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餐厨垃圾无害化处理生产工艺设计研究

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摘要:结合工程实例简述了对餐厨垃圾采用一种“预处理+厌氧发酵+生物柴油+生物质燃料”循环无害化处理的工艺技术方案,并对其主要技术经济指标进行了分析,工艺成熟可靠、经济合理,可持续发展。

关键词:餐厨垃圾;生物柴油;生产工艺;无害化处理

我国餐厨废弃物的处理现状已经严重影响到人民正常的食品安全体系和环境保护等方面。国家发改委、住房和城乡建设部、环境保护部、农业部联合印发了《关于组织开展城市餐厨废弃物资源化利用和无害化处理试点工作的通知》(发改办环资[2010]1020号)。此外,随着世界不可再生能源资源的紧缺和二氧化碳减排压力的增加,许多国家都在积极发展可再生能源,生物柴油作为一种可再生能源得到社会广泛的关注。本文就以某餐厨垃圾无害化处理生产项目为实例,简单阐述了日处理餐厨废弃物100t/d的工艺方案,该工艺利用餐厨废弃物进过预处理分离出“地沟油”通过酯化、酯交换等反应生产生物柴油,分离出来的水和渣用于厌氧发酵制沼气,不仅可减少肮脏有毒的废弃物随意排放污染环境,而且产生的副产品生物柴油跟沼气都是清洁可再生能源,这对改善生活环境、解决国家能源短缺问题、促进国民经济可持续发展都具有重要的战略意义。

1处理规模及处理工艺技术选择

本文论述的餐厨废弃物的生产量预测按人均日产量进行估算。根据餐厨垃圾生产量预测公式,计算餐厨垃圾生产量和收集量:Mc=Rmk式中:Mc为某城市或区域餐厨垃圾日产生量,kg/d;R为城市或区域常住人口,人;m为人均餐厨垃圾产生量基数,kg/(人•d);k为餐厨垃圾日产生量修正系数。人均餐厨垃圾产生量基数m取0.1kg/(人•d),修正系数k取1.00。按某市常住人口数100万,则餐厨废弃物产量100t/d。餐厨废弃物的主要来源多为餐饮行业及食堂,其成分主要含有:油、水、鱼、肉、骨头、果皮、蔬菜、米面以及废餐具、玻璃容器、纸巾、塑料、金属器物等。由于我国垃圾分类制度起步较晚,大部分人们在日常生活中也还没有养成垃圾分类回收的习惯,在生活中产生的餐厨废弃物大部分进入不规范的收集系统,还有部分餐厨废弃物与生活垃圾混合进入生活垃圾填埋场或垃圾焚烧厂。十二五期间国家规划的33个试点城市餐厨废弃物处理厂陆续开建,受环境保护的要求以及地沟油的危害,一些非试点旅游城市也率先开展了餐厨废弃物处理项目。目前国内外比较常用的餐厨垃圾废弃物的处理方法一般有填埋,焚烧,饲料化,堆肥,厌氧发酵等技术。根据某市餐厨废弃物的特性,本文对某市餐厨垃圾无害化处理方式的选择做出如下分析:

1)填埋处理技术:填埋即埋于土里,很明显这种方式比较适合能够自然降解且对土壤无害的一些废弃物的处理。餐厨废弃物中一般都含有比较多有机物质,直接填埋的方式不能对其进行有效的资源回收利用,并且高含水率的餐厨废弃物如果直接填埋,其混合废液在土壤中产生渗透,会对新的土地资源造成侵蚀,破坏了生态环境,所以并不合理。在当前寸土寸金的时代、加上人们对环境生态越来越重视的前提下,填埋处理技术并不适合我国餐厨废弃物处理,因此,本文不选取填埋工艺。

2)焚烧处理技术:焚烧是比较简单的工艺,即垃圾中的可燃物在焚烧炉中与氧气进行燃烧,焚烧的优点是处理量大,减容性好,焚烧过程产生的热量用来发电还可以实现垃圾的资源化再利用。但含水率高的餐厨废弃物并不宜采用焚烧工艺,因为高含水率会增加焚烧燃料的消耗,处理成本增加,而且焚烧处理不当还会对环境造成二次污染。所以本文也不选取焚烧处理技术。

3)饲料化处理技术:主要采用高温加热,烘干处理,杀毒灭菌,除去盐分等物理手段来处理餐厨废弃物,最终制成蛋白饲料添加剂、再生水、沼气等可利用物质。由于从餐厨废弃物到饲料这条线是最短的,能量、资源损失也最小,所以餐厨废弃物制饲料是资源化程度最高的。但因为饲料存在同源性问题目前国家并不提倡餐厨废弃物做饲料,即由某种动物食用其同种类动物的肉、骨、血液等动物组织生产的同源性饲料,会产生潜在的不确定传播疾病的风险。因此,本文也不选取饲料化处理技术。

