CN101081398A - 处理食物垃圾的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及处理食物垃圾的装置和方法，具体地，提供以下处理食物垃圾的装置和方法：使食物垃圾中的有机物质厌氧分解和好氧分解，分离为沉淀淤渣和上清液之后，上清液进行化学处理，此时，在好氧分解前和好氧分解后的工序中发生硝态氮(NOx－N)的脱硝反应。采用本发明的方法和装置，可以将食物垃圾转换为减量化的淤渣和满足适合排放的水质的出水，并在该过程中得到可以作为能量使用的甲烷气体，使硝态氮的脱硝效率极大化。

Description

处理食物垃圾的装置和方法
技术领域
本发明涉及处理食物垃圾的装置和方法，具体地，涉及以下处理食物垃圾的装置和方法：使食物垃圾中的有机物质厌氧分解和好氧分解，分离成沉淀淤渣和上清液之后，上清液进行化学处理，此时，在好氧分解前和好氧分解后的工序中发生硝态氮(NOx-N)的脱硝反应。
背景技术
随着全世界人口的激增，生活废弃物、尤其是食物垃圾的产生量，以2003年度为基准，为一天11398吨，占总生活废弃物的产生量50737吨/天的约22.5％。
在韩国，在工业化开始前的1960年代以前，食物垃圾以用作狗、猪、鸡等家畜的饲料的方法等进行再循环。但是，随着工业化导致的人口集中和生产率提高，其结果是，垃圾的排出量以几何级数增加，由此，这样的再循环链被切断，食物垃圾的处理作为一个新的社会问题而出现。
迄今为止，食物垃圾的处理方法主要采用填埋或焚烧方法进行处理。但是，食物垃圾的水分含量为75～85％，非常高，因此，在焚烧处理时会引发不完全燃烧，发热量低，所以，存在不得不使用辅助燃料的问题。另外，填埋处理时，存在引发由于产生浸出液而导致地下水的污染和恶臭等环境污染的问题，韩国的现状是，从2005年起立法禁止垃圾的直接填埋。
对此，设计了各种用于食物垃圾减量和再循环的政策性替代方案，并开发出多种食物处理技术，但至今没有得到令人满意的结果。
发明内容
发明要解决的课题
本发明的目的在于，提供一种处理食物垃圾的装置和方法，其中，将食物垃圾转换为减量化的淤渣和满足适合排放水质的出水，并在该过程中得到可以作为能量使用的甲烷气体，可以使硝态氮(NOx-N)的脱硝效率极大化。
解决问题的方法
为了达到上述目的，在本发明中，提供一种食物垃圾处理方法，该方法包括：
(i)使食物垃圾粉碎并添加水分进行前处理的步骤；
(ii)使进行了上述前处理的食物垃圾中的有机物质厌氧分解并收集产生的甲烷气体的步骤；
(iii)将经过上述步骤(ii)的被处理物浓缩和脱水的步骤；
(iv)将经过上述步骤(iii)的被处理物中的有机物质作为碳源，使在步骤(vi)和步骤(vii)流入到输送管线的淤渣中所含的硝态氮脱硝的步骤；
(v)使用流入的需氧的微生物和氧使经过上述步骤(iv)的被处理物中的有机物质进行好氧分解的步骤；
(vi)以提供到流入管线中的单链有机酸作为碳源，使经过上述步骤(v)的被处理物中所含的硝态氮脱硝的步骤；
(vii)将经过上述步骤(vi)的被处理物分离为沉淀淤渣和上清液的步骤，以及将上述步骤(vii)中分离的沉淀淤渣转移到输送管线中，对上清液进行化学处理，除去生物学难分解性物质的步骤。
另外，提供一种食物垃圾处理装置，该装置包括：对食物垃圾中的有机物质进行厌氧分解并产生甲烷气体的无氧消化槽、和对食物垃圾中的有机物质进行好氧分解的曝气槽，并且，在曝气槽前后分别具有：将通过输送管线流入的淤渣中所含的硝态氮(NOx-N)脱硝的无氧槽、以及将通过曝气槽的被处理物中所含的NOx-N脱硝的脱硝槽，其中，上述脱硝槽与流入单链有机酸的流入管线连接。
