一种利用可降解塑料与餐厨垃圾厌氧共消化产甲烷的方法与流程

1.本发明涉及固体废物处理与资源化领域，具体涉及一种利用可降解塑料与餐厨垃圾厌氧共消化产甲烷的方法。


背景技术：

2.随着经济的发展及人民生活水平的不断提高，城市生活垃圾产生量与日俱增，餐厨垃圾在城市生活垃圾中占有较大比重，其约占城市生活垃圾总量的40
‑
60％。据统计，我国现阶段餐厨垃圾年产量约9000万吨，且这一数字还将会随着城市化进程的加快而不断增加。餐厨垃圾的主要成分为淀粉、纤维素、蛋白质、脂肪等，具有含水率高、营养丰富、易腐败等特点，若处理不当，将会产生二次污染，同时其又易生物降解，具有良好的能源回收潜力。因此如何对餐厨垃圾进行减量化、无害化、资源化处理及利用是城市现代化管理的一个重要课题。
3.我国是塑料的生产和消费大国，尤其是塑料餐具的消费量和废弃量很大，但废弃塑料的处理始终是个难题，由于残留的剩饭剩菜和油脂残渣使原本能够进行循环利用的塑料材料被迫作为干垃圾进行二次处理，然而，采用传统焚烧法来处理塑料垃圾会产生有毒有害气体，而填埋因其不能被生物分解会长期存在，给环境带来负面影响。鉴于传统塑料对环境带来的严重危害，利用可降解塑料代替传统塑料是执行和参与全面“禁塑”的有效方法，研究表明其在自然环境中暴露2
‑
3个月就会发生明显的变化，材料本身会出现变薄、失重、强度下降等现象，且会逐渐分解，生成对环境无害的物质，故可降解塑料在全球范围受到日益广泛的应用，但对其处理方法的研究仍然在起步阶段，采用常见的堆肥法处理可降解塑料存在产生肥料质量不稳定、热量难收集等一系列问题。
4.厌氧消化是在无氧环境下利用厌氧微生物，有控制的使废物中的有机质转化为ch4、co2和稳定物质的生物化学过程。迄今为止，对于餐厨垃圾无害化及资源化处理，厌氧消化被认为是最有效的技术。然而我国人口众多，地区发展水平不同导致群众受教育程度有差异，居民对垃圾分类意识不足，分类习惯养成难，长期形成的垃圾混合投放习惯使得餐厨垃圾在进行厌氧消化处理时存在诸多问题。传统不可生物降解的塑料垃圾袋与餐厨垃圾混合进入发酵罐不能被及时降解，长时间堆积将会减小发酵罐的有效处理容积，增加人工清理频度，降低厌氧发酵设备的运转效率。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种同时实现了对餐厨垃圾和可降解塑料两种有机废弃物的再利用，解决了两种有机废弃物难以处理和资源浪费的问题，具有较为广阔的应用前景的利用可降解塑料与餐厨垃圾厌氧共消化产甲烷的方法。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.发明人了解到，采用可循环、易回收、可降解塑料替代传统塑料材料，有效的解决
了垃圾分类投放制度要求餐厨垃圾与塑料袋分类投放的问题，且厌氧消化产生的沼气易于收集，便于进行资源化利用，从能量的角度来看，利用可降解塑料与餐厨垃圾进行厌氧共消化是非常可行的，于是提出如下具体方案：
8.一种利用可降解塑料与餐厨垃圾厌氧共消化产甲烷的方法，该方法包括以下步骤：
9.(1)餐厨垃圾前处理：将餐厨垃圾分拣剔除杂物，并将其进行机械破碎，待用；
10.(2)可降解塑料前处理：将可降解塑料材料进行机械破碎，待用；
11.(3)厌氧消化产甲烷：将前处理后的可降解塑料、餐厨垃圾及厌氧污泥在容器中混合，进行厌氧消化产甲烷。
12.进一步地，步骤(3)中，餐厨垃圾的理化性质为ts:25
‑
27％，vs:22
‑
24％，vs/ts:87
‑
89％，含水率73
‑
75％。
13.进一步地，所述的接种污泥的理化为ts:9
‑
11％，vs:3
‑
5％，vs/ts:33
‑
46％，含水率89
‑
91％。
