本发明涉及废弃物处理领域， 具体地， 本发明涉及一种釆用微生物干法消 化连续处理废弃物的方法和装置， 特别是釆用两段反应器解除有机酸的积累对 产甲垸过程的抑制， 适用于废弃物综合分级利用和深度处理领域。 背景技术

我国有大量的固态生物质废弃物需要处理，比 如绝大部分城市垃圾露天 堆放， 产生大量热能和氨、 甲垸和硫化氢等有害气体， 气体浓度过高形成恶 臭， 从空中包围城市。 同时， 这些废弃物会发生自燃、 自爆现象。 这不仅影 响城市景观， 同时污染了大气、 水和土壤， 对城镇居民的健康构成威胁， 垃 圾已成为城市发展中的棘手问题。

另一方面， 工业纤维质发酵糟渣具有量大、 集中的特点， 这些糟渣富含 纤维素， 是集中的资源。 2008年我国白酒糟产量 1500万吨、醋糟 800万吨， 但是这些糟渣呈现酸性或者碱性， 是严重的环境污染源。

中国目前处理生活垃圾的方法除露天堆放外， 还有卫生填埋和焚烧等。 填埋过程虽然避免了露天堆放的问题，但是占 地面积大，使用寿命相对较短， 而且浪费可回收利用的资源； 焚烧虽然能大大缩小垃圾的体积， 但会释放有 毒气体， 如二恶英、 硫氮化合物等， 并产生有毒有害炉渣和灰尘； 堆肥， 这 种方法需要人们将有机垃圾与其它垃圾分开才 行， 它具有很好的发展前景。 总之， 当前大量未经分类就填埋或焚烧垃圾， 既是对资源的巨大浪费， 又会 产生二次污染。

废弃物干法消化处理过程可以在常温、 常压下操作， 生产可用沼气， 充 分利用废弃物中的纤维素、 木质素、 蛋白和糖类等有用组分， 大大减小废弃 物的体积， 与化工热处理、 填埋、 焚烧发电等耦合， 实现废弃物综合利用和 治理。 釆用干法消化处理废弃物可以充分利用其中的 有用组分，实现废弃物综 合利用和减量排放的目的，但传统的干法消化 过程和发酵反应器的开发取得 了显著进歩的同时， 干法消化过程操作繁杂、劳动量大等问题依然 是制约干 法消化放大和产业化应用的关键， 主要原因是： 干法消化过程间歇操作， 装 卸劳动强度大， 如果能实现发酵过程中连续进料和出料， 可以大大提高发酵 的效率 ( CN 101 177693A; CN102174591A; CN102174595A) 。 另外， 干法 消化过程缺乏工艺集成，在废弃物干法消化过 程中仍存在很多发酵残渣， 需 要进一歩处理， 因此开发生物、化工耦合工艺可以大幅降低干 法消化过程操 作费用。在发酵过程中， 废弃物在微生物的作用下会产生大量的有机酸 ， 造 成反应体系 pH值下降， 对反应过程产生抑制， 甚至导致反应过程终止， 因 此， 将产酸过程和产甲垸过程分离可以促进消化反 应进行， 有利于提高甲垸 的产率。 CN102260019A, CA102674546A, CN85202346U, CN201962120U 和 CN2908481Y 等专利中也釆用两段的发酵工艺， 来处理废弃物， 但是这 些处理过程是釆用水洗的方式将第一段产生的 有机酸转移到第二段，这样的 设备设计的操作过程会产生大量的废水， 而且会造成发酵工艺条件更加复 杂。 本发明通过第一段充分发酵产酸， 釆用碱性物质中和，解除发酵中间产 物一有机酸对发酵过程的抑制，然后将调节酸 碱度至弱碱性的发酵底物转移 到第二段反应器中发酵产甲垸， 实现干法消化工艺的连续操作和过程集成。 该方法可以解决干法消化操作繁杂、劳动量大 的问题， 有利于干法消化的放 大和生产应用。

