一种农村分散居民生活垃圾与人粪便共处置沼气池

摘要

本发明公开了一种农村分散居民生活垃圾与人粪便共处置沼气池。其包括主体发酵池、第二格发酵池、人粪便和生活垃圾进料口、沼液和沼渣出料口，其中，通过人粪便和生活垃圾进料口将人粪便和生活垃圾送入主体发酵池，主体发酵池连接第二格发酵池，在主体发酵池和第二格发酵池之间设置分离格栅分离沼液和沼渣，第二格发酵池连接沼液出料口，主体发酵池连接沼渣出料口。本发明的有益效果在于综合考虑了生活垃圾和人粪便的处理和资源化利用，避免了传统地埋式沼气池，冬季气温低产气差的缺陷。本发明可将沼液和沼渣就地作为肥料还田，本发明可为农村面源污染的控制、农村生态与环境的改善提供工程借鉴。

说明书

技术领域

本发明涉及沼气化利用的系统，更具体的说是一种农村分散居民生活垃圾与人粪便共处置沼气池。

背景技术

随着我国经济的高速发展，水环境质量持续下降。其中，太湖流域是我国经济最发达的地区之一，区域经济的联动效应使该流域的农村生产与生活模式发生了迅速的变化，其结果使该区域农村的经济发展处于全国前列，但同时也引发了环境污染水平大幅提高的后果。2007年4月太湖出现了大面积蓝藻水华，随后太湖水源地受到污染，自来水出现恶臭，无锡市大部分生产与生活用水供应中断，造成了重大经济损失和严重社会影响。太湖蓝藻水华大规模爆发的主要原因是全湖呈现富营养化态势。近年来点源污染控制工程得到了有效的实施，农村面源污染已成为太湖流域污染的重要污染源，其中生活垃圾及农村生活污水成为面源污染的主要贡献者之一[苏州市环太湖农业面源污染调查及控制对策[J].张导,张琰,宋学宏,等.农业环境与发展2009,26 (6):71-75.]。

生活垃圾通过倒入水体、陆上堆积等途径，释放污染物造成面源污染，同时，生活垃圾中的惰性组分在河道中积存，恶化水体的流动条件，降低河道自净容量，也进一步加重了水体污染。刘永德等选取太湖流域大浦镇农村地区为调查区域，调查农村生活垃圾产生密度和雨水径流量，确定农村生活垃圾对面源污染的贡献值。结果表明，农村生活垃圾村域产生密度为105.9 t·km^-2·a^-1(含集贸市场垃圾)，地表径流量为45.0万m³·km^-2·a^-1，农村生活垃圾弃置使径流增加的N、P浓度分别为3.3 mg·L^-1、0.7 mg·L^-1。(即面源污染贡献值)，均超过太湖重富营养化的N、P浓度限值[太湖流域农村生活垃圾面源污染贡献值估算[J]. 刘永德,何品晶,邵立明.  农业环境科学学报2008, 27(4): 1442-144.]。因此，从源头上治理农村生活垃圾污染问题，避免垃圾任意堆放释放污染物，对解决太湖农村面源污染具有重要意义。

当前，太湖流域内部分农村现行的“村收集、镇转运、县（市）处理”模式由政府财政统一支出，更多依靠的是地方财政实力。生活垃圾若集中统一于县市集中处置，在偏远地区分散居住的农村实施将大幅提高运输成本，同时增加城市固体废弃物处置负担[农村生活垃圾现状及处置技术初探-以太湖流域为例[J].张后虎, 张毅敏. 环境卫生工程, 2009, 17(4): 9-13.]。偏远农村分散居民的生活垃圾难以纳入城乡一体化的垃圾处理系统, 因地制宜就地肥料化利用。相对于农村生活垃圾，城市生活垃圾处理具有较为完善的技术、法规和资金保障，但农村生活垃圾处置的专题研究才刚刚起步，较多的借鉴了城市生活垃圾处理的方法[农村经济相对发达地区生活垃圾的产生特征与管理模式初探—以太湖地区农村为例[J] .武攀峰, 崔春红, 周立祥, 等.农业环境科学学报, 2006, 25(1): 237-243.]；而农村生活垃圾中主要成分为厨余、菜叶、树叶等，是垃圾渗滤液的主要产生来源，燃烧热值低，太湖流域农村生活垃圾的特性不宜采用填埋和焚烧处理[太湖流域农村生活垃圾产生特征及其影响因素[J].刘永德, 何品晶, 邵立明, 等.农业环境科学学报, 2005, 24(3): 533-537.]。为此，适合于农村、尤其是分散农村居民生活垃圾处理技术等在内的工作还需更深入的研究。