14.进一步地，所述的可降解塑料包括聚乳酸(pla)、淀粉塑料、或聚对苯二甲酸
‑
己二酸丁二酯(pbat)中的一种或几种。
15.优选地，可降解塑料中聚乳酸、淀粉塑料和聚对苯二甲酸
‑
己二酸丁二酯的质量比为(3
‑
6):(2
‑
5):(1
‑
3)。
16.进一步地，步骤(3)中，所述的餐厨垃圾与厌氧污泥按照1:(15
‑
20)的质量体积比混合，且按照餐厨垃圾质量分数的2.5
‑
3.5％添加可降解塑料材料。
17.进一步地，步骤(3)中，将可降解塑料、餐厨垃圾和厌氧污泥混合后加无机营养液调节使混合物含固率为8
‑
12％，并调节初始ph为6.5
‑
8.5。
18.进一步地，所述的无机营养液包括mgcl2、cacl2、nh4cl、k2hpo4、kh2po4和nahco3。
19.优选地，无机营养液的配制及其主要成分包括在1l纯水中加入1g mgcl2·
6h2o、0.375g cacl2·
2h2o、1.25g nh4cl、2.18g k2hpo4、1.7g kh2po4和2.5g nahco3。
20.进一步地，厌氧消化的反应温度控制在34
‑
36℃，时间为26
‑
30天。
21.比如，可以向容器中通入氮气，并用气压表平衡瓶内气压为大气压，充分保证容器内的厌氧状态后进行厌氧发酵。
22.进一步地，步骤(1)中所述的餐厨垃圾中包括大米、面条、蔬菜、肉类、水果或油脂中的一种或几种。
23.优选地，餐厨垃圾中大米、面条、蔬菜、肉类、水果及油脂的比例为(35
‑
40):(15
‑
20):(25
‑
30):(5
‑
8):(8
‑
12):(1
‑
2)。
24.进一步地，所述的将餐厨垃圾分拣剔除杂物，是指将不可厌氧消化的杂物剔除，具体包括筷子、纸巾、竹签、石头及金属。
25.进一步地，餐厨垃圾用破碎机破碎至颗粒粒径小于3mm糊状物；可降解塑料材料进行机械破碎，将其剪切成5
‑
10mm见方的规格大小。
26.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
27.(1)本发明利用可降解塑料与餐厨垃圾厌氧消化产甲烷的方法同时实现了对餐厨垃圾和可降解塑料两种有机废弃物的再利用，解决了两种有机废弃物难以处理和资源浪费的问题；原因是，餐厨垃圾的c/n较低，尤其是南方城市的餐厨垃圾，可降解塑料具有高含碳
量低含氮量的特点，将可降解塑料与餐厨垃圾进行混合厌氧湿式消化，可以调节底物的有机营养成分，为厌氧反应器内的微生物生长创造良好的条件，有效保障了可降解塑料与餐厨垃圾的处理效能；
28.(2)典型的餐厨垃圾处理设施在高温或中温的水力停留时间一般为15
‑
30天，然而可降解塑料产品的厌氧消化速度通常在1
‑
3个月。两者进行混合厌氧湿式消化，可以进行部分中和反应，维持厌氧反应器内ph值与碱度的稳定，为产甲烷菌的生长创造更加有利的环境，促使厌氧消化的顺利进行；
29.(3)可降解塑料与餐厨垃圾好氧堆肥过程将会产生大量的污水和渗滤液，堆肥肥料质量不稳定、热量难收集，且好氧堆肥过程会释放大量含有异味的气体，气体中二氧化碳比例相对较高，还将会加剧温室效应；反观本发明，厌氧消化制取沼气的方法流程简单，在整个处理过程中废物产生少，产生的沼气易于收集，便于进行资源化利用；
30.(4)与干式厌氧消化相比，湿式厌氧消化具有水力停留时间短、投资运行成本低、设备简单、发酵残留物少、能耗低等优点，提高了可降解塑料与餐厨垃圾的处理效率，可广泛用于餐厨垃圾的资源化处理。
附图说明
31.图1为本发明共消化产甲烷流程简图。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
