生物化学—热化学多点交联处理生物质废物的方法及系统

摘要

本发明一种生物化学—热化学多点交联处理生物质废物的方法及系统。本发明将热化学处理子系统的固、气、液产物应用至生物化学处理子系统，将生物化学处理子系统产生的热量应用至热化学处理子系统，形成生物化学处理子系统和热化处理子系统的多点双向交互连接，从而分别提高生物化学处理子系统的能源气体产率和稳定性，降低热化学处理子系统的污染和能耗。本发明适合于同时处理高含水率和低含水率的生物质废物，产生土壤改良剂、液体燃料和生物燃气，具有二次污染低、温室气体减排效益显著的特点。其固态产物作为土壤改良剂的生物稳定性、腐殖质含量以及含氮量都较高，便于贮存和运输。

说明书

技术领域

本发明属于环境保护和资源综合利用领域，尤其是涉及一种生物化学—热化 学多点交联处理生物质废物的方法及系统。

背景技术

生物质废物涵盖各种生物质加工与消费过程产生的废物，比如厨余果皮、餐 饮垃圾等城市生活垃圾中的生物可降解部分，畜禽粪便、秸秆等农业废物，屠宰场 加工废物、酿造残渣等工业废物，以及市政污泥等。生物质废物是重要的可再生能 源原料。厌氧消化是传统上用于回收生物质废物能源的生物化学技术。通过厌氧消 化技术，将生物质废物转化成绿色能源气体——甲烷，可以获得能源和温室气体减 排的双重效益，而且消化后的残渣(包括沼液和沼气)蕴含植物所需的氮、磷营养 以及腐殖类物质，可以作为肥料或土壤改良剂。但事实上，厌氧消化技术处理生物 质废物的效益远低于预期，表现在：1)易降解类废物(如，厨余果皮、畜禽粪便) 降解时会产生高浓度的有机酸和氨，这些代谢物在厌氧消化反应器内累积后就会抑 制厌氧消化过程，造成厌氧消化效率降低、运行不稳定甚至失败，进一步恢复需要 很长的时间；2)难降解类废物(如，富含木质纤维素的秸秆、枯枝落叶)由于木 质素和纤维素含量高，其厌氧降解速率较低，需要在厌氧反应器内停留很长时间； 3)厌氧消化后的残余物需要进行固液分离成沼液和沼渣后才便于进一步利用，但 固液分离效率不高，沼渣的含固率仅能达到8％～25％左右，而沼液的含固率往往还 有3％～5％，这意味着沼液如果不是直接土地施用，而是要排入市政下水管道的话 就需要进一步处理，而沼液的处理成本是相当高的；4)由于厌氧消化不完全，沼 渣中还会残留着大量的可降解有机物，导致沼渣性质不稳定、易腐败、腐臭、沥滤 液渗出、往往需要进一步堆肥处理后才能土地利用；5)沼液和沼渣的传统消纳途 径是土地利用，但作为有机肥，其肥效短期内没有化学肥料显著，因此在市场上的 竞争力要远低于化学肥料；而且肥料的施用受作物种植季节的影响，需要大量的空 间供沼液沼渣储存；特别是在城市地区产生的生物质废物，由于缺乏土地利用的场 所，厌氧消化后产生的沼液沼渣只能远距离运输至郊区、农村等地，大幅增加了运 输成本和难度。因此，为了使生物质废物厌氧消化技术能可持续地发展和推广，需 要提高厌氧消化过程的效率和工艺稳定性，需要改善消化后残余物的脱水性能、生 物化学稳定性、可贮存性、可运输性等性能。

已有的生物化学—热化学复合技术仅是单点、单向的连接，比如，中国发明 专利“一种利用木炭促进污泥厌氧消化产甲烷的方法”(申请号：201310175120.0) 将木炭(一种生物炭)添加入厌氧消化反应器。中国发明专利“一种木炭作为外源 调理剂在污泥堆肥中的应用”(申请号：201310077278.4)在污泥的堆肥过程中添 加了木炭。文献“A new concept for enhancing energy recovery from agricultural  residues by coupling anaerobic digestion and pyrolysis process”(F.Monlau等，Applied  Energy，148(2015)32–38)将厌氧消化单元的甲烷产热用于干化沼渣，干化后的沼 渣再作为热解单元的进料。

发明内容

为了能同时解决以上问题，本发明提出了一种生物化学—热化学多点交联处 理生物质废物的方法及系统。本发明为在厌氧消化这一传统生物化学技术上复合热 化学技术的集成工艺。这里的热化学技术指的是热解，即物质在无氧或缺氧的还原 性气氛下加热有机物，破坏有机物质的高分子键合状态，将其分解成低分子物质的 反应，反应的生成物是气体(热解气)、油和焦炭(生物炭)，以及热解气冷却和处 理后形成的水相冷凝物。根据热解条件的不同，三相产物的产率大致在以下范围： 热解气7-40％wt、油40-70％wt、生物炭8-35％wt。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种生物化学—热化学多点交联处理生物质废物的方法，包括以下步骤：

