CN102864073B - 一种厨余垃圾干湿联产氢气与甲烷的装置与使用方法 - Google Patents

Abstract

一种厨余垃圾干湿联产氢气与甲烷的组合装置，包括湿热预处理反应器、垃圾混匀输送装置、分室耦合生物制氢反应器、膨胀颗粒污泥床反应器、管道式光生物反应器、高吸附性能储气装置、气体纯化器等。厨余垃圾经湿热预处理后通过绞龙输送至分室耦合生物反应器进行产氢，富氢气体经纳米陶瓷镀膜滚轴输送至氢气纯化器，液相代谢产物进入EGSB反应器进行厌氧产甲烷。经气体纯化器后的氢气和甲烷通过混配阀配比后进入高吸附性能储气装置，废气通入管道式光生物反应器进行脱除。本发明具有安装灵活、占地面积小、运行费用低、产气量大等特点，生物气的收集、纯化和储存方便，适用于厨余垃圾的高值化利用。

Description

一种厨余垃圾干湿联产氢气与甲烷的装置与使用方法

技术领域

本发明属于生物能源技术领域，涉及一种采用厨余垃圾干湿联产氢气和甲烷的组合装置。

本发明还涉及利用上述组合装置联产氢气与甲烷的方法。

背景技术

厨余垃圾是家庭和饮食单位抛弃的剩饭菜的通称，是我国生活垃圾的重要组成部分，而且随着餐饮业的高速发展，产生量迅速增加。厨余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，化学组成以有机组分为主，同时含有一定量的钙、镁、钾和铁等微量元素。厨余垃圾的主要特点是水分含量大、易腐烂、营养成分多，组成随季节等因素浮动较大。其性状和气味都对环境卫生造成恶劣影响，而且易滋生病原微生物、霉菌毒素等有害物质。我国处理厨余垃圾传统方法是直接喂猪，但未经处理过的厨余垃圾中可能含有口蹄疫、猪瘟病菌等多种病原体和有害微生物，从而造成人畜之间的交叉传染，存在食物链风险。

近年来，氢气作为高效、清洁、可再生的能源，受到人们的日益关注。生物制氢具有环境友好和能耗低等特点，能够利用微生物将厨余垃圾中的有机质在厌氧条件下分解为具有高附加值的氢气能源，具有治污、环保和产能等多重优越性。但是，理论上单纯的生物制氢过程能源利用率仅为33.5％，能源转化率低下成为限制生物制氢产业化发展的瓶颈。而在厌氧产氢的基础上，将代谢过程产生的挥发酸和小分子醇类作为厌氧产甲烷的底物进行再发酵，不仅可以实现氢气和甲烷的联产，还能够显著提高废弃物的能源转化效率。另一方面，将氢气和甲烷气按照一定比例混合后制备的氢烷燃气，其燃烧性能、热值等均有显著提高，且二次污染少，是具有高附加值的理想生物燃料。

厨余垃圾油脂、蛋白等营养成分含量高，能够通过生物发酵联产氢气与甲烷过程实现其无害化、资源化、减量化，但厨余垃圾含水率和含盐量高，极易腐败变质，现有处理设施存在预处理要求高、启动缓慢、运行不稳定、产气率低、能耗大等问题，无法实现氢气-甲烷联产和混配利用的目的。因此，研发适合厨余垃圾处理和资源化利用，且在制备氢气和甲烷的同时实现二氧化碳减排，具有“低运行、低成本、易操作”的成套装置不仅是研究热点，更是亟待解决的难点问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种厨余垃圾干湿联产氢气与甲烷的组合装置。