图1示出本发明的食物垃圾处理装置的一个例子。按照图1，该装置包括：
使食物垃圾中的有机物质厌氧分解并产生甲烷气体的无氧消化槽(2)、
使被处理物浓缩以及脱水的浓缩槽(3)、
将通过输送管线流入的淤渣中所含的硝态氮脱硝的无氧槽(4)、
使被处理物中的有机物质好氧分解的曝气槽(6)、
使被处理物中所含的NOx-N脱硝的脱硝槽(7)、
将被处理物分离为沉淀淤渣和上清液的沉淀槽(8)、
对上清液进行化学处理，除去生物学难分解性物质的化学处理槽(9)、
使需氧的微生物活化的微生物活性槽(5)、
收集在无氧消化槽中产生的甲烷气体的气体收集器(10)、
输送硝态氮的输送管线(16和17)、
微生物活性槽输送管线(18)、
将单链有机酸流入脱硝槽的流入管线(21)、以及
排出淤渣的废淤渣管线(19)。
发明效果
如上所述，如果通过本发明的装置和方法处理食物垃圾，不仅转换为减量化的淤渣和满足适合排放水质的出水并得到甲烷气体，而且可以使硝态氮(NOx-N)的脱硝效率极大化。
附图说明
图1是采用本发明的用于沼气生产和污水净化的食物垃圾处理装置的构成图。
符号说明
1：用于生产沼气和净化污水的食物垃圾处理装置
2：无氧消化槽
3：浓缩槽
4：无氧槽
5：微生物活性槽
6：曝气槽
7：脱硝槽
8：沉淀槽
9：化学处理槽、
10：气体收集器
11：温度调节器
12：厌氧性混合器
13：无氧槽混合器
14：曝气槽混合器
15：脱硝槽混合器
16：脱硝槽输送管线
17：沉淀槽输送管线
18：微生物活性槽输送管线
19：废淤渣管线
20：浓缩槽废淤渣饼
21：脱硝槽流入管线
22：活性微生物曝气槽流入管线
具体实施方式
以下，更为详细地说明本发明。
如果分步骤详细说明食物垃圾的处理方法，则如下所示。
步骤(i)是将食物垃圾粉碎，添加水进行前处理的工序。
食物垃圾的主要成分是碳水化合物、脂肪、蛋白质等有机物质，其构成成分大而复杂，水解需要长时间，因此，用机械方法将构成成分粉碎变细，并适当添加水分，以顺利的形态准备转移到后续工序。
步骤(ii)是使经过上述前处理步骤的食物垃圾中的有机物质进行厌氧分解，并收集产生的甲烷气体的工序。
所谓厌氧分解，是厌氧性微生物以食物垃圾中的有机物质为营养源进行代谢生产甲烷的工序，包括碳水化合物、蛋白质、脂肪分解为醇或单链有机酸的酸发酵步骤和由分解的有机酸通过甲烷形成微生物(methane formingmicrobes)的作用生成甲烷(CH4)的甲烷发酵步骤。上述工序在本发明的食物垃圾处理装置的无氧消化槽(2)中发生，无氧消化槽包括：收集产生的甲烷气体的气体收集器(10)、调节消化槽内温度的温度调节器(11)以及用于搅拌的混合器(12)。
如果具体地说明有机物质的厌氧分解过程的话，碳水化合物分解为葡萄糖，进而分解成甲烷和二氧化碳。
C6H12O6→3CO2+CH4
蛋白质和脂肪在厌氧分解过程中起到诱导碱化并抑制无氧消化槽内的pH降低的作用，蛋白质和脂肪的分解反应分别如下。
HOOCCH2CH2CHNH2COONa+3H2O→CO2+2CH4+NH4HCO3+NaHCO3
CH3CH2CH2COONa+2H2O→CO2+2CH4+NaHCO3
在厌氧分解步骤产生的甲烷气体被收集后，可以作为燃料等使用。
在本发明中，投入到无氧消化槽中的食物垃圾的量在将无氧消化槽的数理学停留时间(Hydraulic Retention Time：HRT)调节为80时，优选一天约625kg/L左右。