33.一种利用可降解塑料与餐厨垃圾厌氧共消化产甲烷的方法，该方法包括以下步骤：
34.(1)餐厨垃圾前处理：将餐厨垃圾分拣剔除杂物，将不可厌氧消化的杂物剔除，具体包括筷子、纸巾、竹签、石头及金属，并将其进行机械破碎，待用；其中，餐厨垃圾中包括大米、面条、蔬菜、肉类、水果或油脂中的一种或几种。实施例中，餐厨垃圾中大米、面条、蔬菜、肉类、水果及油脂的比例为39:18:26:6:10:1。餐厨垃圾用破碎机破碎至颗粒粒径小于3mm糊状物
35.(2)可降解塑料前处理：将可降解塑料材料进行机械破碎，待用；可降解塑料材料进行机械破碎，将其剪切成5
‑
10mm见方的规格大小；
36.(3)厌氧消化产甲烷：将前处理后的可降解塑料、餐厨垃圾及厌氧污泥在容器中混合，进行厌氧消化产甲烷。其中，餐厨垃圾的理化性质为ts:25
‑
27％，vs:22
‑
24％，vs/ts:87
‑
89％，含水率73
‑
75％。接种污泥取自餐厨垃圾处理厂厌氧发酵罐中的絮状产甲烷污泥，其理化性质为ts:9
‑
11％，vs:3
‑
5％，vs/ts:33
‑
46％，含水率89
‑
91％。可降解塑料包括聚乳酸(pla)、淀粉塑料、或聚对苯二甲酸
‑
己二酸丁二酯(pbat)中的一种或几种。实施例中，可降解塑料中聚乳酸、淀粉塑料和聚对苯二甲酸
‑
己二酸丁二酯的质量比为5:3:2。
37.餐厨垃圾与厌氧污泥按照1:(15
‑
20)的质量体积比混合，且按照餐厨垃圾质量分数的2.5
‑
3.5％添加可降解塑料材料。将可降解塑料、餐厨垃圾和厌氧污泥混合后加无机营
养液调节使混合物含固率为8
‑
12％，并调节初始ph为6.5
‑
8.5。无机营养液包括mgcl2、cacl2、nh4cl、k2hpo4、kh2po4和nahco3。实施例中，无机营养液的配制及其主要成分包括在1l纯水中加入1gmgcl2·
6h2o、0.375g cacl2·
2h2o、1.25g nh4cl、2.18g k2hpo4、1.7g kh2po4和2.5g nahco3。厌氧消化的反应温度控制在34
‑
36℃，时间为26
‑
30天。
38.气体成分甲烷含量采用气相色谱进行分析，以氩气作为载气，检测采用(hp
‑
plot q)毛细管柱，检测器为热导检测器，检测器温度为200℃，进样口温度为60℃，色谱柱柱温为60℃。
39.实施例1
40.将餐厨垃圾进行人工分拣剔除塑料、筷子、纸巾、竹签、石头及金属等不可厌氧消化的杂物，后将其用破碎机破碎成颗粒粒径小于3mm糊状物；将可降解塑料材料剪切成5mm
×
5mm规格大小，用体积为150ml的血清瓶作为厌氧反应器，向其中加入5g破碎后的餐厨垃圾糊状物，并接种75ml餐厨垃圾处理厂厌氧发酵罐中的絮状产甲烷污泥，同时投加0.15g可降解塑料材料；添加无机营养液调节使其含固率为10％，初始ph为7，并保持反应器有效工作体积小于100ml；向接种后的血清瓶通7
‑
9min氮气，并用气压表平衡瓶内气压为大气压，充分保证血清瓶内的厌氧状态后进行厌氧发酵，反应温度控制在35℃，发酵时间为28天，反应过程中每天采用玻璃注射器测定气体体积，气体成分甲烷含量采用气相色谱进行分析。其制得的沼气中甲烷含量约可以达到55％。
41.对比例1
42.将餐厨垃圾进行人工分拣剔除塑料、筷子、纸巾、竹签、石头及金属等不可厌氧消化的杂物，后将其用破碎机破碎成颗粒粒径小于3mm糊状物；将可降解塑料材料剪切成5mm
×
5mm规格大小，用体积为150ml的血清瓶作为厌氧反应器，向其中加入5g破碎后的餐厨垃圾糊状物，并接种75ml餐厨垃圾处理厂厌氧发酵罐中的絮状产甲烷污泥，同时投加0.25g可降解塑料材料；添加无机营养液调节使其含固率为10％，初始ph为7，并保持反应器有效工作体积小于100ml；向接种后的血清瓶通7
