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厨余垃圾与粪便现场处理工艺研究及设计 ＊ 陈朱蕾 周 磊 周敬宣 李艳萍 黄 亮 刘 婷 黎小保 华中科技大学环境科学与工程学院, 武汉 430074 冯其林 喻 晓 刘 勇 武汉市环境卫生科学研究设计院, 武汉 430015 摘要 提供一套厨余垃圾与粪便的现场处理工艺, 并根据单元小试研究数据研制出中试装置, 用于模拟处理一个单元 居民楼的厨余垃圾与粪便。 设计处理量 0. 2 t d, 包括真空收集、固形物厌氧消化、消化污泥造粒制肥、混合污水的厌氧 -好氧处理等整套处理工艺, 实现了厨余垃圾及粪便的源头收集、现场减量处理, 同时可产出菌肥和沼气。 关键词 厨余垃圾 粪便 真空收集 厌氧消化 ＊国家“十五”科技攻关项目 2002BA806B04-01B 武汉市科技攻关资助项目 20026002095 . 1 概述 我国城市生活垃圾基本为混装 ,厨余垃圾比例约 37～ 62 [ 1] 。混合垃圾进行焚烧处理时热值较低, 填埋处理时渗滤液污染浓度高 ,从而导致焚烧和填埋 处理出现相应问题 [ 2] 。如果将厨余垃圾在源头上分 离进行单独收集与处理利用, 不但可以实现城市垃圾 减量化 ,减少中转和运输费用, 同时还有利于城市垃 圾的焚烧和填埋处理; 另一方面, 由于多种原因城市 粪便农用已急剧下降 [ 3] ,城市粪便完全作为废物处理 的方式投资较大 、 运转费用较高 [ 4] 。 基于以上两方面的考虑, 对厨余垃圾与粪便的源 头收集及现场处理技术进行了研究 ,并利用小试研究 得到的数据进行工艺设计 。 2 工艺设计 模拟一个单元居民楼的厨余垃圾及粪便产量 ,按 每户 3 人,每人每天产生粪便 1 kg 、厨余垃圾 0. 3 kg , 加上真空系统用水量 150 L ,设计处理量 0. 2 t d。 整个系统的工艺流程如图 1 所示。真空系统收 集的厨余垃圾及粪便首先经真空罐混合排入固液分 离池 ,分离的上清液排入污水处理系统的调节池内, 底部的固体部分排入厌氧消化反应器 。厌氧消化产 生的上清液排入污水处理系统的调节池 ; 消化污泥经 脱水 脱出的水也排入调节池 -脱臭 、 无害化后, 加 入菌剂进行造粒制肥。来自 3 个部分的污水经调节 池混合后由流量计控制流量排入厌氧-好氧污水处理 单元中进行处理 ,出水排入市政污水管网或直接排入 水体 。系统产生的沼气可收集利用 。 图 1 系统工艺流程图 3 真空收运系统 为满足处理能力,真空储存罐有效容积为0 . 3m 3 。 图2的真空系统中, 真空泵抽取真空罐及管网内的空 气形成 0. 035 ～ 0. 045MPa 的相对真空 [ 5] 。工作时,通 过系统的用户终端将粪便和破碎的易腐性有机垃圾分 别吸入真空管网,并经逐级输送进入真空罐。 图 2 真空分类收集系统流程图 3. 1 真空便器 真空便器是真空收集系统的一个用户终端,可完 成家庭粪便的真空收集 。真空坐便器的设计结构如 图3 所示,主要由坐便器、 界面阀 、 控制阀和隔离阀组 成。研究表明 1 真空便器的冲水量约为 1 L 次; 2 粪便的固含量约为 1. 7; 3 臭气控制好 , 不散 54 环 境 工 程 2005年 6 月第23 卷第3 期 发,不招惹蚊蝇 ; 4 管道内部为负压, 故系统没有跑 冒滴漏现象; 5 真空管网管径小 50 ～ 250 , 管道 可上升4 ～ 5 m ,工作半径达 3～ 4 km [ 5,6] 。 图 3 真空便器示意图 3. 2 垃圾破碎-真空抽吸器 垃圾破碎-真空抽吸器用来完成厨余垃圾的破碎 及真空收集 。主要由进料斗、机芯、暂存罐和界面阀 组成 如图 4 。设计直径为 30 cm, 进料斗即是一个 垃圾桶 ,平时将厨余垃圾置入其内, 通过机芯对厨余 垃圾的破碎 、 暂存罐对厨余垃圾的暂时储存 、 界面阀 与真空管网的连接, 实现厨余垃圾的破碎、 真空抽吸。 试验中破碎 1 kg 垃圾所需时间 10 s; 破碎后垃圾颗 粒直径 5 mm ; 依靠真空作用抽吸, 水起润滑作用, 垃圾用水 0. 4～ 0. 6 L kg [ 7] 。 图4 垃圾破碎 -真空抽吸器 4 厌氧消化系统 厌氧消化系统主要对收集的家庭厨余垃圾及粪 便进行厌氧消化 ,以达到消除污染并通过后续处理工 艺生产菌肥的目的。 根据试验研究, 使进料达到 C N 25∶ 1 左右的进 料比例约为粪便占 40,厨余垃圾占 60,而实际收 集来的厨余垃圾与粪便量与 2∶ 3 的比例要求略有不 同,但考虑碳含量大的果皮等垃圾的数量逐年增加, 基本可以保证厌氧消化反应系统对碳氮比的要求。 因此可将真空系统收集来的厨余垃圾与粪便混合物 直接排入固液分离池 ,不需再外加其它物料调节碳氮 比。在固液分离池内经 8 h 的沉淀分离后, 可得到大 约20的沉淀物, 即进入厌氧消化反应器的物料约 0. 04 t d ,密度 ρ 1 216 kg m 3 , 水分 93左右。小试 研究表明, 水解 7 d 和酸化 7 d 阶段停留时间 14 d, 产甲烷阶段停留时间 14 d。