4)好氧堆肥处理技术:易腐有机质含量较高且含水率适中的餐厨废弃物比较适合于使用好氧堆肥处理技术。在生化处理设备中,加入自然界生命活力和增殖能力强的复合微生物菌种,对餐厨废弃物中的有机废弃物进行高温快速发酵,使期中有机物得到降解和转化。好氧堆肥所需的最佳含水率为50%左右,在堆肥过程中高含水率的餐厨废弃物容易将整个堆垛空间堵死,这样阻碍了空气进入内部,致使微生物处于厌氧状态,影响降解速度并产生硫化氢等臭气,同时堆肥温度下降,会影响到堆肥质量。因此,本文也不采用堆肥处理技术。

5)厌氧发酵处理技术:厌氧发酵是比较复杂的生物化学反应过程,其主要途径大致分为水解、产酸和脱氢产甲烷三个阶段。大分子或不溶性有机物(多糖、蛋白质、脂肪等)在水解菌的作用下分解为低分子可溶性有机物,水解形成的水溶性小分子有机物(氨基酸、长链脂肪酸、葡萄糖等)被产酸细菌作为碳源和能源,产生氢气和短链的挥发性脂肪酸等。厌氧发酵的主要阶段是脱氢产甲烷阶段,在控制好温度、pH值、营养物质、氧化还原电位、有毒物质等主要影响因素情况下,产甲烷细菌迅速生长繁殖,将产酸阶段产生的氢气和短链挥发酸(主要是乙酸)氧化成甲烷和二氧化碳。通过以上对现有餐厨废弃物的几种处理技术的分析对比,厌氧发酵技术相对比较先进,既没有对环境造成破坏,也没有对能源造成浪费,而且能够产生新的清洁能源沼气,这对实现社会环境和经济效益的协调统一具有建设性意义,基于以上分析,本文拟采用“预处理+厌氧发酵+生物柴油+生物质燃料”循环无害化处理工艺技术。

2工艺技术说明

2.1预处理工艺

预处理工艺是纯物理分离工艺,由收运系统送来的餐厨垃圾和地沟油通过分拣、破碎、除砂、压榨等工序,除去一些不适合于利用的杂物,如塑料、金属、瓶罐、竹筷等,并将可利用的物料破碎到合适的粒度,以便后续处理和利用。浆料加热蒸煮后通过三相分离,分为油、水、渣。回收的油用于制作生物柴油,分离的水和渣用于厌氧发酵。预处理的收油率可达到90%,固渣利用率可达到85%,油中含渣≤3%,废水的含固≤3%。餐厨垃圾预处理设备主要包含投料仓、大件分拣机、破碎筛分机、旋流除砂器、压滤机、蒸煮釜、活塞泵、三相分离机、电气及自动控制系统等。

2.2厌氧发酵产气工艺

经过预处理打浆后的餐厨垃圾进入厌氧装置系统,在水解酸化罐中产生有机酸再在厌氧发酵罐中经微生物作用发酵产生沼气,沼气净化后送锅炉房,作为本项目蒸汽锅炉和热油锅炉的燃料,发酵后尾液经固液分离机进行固液分离,分离出的污水经污水管道送至废水池进行污水处理,水质达标后排放,沼渣用于制生物质燃料棒。厌氧发酵产气部分主要工艺设备包括水解酸化罐、厌氧发酵罐、二次发酵罐、固液分离机等;气体净化系统主要设备有贫液槽、脱硫吸收塔、富液槽、再生塔、沼气储柜等。具体流程见厌氧发酵产气工艺流程框图。

2.3生物柴油工艺

生物柴油的生产工艺很多,本文主要介绍的是酯交换法生产生物柴油,这也是目前普遍制备生物柴油的工艺。酯交换反应可以用酸、碱或酶作为催化剂,其中碱性催化剂包括KOH、NaOH、各种碳酸盐以及钠和钾的醇盐,酸性催化剂有硫酸、磷酸、盐酸以及有机磺酸氨基化合物等。下面是酯交换反应的化学式:本文简述的生物柴油是由原油油脂(地沟油、潲水油等)经过前处理、净化脱色之后与甲醇在催化剂作用下经过酯化醇解反应、精馏分离等工序来完成的。生物柴油生产部分主要设备有水洗锅、脱色塔、反应釜、脱溶塔、甲酯蒸馏塔等。

2.4生物质(RDF)燃料棒工艺

把预处理车间的有机残渣和厌氧发酵沼渣、污泥渣按1:2的比例加入锯木屑,经混合、脱水、压制、烘干制成生物质燃料外卖。收购来的木屑,通过带式输送机送入混合机与沼渣混合,混合均匀后的物料泄入螺旋挤压机挤压脱水,使物料的含水率降到45%以下。脱水处理后的混合物料直接用压块机进行压块成型,再用热风干燥机进行干燥,最后包装外面。