本发明的又一目的在于提供一种涉及利用上述组合装置联产氢气与甲烷的方法。

为实现上述目的，本发明提供的厨余垃圾干湿联产氢气与甲烷的组合装置，主要包括：

一湿热预处理反应器，连接一垃圾混匀输送装置，该垃圾混匀输送装置包括垃圾混合室和绞龙，绞龙一端与湿热预处理反应器出料口连接，另一端与耦合生物制氢反应器进料口相连；

一分室耦合生物制氢反应器，内部为厌氧产氢室和厌氧产沼室，厌氧产氢室和厌氧产沼室之间设有厌氧产沼室单向可开启阀门，厌氧产沼室的出料口连接固液分离器；

一纳米镀膜陶瓷滚轴，贯穿分室耦合生物制氢反应器，纳米镀膜陶瓷滚轴的出气端连接至氢气纯化器；

固液分离器分离出的液相物进入膨胀颗粒污泥床反应器进行厌氧产甲烷，固液分离器分离出的固相产物排出固液分离器；

膨胀颗粒污泥床反应器的下部为反应区，反应区内填充有厌氧颗粒污泥；膨胀颗粒污泥床反应器的上部为沉淀区，沉淀区内安装有三相分离器；

膨胀颗粒污泥床反应器的出气口连接至甲烷纯化器；

一管道式光生物反应器，由微藻培养池、培养管道和安装在培养管道内部的光源组成，其中微藻培养池的池体由透光的有机玻璃制成，微藻培养池顶设有布水器；微藻培养池的进气口与氢气纯化器和甲烷纯化器的废气出口相连，将纯化后剩余的二氧化碳及硫化氢废气进入管道式光生物反应器；微藻培养池底部的出料口与培养管道串联连接，培养管道的出料口与微藻培养池的进料口连接；

氢气纯化器和甲烷纯化器的出气口通过一混配阀连接至储气装置，该储气装置的储气室内装填储氢和储甲烷的储氢分子筛与碳基、镁基、锆系或稀土系材料中的至少一种组合而成的复合材料。

所述的组合装置，其中，湿热预处理反应器安装有温度控制器和压力表，湿热预处理反应器为内胆与外壳两层结构，内胆与外壳之间填充有导热油。

所述的组合装置，其中，垃圾混匀输送装置包括垃圾混合室和绞龙，绞龙一端与湿热预处理反应器出料口连接，另一端与分室耦合生物制氢反应器进料口相连，共同固定于产氢反应器支架上，以节省占地面积。

所述的组合装置，其中，分室耦合生物制氢反应器为双层滚筒结构，内壁安装有4-8组三棱柱型挡板。

所述的组合装置，其中，膨胀颗粒污泥床反应器内的厌氧颗粒污泥填充量为反应区有效容积的10-50％。

所述的组合装置，其中，管道式光生物反应器的培养管道内部安装的光源为黄色荧光灯管。

所述的组合装置，其中，高吸附性能储气装置的顶部为可开启式密封盖，盖上安装有压力表和压力调节器，且进气口和出气口经三通电磁阀与气体循环系统相连，实现间歇式快速储放氢。

本发明提供的利用上述组合装置联产氢气与甲烷的方法，其主要步骤为：

厨余垃圾破碎后装填入湿热预处理装置中进行预处理；

预处理后的垃圾混合均匀后经绞龙装填入分室耦合生物制氢反应器的好氧预处理室进行腐解预处理，之后将物料经单向可开启阀门转移至厌氧产氢室，并补加产氢菌剂以强化产氢；

厌氧产氢后的液相代谢产物经固液分离器分离后泵入膨胀颗粒污泥床反应器，在厌氧活性污泥产甲烷菌群的作用下生成甲烷气；

厌氧产氢室生成的氢气和膨胀颗粒污泥床反应器产生的甲烷气分别通过氢气纯化器和甲烷纯化器进行纯化与干燥，纯化后的氢气和甲烷经混配阀进行配比后进入储气装置；

纯化脱除的废气通入管道式光生物反应器进行处理，并通过循环泵实现微藻培养池与培养管道中微藻培养物的循环流动，管道式光反应器内部的光源为微藻培养提供光照，促进微藻光合作用进行废气处理。

所述的方法，其中，微藻是指小球藻、盐生杜氏藻、硅藻、蓝藻中的一种或几种。

本发明的优点在于：

(1)本发明分室耦合生物制氢反应器内部为双反应区结构，中部由单向可开启隔板分为预处理室和发酵产氢室，物料首先在预处理室进行好氧预处理再进入厌氧室进行发酵产氢，实现了厌氧反应器的快速启动和稳定运行。