另外，本发明的无氧消化槽完全可以进行常温消化、低温消化、中温消化和高温消化，使用连接温度调节器(11)的加热线圈(heating coil)进行加热。无氧消化槽内的温度优选引起中温消化的30～40℃或者引起高温消化的50～60℃，最为优选约35℃的中温消化或约55℃的高温消化。另外，为了使流入无氧消化槽内的食物垃圾和厌氧性微生物充分混合，使用混合器(12)进行充分混合。
步骤(iii)是使经过上述厌氧分解步骤的被处理物浓缩和脱水的工序。
浓缩和脱水工序是用于减少被处理物的高悬浮物质浓度的工序，在本发明的食物垃圾处理装置的浓缩槽(3)中进行。食物垃圾的原水中，含有大量悬浮物质，经过无氧消化槽的出水中悬浮物质的浓度也非常高。在悬浮物质浓度高的被处理物流入曝气槽(6)中时，难以维持曝气槽的混合液悬浮固体物(Mixed Liquor Solids：MLSS)的浓度。因此，通过将被处理物进行浓缩和脱水，制成淤渣饼除去，由此，减少悬浮物质的曝气槽负荷率，维持MLSS的浓度。
作为浓缩方法，可以举出，重力浓缩、离心浓缩、漂浮分离浓缩法等。脱水方法可以举出自然干燥、机械脱水等，机械脱水包括真空脱水、加压脱水、离心脱水、带压(belt press)、螺旋压榨(screw press)等。具体地，在本发明中，通过采用重力的方法进行浓缩，用带压方式脱水。
步骤(iv)是以经过上述浓缩和脱水步骤的被处理物中的有机物质作为碳源，使流入输送管线的淤渣中所含的NOx-N脱硝的工序。
该步骤是，在脱硝槽(7)中，使通过输送管线17输送到输送管线16和沉淀槽(8)的淤渣中所含的NOx-N在无氧条件下进行脱硝，并以经过浓缩和脱水步骤流入的被处理物中所含的有机物作为碳源，在该过程中磷(phosphorus)溶解析出。在几乎没有溶解氧时，为了以NO3、NO2这样的形态的结合氧作为电子受体而得到能量，可以通过脱硝微生物(denitrifier)按照下述方式将NOx-N还原为氮气(N2)排放到大气中。
NO3→NO2→NO→N2O→N2
上述脱硝工序在本发明的食物垃圾处理装置的无氧槽(4)中进行，为了顺利混合脱氮化菌、碳源以及NOx-N，使用无氧槽混合器(13)。
在脱硝反应(denitrification)中，由于经过无氧消化槽(2)的被处理物中含有大量作为电子供体(electron donor)使用的有机酸，因此，即使没有外部碳源的供给，也可以发生有效的脱硝反应。
步骤(v)是使用流入的需氧的微生物和氧对经过上述步骤的被处理物中的有机物质进行好氧分解的工序。
所谓好氧分解，是指需氧的微生物摄取食物垃圾中的有机物质，制成生存所必需的营养源，最终分解为二氧化碳、氨和水等的工序，氨与氧结合经过亚硝态氮(NO2 -)氧化为硝态(NO3 -)氮。这样的好氧分解在本发明的食物垃圾处理装置的曝气槽(6)中进行，曝气槽内的MLSS的浓度优选维持在9000～12000mg/L。
曝气槽通过多个分离膜分成多个隔离室，通过隔离室维持不同步骤产生不同的溶解氧(Dissolved Oxyegn：DO)的量。具体地，曝气槽分为3段，在曝气槽的第1段中，流入外部空气，维持高的DO浓度，废水中的有机物被有效分解，通过硝酸化微生物的作用将氨性氮经亚硝态氮(NO2 -)氧化成硝态氮(NO3 -)。在曝气槽的第3段中，中断供氧，维持低的DO浓度，使用设置在曝气槽上部的曝气槽混合器(14)进行搅拌，准备作为后续工序的脱硝反应。优选的是，曝气槽的第1段将DO维持在0.5～1.0mg/L，曝气槽的第2段将DO维持在0.3～0.5mg/L，曝气槽的第3段将DO维持在0.1mg/L以下。