农村地区生活污水的污染问题严重，而采用管网收集的方法，成本高、其污水收集率低，大多生活用水采用排放采用无序任意排放的形式。据统计，80%以上的生活污水或粪便废水被直接排放到地下或江河湖泊。农村生活污水是农村居民生活活动所产生的污水，其数量、成分、污染物浓度与居民的生活习惯、生活水平和用水量有关。在江苏苏南农村，虽然经济发展水平较高，但管理落后，污水处理设施不健全，缺乏污水和垃圾处理的环保设施。徐洪斌等人抽样选择宜兴市大浦镇四个农村的农户，对太湖流域(宜兴地区)农村生活污水进行抽样调查，得到了太湖流域 村生活污水具体的水质资料。认为太湖流域农村生活污水处理可依据以下水质参数设计：COD 600 mg·L^-1，BOD 280mg·L^-1，SS 250 mg ·L^-1，TKN 38 mg·L^-1，TP 2.75mg·L^-1，pH 6~9[太湖流域农村生活污水污染现状调查研究[J].徐洪斌, 吕锡武, 李先宁, 等. 农业环境科学学报, 2007,26(增刊): 375-378]。前期调查表明，太湖流域地区分散居民一般采用市政管网用水供厕所和淋浴，而厨房和洗涤用水主要依靠井水和河道水源，为此，其浓度将更高。针对分散农户基本现状，宜采用厌氧发酵沼气（CH₄）化利用技术进行处理。

与此同时，生活垃圾，源于千家万户的日常生活，并且是随时不断、没有枯竭的情况发生。据统计一个3口之家，每年可产生一吨左右的生活垃圾，如果这一吨垃圾全部发酵后，经研究表明，它所产生的沼气气体量约为300立方米，而每立方米的沼气能够发一度半电，这就是说，每一吨生活垃圾实际上可以给我们提供400多度的电能，这个数量，基本上相当于一个三口之家半年的生活用电量。生活有机垃圾中的能源数量分析表明，生活垃圾中的主要成分或者是较大的成分是有机物（包括食品垃圾、蔬菜垃圾、排泄垃圾等），这些有机物通过集中填埋在厌氧的条件下，经过一段时间就会被大量的厌氧细菌分解，自然发酵而产生出大量的气体，有甲烷、二氧化碳及少量的氮、氧、氢、硫化氢等，将这些气体收集起来并且加以处理和利用将得到大量的可燃气体和大量的剩余物质（我们一般称其为沼渣）。生活垃圾厌氧处理产沼气的相关技术在国内外得到了广泛的研究和应用[Methane emissions from MSW landfill with sandy soil covers under leachate recirculation and subsurf

至上世纪70年代以来，我国就开展农村沼气工程，农村传统的地坑产沼方法，有投资少、工艺简单、容易操作、运行费用低的优点，但其构造决定无法避免冬季温度低，沼气产量低和CH₄含量少无法正常使用的缺陷，同时还需要其他供热方式作为备用。传统的地坑式沼气池原料主要为畜禽粪便和稻麦秸秆，而未能涉及农村生活污水（人粪便）和生活垃圾作为骨料的研究。

对于如何将生活污水与生活垃圾共同处理还存在着一系列的难题，如何和沼气池进行联用也没有给出具体的技术方案。

发明内容

1、发明要解决的技术问题

针对生活垃圾和人粪便的处理和资源化利用和传统地埋式沼气池，冬季气温低产气差的缺陷，本发明提出了一种农村分散居民生活垃圾与人粪便共处置沼气池，将农村生活污水及易腐性有机垃圾厌氧共发酵产沼；达到强化产沼（CH₄）和加速骨料腐熟程度；从而降低农村生活垃圾处理处置成本和实现资源化利用。