据此,为了将水解 、 酸化、 产甲烷3 个阶段分别控制在不同的反应器空间内 ,并 使整个反应器内的物料流动为推流式,产酸和产甲烷 的气体分开收集 ,将厌氧消化反应器设计成 2 个相互 连通的消化罐, 其中第 1个罐通过加装竖向隔板将整 个有效容积 0. 7 m 3 按 1∶ 2 的比例来分配, 使得物料 进入厌氧消化反应器水解酸化段后, 第 7 d 推流至酸 化段, 第 15 d 进入产甲烷罐 ; 第 2 个罐有效容积 0. 7 m 3 ,可保证物料进入最高产甲烷阶段后仍可停留 数日 ,反应器总停留时间控制在 30 d 内。设计装置 如图 5 所示 。 图 5 厌氧消化反应器 5 混合上清液处理系统 5. 1 厌氧处理工艺设计 对比分析了各种厌氧工艺的特点, ABR 反应器 具有许多适合本工艺的优点 [ 8,9] 1 结构简单、无运 动部件、 无需机械混合装置、 投资成本和运转费用低; 2 污泥产率低、剩余污泥量少 、泥龄高 、不需后续沉 淀池进行泥水分离; 3 可以间歇的方式运行、耐水力 和有机冲击负荷能力强、对进水中的有毒有害物质具 有良好的承受力 。ABR 反应器的这些优点可以满足 水质水量不能保持恒定的混合上清液对反应器的要 55 环 境 工 程 2005年 6 月第23 卷第3 期 求; 同时也可以方便做成地埋式从而减少占地面积, 维持地面原有景观。 根据 0. 2 t d 的厨余垃圾及粪便处理量, 从固液 分离池内得到 80的上清液 , 再加上厌氧消化反应 器的上清液及污泥脱水, 设计 2 个结构略有差别的 ABR反应器作为中试研究的反应器 。图 6 所示 ABR 反应器中,3 格室总有效容积 225 L , 其中第 1 个格室 为112. 5 L ,第 2、 3 格室体积相等 ,均为 56. 25 L; 4 格 室总有效容积 240 L ,每个格室的体积均为 60 L。这 样设计的目的主要有两点 一是将 2 个反应器串连, 在整体上相当于 1 个 7 格室的 ABR 反应器, 可适应 进水的高浓度 ; 二是当进水浓度不高 , 后面格室 CODCr去除率很低时 ,则可将两个反应器并联, 并根据 对各格室出水水质的监测, 探索加大 ABR反应器的 第一格室 即酸化格室 对处理效果的影响。 图 6 厌氧折流板反应器 5. 2 好氧后处理脱氮工艺设计 该工艺是对 ABR反应器的一种改进, 因在小试 研究中发现,ABR对NH 4-N 的去除效果很不理想 ,仅 有 20左右。为了改进其对氨氮的去除效果, 已有 研究人员做了在 ABR 反应器内插入好氧段来去除 NH 4- N 的研究 ,其 NH 4-N 去除率可达 87. 3 [ 10] , 这 就弥补了厌氧反应器对 NH 4- N 去除效果不好的缺 点。设计将 3 格、4 格 ABR反应器串连 ,在 4 格 ABR 反应器的后面 2 个格室中接种好氧活性污泥, 接入曝 气装置 。反应器运行期间控制好氧段溶解氧 DO 在 2～ 3 mg L 范围内, 好氧曝气段的出水及污泥分别控 制一定的回流比回流至 4 格ABR 反应器的前两个格 室内 ,这样 , 整个处理过程就经历了厌氧-缺氧-好氧 3 个阶段 ,将有利于 NH 4- N 的去除。 6 消化污泥造粒制肥系统及沼气利用系统 6. 1 消化污泥造粒制肥系统 从厌氧消化反应器内排出的污泥经脱水后泥饼 含水率为 80 左右,为了最终制出可利用的菌肥, 须 先进行脱臭处理。本实验室已完成对消化污泥脱臭 方法的研究 ,主要方法有化学法 [ 11] 和生物法 [ 12] 两种 。 将本实验室自行分离并保存的固氮、 解磷、解钾芽 孢杆菌菌株按一定的发酵培养基配方制备菌液, 然后 将各菌株发酵菌液按 V 固氮菌∶ V 溶磷菌∶ V 解钾菌3∶ 1∶ 1 混合制成混合菌液。取各菌株发酵菌液和混合菌液各 按1∶ 4 的质量比与干燥并破碎的沼渣混合并搅拌均 匀,再烘干粉碎 ,生产出小批量的单一固氮菌 、 解磷菌 和解钾菌菌肥和复合菌肥,常温封闭保存。经土壤有 效性试验表明 ,土壤经复合菌处理均较单一菌处理有 更好的效果,其中全氮含量增加了 8. 24、 有效磷增加 了15. 3、 速效钾增加了3. 71,这对于菌肥的使用是 非常有利的。为了进一步验证其对作物的影响, 我们 以盆栽的形式进行了初步的栽培试验。试验表明复合 菌肥使小白菜增产 15 以上 地上部分 ,在相同的生 长期内,无论是平均株高、 主根长,还是平均叶片数,都 是经过加菌肥处理的优于未加菌肥处理的,株高增加 11. 0, 主 根 长增 加 21. 4, 长 出 的叶 片 数 增加 14. 5。室内栽培试验证明该菌肥肥效显著。 6. 2 沼气利用系统 由于沼气中含有少量 H2S, 对沼气灶 、开关等有 严重腐蚀性 ,H2S 燃烧后的产物对空气产生一定的污 染,所以从厌氧消化系统中收集的沼气首先通过脱硫 器进行脱硫处理后, 然后用软管连接到沼气灶上。经 测试 ,可持续稳定地燃烧 。 7 结 语 本套工艺符合循环经济 3R 原则, 即可以实现城 市垃圾社区源头减量化, 对粪便垃圾中的有机质再利 用和再循环 。开发的成套装置是集节水 、 环境保护及 资源利用于一体的系统技术, 可形成一个完整的废物 循环生态体系。也可以作为配套垃圾和粪便集中处 理的现场减量化技术 。 