(2)本发明生物制氢反应器内壁设有4-8组三棱柱形挡板，使反应器内部无死角，避免发酵不均和杂菌生成，通过摔打和旋转作用实现物料的充分混合，减少对菌丝体的破坏，保证发酵过程的微生物活性，有效提高发酵产气量和能量转化效率。

(3)本发明生物制氢反应器中心贯穿的滚筒轴通过纳米陶瓷膜进行微纳米曝气和生物气收集，实现了好氧和厌氧发酵交替进行。纳米陶瓷镀膜特有的孔径特征和选择性过滤特性，保证了氢气的高效收集、热量扩散和均匀曝气，且不易堵塞，无需清理。

(4)本发明管道式光生物反应器将培养微藻与固定二氧化碳废气作用相耦合，在微藻快速生长过程中充分利用光合作用进行二氧化碳，及少量硫化氢的生物固定，不仅获得高浓度的小球藻产品，还实现了生物气中二氧化碳、硫化氢的脱除，解决了厨余垃圾资源化过程中的二次污染问题。

(5)本发明高吸附性能储气装置使用分子筛储氢材料和碳基等甲烷储存材料，该类材料选择性吸附能力强、表面活性高、使用寿命长，储气装置安全度高、操作简单、燃气储存和释放便捷，运输方便，实现了氢气与甲烷的同时储存，易于规模化生产应用。

(6)本发明将厨余垃圾干式发酵产氢和湿式厌氧产甲烷相耦合，再利用管道式微藻光反应器进行废气脱除，在获得高纯度氢烷气的同时，达到了碳减排与微藻培养的目的。

(7)本发明将湿热预处理、厌氧发酵、微藻固碳、物理化学吸附等多种技术相集成，优势互补，具有安装灵活、占地面积小、运行费用低、产气量大等特点，生物气的收集、纯化和储存方便，适于厨余垃圾的高值化利用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

附图中标记说明：

1湿热预处理反应器；2混合装置；3绞龙；4分室耦合生物制氢反应器；5膨胀颗粒污泥床反应器(EGSB反应器)；6管道式光生物反应器；7气体纯化器；8高吸附性能储氢装置；9压力表；10内胆；11外壳；12导热油；13温度控制器；14取样口；15好氧预处理室；16厌氧产氢室；17复合电极；18纳米陶瓷镀膜滚轴；19甲烷纯化器；20固液分离器；21厌氧颗粒污泥；22反应区；23三相分离器；24沉淀区；25贮水槽；26氢气纯化器；27培养池；28培养管道；29加热套；30布水器；31底座；32重力升降装置；33单向阀门；34挡板；35储气室；36储气复合材料；37压力控制系统；38进气口；39出气口；40三通电磁阀；41混配阀。

具体实施方式

本发明提供的氢气-甲烷联产组合装置，主要包括：

一湿热预处理反应器，包括高压内胆、防爆隔热外壳、温度控制器、压力表，内胆与外壳之间填充导热油。厨余垃圾置于高压内胆中，填充量为有效容积的10-60％，温度控制器控制预处理温度为90-150℃，处理20-60分钟。

一垃圾混匀输送装置，包括垃圾混合室和绞龙，绞龙一端与湿热预处理反应器出料口连接，另一端与耦合生物制氢反应器进料口相连，共同固定于产氢反应器支架上，以节省占地面积。

一分室耦合生物制氢反应器，高径比为1∶0.5-1∶5的双层滚筒结构，内壁安装有4-8组三棱柱型挡板。反应器为双反应区结构，中部由单向可开启阀门分为预处理室和发酵产氢室，两室有效容积比为1∶1-1∶5。纳米陶瓷滚轴从反应器中心贯穿，轴两端通过法兰固定于装置支架上，本发明的纳米陶瓷膜滚筒轴为不锈钢材质的中空网状滚轴，外层镀有纳米陶瓷膜用于生物气的收集和曝气。为方便进出料，罐体一侧设计为快开门结构的进料口，另一侧设计为快速出料口。厌氧发酵产生的富氢气体经管道输送至氢气纯化器，固相和液相代谢产物经出料口排入固液分离器。固液分离器分离出的液相代谢产物进入膨胀颗粒污泥床反应器进行厌氧产甲烷，固相产物用作绿色有机肥。

