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厨余垃圾课程设计

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2020年4月19日
文档仅供参考
浙江农林大学

课程实习报告

学生姓名： 何杉杉
学号： 18040203
校内指导教师： 曹玉成
实习课程名称： 固体废弃物资源化
学院： 环境与资源学院
专业： 环境工程122 班

6月23日
目录
目录 2
前言 1
1基础资料 1
1.1厨余垃圾量 1
1.2餐厨垃圾工业成分 2
2设计方案 3
2.1厌氧发酵原理 3
2.2工艺流程 3
3设计计算 4
3.1厨余垃圾收集 4
3.2厨余垃圾储存 4
3.3调节池 4
3.4水解酸化池 5
3.5厌氧发酵 5
3.6物料平衡分析 6
3.7能量平衡分析 7
3.8沼渣和沼液脱水处理后的水 9
小结 10
参考文献 11

前言
中国城市生活垃圾组成成份中相当大一部分属于动植物类有机垃圾，占45%以上，其中绝大部分是厨余垃圾。厨余垃圾是指食物残余和食品加工废料, 主要为餐厨垃圾中的固体残留物。厨余垃圾具有高含水率、高有机物含量以及易腐烂等特点。由于厨余垃圾容易发酵、变质、腐烂，不但产生大量的毒素，散发恶臭气体，还污染水体和大气，因此厨余垃圾如果得不到及时的处理，不但影响城市市容和环境卫生，而且会传播疾病，危害人们的日常生活和身体健康。
长期以来，厨余垃圾在中国一直作为生猪的饲料，并一直经过市场渠道自行寻找出路。可是，这种处理方式存在很多问题，比如：垃圾含水率较高，流动性较大，非常容易泄漏，造成二次污染，影响环境卫生；这些垃圾未经任何处理，有的在运输途中就已变质，喂出猪的卫生情况堪忧。为此，中国部分城市已经开始禁止使用这一传统方法，而是集中收集后采用好氧堆肥或厌氧消化制沼气。
从理论上看，厌氧消化处理技术具有更大的优越性。厌氧消化产生的沼气能够作为能源加以有效利用，同时也减少了CO2、CH4等温室气体的排放；因为反应过程要求保持厌氧状态，则反应设备均为密闭状态，不会有更多异味逸出；消化后产生的残渣数量较少，其后续处理及运输所需的成本也相对较低；对于含水率较高的厨余垃圾，特别是餐馆饭店产生的浴水等，很难进行堆肥化的处理，最宜厌氧消化。发酵后产生的沼气中含有55%-75%（体积浓度）的甲烷，可用于发电，供热等，能够缓解能源供应紧张的局面。从投资和运行成本的角度来看，厌氧消化也更为经济。本文就厌氧消化技术处理厨余垃圾进行工艺设计计算。
1基础资料
1.1厨余垃圾量
本次设计以浙江农林大学东湖校区为研究试验点。浙江农林大学东湖校区现有师生人数 0余人，校区内共有3个食堂。经调查发现，学校1个食堂1天的厨余垃圾产生量约为10桶，每桶重约60kg，即整个东湖校区每天会产生约1800kg厨余垃圾。工艺按照一周储存量来设计，即周处理厨余垃圾总量约为12600kg。
1.2餐厨垃圾工业成分
本试验所用的厨余垃圾取自浙江农林大学东湖食堂。垃圾中主要包括米饭、蔬菜、肉、蛋、豆腐、鱼虾和盐等。对垃圾样品进行工业成分分析，包括水分、挥发分、灰分和固定碳。实验分析最终结果如下：
表格 1餐厨垃圾工业成分和基本元素
项目
水分
灰分
挥发分
C
H
O
N
S
热值
单位
％
％
％
％
％
％
％
％
MJ/mg
1
38.99
0.9
55.51
26
4
22
4
1
2.1×10-6
2
40.73
0.7
53.47
平均值
39.86
0.8
54.49
本试验中厨余垃圾样品中水分含量为39.86%，灰分为0.8%，挥发分为54.49%，查找文献发现，厨余垃圾中的含水量一般在80%～90%，本试验中的厨余垃圾水分含量明显较低。