参与好氧分解的微生物在微生物活性槽(5)的有氧氛围下被活化，并通过活性微生物的曝气槽流入管线(22)转移到曝气槽中。使外部空气流入微生物活性槽(40)的内部，由此，将微生物活性槽(40)的内部维持为有氧氛围，选择性地仅活化需氧的微生物。具体地，使用选择性分离培养并接种了土壤微生物的微生物群体。另外，微生物活性槽，通过输送管线18继续供给淤渣，并连续进行从微生物群体中溶解析出的微生物和输送的淤渣中所含的微生物的活化。
步骤(vi)是以提供到流入管线中的单链有机酸作为碳源，将经过了上述好氧分解步骤的被处理物中所含的NOx-N进行脱硝的工序。
在无氧状态下，由于NOx-N作为脱硝微生物的氧源使用，因此发生NOx-N还原为N2气体的脱硝反应，上述工序在本发明的食物垃圾处理装置的脱硝槽(7)中进行。此时，通过脱硝槽流入管线(21)使单链有机酸流入，并在NOx-N转化为N2气体的还原反应时，作为碳供给源使用，从而将脱硝效率极大化。
步骤(vii)是将经过了上述脱硝处理步骤的被处理物分离为沉淀淤渣和上清液的工序。
在上述工序中，食物垃圾被处理物通过重力固液分离为沉淀淤渣和上清液。上述工序在本发明的食物垃圾处理装置的沉淀槽(8)中进行，分离的上清液为了进行化学处理而转移到下一工序中，沉淀淤渣通过输送管线17转移到无氧槽中，使沉淀淤渣中所含的NOx-N脱硝，一部分通过淤渣管线19被废弃处理，一部分通过输送管线18转移到微生物活性槽中使微生物活化。
步骤(viii)是将在上述步骤中分离的沉淀淤渣转移到输送管线中，对上清液进行化学处理，除去生物学难分解性物质的工序。
化学处理是添加凝聚剂除去生物学分解困难的难分解性物质，例如，磷、悬浮性物质、色度诱发物质(色度誘発物質)等的工序。其在食物垃圾处理装置的化学处理槽(9)中进行，可以使用Al***的凝聚剂、Fe***的凝聚剂等，但不限定于此。
作为上述Al***凝聚剂，可以举出，Alum(Al2SO4)·18H2O、PAC(PolyAluminum Chloride)等，作为Fe***凝聚剂，可以举出，FeSO4·7H2O、FeCl3、Fe2(SO4)3等。考虑凝聚剂的种类、凝聚剂的注入量、pH、浊度等带来的影响来进行化学处理。另外，作为凝聚辅助剂(coagulant aid)，可以使用氢氧化钙(Ca(OH)2)、生石灰(CaO)、苛性钠(NaOH)、碱石灰(Na2CO3)等这样的pH调整剂、和膨润土、飞灰、活性硅酸、水泥粉尘等这样的浊度增加剂。
这样，本发明使好氧分解和厌氧分解工序联系起来处理食物垃圾，上述所有工序按照顺序分步骤进行会增大食物垃圾的处理效率。按照本发明的方法，食物垃圾被无氧和有氧复合分解，并转换为淤渣和适合排放水水质的出水，在该过程中，产生可以作为能源使用的甲烷气体。产生的淤渣采用填埋、焚烧等方法最终处理，或者经过再生过程作为堆肥或建筑材料等使用。
另外，本发明的食物垃圾处理方法可以高效率地除去作为使河流和湖泊等副营养化的污染源起作用的氮。
在本发明中，氮通过生物学分解转换成氨形态，转换的氨通过硝酸化工序转换为NOx-N，NOx-N通过由脱硝工序还原为氮气的一系列工序而被除去。
此时，本发明的特征是，由于在好氧分解工序前后的工序中，进行2次脱硝反应，使得脱硝效率极大化。如果具体地说明，在好氧分解前的脱硝步骤中，将通过输送管线提供的淤渣中所含的NOx-N还原成氮气而除去，在好氧分解后的脱硝步骤中，在NOx-N的脱硝反应时，将作为碳源使用的有机酸提供给流入管线，使脱硝效率极大化。