目前已经完成了模拟一个单元居民楼粪便及厨余 垃圾产量整套中试设备的研制,正处于试运行阶段。 参考文献 1 耿土锁. 高含水率有机垃圾资源化处置对策. 江苏环境科技, 2002. 15 2 24～ 25. 2 陈朱蕾, 黎小保, 周磊等. 堆肥化技术对生活垃圾预处理效果的研 究. 环境卫生工程, 2004. 12 1 11～ 13. 3 陈朱蕾, 唐赢中等. 我国城市粪便清运处理系统的数量特征和预 测. 武汉城市建设学院学报, 1997. 14 2 16～ 19. 56 环 境 工 程 2005年 6 月第23 卷第3 期 4 陈朱蕾, 唐赢中. 中国城市粪便的可持续利用研究. 城市环境与城 市生态, 1999. 12 2 42～ 44. 5 周敬宣, 王方明, 李艳萍. 粪便真空输送管网与真空站参数的研究 与设计. 给水排水, 2002, 28 5 67～ 70. 6 周敬宣, 郑慧明. 真空下水道排污系统的研究. 给水排水, 1999. 25 11 55～ 57. 7 周敬宣, 肖杰, 李艳萍等. 新型易腐垃圾源头处理工艺设备. 环境 卫生工程, 2003. 11 4 177～ 179. 8 沈耀良, 王宝贞. 废水生物处理新技术理论与应用. 北京 中国 环境科学出版社, 2001. 9 李刚, 欧阳峰, 杨立中. ABR 反应器性能研究 回顾与总结. 中国沼 气, 2001. 19 3 9～ 14. 10 Igor B. and Karol K . et al. . Nitrogen removal in an anaerobic baffled filter reactorwith aerobic post-treatment[ J] . Bioresource Technology , 2003. 86 79～ 84. 11 陈朱蕾, 刘玉珠, 熊尚凌. 猪粪臭气的药物处理法. 环境卫生工程, 2003. 11 4 171～ 173. 12 刘婷, 陈朱蕾, 周敬宣. 外源接种粪便好氧堆肥的微生物相变化研 究. 华中科技大学学报 城市科学版 ,2002. 19 2 57～ 59. 13 陈朱蕾, 熊尚凌, 江娟等. 腐熟复合菌肥试验研究. 华中科技大学 学报 城市科学版 , 2004. 2 1 37～ 39. 作者通讯处 陈朱蕾 430074 武汉市 华中科技大学东校区环境 科学与工程学院 电话 027 87792993 E -mail chenzhulei263 . net 2004- 12-27 收稿 城镇生活垃圾优化处理技术研究 刘大义 霍山县环境监测站, 安徽 237200 张 扣 霍山县蓝天环保公司, 安徽 237200 摘要 简述了生活垃圾处理技术现状, 提出了生活垃圾优化处理技术方案, 并与现行技术进行了对比。 工程实例表明 该技术处理效果好, 值得推广。 关键词 城镇 生活垃圾 优化处理技术 1 前言 随着国民经济的发展和生活水平的提高 ,每天源 源不断大量产生的生活垃圾, 已日益成为污染环境, 困扰人类的社会问题 。据统计 ,目前中国人均年产生 活垃圾约为 300 kg , 年增长率高达 7～ 9,但无害 化处理率不足 20, 大量生活垃圾运到城郊裸露堆 放,历年堆存量高达 40 多亿 t , 侵占土地 5 亿多 m 2 , 有200 多个城市陷入生活垃圾的包围之中。所以如 何按照可持续发展战略的基本要求 , 选用技术可靠, 经济适用, 环境达标的处理技术, 从根本上实现我国 生活垃圾减量化 、 资源化 、 无害化的治理目标 ,真正做 到化害为利 ,变废为宝 , 是摆在我们面前的一项重要 的社会发展战略任务 。 2 城镇生活垃圾处理技术现状 纵观国内外有关生活垃圾处理技术的理论研究 和工程实践,成熟且常用的生活垃圾处理技术主要有 卫生填埋 、 高温堆肥 、 焚烧 3 种。 2. 1 卫生填埋 填埋技术作为生活垃圾的最终处理方法 ,目前是 中国大多数城市解决生活垃圾出路的最主要方法。 卫生填埋是发达国家普遍采用的生活垃圾填埋技术, 其特征是既有完善的环保措施 ,又能满足环保标准 。 2. 2 高温堆肥 中国常用的生活垃圾堆肥技术可分为简易高温 堆肥和机械高温堆肥 。前者工程规模较小,机械化程 度低 ,采用静态发酵工艺 ,环保措施不齐全,投资及运 行费用低, 一般在中小城市应用。后者是工程规模 大,机械化程度高, 一般采用间歇式动态奸氧发酵工 艺,有较齐全的环保措施 ,投资及运行费用较高。 2. 3 生活垃圾焚烧技术 中国生活垃圾焚烧技术的研究起步于 20 世纪 80 年代中期,“八五”期间被列为国家科技攻关项目, 目前仅有深圳等极少数城市采用该技术 ,尚处于起步 阶段 。 3 生活垃圾优化处理技术方案 鉴于目前我国生活垃圾处理技术,提出了一种全 新的优化处理城镇生活垃圾的技术方案 ,并在安徽霍 山县试验, 取得了较好的效果 。 