2、技术方案

本发明原理：本发明将成熟的垃圾处理技术和厌氧发酵技术结合，借助厌氧发酵工艺以农村生活易腐垃圾为骨料，生活污水回灌提高营养成分和微生物，同时起搅拌作用，共同厌氧发酵产沼，首次实现生活垃圾与生活污水共处置厌氧发酵产沼气，开辟农村垃圾处理技术途径，降低农村生活垃圾处理处置成本和实现资源化利用。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现生活垃圾与生活污水共处置厌氧发酵产沼（CH₄）：

一种农村分散居民生活垃圾与人粪便共处置沼气池，其包括主体发酵池、第二格发酵池、人粪便和生活垃圾进料口、沼液和沼渣出料口，其中，通过人粪便和生活垃圾进料口将人粪便和生活垃圾送入主体发酵池，主体发酵池连接第二格发酵池，在主体发酵池和第二格发酵池之间设置分离格栅分离沼液和沼渣，第二格发酵池连接沼液出料口，主体发酵池连接沼渣出料口。

本发明利用户用座便器与室外地面存在20-50cm高程差的现状，借助重力作用将人粪便污水灌入发明的一种沼气池内，而沼气池内生活垃圾物料的进料采用开孔人工装填的方法。垃圾和粪便在进料口混合后进入主体发酵池，池体另一段设置固液气三相分离的格栅，沼液进入第二格发酵池再次发酵产沼（CH₄），第二格发酵池装填填料供产甲烷（CH₄）菌附着和增加产甲烷（CH₄）菌与沼液接触机会。二次发酵后的沼液通过第二格发酵池出料口人工排出和产生的沼渣停留一段时间后通过主体发酵池出料口出料一道作为肥料还田。

采用软体透明沼气膜覆盖主体发酵池和第二格发酵池并收集和储存产生的沼气，软体透明沼气膜同时起温室增温的作用，收集太阳能对沼气池池内物料进行升温，增加沼气（CH₄）的产生量。

3、有益效果：

本发明的有益效果在于综合考虑了生活垃圾和人粪便的处理和资源化利用：1) 以农村生活易腐垃圾为骨料，生活污水回灌提供养分、调节水分，共同厌氧发酵产沼，实施生活垃圾和粪尿沼气化和肥料化利用途径。产生的沼气替代了化石类燃料，降低了农村地区农户的生活成本。2) 设计软体沼气膜形成的温室合理利用太阳能，避免了传统地埋式沼气池，冬季气温低产气差的缺陷。3）发明成果为一种生活垃圾和粪尿沼气池同时替代农村传统沼气池和化粪池的提供了可能。适用于分散户型，服务期长，经济效益显著，利于推广。本发明基于分散农户被农田包围的基本特性，可将沼液和沼渣就地作为肥料还田，发明可为农村面源污染的控制、农村生态与环境的改善提供工程借鉴。