发明内容

针对现有技术的不足， 本发明的目的之一在于提供一种废弃物两段干 法消 化方法， 该方法是针对废弃物干法消化处理过程中产生 大量有机酸积累造成产 甲垸速率下降或者终止的问题而提供的一种系 统可控性强、 能连续操作的两段 反应废弃物处理方法， 该方法釆用生物发酵的方法。

所述方法包括： 使废弃物与微生物催化剂的混合物在第一段反 应器发酵产 酸后， 加入碱性物质调节体系 pH至 7〜9， 然后， 将反应底物输送至第二段反应 器， 进行产甲垸反应， 实现生物催化剂循环使用和废弃物连续处理的 目的。

所述发酵产酸和产甲垸化反应的条件是所属领 域已知技术， 在此不再赘述。 优选地， 将产甲垸反应后的反应产物与废弃物混合， 重新输送回第一段反 应器； 优选地， 所述与废弃物混合重新输送回第一段反应器的 反应产物比例为 lwt%〜40wt%， 进一歩优选为 3wt%〜35wt%， 特别优选为 5wt%〜30wt%。

加入碱性物质后体系的 pH可以为 7.1、 7.2、 7.3、 7.5、 7.9、 8.1、 8.4、 8.6、 8.8、 8.9等， 优选为 7〜8.5， 特别优选为 7〜8。

产甲垸反应完成后的固体产物， 可以通过填埋、 焚烧发电、 化学转化或热 处理等方式做进一歩处理。

优选地， 所述废弃物为纤维素发酵糟渣、 城市生活垃圾、 餐厨垃圾或农业 废弃物中的 1种或至少 2种的混合物； 优选地， 所述纤维素糟渣包括： 白酒糟、 醋糟、 糠醛渣、 中药糟渣或木屑废弃物中的 1种或至少 2种的混合物。

优选地， 所述第一段反应器中发酵产酸的温度为 20°C〜70°C，进一歩优选为 25°C〜65°C， 特别优选为 30°C〜55°C。

优选地， 所述第一段反应器中发酵产酸时间为至少 2天， 例如 2.1天、 2.2 天、 2.5天、 2.9天、 3.1天、 4天、 4.9天、 5.1天、 6天、 10天、 20天、 39天、 41天、 45天、 50天、 59天、 61天、 70天、 80天等， 进一歩优选为 3〜60天， 特别优选为 5〜40天。

优选地，所述第一段反应器中发酵产酸的压力 为常压〜 4MPa，例如 0.11MPa、 0.2MPa、 0.3MPa、 0.5MPa、 lMPa、 1.5MPa、 1.9MPa、 2.1MPa、 2.5MPa、 2.9MPa、 3.1MPa 3.5MPa 3.8MPa 3.9MPa等， 进一歩优选为常压〜 3MPa， 特别优选为 常压〜 2MPa。 所述常压指大气压。

优选地，所述微生物催化剂与废弃物质量比为 1 :100 30: 100，进一歩优选为 1.5: 25: 100， 特别优选为 2:100 20: 100

优选地， 所述微生物催化剂以微生物催化剂浓缩液的形 式使用； 优选地， 所述微生物催化剂浓缩液中细胞的浓度为 0.5g干细胞 /L 250g干细胞 /L，进一歩 优选为 0.8g干细胞 /L 200g干细胞 /L， 特别优选为 lg干细胞 /L 50g干细胞 /L 优选地， 所述碱性物质为液态的石灰水、 氢氧化钠溶液或氨水中的 1 种或 至少 2种的混合物。

优选地， 所述碱性物质为固态的生石灰和 /或氢氧化钠。

所述方法解除了发酵中间产物一有机酸对发酵 过程的抑制， 在废弃物组 成相同的情况下比现有工艺具有更高的甲垸产 率，并解决了干法消化操作繁 杂、 劳动量大的问题， 有利于干法消化的放大和生产应用； 同时， 本发明釆 用碱性物质中和有机酸，在操作中不会产生大 量废水， 实现了固态发酵和连 续的固态处理， 可以大幅减小干法消化装置的体积。