57 环 境 工 程 2005年 6 月第23 卷第3 期 number of flue gas. It was indicated that desulfurization of condensing fluegaswas intensified by fog lye. Keywords Ca OH 2slurry droplet, condensing flue -gas, desulfurization and spray PURIFICATION OF ORGANIC WASTE GAS FROM THE WIRE PRINTED DISTRICT OF PRINTED CIRCUIT BOARD PLANTLi Shanhong et al 43 Abstract The flowchart of the intermittent fixed be active carbon adsorption for purification of the organic waste gas was selected in accordance with the organic waste gas pollution problems from the wire printed district of the printed circuit board plant. Through the calculation ability of the causing cold and quantitites of the adsorption. some parameters of the activated carbon adsorption are designed, such as the gas velocity of the empty tower was about 0. 6 m s, the activated carbon is coconut. The activated carbon adsorption bed was designed as double story with drawers. After the adsorption bed purification, practical monitor testified the efficient of the benzene. toluene andxylene purifiedto 81. 59, 83. 50, 85. 43 by adsorption. The waste activated carbon was accumulated and desorption. The recycle organic products were mixed into the diesel oil to be used as fuel of motors. Keywords organic waste gas, production of printed criculit board, activated carbon adsorption and purification ATION OF ATMOSPHERIC POLLUTANTS DURING PRODUCTION OF POLYVINYL CHLORIDE AND TREATMENT MEASURESShi Lijuan et al 46 Abstract It is explained that the production position and features of vinyl chloride monomer during the production of polyvinyl chloride PVCby analyzing the manufacturing process of PVC. Based on which its treatment conditions are also analyzed, and finally high -efficient and feasible controlling measures are proposed. Keywords PVC, production of pollutant, influence and control measures APPLICATION OF AMMONIA PROCESS FLUE GAS DESULPHURIZATION TO COAL -FIRED BOILERZhou Jianhong et al 49 Abstract Taking the project of 75 t h pulverised coal combustion boiler as an example, this paper discusses the application of ammonia processflue gas desulphurization to the coal -fired boiler. The result shows that, with the desulphurization unit is put into operation, average desulphurization effect in the system has reached 95. 