一膨胀颗粒污泥床反应器(EGSB)，包括反应区、沉淀区、三相分离器、颗粒污泥等。其中EGSB反应器高径比为5∶1-20∶1，内部填充有厌氧颗粒污泥，颗粒污泥的填充量为反应区有效容积的10-50％。发酵产氢的液相产物从EGSB反应器底部进入反应区，产生的沼气和泥水混合液经三相分离器分离，收集后的沼气经管道输送至甲烷纯化器，出水经沉淀区出水口流入贮水槽，部分出水再次返回反应器中与进水混合，实现出水回流的目的，回流比为1∶1-10∶1。

一管道式光生物反应器，由微藻培养池、培养管道、圆柱形光源等组成，其中微藻培养池的池体由透光的有机玻璃制成，罐体外部设有控温加热套，培养池顶设有布水器。培养池与气体纯化器的废气出口相连，生物气经纯化器纯化后剩余的二氧化碳及少量硫化氢等废气进入管道式光生物反应器，经微藻光合作用进行废气处理。微藻培养池中部设有进气口，底部设有出料口，该出料口通过循环泵与培养管道串联连接，培养管道的出料口与培养池的进料口连接。培养管道内部为2-6只黄色荧光灯管，为微藻培养提供充足的光照。

一高吸附性能储气装置，高径比为5∶1-0.5∶1的双层圆柱形结构，内层储气室装填有高性能储氢和储甲烷复合材料。储气室顶部为可开启式密封盖，盖上安装有压力控制系统，包括压力表和压力调节器。储气室下部设计有进气口，与气体纯化装置的燃气出口相连，上部设计有出气口，且进、出气口经三通电磁阀与循环通气管道相连，可实现间歇式快速储放氢。

高吸附性能储气装置内部填充的高性能材料为储氢分子筛与碳基、镁基、锆系和/或稀土系材料等组合的复合材料。

高吸附性能储气装置中，间歇式燃气储放方式是调节三通电磁阀，使进气口与储氢室相连，氢烷燃气经进气口进入储氢室，此时关闭排气口，使出气口与循环通气管道相连，氢气在进气循环过程中被高吸附储气材料迅速吸收，未被吸收的燃气经循环通气管道返回进气口，与进气口燃气混合后再次进入储氢装置储存，直至储氢装置内压力达到1-10MPa时，关闭进气口，储氢过程结束。使用氢烷燃气时，开启出气口，关闭循环通气管道和进气口，使燃气释放，直至储气室压力为0.9-0.1MPa，停止使用，关闭出气口，重复储气操作。

管道式光生物反应器中，微藻培养基经80-120℃灭菌20-60min，冷却至20-35℃后接种微藻培养物，进入管道式光生物反应器。生物气经纯化后剩余的废气进入培养池，与微藻培养物混合后经循环泵通入培养管道进行充分的光合作用后再返回培养池，实现废气处理。废气处理过程中控制体系pH在6.0-7.5之间，温度通过循环水控制在20-35℃，处理2-7天为一个周期。

本发明的微藻是指自氧能力强、油脂含量高和蛋白质含量高的绿藻，如小球藻、盐生杜氏藻等能源藻，但不仅限于绿藻，还可以为硅藻、蓝藻等。废气处理后获得的微藻可以作为生物柴油的原料进行高值化利用，还可以作为饲料、肥料加以利用。

EGSB反应器与管道式光生物反应器之间连接有燃气纯化器，纯化器包括氢气纯化器和甲烷纯化器两部分，并通过混配阀进行氢烷燃气的混合配比；纯化器内部还装填有干燥剂，用于生物气中水分的脱除。