3废气、废水、废渣的治理措施

3.1废气

餐厨垃圾在缺氧的环境下会产生各种难闻的气味,所以废气的处理也是本项目的一个重点。卸料区、分拣室、油水暂存池、三相分离槽等主要区域都设置废气收集系统,系统由负压收集点、集气罩、支管道和主管道组成。各负压收集点支管与主收集管相连,各负压收集点配置调剂阀门以满足不同设备的要求。本项目采用“热交换器+碱洗吸收+低温等离子+生物液滴滤”的组合工艺来处理废气。由于废气来源中相当一部分来自干燥机,温度高达120℃,并含有大量水蒸气,因此先通过换热器将废气温度降至60℃以下,有利于后期废气处理设备的运行。针对废气中含有的水雾、粉尘以及酸性气体成分,在低温等离子设备前串联一级旋流板碱洗塔,使废气与碱性液滴充分混合反应,去除废气中的酸性气体,同时去除粉尘和液滴。经过预处理的废气再经过低温等离子体处理,在高压电能作用下,把恶臭气体中大分子成分击穿产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体,被氧化分解去除。经低温等离子设备处理过的气体中残余部分小分子有机物,经生物过滤塔吸收,同时让低温等离子体产生的羟基、臭氧等活性强氧化物质与废气充分反应,确保废气无异味排放。风机安装在净化设备后端以保证整个净化设备在负压条件下操作。经处理后臭味、氨、硫化氢等去除效果满足国家《恶臭污染物排放标准》。

3.2废水

本项目废水主要有生活污水与生产污水,生活污水量为2m3/d,生活污水经过化粪池初步处理后排入厂区污水管网,进厂区污水处理站处理。生产污水主要是发酵车间的发酵残夜,水量115m3/d,pH值:6~9,COD:35270mg/L,BOD:20968mg/L,SS:1497mg/L,氨氮:126mg/L,污水进厂区污水处理站处理。处理达标后排放,污水处理站出水达到《污水综合排放标准》中的三级标准,pH值:6~9,COD:500mg/L,BOD:300mg/L,SS:400mg/L。废水处理主要设备有沼泥储池、滤液池、接触氧化塔、琉璃生化池、浮选装置等。

3.3废渣

生活垃圾、滤渣及污水处理的污泥均送至生活垃圾卫生填埋场卫生填埋,发酵沼渣等加锯木屑制成生物质燃料外卖。

4主要技术经济指标

本项目主要效益在于社会效益,根据单位餐厨垃圾收运费用以《特许经营协议》为依据,本次财务评价餐厨垃圾处理补贴按200元/t(其中收运成本103元/t,处理成本95元/t)计算。处理垃圾量按100t/d计算,年餐厨垃圾处理补贴收入730万元。本项目投产后年产生物柴油20000t,按5800元/t。年含税收入11600万元,年不含税收入9915万元。本项目投产后年产RDF燃料棒20000t,按1000元/t。年含税收入2000万元,年不含税收入1709万元。本项目原料为餐厨废弃物,固原料不计成本。辅助材料、燃料及动力消耗根据工艺计算及生产情况确定,价格按相关资料进行计算。

5结语

本项目为环保型资源再利用项目,属于国家鼓励支持范围。厌氧发酵产生的沼气作为蒸汽锅炉和热油锅炉的燃料,有效地解决了项目的部分能源问题;主要副产品生物柴油与石化柴油相比具有含硫量极低、含氧量高、芳香烃含量少、闪点高、十六烷值高和废气逸出少等优点,是可再生型环境友好燃料;生物质燃料棒作为清洁能源可用于锅炉等作燃料。本项目采用的处理技术先进可靠,节约资源,改善环境,有着良好的社会效益和经济效益,有较强的抗市场风险能力。我国是人口大国,每天产生的餐厨垃圾数万吨,如果任由这些餐厨垃圾随意处理,或者被一些不良商人再拿来重新利用回到餐桌上,对国家、对人民都是巨大的损害。所以处理好餐厨垃圾,让这些看似废物的资源经过工业的生产变废为宝也是国家宏观经济发展的要求。资源和环境问题是新世纪困扰我国持续发展的重要问题,本文阐述了一条将经济、社会、环境、资源协调起来的工艺生产路线,结合我国的基本国情,建立以节约资源、综合利用为主的循环经济项目。这对创建文明社会、保障餐饮安全、提高环境质量都具有良好的社会效益。随着国家的重视和投入、企业的参与以及科研开发的深入等,相信我国餐厨垃圾废弃物无害化处理必将有长远的发展。

参考文献

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作者:陈静;李芳 单位:湖南化工医药设计院

餐厨垃圾无害化处理生产工艺设计研究责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次
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