本发明的目的之一还在于提供一种两段式厌氧 消化反应装置。 所述装置由 产酸和产甲垸两部分组成。 产酸部分通过釆用回转窑， 使微生物菌种与废弃物 混合均匀， 发酵产酸， 同时， 回转窑的使用实现了固态的碱性物质 （或液态） 与反应体系快速混合均匀， 以调节酸碱度。

所述两段式厌氧消化反应装置按照物料流向依 次包含回转窑和第二段反应 器； 所述回转窑前端设有进料口， 后端设有碱性物质入口和沼气出口。

优选地， 所述回转窑为回转窑炉体旋转， 或者炉体固定， 而内轴带动叶片 旋转； 所述回转窑旋转或搅拌， 使得物料与微生物菌种混合均匀， 最大限度地 发酵产酸， 并使碱性物质与反应体系在固态下迅速混合均 匀。

优选地， 所述回转窑前部设有菌种入口， 所述菌种入口位于进料口之后； 菌种单独进料入回转窑， 可避免反应系统内进入过多空气， 影响厌氧反应的进 行。

优选地， 所述回转窑为单一回转窑 （如图 2所示）； 优选地， 所述单一回转 窑的炉体固定， 内部设有内轴， 可带动内轴上的叶片旋转， 使回转窑内物料混 合均匀， 促进发酵产酸快速进行。

优选地， 所述回转窑依次分为第一回转窑和第二回转窑 两部分 （如图 3 所 示），所述第一回转窑前端设置进料口，所述 第二回转窑前端设置碱性物质入口， 后端设置沼气出口； 在此回转窑结构中， 可以选择不设置专门的菌种入口， 菌 种与废弃物从进料口进入； 发酵产酸反应在第一回转窑中进行， 所述第二回转 窑的作用仅为将发酵产酸反应的产物与碱性物 质进行混合后送入第二段反应 器； 优选地， 所述第一回转窑炉体旋转； 优选地， 所述第二回转窑炉体固定， 内部设有内轴带动内轴上的叶片旋转。 两段回转窑的设计， 可以有效避免氧气 进入第二段反应器， 避免了氧气对产甲垸化反应的抑制。

优选地， 所述两段式厌氧消化反应装置按照物料流向依 次包含回转窑和第 二段反应器； 所述回转窑前端按照物料流向依次设有进料口 和菌种入口， 后端 按照物料流向依次设有碱性物质入口和沼气出 口； 所述回转窑炉体固定， 内部 设有内轴， 可带动内轴上的叶片旋转。

优选地， 所述两段式厌氧消化反应装置按照物料流向依 次包含回转窑和第 二段反应器； 所述回转窑依次分为第一回转窑和第二回转窑 ， 所述第一回转窑 前端设有进料口， 第二回转窑前端设有碱性物质入口， 后端设有沼气出口； 所 述第一回转窑炉体旋转， 所述第二回转窑炉体固定， 内部设有内轴带动内轴上 的叶片旋转。

本发明的目的之一还在于提供一种所述两段式 厌氧消化反应装置的用途， 所述两段式厌氧消化反应装置用于废弃物两段 式干法消化方法。

与现有技术相比， 本发明具有以下优势：

( 1 )将废弃物发酵过程分为产酸和产甲垸两段进� �， 可以解除发酵过程中 间产物的抑制作用， 可以提高消化过程的废弃物转化率和甲垸的产 率。

(2)通过第一段反应器（回转窑）的旋转或搅拌 的反应器， 实现均匀接种， 充分发酵后也可以实现废弃物与碱性物质的均 匀混合。

(3 ) 通过第一段反应器 （回转窑） 的旋转或搅拌的反应器， 实现固态碱性 物质与反应体系的迅速均匀混合， 避免了液态体系所需的大量水的使用， 因此 可大幅减小反应装置的体积。