(1)干燥生物质废物经热解单元转化成热解气、生物炭、热解油和水相冷凝 物；

(2)热解气和水相冷凝物进入处理湿态生物质废物的厌氧消化单元，热解气 中的一氧化碳经一氧化碳营养型细菌和产甲烷菌被转化成甲烷，热解气中的氢气经 氢营养型产甲烷菌被转化成甲烷，热解气中的甲烷和其它烷烃直接增加沼气中的高 热值可燃成分比例，热解气中的痕量污染物通过降解、吸附、吸收等作用被去除； 水相冷凝物被降解转化为甲烷；

(3)生物炭进入厌氧消化单元，并随着厌氧消化单元的消化残余物排出；

(4)消化残余物经固液分离单元分流成沼液和沼渣；

(5)沼渣在堆肥单元进行后处理，形成堆肥产品；

(6)热解油和沼气利用产生的热量用于沼渣、堆肥和其它生物质废物的干燥；

(7)干燥后的生物质废物重新进入热解单元。

优选地，步骤(4)中在固液分离单元前再添加生物炭，以进一步提高固液分 离效率。

优选地，步骤(5)中在堆肥单元处理过程中再添加生物炭，以进一步改善堆 肥性能。

优选地，步骤(5)中的堆肥产品用于土壤改良剂。

进一步优选地，步骤(5)中的堆肥产品与生物炭混合用于土壤改良剂。

一种生物化学—热化学多点交联处理生物质废物的系统，包括：

热处理子系统：包括对干燥生物质废物热解的热解单元、对固液分离单元产生 沼渣进行干化处理的干化单元，及对热解单元产物热解油进行热量转化的燃料利用 单元；

生物化学处理子系统：包括对湿态生物质废物厌氧消化处理的厌氧消化单元、 对消化残余物进行固液分离的固液分离单元、对固液分离单元产生沼渣进行堆肥处 理的堆肥单元；

以及，对厌氧消化单元产物沼气进行热量转化的沼气利用单元。

热解尽管也是一种成熟的废物处理技术，但用于处理生物质废物时存在如下 问题：1)不适合于含水率高的废物，比如脱水污泥、厨余果皮、畜禽粪便等，否 则需要预先干化，干化是耗能过程，使得其效费比劣化；2)热解气产量不稳定， 热值不如气化气高，所以往往仅是燃烧利用，造成二恶英等二次污染；特别是一些 不规范的小型的热解炉，没有设置热解气二次污染控制设施，甚至是直接排放，导 致能量浪费和大气污染；3)水相冷凝物属于液相污染物，需要进一步处理。而本 发明将厌氧消化与热解技术联合，热解气和水相冷凝物能够被厌氧消化单元利用、 净化，增加厌氧消化的甲烷产量；而且厌氧消化的甲烷产热以及热解油利用产热能 用于高含水率生物质废物和沼渣的干化，干化后的物料又可以适合作为热解的进 料。而热解单元对于生物化学处理单元的贡献是：1)热解气和水相冷凝物在厌氧 消化反应器中被转化成甲烷，增加甲烷产率；2)在厌氧消化过程中添加生物炭可 以提高厌氧工艺稳定性、提高产甲烷效率、缩短反应时间；3)生物炭也能被应用 到沼渣的堆肥后处理过程，提高堆肥产品稳定性、缩短堆制周期、减少氮损失、加 速腐殖化进程。

本发明将热化学处理子系统的固、气、液产物应用至生物化学处理子系统， 将生物化学处理子系统产生的热量应用至热化学处理子系统，形成生物化学处理子 系统和热化处理子系统的多点双向交互连接，从而分别提高生物化学处理子系统的 能源气体产率和稳定性，降低热化学处理子系统的污染和能耗。

本发明提出的复合工艺是通过热解气、水相冷凝物、生物炭、生物热实现生 物化学单元和热化学单元的多点双向交联，以最大幅度提升综合效益；特别是将热 解气和水相冷凝物作为厌氧消化单元的辅助原料，提高甲烷产率，并实现气体净化 的连接路径尚未见诸技术报道。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、难降解类生物质废物主要通过热解单元处理，避免了在厌氧消化单元中过 长时间的停留，从而能缩短厌氧消化停留时间、缩小厌氧消化器容积。

2、热解气中的甲烷、氢气和一氧化碳，以及水相冷凝物所含有机物都转化了 厌氧消化沼气中的甲烷，从而增加了甲烷产率和沼气热值。

3、热解气和水相冷凝物中的痕量污染物经过厌氧消化单元后，通过降解、吸 附、吸收等作用被去除，得以净化，从而节省了热解气、液的净化、二次污染控制 成本。

4、生物炭添加至厌氧消化反应器，能够促进产甲烷菌和共生有机酸降解菌的 富集生长，从而可以提高厌氧工艺稳定性、加速产甲烷速率、缩短迟滞期和厌氧反 应时间。

5、含有生物炭的消化残余物其孔隙结构相对疏松，具有更佳的脱水性能，从 而降低了沼液的含固率、增加了沼渣的含固率；沼液较为洁净，经简单处理即可纳 管排放，从而大幅降低了沼液处理成本，解决了沼液外运问题。