2设计方案
2.1厌氧发酵原理
有机垃圾等不溶性的有机物厌氧消化过程主要包括水解、产酸和产甲烷3个阶段。
水解阶段：发酵细菌利用胞外酶对有机物进行体外酶解，使固体物质变成可溶与水的物质，然后，细菌再吸收可溶于水的物质，并将其分解成为不同产物。
产酸阶段：上个阶段产生的简单的可溶性有机物在产氢和产酸细菌的作用下，进一步分解成挥发性脂肪酸、醇、酮、醛、CO2和H2等。
水解阶段和产酸阶段为一连续过程，在此过程中，不产甲烷的细菌种类繁多，其主要作用是为产甲烷菌提供营养和为产甲烷菌创造适宜的厌氧条件，消除部分毒物。
产甲烷阶段：将第二阶段产物进一步降解成CH4和CO2，同时利用产酸阶段所产生的H2将部分CO2再转变为CH4。
2.2工艺流程
厨余垃圾厌氧发酵处理是指在特定的厌氧条件下，微生物将有机垃圾进行分解,其中的碳、氢、氧转化为甲烷和二氧化碳(甲烷占 55%，二氧化碳占 45%)，而氮、磷、钾等元素则存留于残留物中，并转化为易被动植物吸收利用的形式。
具体工艺流程如下图所示：

图 1工艺流程
3设计计算
3.1厨余垃圾收集
指利用泔水桶收集各食堂厨余垃圾。
3.2厨余垃圾储存
指将收集的厨余垃圾集中在一个池子中处理。
收运来的餐厨垃圾中一般会含有一定量的干扰物质，如纸张，金属，骨头等。另外，为增强处理过程中设备运行的稳定性以及提高厌氧发酵的效果，一般情况下厨余垃圾颗粒大小在10mm左右，因此厨余垃圾进入储存池前，要先进行分选和粉碎。
本设计中进入储存池的厨余垃圾干重为12600×（1-39.86%）=7577.64kg。
3.3调节池
根据试验分析可知，本设计实验点的厨余垃圾含水量（39.86%）较低，故设置调节池，使厨余垃圾含水率至少为95%。
本设计中厨余垃圾的密度取1.05kgždm-3，调节池设计参数如下：
厨余垃圾的体积；
需加水的体积；
调节池的设计容积V为155m3；
调节池的水力停留时间：经验值为4～12h，本设计选取6h；
调节池的设计流量。
调节池的超高为0.5m，有效高度一般取4～5m。本设计调节池池高取5.5m，则，池宽取5m，池长取6m。
3.4水解酸化池
水解酸化过程能将非溶解态有机物逐步转变为溶解态有机物，一些难于生物降解大分子物质被转化为易于降解的小分子物质如有机酸等，从而大幅度提高可生化性和降解速度。有研究表明，厨余垃圾水解酸化过程的最优温度条件为37℃。
酸化池设计参数如下：
水力停留时间HRT=8h；
设计容积；
酸化池的超高定为0.5m，池高选取5.5m，则。
3.5厌氧发酵
经过水解酸化过程后产生的有机酸类物质经过管道输送进入发酵罐中，在适当的温度，pH值等条件下，在产甲烷菌类的作用下进一步降低分子数最终转化成为甲烷。
发酵罐结构如下图所示：
图 2发酵罐结构
根据厌氧消化过程中甲烷菌的最适温度范围，厌氧消化还能够分为中温消化过程（30～36℃）和高温消化过程（50～53℃）。两者比较如下：
表格 2中温消化和高温消化的比较

中温消化
高温消化
温度
30-36
50-53
产气率
高

低
停留时间
15-30
12-14
容积
大
小
费用
成本大，维修省
成本小，维修大
不同类型的厌氧反应器在市场中占的份额也不同：中温消化、高温消化都是可行的技术，实际运行的处理厂，中温消化占62％。本设计采用中温消化。
厌氧消化关设计参数如下：
停留时间T：15d；
根据垃圾处理量设计厌氧发酵罐体积V=350m3；
厌氧发酵罐流量；
选用D:H=1:3，取锥角为70°，则则锥体高度，封头高度，圆柱部分高度H3=（3.0-0.714-0.25）D=2.04D 。又因为
即0.187D3+0.13D3+1.6D3=350，解得D=5.7m，则H1=0.714×5.7=4.1m；H2=0.25×5.7=1.43m；H3=2.04×5.7=11.7m。
V锥=0.187D3=34.63m3，V柱=1.6D3=296.3m3，V封=19.07m3。
3.6物料平衡分析
（1）出料干重
MADS=MRSS×（1-RVS×VSRSS）=（1-39.86%）×12600×（1-40%×63.14%）=5663.83kg
式中：MADS——出料干重，kg；
MRSS——进料干重，kg；
RVS——挥发性固体所占的降解率，取40%；
VSRSS——挥发性固体所占的百分率，%。
（2）出料VS