92percent, and sulfur dioxide content in the flue gas from the boiler has been reduced to less than 135 mg per cubic meter, which is far lower than the specified limits. This paper also discussed operating index, treatment effect and existing problems. Keywords desulfurization by ammonia process, FGD, coal-fired boiler and sulfur dioxide DESIGN PRINCIPLE OF MODERN SOLID WASTE LANDFILL SITE AND ITS APPLICATION Wang Yanming et al 51 Abstract The design principle of modern landfilling site is summarized herein. An example project called Shanghai Laogang Landfill Site Phase -Ⅳis referred to show the detailed application of the theory. Keywords modern landfilling, design principle, constructing by stages, developing plan, high dimension and double anti-seepaging layer STUDIES ANDTECHNICAL DESIGNS OF ON -SITE TREATMENT OF NIGHSOIL AND KITCHEN GARBAGEChen Zhulei et al 54 Abstract This paper offers a suitof disposal techniques at source of the night soiland kitchen garbage. A pilot -scale system. whichwasused to dealwith the night soil and kitichen garbage from one unit of a residential building for simulationwas designed according to the data of lab-scale trials. The system comprises vacuum collection, anaerobic digestion of solids, composting of digestive sludge and anaerobic -aerobic disposal of mixed sewage. Its handling capacity was0. 2 t d. The night soil and kitchengarbage can be collected at source and disposed at locale, synchronously, the bacterial fertilizer and methane can be produced through the system. Keywords night soil, kitchen garbage, vacuum collection and anaerobic digestion STUDY ONTECHNOLOGY OF OPTIMIZAITONTREATMENT OF LIVING RUBBISHES IN CITIES AND TOWNSLiu Dayi et al 57 Abstract The present situation of technology of treating living rubbish is synopsized, the technology of optimization treatment of living rubbish is put forward, and comparedwith the present technology. The engineering example indicates that the new technology has high efficency of treatment, it isworth popularizing. Keywords cities and towns, living rubbish and optimization treatment technology STUDY ONDETERMINING CONCENTRATIONOF TOTALVOLATILE ORGANICCOMPOUND IN 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23,No. 3, Jun. , 2005