下面结合附图和实施例对本发明做更详细地说明。

本发明装置包括湿热预处理反应器1、混合装置2、绞龙3、分室耦合生物制氢反应器4、EGSB反应器5、管道式光生物反应器6、气体纯化器7、高吸附性能储氢装置8等。厨余垃圾置于湿热反应器1的高压内胆10中，内胆10与外壳11之间填充导热油12，通过温度控制器13控制处理温度，压力表9显示处理压力。预处理后的厨余垃圾经混合装置2搅拌均匀后通过绞龙3输送至分室耦合生物制氢反应器4。垃圾经好氧腐解预处理后，通过调整装置底座31的重力升降装置32使物料从好氧预处理室15经过单向阀门33进入厌氧产氢室16产生富氢气体。反应器内壁的三棱柱形挡板34设计，通过摔打和旋转作用使物料充分混合，有效提高发酵产气量和能量转化效率。生物制氢过程中的温度、pH值、溶解氧等控制参数通过分室内的复合电极17进行实时测定，并将数据同步传输至控制面板进行显示。厌氧发酵产生的富氢气体经纳米陶瓷镀膜滚轴18输送至氢气纯化器26，固相和液相代谢产物经出料口排入固液分离器20。固液分离器分离出的液相代谢产物进入EGSB反应器5进行厌氧产甲烷。

发酵产氢的液相产物从EGSB反应器底部进入填充有厌氧颗粒污泥21的反应区22，产生的沼气和泥水混合液经三相分离器23分离，其中出水经沉淀区24出水口流入贮水槽25，部分出水再次返回反应器中与进水混合，收集后的沼气经管道输送至甲烷纯化器19。位于EGSB反应器的反应区22不同高度处设有取样口14，便于对运行情况进行监控。上述富氢和甲烷生物气分别经气体纯化器后通过混配阀41进行混合配比后进入高吸附性能储气装置8，装置内层储气室35装填有高性能储氢和储甲烷复合材料36。储气室35顶部安装有压力控制系统37，储气室下部设计有进气口38，上部设计有出气口39，且进、出气口经三通电磁阀40与气体循环系统相连，可实现间歇式快速储放氢。气体纯化器排出的剩余废气经循环泵进入管道式光生物反应器6。管道式光生物反应器6由微藻培养池27与培养管道28组成，培养池外部加热套29控制培养温度，顶部设有布水器30强化气体与培养液的混合，培养池底部出料口通过循环泵与培养管道28串联连接，培养管道的出料口与培养池的进料口连接，实现废气脱除和微藻培养。

本实施例中发明方法及装置的实际运行方式如下：

厨余垃圾破碎后装填入湿热预处理装置中，填充量为有效容积的50％，温度控制为120℃，处理30分钟后冷却。预处理后的垃圾混合均匀后经绞龙装填入分室耦合生物制氢反应器的好氧室进行腐解预处理，装填量为有效容积的50％，好氧预处理室和厌氧产氢室的容积比例为1∶2。腐解7天后将物料经单向阀门转移至厌氧产氢室，通过取样口补加高效产氢菌剂以强化产氢，厌氧发酵周期为3天，生物气中氢气含量大于60％。厌氧产氢后液相代谢产物经固液分离器分离后泵入EGSB反应器，在厌氧活性污泥产甲烷菌群的作用下生成甲烷气，该EGSB反应器高径比为8∶1，运行条件为回流比4∶1，进水有机负荷为10kgCOD/(m³·d)，水力上升流速0.5m/h，温度35±1℃，处理后的废水COD去除率达到90％以上，生物气中甲烷含量大于80％。

产氢反应器生成的富氢气和EGSB反应器产生的甲烷气分别通过气体纯化器进行纯化和干燥，纯化后的氢气和甲烷经混配阀进行配比后进入高吸附性能储气装置，该装置高径比2∶1，内部填充有储氢分子筛和活性炭填料，储氢时装置内压力应不高于5MPa，放氢过程中室内压力应不低于0.5MPa。脱除的废气通入管道式光生物反应器进行处理，并通过循环泵实现培养池与管道中微藻培养物的循环流动，处理后的废气中二氧化碳脱除率达到85％以上，有效减少二次污染。培养池中微藻采用小球藻，接种量为培养体积的10％，调节初始pH为7.5，通过加热套控制培养温度为35℃，管道式光反应器内部由两只40w黄色荧光灯提供光照。本发明装置占地面积小，不足3平米，并且移动和安装方便，厌氧室装料后6小时内即可产氢，还可同时去除生物气中85％以上的二氧化碳，实现了产能减排的目的。

Claims (9)