式中：VSADS——出料挥发性固体所占百分率，%。
（3）沼气产量
Vbiogas=SBPbiogas×RVS×VSRSS×MRSS=0.8×40%×63.13%×54.49%×1800=198.1m3
式中：Vbiogas——沼气产量，m3/d；
SBPbiogas——单位质量挥发性固体产生的沼气量，一般取0.8～1.2 m3/kg(VS)，本设计取0.8 m3/kg(VS)；
MRSS——每天进料干重，kg/d。
3.7能量平衡分析
（1）进料加热
Eh-AD=QlS×ΔT×[MFAD-in×Cpw+(1-MFAD-in)×Cps]=0.97×24×1000×（35-22）×[95%×4.18+(1-95%)×2.3]=1236.6 MJ/d
式中：Eh-AD——进料所需热量，MJ/d；
QAD-in——设计流量，m3/d；
SPls——单位重量垃圾硝化量，kg/L，本设计中假定为1 kg/L；
ΔT——进水温度与系统温度的差值，℃，本设计选用中温消化（35℃），设计进口温度为22℃；
MFAD-in——进料含水率，%；
Cpw——水的比热，取4.18KJ/kgž℃；
Cpw——固体的比热， KJ/kgž℃，有机固体取2.3 KJ/kgž℃，无机固体取1.0 KJ/kgž℃。
（2）搅拌用电量
式中：Emixing——搅拌垃圾所需能量，MJ/d；
SRT——停留时间，d；
SERmixing——搅拌单位体积污泥所消耗的电量，MJ/(m3žd)。
（3）热辐射损失
El-AD=U×A×(TD-Ta)=[1.0×8.4×（35-10）+0.7×38.66×（35-22）] ×10-6×86400=48.54 MJ/d
式中：El-AD——热辐射损失量，MJ/d；
U——传热系数，W/(m2ž ºC)；
A——接触面积，m2；
TD——环境温度，取22℃；
Ta——地下温度，取10℃。
（4）沼气初级能量输出
查资料得，沼气的热值为25 MJ/m3。
表格 3工艺能量收支平衡分析
工艺能量收支平衡分析
项目

TS（%）
63.14
VS(%)
54.49
RVS(%)
40
热电消耗（MJ/d）
进料加热（热）
1236.6
辐射热损（热）
48.54
搅拌（电）
6.28
沼气初级能量输出（MJ/d）
4952.5
CHP热输出（MJ/d）
2476.25
CHP电输出（MJ/d）
1733.38
净得热能（MJ/d）
1191.11
净得电能（MJ/d）
1727.1
净得热电总量（MJ/d）
2918.21
由上表可知，本设计中经厌氧消化产生的沼气能量不但能够提供工艺所需能量，还有能量盈余。整个工艺设计实现了厨余垃圾的减量化和资源化。
3.8沼渣和沼液脱水处理后的水
每天沼渣和沼液质量m1=1800×（1-40%×63.14%）=1345.4kg，脱水前含水率为95%，本设计预使脱水后含水率为75%。
经脱水后使得其含水率降至65%，则脱除的水分的质量m2=1345.4×(95%-65%)=403.62kg。将这部分水回流至调节池中以调节后续进来的垃圾的含水率，使其达到预期要求。脱水后的沼渣和沼液进行回收资源化利用。
小结
根据工艺设计计算，厨余垃圾经过厌氧消化工艺能够生成足够量得沼气，以提供工艺前处理以及中间处理阶段所需消耗的能量。整个设计最困难的应该是厌氧发酵罐的设计，当然这也是最关键的一个环节。因为之前涉及到的发酵罐只初略介绍，因此设计时比较迷茫，不知道从何下手。最后是在网上找到了类似的设计，根据其中的工艺参数以及计算公式结合自己预期效果而设计的一个发酵罐。鉴于网上的资料不是很规范，许多都是单单一个结果，因此在设计过程中计算热辐射损失的时候，根据自己的理解确定下来地上和地下两部分体积。
另外，在确定工艺流程中也遇到了问题，因为后期需要计算脱水后回流的水的重量，因此在设计时不是很确定回流的水是来自沼渣与沼液还是仅是沼渣压缩后的水，最后还是经过查找资料确定下来整套工艺流程。
虽然看着是完成了整个课程设计，但我知道里面的问题不少。希望老师指正。

参考文献
[1]李华芝，李秀艳，胡启平，等。处理厨余垃圾的高温菌剂研制及其降解性质研究。华东师范大学学报， ，2：127-133
[2]张波，蔡伟民，何品晶。pH调节方法对厨余垃圾两相厌氧消化中水解和酸化过程的影响。环境科学学报， ，26(1)：45-49
[3]陈海滨，刘金涛，钟辉，等。厨余垃圾不同处理模式碳减排潜力分析。中国环境科学， ，33(11)：2102-2106
[4]张振华，汪华林，胥培军，等。厨余垃圾的现状及其处理技术综述。再生资源研究， ，5：31-34
[5]汪群慧，马鸿志，王旭明，等。厨余垃圾的资源化技术。现代化工， ，24(7)：56-59