(4) 通过微生物发酵过程， 充分利用其中的有用组分， 实现废弃物高值化 分级利用， 减小废弃物的体积。

(5) 通过与热处理、 填埋或焚烧发电等化工过程相结合， 实现废弃物无害 化处理。

附图说明

图 1是本发明所述废弃物两段干法消化方法的一� �实施方案的工艺流程图； 图 2是本发明所述两段式厌氧消化反应装置的一� �实施方案的结构示意图； 图 3是本发明所述两段式厌氧消化反应装置的一� �实施方案的结构示意图； 附图标记如下：

1一进料口； 2—碱性物质入口； 3—菌种入口；

4一回转窑； 5—第二段反应器； 41 第一回转窑；

42 第二回转窑； 6—产甲垸化反应产物出口； 7—回转窑沼气出口。

具体实施方式

为便于理解本发明， 本发明列举实施例如下。 本领域技术人员应该明了， 所述实施例仅仅是帮助理解本发明， 不应视为对本发明的具体限制。

以下实施例和对比例釆用的厌氧微生物催化的 培养方法如下：

微生物菌种是富集的厌氧污泥、 下水道污泥和化粪池污泥中富集微生物催 化剂， 培养温度 37°C， 培养环境为厌氧， 培养时间是 7天到 20天。

培养基 (g/L) _: K ₂ HP0 ₄ 0.4, KH ₂ P0 ₄ 0.4, NH ₄ C1 1.0, MgCl ₂ 1.0, 酵母浸提 物 1.0， 半胱氨酸 0.5; 0.1%刃天青溶液 2.0 mL， 微量元素溶液 10.0mL， 维生素 溶液 10.0 mL o

微量元素溶液的组成 (g/L): MgSO ₄ -7H ₂ O 3.0, CoCl ₂ 0.1， MnS0 ₄ -2H ₂ 0 0-5 , CaCl ₂ -2H ₂ 0 0.1 , ZnS0 ₄ -7H ₂ 0 0.1 , NaCl 1.0， FeS0 ₄ -7H ₂ 0 0.1 , CuS0 ₄ 5H ₂ 0 0.01 , KAl(SO ₄ ) ₂ 0.01 , H ₃ BO ₃ 0.01 , NaMo0 ₄ '2H ₂ 0 0.01。

维生素溶液的组成 (mg/L): 硫胺素 (B05.0, 泛酸钙 5.0， 核黄素 (B ₂ )5.0， 生 物素 2.0， 叶酸 2.0， Bl:0.1， 烟酸 5.0， 对氨基苯甲酸 5.0， 硫辛酸 5.0。 微量元 素溶液和维生素溶液配好后用 0.22μηι微孔过滤膜过滤除菌，放入 4°C冰箱待用。

实施例 1 : 城市生活垃圾两段干法消化

本实施例釆用的两段式厌氧消化反应装置 （如图 2所示） 按照物料流向依 次包含回转窑 4和第二段反应器 5;所述回转窑 4前端按照物料流向依次设有进 料口 1和菌种入口 3，后端按照物料流向依次设有碱性物质入口 2和回转窑沼气 出口 7; 所述回转窑 4炉体固定， 内部设有内轴， 可带动内轴上的叶片旋转； 所 述第二段反应器 5 上部设有第二段反应器沼气出口， 下部设有产甲垸化反应产 物出口 6， 所述产甲垸化反应产物出口 6与进料口 1连接。 首先将收集的城市生活垃圾分类， 除去其中的金属物质、 塑料和石块等， 在混合池中混合均匀， 通过进料口 1进入回转窑 4; 将培养的微生物催化剂， 通 过高速离心机离心浓缩， 将 500L浓度为 25g/L的微生物催化剂通过菌种入口 3 进入回转窑。 回转窑内轴带动叶片旋转， 使得微生物催化剂与 8000kg混合的废 弃物通过折流板混合，以回转窑为第一段干法 消化反应器发酵，发酵温度： 37°C， 发酵压力： 常压， 发酵时间 10天， 有机酸的浓度可达到 0.05g/g废弃物， pH值 由 7.3下降到 5.0。 通过碱性物质入口将生石灰加入至回转窑， 使得生石灰与发 酵产酸完成的废弃物充分混合， 调节发酵底物的 pH值至 8， 然后将底物转移至 第二段反应器 5， 在常压下进行产甲垸化反应， 将发酵产物进行分离， 收集发酵 气体， 产气量为 58 L/kg干重废弃物， 甲垸的浓度达到 57%， 发酵结束后， 将第 二段中 20%产物循环回第一段反应器回转窑 4作为发酵的菌种和反应原料， 另 一部分与焚烧过程耦合进一歩深度处理。

