一种餐厨垃圾处理系统和处理方法
技术领域
本发明涉及固体废弃物资源化利用领域，尤其涉及一种餐厨垃圾处理系统和处理方法。
背景技术
联合国粮食及农业组织(FAO)对餐厨垃圾的定义为在食品供应链任意阶段被浪费、丢弃和分解的健康可食用物质。不同地区的餐厨垃圾由于饮食结构和生活习惯等因素影响，组分有所差异，但主要都是由淀粉、蛋白质、植物纤维和动物油脂等组成，具有较高的有机物浓度和生物降解性。餐厨垃圾通常具有高含水率(75-90％)、高挥发性固体含率(80-90％)和酸性(pH＝4.4-5.8)。
随着我国经济的快速发展，餐饮业也随之迅速发展，然而产生的餐厨垃圾同时也成为如今处理有机废弃物的重点。例如，目前上海市日均餐厨垃圾产生量约为1000-1200吨。目前对餐厨垃圾的处理方式主要有焚烧、填埋、好氧堆肥、厌氧消化等。
厌氧消化是一种很好的餐厨垃圾处理技术，因为它利于有机废弃物的资源化利用。餐厨垃圾的厌氧消化处理，是指在特定的环境下，厌氧和兼性微生物将有机物进行分解，将氢、碳、氧转化为主要由甲烷和二氧化碳组成的沼气，而将氮、磷、钾等元素留于沼渣沼液之中。
然而，在餐厨垃圾在高有机负荷下的高固体含量(总固体含量>15％)厌氧消化过程中往往由于挥发性有机酸的快速积累会导致甲烷产率低、工艺不稳定等问题，难以有效地进行厌氧消化。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种餐厨垃圾处理的方法及系统，能够有效处理高固体含量的餐厨垃圾，改善甲烷产率，提高工艺稳定性。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是改进餐厨垃圾的厌氧消化处理技术，针对餐厨垃圾高固含量的厌氧消化，改善其产甲烷能力和提高其工艺的稳定性。
为实现上述目的，本发明基于生物炭强化高固体含量的厌氧消化原理，提供了一种餐厨垃圾处理的系统及方法。该方法在进行高固体含量(总固体含量>15％)厌氧消化处理餐厨垃圾时，添加生物炭作为辅料，能够有效改善产甲烷能力，提高工艺的稳定性，同时还得到高产量的甲烷和含有生物炭的优质有机肥。
本发明提供一种餐厨垃圾处理系统，包括预处理装置、消化装置和控温装置，其中，所述预处理装置包括餐厨垃圾分选设备、餐厨垃圾破碎设备、油水分离设备和储料罐；所述消化装置包括进料泵、外层加热水套和高固体含量厌氧消化反应器，所述高固体含量厌氧消化反应器设置餐厨垃圾进料口、沼气出料口和沼渣出料口；所述控温装置，包括温度表、水泵和循环水箱；所述餐厨垃圾分选设备和餐厨垃圾破碎设备之间连有第一管道，所述餐厨垃圾破碎设备和所述油水分离设备之间连有第二管道，所述油水分离设备和所述储料罐之间连有第三管道，所述储料罐和所述高固体含量厌氧消化反应器之间连有第四管道和所述进料泵，所述外层加热水套和循环水箱之间连有第五管道、所述温度表和所述水泵。
进一步地，所述高固体含量厌氧消化反应器是横置的圆柱体罐装结构，所述罐装结构两侧是圆形，所述罐装结构的长与所述圆形侧面直径比不少于3。
进一步地，所述罐装结构，第一端上部设有所述沼气出料口，下部设有所述沼渣出料口；所述罐装结构第二端上部设有所述餐厨垃圾进料口。
进一步地，所述高固体含量厌氧消化反应器设置所述外层加热水套，通过所述水泵，热水由所述循环水箱进入所述外层加热水套；所述外层加热水套的进水口在所述罐装结构的第一端外侧，出水口在所述罐装结构的第二端外侧；所述外层加热水套的进水口设置第八阀门。
进一步地，所述高固体含量厌氧消化反应器内部设置搅拌桨，所述搅拌桨为双螺旋搅拌桨，转速不低于900rpm，搅拌时间不少于2min/h。
进一步地，所述第一管道上设有第一阀门；所述第二管道上设有第二阀门；所述管道上设有第三阀门；所述第四管道上设有第四阀门；所述第五管道上设有第九阀门和所述温度表；所述餐厨垃圾进料口设置第十阀门，所述沼渣出料口设置第七阀门；所述沼气出料口设置第五阀门和压力表。