下面，通过以下实施例更为具体地说明本发明。但是，本发明并不受实施例的限制。
实施例
为了容易观察内部，食物垃圾处理装置中使用的反应槽采用丙烯酸制造，无氧反应槽的加热采用连接了具有误差位移为1℃的正确度的温度调节机的加热线圈(heating coil)。
食物垃圾的处理装置内的反应器的各元件以及规格示于下述表1中。在食物垃圾的处理装置中，输送管线具有转移泵，曝气槽和微生物活性槽具有鼓风机。
表1
    反应器和机器     规格     备注
    无氧消化槽 50L(φ＝35cm，H＝65cm)   圆筒形、用于厌氧性淤渣
    浓缩槽 3L(φ＝14cm，H＝30cm)   圆锥形
    无氧槽 5L(φ＝16cm，H＝35cm)   圆筒形
    曝气槽 10L(L＝33cm，B＝17cm，h＝27cm)   球形、用于下水淤渣
    脱硝槽 3L(φ＝14cm，H＝30cm)   圆筒形
    沉淀槽 4.0(φ＝23cm，H＝35cm)   圆锥形、保持料斗倾斜60°
    微生物活性槽 0.2(φ＝0.7cm，H＝18cm)   圆筒形
    pH、温度测定机 Orione 250A   pH、温度测定
    转移泵 Master-flex泵   2头
    混合器 Panasonic M6GA30M   60rpm
    鼓风机 コリ アタカツキSPP-200GJ-H   40L/分钟容量
实验中使用的食物垃圾是收集使用韩国科学技术研究院的内部食堂排出的食物垃圾，用混合器将食物垃圾粉碎变细后，冷藏保存以便使用。
各反应槽的HRT调节为：无氧消化槽为80天，浓缩槽为1天，无氧槽为1天，微生物活性槽为2天，曝气槽为20天，脱硝槽为15小时，沉淀槽为8小时。
曝气槽MLSS的浓度维持在10000mg/L，为维持曝气槽的MLSS，在沉淀槽中废气一定量的剩余淤渣，被处理物设计成以通过重力自然流下方式移动，为确保正确的量，试验材料的投入和输送采用带有计时器的定量泵自动调节。
化学处理时，采用100mgFe/L的浓度处理作为凝聚剂的Fe盐(FeCl3)。
使用本发明的食物垃圾的处理装置处理食物垃圾，测定各步骤得到的出水的化学需氧量(COD：Chemical Oxygen Demand)、生物学需氧量(BOD：Biological Oxygen Demand)、悬浮物总质量(TSS：Total Suspended Solids)、TKN(Total Kjeldahl Nitrogen)、总磷量(T-P)，示于下述表2中，实验的结果是在运行期间的平均值。
表2
    区分 CODcr(mg/L) BOD(mg/L)   TSS(mg/L)   VSS(mg/L) TKN/NH3(mg/L) NOx-N(mg/L)   T-P(mg/L)
    原水 110000  57000  89800  84000  4000/53     0   480
    无氧硝化槽的出水 21000  7800  13000  11000  3800/2500     0   330
    生物学处理出水 342  57  68  56  74/61     1.0   73
    化学处理出水 52  18  17  13  45/38     1.0   5