附图说明：

图1 是本发明农村分散居民生活垃圾与人粪便共处置沼气池的结构示意图；

图2 是本发明农村分散居民生活垃圾与人粪便共处置沼气池的结构B-B剖面图；

图3 是本发明农村分散居民生活垃圾与人粪便共处置沼气池的结构A-A剖面图；

图4 是本发明农村分散居民生活垃圾与人粪便共处置沼气池的结构C-C剖面图；

图5 是本发明农村分散居民生活垃圾与人粪便共处置沼气池的工程实例图。

具体实施方式：

现结合附图通过实施例进一步说明本发明：

实施例1

设计规模为5口人之家，将生活垃圾6（主要组分为厨余垃圾）中惰性物质，玻璃，渣土，砖块，塑料等去除后，将其切碎至5.0 cm以下，通过进料口1每周投入10kg，进料口1中同时通过管道9接座便器出水，首次装填的生活垃圾与每日回灌的生活污水之间的固液比为50:1，待运行平稳后日常装填新垃圾与回灌生活污水的固液比为1:1。二者混合后重力作用进入2主体发酵池，其中二楼座便器、底楼座便器与沼气池接入管道之间的高程差分别为6.0 m和2.5 m。主体发酵池和第二格发酵池设计尺寸大小为10m³（长3129 mm*宽1600mm*深2000 mm），其中，主体发酵池2的宽度为1000mm，而第二格发酵池4的宽度为600mm。进料口1、沼渣出料口3和沼液出料口5采用尺寸大小为500mm*500mm*深2000mm。主体发酵池2和第二格发酵池4所产生的沼气采用成都大唐人沼气技术发展有限公司生产的唐沼王牌悬挂式长方体软体沼气膜8（RZ10-挂袋），收集的沼气被成都大唐人沼气技术发展有限公司生产配套的沼气灶11供厨房供热使用。座便器中人粪便进入主体发酵池2后，通过固液分离装置（格栅）10进入第二格发酵池4，固液分离装置（格栅）10的安装高度距离池底1.0m，具体尺寸为800mm*500mm，格栅孔隙大小为30mm*30mm。第二格发酵池中主要为高浓度的沼液，装填直径25mm塑料球形填料7体积4.0 m³。沼液通过第二格发酵池连接沼液出料口排出，沼渣通过主体发酵池连接沼渣出料口排出。

效果说明：通过长达12个月的现场运行和监测，沼气池内产气量为20-50 L/d，沼气中甲烷体积浓度含量为30%-50%，支持3-6小时沼气灶使用。沼液浓度为COD_cr= 8100-24600 mg/L，BOD₅=1800-11200 mg/L，NH₄-N=950-2380 mg/L，TN=1180-4260 mg/L和TP=50-180 mg/L，具备较高的肥效，可作为液体肥料还田。采用的软体沼气膜对主体发酵池和第二格发酵池的在冬季增温效果显著，时间在9-15点期间可增温2-4℃。

实施例2

设计规模为3口人之家，将生活垃圾6（主要组分为厨余垃圾）中惰性物质，玻璃，渣土，砖块，塑料等去除后，将其切碎至5.0 cm以下，通过1进料口每周投入6.0 kg，进料口1中同时通过管道9接座便器出水，首次装填的生活垃圾与每日回灌的生活污水之间的固液比为20:1，待运行平稳后日常装填新垃圾与回灌生活污水的固液比为1:5。二者混合后重力作用进入主体发酵池2，其中二楼座便器、底楼座便器与沼气池接入管道之间的高程差分别为5.5 m和2.0 m。主体发酵池和第二格发酵池设计尺寸大小为10 m³（长3129 mm*宽1600mm*深2000 mm），其中，主体发酵池2的宽度为800 mm，而第二格发酵池4的宽度为800 mm。进料口1、沼渣出料口3和沼液出料口5采用尺寸大小为400mm*400mm*深2000mm。主体发酵池2和第二格发酵池4所产生的沼气采用成都大唐人沼气技术发展有限公司生产的唐沼王牌悬挂式长方体软体沼气膜8（RZ10-挂袋），收集的沼气被成都大唐人沼气技术发展有限公司生产配套的沼气灶11供厨房供热使用。座便器中人粪便进入2主体发酵池后，通过固液分离装置（格栅）10进入第二格发酵池4，固液分离装置（格栅）10的安装高度距离池底1.0m，具体尺寸为500mm*500mm，格栅孔隙大小为30mm*30mm。第二格发酵池中主要为高浓度的沼液，装填直径25mm塑料球形填料2.0 m³。沼液通过第二格发酵池连接沼液出料口排出，沼渣通过主体发酵池连接沼渣出料口排出。

效果说明：通过长达12个月的现场运行和监测，沼气池内产气量为20-40 L/d，沼气中甲烷体积浓度含量为35%-45%，支持2-5小时沼气灶使用。沼液浓度为COD_cr= 7200-18600 mg/L，BOD₅=1900-8200 mg/L，NH₄-N=850-2010 mg/L，TN=980-3210 mg/L和TP=40-160 mg/L，具备较高的肥效，可作为液体肥料还田。采用的软体沼气膜对主体发酵池和第二格发酵池的在冬季增温效果显著，时间在9-15点期间可增温3-6℃。

实施例3

基本处理装置和方法同实施例1，只是首次装填的生活垃圾与每日回灌的生活污水之间的固液比为30:1，待运行平稳后日常装填新垃圾与回灌生活污水的固液比为1:3。结果表明处理效果与实施例1基本相同。