实施例 2: 城市生活垃圾与餐厨垃圾混合两段干法消化

本实施例釆用的两段式厌氧消化反应装置以两 个串联回转窑为第一段干法 消化反应器 （如图 3所示）， 其按照物料流向依次包含回转窑 4和第二段反应器 5； 所述回转窑 4依次分为第一回转窑 41和第二回转窑 42， 所述第一回转窑 41 前端设有进料口 1， 第二回转窑 42前端设有碱性物质入口 2， 后端设有回转窑 沼气出口 7; 所述第一回转窑 41炉体旋转， 所述第二回转窑 42炉体固定， 内部 设有内轴， 带动内轴上的叶片旋转； 所述第二段反应器 5 上部设有第二段反应 器沼气出口， 下部设有产甲垸化反应产物出口 6， 所述产甲垸化反应产物出口 6 与进料口 1连接。

首先将收集的城市生活垃圾分类， 除去其中的金属物质、 塑料和石块等不 可代谢类废弃物， 然后在混合池中与餐厨垃圾混合均匀； 将下水道污泥培养的 微生物催化剂， 通过高速离心机离心浓缩， 将 300L浓度为 20g/L的微生物催化 剂与 4000kg混合的废弃物混合后， 通过进料口 1进入第一回转窑 41混合发酵， 发酵温度： 37°C， 发酵时间 15天， 发酵压力： 常压， 在第 15天输送到第二回 转窑 42， 并通过碱性物质入口 2加入一定量的生石灰充分混合， 调节发酵底物 的 pH值至 8。然后将底物转移至第二段反应器 5， 在常压下进行产甲垸化反应， 甲垸产率可达 67L/kg干重废弃物， 然后将发酵产物进行分离， 收集发酵气体， 发酵结束后， 将第二段反应中 15%的发酵产物循环回第一段反应器的第一回转 窑作为发酵的菌种和反应原料， 另一部分与焚烧过程耦合进一歩深度处理。

实施例 3 : 城市生活垃圾与工业废弃物混合两段干法消化

本实施例釆用的装置与实施例 2大体相同， 以两个串联回转窑为第一段干 法消化反应器， 不同之处在于， 第一回转窑前部设有菌种入口， 其位于进料口 之后。

将经过筛选的城市生活垃圾与酒糟混合， 混合比例是 1 : 1， 将 2000kg该混 合物通过进料口 1送入第一回转窑 41 ; 将厌氧污泥培养的微生物催化剂， 通过 高速离心机离心浓缩， 将 1000L浓度为 10g/L的微生物催化剂通过菌种入口进 入至第一回转窑 41， 与混合的废弃物通过折流板混合发酵， 发酵温度： 37°C， 发酵时间 10天， 发酵压力： 常压， 经过检测分析有机酸的发酵产量为 0.07g/g 废弃物， 在第 10天输送到第二回转窑 42， 并通过碱性物质入口 2加入一定量的 生石灰充分混合， 调节发酵底物的 pH值至 7.5。 然后将底物转移至第二段反应 器第二段反应器 5， 在常压下进行产甲垸化反应， 收集发酵气体， 气体产率可达 52L/kg干重废弃物， 发酵结束后， 将第二段中 12%的发酵产物循环回第一段反 应器的第一回转窑作为发酵的菌种和反应原料 ， 另一部分与填埋过程耦合进一 实施例 4餐厨垃圾与农业废弃物混合两段干法消化