按照上述表2，粉碎的食物垃圾原水的平均性状是，TSS/VSS的浓度为89800/84000mg/L，COD的浓度为110000mg/L，BOD的浓度为57000mg/L，T-P的浓度为480mg/L。另外，TKN的浓度为4000mg/L，NH4的浓度为53mg/L，在TKN中，NH4占1.3％左右。
在从无氧消化槽得到的出水中，氨浓度与原水相比相当高，这是由于有机性氮在无氧消化槽中氨化(ammonification)。可以确认，原水内的高有机性氮在经过无氧消化槽的同时转换为有机性氮。
从生物处理工序的沉淀槽得到的出水的水质是，CODcr的浓度为342mg/L，BOD的浓度为57mg/L，TKN的浓度为74mg/L，以及T-P的浓度为73mg/L，化学处理后的出水水质是，CODcr的浓度为52mg/L，BOD的浓度为18mg/L，TSS的浓度为17mg/L，TKN的浓度为45mg/L，以及TP的浓度为5mg/L，可以确认，随着食物垃圾的处理步骤的进行，出水可以改善到可以排放的水平的水质。

Claims (5)

1.一种食物垃圾处理装置，该装置包括：对食物垃圾中的有机物质进行厌氧分解并产生甲烷气体的厌氧消化槽、和对食物垃圾中的有机物质进行好氧分解的曝气槽，并且，
在曝气槽前后分别具有：将通过输送管线流入的淤渣中所含的硝态氮(NOx-N)脱硝的无氧槽、以及将通过曝气槽的被处理物中含有的硝态氮脱硝的脱硝槽，其中，
上述脱硝槽与流入单链有机酸的流入管线连接。
2.权利要求1所述的食物垃圾处理装置，该装置包括：
使食物垃圾中的有机物质厌氧分解并产生甲烷气体的厌氧消化槽(2)、
使被处理物浓缩以及脱水的浓缩槽(3)、
将通过输送管线流入的淤渣中所含的硝态氮脱硝的无氧槽(4)、
使被处理物中的有机物质好氧分解的曝气槽(6)、
使被处理物中所含的硝态氮脱硝的脱硝槽(7)、
将被处理物分离为沉淀淤渣和上清液的沉淀槽(8)、
对上清液进行化学处理，除去生物学难分解性物质的化学处理槽(9)、
使需氧的微生物活化的微生物活性槽(5)、
收集在无氧消化槽中产生的甲烷气体的气体收集器(10)、
输送硝态氮的输送管线(16和17)、
微生物活性槽输送管线(18)、
将单链有机酸流入脱硝槽的流入管线(21)、
排出淤渣的废淤渣管线(19)。
3.一种食物垃圾处理方法，该方法包括：
(i)使食物垃圾粉碎并添加水分进行前处理的步骤；
(ii)使在上述步骤(i)中进行了前处理的食物垃圾中的有机物质厌氧分解并收集产生的甲烷气体的步骤；
(iii)将经过上述步骤(ii)的被处理物浓缩和脱水的步骤；
(iv)将经过上述步骤(iii)的被处理物中的有机物质作为碳源，使在步骤(vi)和步骤(vii)流入输送管线的淤渣中所含的硝态氮脱硝。
(v)利用流入的需氧的微生物和氧使经过上述步骤(iv)的被处理物中的有机物质进行好氧分解的步骤；
(vi)以提供到流入管线中的单链有机酸作为碳源，使经过上述步骤(v)的被处理物中所含的硝态氮脱硝的步骤；
(vii)将经过上述步骤(vi)的被处理物分离为沉淀淤渣和上清液的步骤；
(viii)将上述步骤(vii)中分离的沉淀淤渣转移到输送管线中，对上清液进行化学处理，除去生物难分解性物质的步骤。
4.权利要求3所述的食物垃圾处理方法，其中，在步骤(viii)中，添加铝(Al)系或铁(Fe)系凝聚剂进行化学处理。
5.权利要求3所述的食物垃圾处理方法，其中使用权利要求1的装置。
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