6、含有生物炭的沼渣含固率较高，更容易被干化。

7、在堆肥过程中添加生物炭可以提高堆肥产品稳定性、缩短堆制周期、减少 氮损失、加速腐殖化进程、提高堆肥产品的腐殖质含量。

8、生物炭本身是一种很好的土壤改良剂、可以疏松土壤结构。堆肥可以作为 肥料和土壤改良剂。因此，含有生物炭的堆肥具有更好的土地利用潜质，并便于贮 存和外运。

9、沼气和热解油利用产生的热量用于可沼渣、堆肥和其它生物质废物的干燥， 节省了干化成本，优化了集合系统的整体经济效益。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图中各标号如下：1-湿态生物质废物；2-干燥生物质废物；3-厌氧消化单元； 4-热解单元；5-固液分离单元；6-干化单元；7-堆肥单元；8-沼气利用单元；9-沼气； 10-沼渣；11-沼液；12-热解油；13-生物炭；14-热解气；15-堆肥；16-土壤改良剂； 17-热；18-电；19-水相冷凝物；20-燃料利用单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

生物化学—热化学多点交联处理生物质废物的方法，采用图1所示工艺，该方 法的实现包括以下步骤：(1)干燥生物质废物2经热解单元4转化成热解气14、 生物炭13、热解油12、水相冷凝物19；(2)热解气14和水相冷凝物19进入处理 湿态生物质废物1的厌氧消化单元3；(3)生物炭13进入厌氧消化单元3，并随着 消化残余物进入固液分离单元5；(4)消化残余物经固液分离单元5分流成沼液11 和沼渣10，在固液分离单元5前可再添加生物炭13；(5)沼渣10在堆肥单元7 进行后处理，形成堆肥产品15，可作为土壤改良剂16；堆肥单元7中可再补充生 物炭13；(6)厌氧消化单元3产生的沼气9经沼气利用单元8产生电18和热17， 热解油12经燃料利用单元20产生热17，产生的热17用于干化单元6的干燥；(7) 经干化单元6干燥后的物料重新进入热解单元4。

以农业废物——畜禽粪便和秸秆的处理为例。畜禽粪便含0.5t干有机质，秸 秆含0.5t干有机质，若采用单一的中温35℃厌氧消化技术处理，则停留时间需40d， 甲烷产率不足375m³。若采用本发明的生物化学—热化多点交联技术处理，畜禽 粪便(含0.5t干有机质)进入厌氧消化单元3，秸秆(含0.5t干有机质)进入热 解单元4，在热解温度500℃条件下生成热解气14有0.15t、生物炭13有0.15t 和热解油12有0.2t，其中热解气含CO₂20％、O₂1％、N₂2％、CO 30％、H₂22％、 CH₄25％，还有一些微量污染物。热解气14经过厌氧消化单元3处理后，其中的 CO被转化形成1.61kmol CH₄、H₂被转化形成2.92kmol CH₄、再加上热解气中原 有的2.34kmol CH₄，则热解气共转化形成6.87kmol CH₄，加上畜禽粪便有机质经 20d的中温35℃厌氧消化产生的16.74kmol CH₄，则总甲烷产率达23.61kmol，相 当于529m³。而且此交联技术产生的0.2t热解油12可直接作为液体燃料，产生 的0.15t生物炭13是资源化固态产物，便于运输和贮存，可直接作为土壤改良剂 16、或者作为厌氧消化单元3的添加剂、或者作为固液分离单元5的调理剂、或者 作为堆肥单元的添加剂。

本发明的交联技术还具有良好的温室气体减排效益。上述含0.5t干有机质的 畜禽粪便和含0.5t干有机质的秸秆若无组织堆置或填埋，则其温室气体产量是8.4 t的CO₂当量；而如果通过单一厌氧消化处理，产生的甲烷替代化石燃料，并且沼 渣填埋处置，则其温室气体产量是4.255t的CO₂当量；如果通过单一厌氧消化处 理，产生的甲烷替代化石燃料，并且沼渣作为有机肥料替代化学肥料进行有机耕作， 则其温室气体产量是-0.1175的CO₂当量；如果通过本发明的交联技术，产率更高 的甲烷以及热解油替代化石燃料，并且含生物炭的沼渣作为有机肥料替代化学肥料 进行有机耕作，则其温室气体产量是-0.998的CO₂当量，可以将废物处理从碳源转 化为碳汇技术。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发 明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此 说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限 于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改 进和修改都应该在本发明的保护范围之内。