‑
9min氮气，并用气压表平衡瓶内气压为大气压，充分保证血清瓶内的厌氧状态后进行厌氧发酵，反应温度控制在35℃，发酵时间为28天，反应过程中每天采用玻璃注射器测定气体体积，气体成分甲烷含量采用气相色谱进行分析。与实施例1相比其制得的沼气中甲烷含量仅达到49％。
43.对比例2
44.将餐厨垃圾进行人工分拣剔除塑料、筷子、纸巾、竹签、石头及金属等不可厌氧消化的杂物，后将其用破碎机破碎成颗粒粒径小于3mm糊状物；将可降解塑料材料剪切成5mm
×
5mm规格大小，用体积为150ml的血清瓶作为厌氧反应器，向其中加入5g破碎后的餐厨垃圾糊状物，并接种75ml餐厨垃圾处理厂厌氧发酵罐中的絮状产甲烷污泥，同时投加0.05g可降解塑料材料；添加无机营养液调节使其含固率为10％，初始ph为7，并保持反应器有效工作体积小于100ml；向接种后的血清瓶通7
‑
9min氮气，并用气压表平衡瓶内气压为大气压，充分保证血清瓶内的厌氧状态后进行厌氧发酵，反应温度控制在35℃，发酵时间为28天，反应过程中每天采用玻璃注射器测定气体体积，气体成分甲烷含量采用气相色谱进行分析。与实施例1相比其制得的沼气中甲烷含量仅达到47％。
45.对比例3
46.将餐厨垃圾进行人工分拣剔除塑料、筷子、纸巾、竹签、石头及金属等不可厌氧消
化的杂物，后将其用破碎机破碎成颗粒粒径小于3mm糊状物；将可降解塑料材料剪切成5mm
×
5mm规格大小，用体积为150ml的血清瓶作为厌氧反应器，向其中加入5g破碎后的餐厨垃圾糊状物，并接种75ml餐厨垃圾处理厂厌氧发酵罐中的絮状产甲烷污泥，同时投加0.15g可降解塑料材料；添加无机营养液调节使其含固率为10％，不调节初始ph值，保持反应器有效工作体积小于100ml；向接种后的血清瓶通7
‑
9min氮气，并用气压表平衡瓶内气压为大气压，充分保证血清瓶内的厌氧状态后进行厌氧发酵，反应温度控制在35℃，发酵时间为28天，反应过程中每天采用玻璃注射器测定气体体积，气体成分甲烷含量采用气相色谱进行分析。反应结束后测得反应容器内混合物ph值为5.47，与实施例1相比其制得的沼气中甲烷含量仅可达到43％，且产甲烷量与实施例1相比减少了18.96％。
47.对比例4
48.将取自餐厨垃圾处理厂厌氧发酵罐中的絮状产甲烷污泥，经过5000r
·
min
‑1离心20min，弃去上清液，剩余固体作为接种污泥，测得其ts:19.74％，vs:7.41％，vs/ts:37.54％，含水率80.26％，人工分拣剔除餐厨垃圾中塑料、筷子、纸巾、竹签、石头及金属等不可厌氧消化的杂物，后将其用破碎机破碎成颗粒粒径小于3mm糊状物；将可降解塑料材料剪切成5mm
×
5mm规格大小，用体积为150ml的血清瓶作为厌氧反应器，向其中加入5g破碎后的餐厨垃圾糊状物，并接种75ml餐厨垃圾处理厂厌氧发酵罐中的絮状产甲烷污泥，同时投加0.15g可降解塑料材料；添加无机营养液调节使其含固率为20％，初始ph为7，保持反应器有效工作体积小于100ml；向接种后的血清瓶通7
‑
9min氮气，并用气压表平衡瓶内气压为大气压，充分保证血清瓶内的厌氧状态后进行厌氧发酵，反应温度控制在35℃，发酵时间为28天，反应过程中每天采用玻璃注射器测定气体体积，气体成分甲烷含量采用气相色谱进行分析。将可降解塑料、餐厨垃圾和厌氧污泥混合物采用干式厌氧消化与实施例1相比其制得的沼气中甲烷含量仅可达到46％，且产甲烷量与实施例1相比减少了28.38％。
49.对比例5
50.将可降解塑料材料剪切成5mm
×