本实施例釆用的装置与实施例 1 大体相同， 不同之处在， 本实施例釆用的 装置中， 回转炉 1炉体旋转。

首先将收集的餐厨垃圾和农业废弃物在混合池 中混合均匀， 通过进料口 1 进入回转窑 4; 将培养的微生物催化剂， 通过高速离心机离心浓缩， 将 500L浓 度为 250g/L的微生物催化剂通过菌种入口 3进入回转窑。 回转窑内轴带动叶片 旋转， 使得微生物催化剂与 6000kg混合的废弃物通过折流板混合， 以回转窑为 第一段干法消化反应器发酵， 发酵温度： 20°C， 发酵压力： 4MPa， 发酵时间 60 天， 有机酸的浓度可达到 0.15g/g废弃物， pH值由 7.6下降到 4.8。 通过碱性物 质入口将氨水加入至回转窑， 使得氨水与发酵产酸完成的废弃物充分混合， 调 节发酵底物的 pH值至 7， 然后将底物转移至第二段反应器 5， 在常压下进行产 甲垸化反应， 将发酵产物进行分离， 收集发酵气体， 产气量为 36 L/kg干重废弃 物， 甲垸的浓度达到 57%， 发酵结束后， 将第二段中 1%产物循环回第一段反应 器回转窑 4作为发酵的菌种和反应原料， 另一部分与焚烧过程耦合进一歩深度 处理。

实施例 5: 城市生活垃圾与餐厨垃圾混合两段干法消化

本实施例釆用的装置与实施例 2相同。

首先将收集的城市生活垃圾分类， 除去其中的金属物质、 塑料和石块等不 可代谢类废弃物， 然后在混合池中与餐厨垃圾混合均匀； 将下水道污泥培养的 微生物催化剂， 通过高速离心机离心浓缩， 将 800L浓度为 0.5g/L的微生物催化 剂与 4000kg混合的废弃物混合后， 通过进料口 1进入第一回转窑 41混合发酵， 发酵温度： 70°C， 发酵时间 2天， 发酵压力： 3.5MPa， 在第 2天输送到第二回 转窑 42， 并通过碱性物质入口 2加入一定量的氢氧化钠充分混合， 调节发酵底 物的 pH值至 9。 然后将底物转移至第二段反应器 5， 在常压下进行产甲垸化反 应， 然后将发酵产物进行分离， 收集发酵气体， 产气量为 43L/kg干重废弃物， 甲垸的浓度达到 52%， 发酵结束后， 将第二段反应中 40%的发酵产物循环回第 一段反应器的第一回转窑作为发酵的菌种和反 应原料， 另一部分与焚烧过程耦 合进一歩深度处理。

对比例： 城市生活垃圾干法消化

首先将在混合池中将城市生活垃圾混合均匀； 将上述培养的厌氧污泥作为 微生物催化剂， 通过高速离心机离心浓缩， 将 400mL浓度为 22g/L的微生物催 化剂与 10kg生活垃圾混合物通过折流板混合， 在干法消化反应器中发酵， 发酵 温度： 30°C， 发酵时间 20天， 发酵的压力常压， 将发酵产物进行分离， 收集发 酵气体， 发酵结束后， 产气量为 30 L/kg干重城市生活垃圾， 其中气体中甲垸的 含量为 47%。 将 10%的发酵产物循环回混合池作为发酵的菌种， 另 90%的发酵 残渣填埋。

由以上实验结果可知， 本发明通过使用本发明所述工艺及装置， 加入碱性 物质消除中间产物有机酸对甲垸化反应的抑制 ， 提高了甲垸产率， 具有极高的 工业应用价值。

申请人声明， 本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工 艺设备和工艺 流程， 但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺 流程， 即不意味着本发明 必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实 施。 所属技术领域的技术人员应 该明了， 对本发明的任何改进， 对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的 添加、 具体方式的选择等， 均落在本发明的保护范围和公开范围之内。