解酸化和产甲烷两个阶段，当水解酸化和产甲烷的速率平衡时，整个系统不会酸化。由于小分子、易降解的物质已经在微好氧阶段分解，在厌氧阶段纤维素、脂肪等分解速度慢，酸化和产甲烷阶段容易达到平衡。所述厌氧发酵处理中的物料的含水率约60-80％左右，产生的沼气由所述第二气体出口122排出，经过所述除臭装置除臭4后由所述沼气收集装置收集，经过厌氧发酵处理的物料经过所述第二螺旋进出料装置22输送至挤压脱水机8，将物料首先进行在线挤压脱水，将物料含水率降至40％-60％，滤液通过外置循环水泵回流至所述第二厌氧区域12内部，使得产甲烷阶段的ph升高，所以内部回流有助于平衡整个厌氧过程的ph值和进行初始物料的接种。

4)好氧发酵处理

经过厌氧发酵后大部分的有机物被分解，部分水被释放出来，厌氧发酵段的含水率约60-80％左右，为了进一步分解有机质和进行垃圾的减量，厌氧区的发酵物料通过螺旋输送至挤压脱水机，在脱水机内对厌氧发酵后的残渣进行挤压脱水，使物料含水率降低，然后输送至好氧发酵阶段，好氧发酵过程是一个生物干化的过程，通过好氧微生物的作用，发酵过程升温到50-60℃，发酵过程产生的热量及底部通风的作用，将物料进行进一步降解和降低含水率。

优选地，根据本发明的所述处理方法中所述微好氧处理、厌氧发酵处理和好氧发酵处理采用同轴中心搅拌轴搅拌。

优选地，根据本发明的所述处理方法中通过空气压缩机向所述微好氧处理和好氧发酵处理提供氧气或空气，根据氧气浓度和温度向两个区域内鼓入氧气或空气。

优选地，根据本发明的所述处理方法中所述微好氧处理、厌氧发酵处理和好氧发酵处理产生的气体通过管道收集后进行除臭处理，更优选地，由厌氧发酵处理产生的沼气通过所述沼气收集装置进行收集。

优选地，根据本发明的所述处理方法中采用水循环盘管进行传热，将好氧发酵处理产生的热量传递到厌氧发酵处理区域，可以为厌氧发酵过程保温和升温，降低整个发酵过程的能耗。

实施例1

一种有机生物质垃圾三段式集成处理系统及处理方法，

其中，所述处理系统包括：三段式发酵反应器、螺旋进出料装置、外部循环盘管和除臭装置等。所述三段式发酵反应器分为第一微好氧区域、第二厌氧区域和第三好氧区域，彼此由隔板间隔分开并连接为一个整体结构，设备外形尺寸为30×6×6m，有效体积1080m³，其中所述第一微好氧区域和所述第三好氧区域的体积各180m³，所述第二厌氧区域的体积720m³。所述三段式发酵反应器还具有贯穿所述第一微好氧区域、第二厌氧区域和第三好氧区域的同轴中心搅拌轴，在水平流动方向上形成推流的结构，用于实现三个区域中物料的同时搅拌，促进物料的流动。

所述三段式发酵反应器采用整体卧式结构，降低搅拌的阻力，提高固含率到20-25％，搅拌桨在转动的过程中一方面对物料有推流的作用，另一方面对物料预处理的要求低，不需要将物料粉碎，粗碎到粒径低于100mm即可。

首先，有机的生活垃圾通过分拣台，分检出其他不能分解的垃圾，把物料输送到撕碎机入料口，进行破碎，破碎完的物料由螺旋输送机或者皮带输送到所述第一微好氧区域11进行发酵，微好氧发酵3-5天后，通过第一螺旋进出料装置21螺旋输送将物料送到第二厌氧区域12，保持第二厌氧区域12的含固率为20-25％，停留时间15-20天，沼气产率达到2-3m³/(m³·d)，厌氧发酵运行过程的ph波动范围是7-8.5，连续运行不酸化。厌氧发酵后的物料经过挤压脱水机8脱水，含水率降低到60％，再通过第三螺旋进出料装置23输送至第三好氧区域13进行好氧发酵，发酵时间3-10天，发酵温度55-70℃，含水率降低至40％，完成厨余垃圾的无害化和资源化处理。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。