1.一种厨余垃圾干湿联产氢气与甲烷的组合装置，主要包括：

一湿热预处理反应器，连接一垃圾混匀输送装置，该垃圾混匀输送装置包括垃圾混合室和绞龙，绞龙一端与湿热预处理反应器出料口连接，另一端与耦合生物制氢反应器进料口相连；

一分室耦合生物制氢反应器，内部为厌氧产氢室和好氧预处理室，厌氧产氢室和好氧预处理室之间设有单向可开启阀门，厌氧产氢室的出料口连接固液分离器；

一纳米镀膜陶瓷滚轴，贯穿分室耦合生物制氢反应器，纳米镀膜陶瓷滚轴的出气端连接至氢气纯化器；

固液分离器分离出的液相物进入膨胀颗粒污泥床反应器进行厌氧产甲烷，固液分离器分离出的固相产物排出固液分离器；

膨胀颗粒污泥床反应器的下部为反应区，反应区内填充有厌氧颗粒污泥；膨胀颗粒污泥床反应器的上部为沉淀区，沉淀区内安装有三相分离器；

膨胀颗粒污泥床反应器的出气口连接至甲烷纯化器；

一管道式光生物反应器，由微藻培养池、培养管道和安装在培养管道内部的光源组成，其中微藻培养池的池体由透光的有机玻璃制成，微藻培养池顶设有布水器；微藻培养池的进气口与氢气纯化器和甲烷纯化器的废气出口相连，将纯化后剩余的二氧化碳及硫化氢废气进入管道式光生物反应器；微藻培养池底部的出料口与培养管道串联连接，培养管道的出料口与微藻培养池的进料口连接；

氢气纯化器和甲烷纯化器的出气口通过一混配阀连接至储气装置，该储气装置的储气室内装填储氢和储甲烷的储氢分子筛与碳基、镁基、锆系或稀土系材料中的至少一种组合而成的复合材料。

2.根据权利要求1所述的组合装置，其中，湿热预处理反应器安装有温度控制器和压力表，湿热预处理反应器为内胆与外壳两层结构，内胆与外壳之间填充有导热油。

3.根据权利要求1所述的组合装置，其中，垃圾混匀输送装置包括垃圾混合室和绞龙，绞龙一端与湿热预处理反应器出料口连接，另一端与分室耦合生物制氢反应器进料口相连，共同固定于产氢反应器支架上，以节省占地面积。

4.根据权利要求1所述的组合装置，其中，分室耦合生物制氢反应器为双层滚筒结构，内壁安装有4-8组三棱柱型挡板。

5.根据权利要求1所述的组合装置，其中，膨胀颗粒污泥床反应器内的厌氧颗粒污泥填充量为反应区有效容积的10-50%。

6.根据权利要求1所述的组合装置，其中，管道式光生物反应器的培养管道内部安装的光源为黄色荧光灯管。

7.根据权利要求1所述的组合装置，其中，储气装置的顶部为可开启式密封盖，盖上安装有压力表和压力调节器，且进气口和出气口经三通电磁阀与气体循环系统相连，实现间歇式快速储放氢。

8.一种利用权利要求1所述组合装置联产氢气与甲烷的方法，其主要步骤为：

厨余垃圾破碎后装填入湿热预处理装置中进行预处理；

预处理后的垃圾混合均匀后经绞龙装填入分室耦合生物制氢反应器的好氧预处理室进行腐解预处理，之后将物料经单向可开启阀门转移至厌氧产氢室，并补加产氢菌剂以强化产氢；

厌氧产氢后的液相代谢产物经固液分离器分离后泵入膨胀颗粒污泥床反应器，在厌氧活性污泥产甲烷菌群的作用下生成甲烷气；

厌氧产氢室生成的氢气和膨胀颗粒污泥床反应器产生的甲烷气分别通过氢气纯化器和甲烷纯化器进行纯化与干燥，纯化后的氢气和甲烷经混配阀进行配比后进入储气装置；

纯化脱除的废气通入管道式光生物反应器进行处理，并通过循环泵实现微藻培养池与培养管道中微藻培养物的循环流动，管道式光反应器内部的光源为微藻培养提供光照，促进微藻光合作用进行废气处理。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，微藻是指小球藻、盐生杜氏藻、硅藻、蓝藻中的一种或几种。

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