5mm规格大小，并取0.15g可降解塑料材料加入150ml血清瓶反应器，并接种80ml餐厨垃圾处理厂厌氧发酵罐中的絮状产甲烷污泥，添加无机营养液调节使其含固率为10％，搅拌均匀后在35℃条件下水解预发酵。发酵过程中保证空气流通，并采用人工搅拌方式对混合料液每2小时搅拌一次，每次搅拌持续10min，24h后将水解发酵后的可降解塑料材料取出，加入新的150ml血清瓶反应器，同时向其中加入5g破碎后的餐厨垃圾糊状物，再次接种75ml餐厨垃圾处理厂厌氧发酵罐中的絮状产甲烷污泥，添加无机营养液调节使其含固率为10％，初始ph为7，保持反应器有效工作体积小于100ml；向接种后的血清瓶通7
‑
9min氮气，并用气压表平衡瓶内气压为大气压，充分保证血清瓶内的厌氧状态后进行厌氧发酵，反应温度控制在35℃，发酵时间为28天，反应过程中每天采用玻璃注射器测定气体体积，气体成分甲烷含量采用气相色谱进行分析。将可降解塑料、餐厨垃圾和厌氧污泥混合物采用好氧处理与实施例1相比其制得的沼气中甲烷含量仅可达到41％，且产甲烷量与实施例1相比减少了17.44％。
51.实施例2
52.将餐厨垃圾进行人工分拣剔除塑料、筷子、纸巾、竹签、石头及金属等不可厌氧消化的杂物，后将其用破碎机破碎成颗粒粒径小于3mm糊状物；将可降解塑料材料剪切成10mm
×
10mm规格大小，用体积为150ml的血清瓶作为厌氧反应器，向其中加入4g破碎后的餐厨垃
圾糊状物，并接种72ml餐厨垃圾处理厂厌氧发酵罐中的絮状产甲烷污泥，同时投加0.12g可降解塑料材料；添加无机营养液调节使其含固率为9％，初始ph为7.5，并保持反应器有效工作体积小于100ml；向接种后的血清瓶通7
‑
9min氮气，并用气压表平衡瓶内气压为大气压，充分保证血清瓶内的厌氧状态后进行厌氧发酵，反应温度控制在35.5℃，发酵时间为26天，反应过程中每天采用玻璃注射器测定气体体积，气体成分甲烷含量采用气相色谱进行分析。其制得的沼气中甲烷含量约可以达到51％。
53.实施例3
54.将餐厨垃圾进行人工分拣剔除塑料、筷子、纸巾、竹签、石头及金属等不可厌氧消化的杂物，后将其用破碎机破碎成颗粒粒径小于3mm糊状物；将可降解塑料材料剪切成5mm
×
5mm规格大小，用体积为150ml的血清瓶作为厌氧反应器，向其中加入5g破碎后的餐厨垃圾糊状物，并接种80ml餐厨垃圾处理厂厌氧发酵罐中的絮状产甲烷污泥，同时投加0.15g可降解塑料材料；添加无机营养液调节使其含固率为11％，初始ph为6.5，并保持反应器有效工作体积小于100ml；向接种后的血清瓶通7
‑
9min氮气，并用气压表平衡瓶内气压为大气压，充分保证血清瓶内的厌氧状态后进行厌氧发酵，反应温度控制在36℃，发酵时间为30天，反应过程中每天采用玻璃注射器测定气体体积，气体成分甲烷含量采用气相色谱进行分析。其制得的沼气中甲烷含量约可以达到54％。
55.实施例4
56.将餐厨垃圾进行人工分拣剔除塑料、筷子、纸巾、竹签、石头及金属等不可厌氧消化的杂物，后将其用破碎机破碎成颗粒粒径小于3mm糊状物；将可降解塑料材料剪切成5mm
×
5mm规格大小，用体积为150ml的血清瓶作为厌氧反应器，向其中加入4g破碎后的餐厨垃圾糊状物，并接种76ml餐厨垃圾处理厂厌氧发酵罐中的絮状产甲烷污泥，同时投加0.12g可降解塑料材料；添加无机营养液调节使其含固率为9％，初始ph为8，并保持反应器有效工作体积小于100ml；向接种后的血清瓶通7
‑
9min氮气，并用气压表平衡瓶内气压为大气压，充分保证血清瓶内的厌氧状态后进行厌氧发酵，反应温度控制在36℃，发酵时间为27天，反应过程中每天采用玻璃注射器测定气体体积，气体成分甲烷含量采用气相色谱进行分析。其制得的沼气中甲烷含量约可以达到58％。
57.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。