本发明还提供一种基于所述一种餐厨垃圾处理系统的应用方法，包括以下步骤：
步骤1、预处理餐厨垃圾，过程为：餐厨垃圾在所述餐厨垃圾分选设备进行分选，经过所述第一管道进入所述餐厨垃圾破碎设备进行破碎，经过所述第二管道进入所述油水分离设备分离，经过所述第三管道进入所述储料罐中暂存；
步骤2、厌氧消化，过程为：所述预处理后的餐厨垃圾经过所述第四管道，由所述进料泵送入所述高固体含量厌氧消化反应器内，与厌氧污泥和生物炭在所述高固体含量厌氧消化反应器内进行厌氧消化；
步骤3、取料，过程为：从所述沼气出料口收集沼气，从所述沼渣出料口排出沼渣和沼液。
进一步地，所述步骤2中，所述高固体含量厌氧消化反应器内，所述预处理后的餐厨垃圾是主料，每天投入所述主料；所述厌氧污泥的总固体含量大于15％，作为接种物，所述生物炭是辅料，所述接种物和所述辅料一次性投入。
进一步地，所述步骤3中每天取出的所述沼渣和沼液的质量与每天投入的餐厨垃圾质量相等。
进一步地，所述步骤2的所述厌氧消化的反应条件是：工作温度范围为30℃至40℃，所述反应器内的pH值不低于7.0，每天投取料结束后向所述高固体含量厌氧消化反应器内通入不少于5分钟的氮气。
本发明提出一种餐厨垃圾处理系统和处理方法，具有以下技术效果：
1、生物炭由于其表面金属元素(钙、镁、钾等)和官能团(羟基、碳碳三键、氨基等)，使其呈碱性，而餐厨垃圾为酸性(pH＝4.4-5.8)，在一定程度上能够提高了厌氧消化系统的缓冲能力，进而提高了产甲烷菌群的活性；
2、高固体含量(总固体含量>15％)厌氧消化处理餐厨垃圾时，通常碳氮比较低，添加生物炭作为辅料，可以有效地调节厌氧消化系统的碳氮比，减少氨氮抑制，增强产甲烷菌群活性；
3、生物炭作为高固体含量(总固体含量>15％)厌氧消化的辅助介质，由于其丰富的孔隙结构，起到了为微生物提供生长位点的作用，从而有效地增强了产甲烷菌群活性；
4、生物炭本身就可以作为土壤改良剂，厌氧消化所得的沼渣沼液经过后处理可以得到含有生物炭的优质有机肥。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的系统流程图；
图2是本发明的一个较佳实施例的第一餐厨垃圾处理过程和第二餐厨垃圾处理过程中甲烷产量随时间的变化情况图。
其中，1-餐厨垃圾分选设备；2-餐厨垃圾破碎设备；3-油水分离设备；4-储料罐；5-进料泵；6-高固体含量厌氧消化反应器；7-双螺旋搅拌桨；8-压力表；9-温度表；10-水泵；11-循环水箱。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，本发明的餐厨垃圾处理系统包括预处理装置、消化装置和控温装置，其中，预处理装置，包括餐厨垃圾分选设备1、餐厨垃圾破碎设备2、油水分离设备3和储料罐4；所述消化装置，包括进料泵5和高固体含量厌氧消化反应器6；所述控温装置，包括温度表9、水泵10和循环水箱11。
餐厨垃圾在餐厨垃圾分选设备1进行分选，经过第一管道进入餐厨垃圾破碎设备2进行破碎，经过第二管道进入油水分离设备3进行分离，经过第三管道进入储料罐4中暂存；然后经过第四管道，由进料泵5送入高固体含量厌氧消化反应器6内，与厌氧污泥和生物炭在高固体含量厌氧消化反应器6内进行厌氧消化。
其中，高固体含量厌氧消化反应器6是横置的圆柱体罐装结构，两侧是圆形，长与圆形侧面直径比不少于3，第一端上部设有沼气出料口，设置第五阀门和压力表8，下部设有沼渣出料口，所述罐装结构第二端上部设有餐厨垃圾进料口与进料泵5经第四管道连接；高固体含量厌氧消化反应器6设置外层加热水套，通过水泵10，热水由循环水箱11进入外层加热水套，保证高固体含量厌氧消化反应器6内达到适合的反应温度30℃至40℃，外层加热水套的进水口在罐装结构的第一端外侧，出水口在罐装结构的第二端外侧，外层加热水套的进水口的管道上设置第八阀门，与水泵10之间设置温度表9；高固体含量厌氧消化反应器6内部设置双螺旋搅拌桨7，转速不低于900rpm，搅拌时间不少于2min/h。
高固体含量厌氧消化反应器6内有一次性投入的作为接种物的高固体含量(总固体含量>15％)的厌氧污泥和作为辅料的生物炭，与每天送入的经过预处理的餐厨垃圾，在所述高固体含量厌氧消化反应器6内进行厌氧消化；每天从沼气出料口收集沼气，从沼渣出料口排出沼渣和沼液。为了维持物料平衡，每天取出的所述沼渣和沼液质量与每天投入的餐厨垃圾质量相等。
每天投料取料结束后，向高固体含量厌氧消化反应器6内通入不少于5分钟的氮气，以维持高固体含量厌氧消化反应器6内厌氧环境。
投入的辅料生物炭由于其表面金属元素(钙、镁、钾等)和官能团(羟基、碳碳三键、氨基等)，使其呈碱性，而餐厨垃圾为酸性(pH＝4.4-5.8)，高固体含量厌氧消化反应器6中作为辅料的生物炭和作为主料的经过与处理的餐厨垃圾之间的比例可以一定程度上调节反应器内的酸碱度，使得pH比较容易达到7.0以上；高固体含量(总固体含量>15％)厌氧消化处理餐厨垃圾时，通常碳氮比较低，添加生物炭作为辅料，可以有效地调节厌氧消化系统的碳氮比，减少氨氮抑制，增强产甲烷菌群活性；生物炭作为高固体含量(总固体含量>15％)厌氧消化的辅助介质，由于其丰富的孔隙结构，起到了为微生物提供生长位点的作用，从而有效地增强了产甲烷菌群活性；生物炭本身就可以作为土壤改良剂，厌氧消化所得的沼渣沼液经过后处理可以得到含有生物炭的优质有机肥。
在本发明的较佳实施方式中，在厌氧消化主料和接种物相同的情况下，在相同的高固体厌氧消化反应器6内，在相同的投取料运行方式和反应条件下，分别进行不添加生物炭的第一餐厨垃圾处理过程和添加生物炭的第二餐厨垃圾处理过程。
主料为：餐厨垃圾，总固体含量23.5％(含水量为76.5％w/w)，挥发性固体含量为21.2％；接种物为厌氧污泥，总固体含量18.9％(含水量为81.1％w/w)，挥发性固体含量为11.7％。
高固体含量厌氧消化反应器6的工作容积为3L。
投料方式为：首先向反应器中添加3000g厌氧污泥，按每天投料餐厨垃圾80g。
其中第一餐厨垃圾处理过程的消化反应器内不添加生物炭；第二餐厨垃圾处理过程的消化反应器内添加入40g生物炭作辅料。
取料方式为：以每天取沼渣沼液80g的方式运行，即取出的沼渣沼液的质量与加入餐厨垃圾的质量相同，连续运行6天。
反应条件：a、高固体含量厌氧消化反应器6每次投料取料结束后，往反应器里通氮气五分钟，以确保其厌氧环境；
b、循环水箱11持续控温为35℃，由水泵10将循环水通入外置水套，以确保反应器中的温度不低于30℃；
c、高固体含量厌氧消化反应器6的pH不低于7.0；
d、双螺旋搅拌桨7的转速是900rpm，搅拌时间是2min/h。
检测结果：
第一餐厨垃圾处理过程：总产气量为79652ml，甲烷总产量为37830ml，甲烷产量为370.9ml CH4/gVS-FW(即餐厨垃圾每g挥发性固体产甲烷的量)，甲烷平均浓度47.49％。
第二餐厨垃圾处理过程：总产气量为92092ml，甲烷总产量为44029ml，甲烷产量为431.7ml CH4/gVS-FW(即餐厨垃圾每g挥发性固体产甲烷的量)，甲烷平均浓度47.81％。
如图2所示，图中靠下的曲线表示第一餐厨垃圾处理过程中累积甲烷产量随时间的变化情况，靠上的曲线表示第二餐厨垃圾处理过程中累积甲烷产量随时间的变化情况。由图可见，第二餐厨垃圾处理过程中每天累积甲烷产量都高于第一餐厨垃圾处理过程，而且这两者的差距随消化时间延长而加大。说明第二餐厨垃圾处理过程中加入的辅料生物炭提高了甲烷总产出量，提高了单位餐厨垃圾的甲烷产出率，有效解决挥发性有机酸的快速积累会导致甲烷产率低、工艺不稳定等问题，提高甲烷产量，而且获得的沼渣中含有生物炭，是优质有机肥。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围。
