有機(jī)廢棄物梯級(jí)轉(zhuǎn)化產(chǎn)能系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及梯級(jí)處理有機(jī)廢棄物的系統(tǒng)及方法，具體設(shè)及有機(jī)廢棄物梯級(jí)轉(zhuǎn)化產(chǎn) 能系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市生活廢水和廢棄物排放量急 劇增長(zhǎng)。再加上過(guò)去我國(guó)過(guò)多地把環(huán)境污染防治的重點(diǎn)放在工業(yè)污染防治上，致使城市生 活排放物的污染防治相對(duì)滯后，全國(guó)絕大多數(shù)城市生活排放物的治理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了實(shí) 際需要，城市生活排放物的環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)成為困擾城市發(fā)展的一個(gè)重要難題。城市生 活排放物中含有大量的有機(jī)廢棄物(如餐廚廢棄物和糞便等），使得廢水中含有大量的淀 粉、脂肪、蛋白質(zhì)、纖維素、糖類、礦物油等有機(jī)物，化學(xué)需氧量(COD)和生物需氧量(BOD)較 高。目前，有機(jī)廢水處理主要采用生物活性污泥法，但該方法往往基建費(fèi)、運(yùn)行費(fèi)高，能耗 大，管理復(fù)雜，易出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，設(shè)備不能滿足高效低耗的要求。此外，固態(tài)有機(jī)物的處 理方法主要兩類：一是與其他垃圾一樣進(jìn)行掩埋或焚燒處理；二是發(fā)酵堆肥，生產(chǎn)有機(jī)肥 料。然而，運(yùn)些傳統(tǒng)的有機(jī)廢棄物處理方式都不能合理利用有機(jī)廢棄物中的生物質(zhì)能，從而 造成能源的浪費(fèi)，同時(shí)，產(chǎn)生的大量有害氣體和溫室氣體被排入大氣，造成環(huán)境污染。
[0003] 生物制氨是一種新型的制氨方法，是把自然界中有機(jī)物中的能量通過(guò)產(chǎn)氨微生物 的作用轉(zhuǎn)化為氨氣，是微生物自身新陳代謝的作用，反應(yīng)在常溫常壓條件下進(jìn)行，同時(shí)可將 有機(jī)廢水作為反應(yīng)原料，實(shí)現(xiàn)廢物降解和能源生產(chǎn)的雙重作用。生物制氨過(guò)程可分為暗發(fā) 酵制氨和光發(fā)酵制氨兩大類。其中，前者所利用的微生物為厭氧化能異養(yǎng)菌，后者利用的則 為厭氧光合細(xì)菌(或部分藻類）。暗發(fā)酵細(xì)菌能夠利用復(fù)雜的大分子有機(jī)物，產(chǎn)生也，0)2和小 分子有機(jī)酸等。光發(fā)酵細(xì)菌利用的反應(yīng)原料主要為小分子有機(jī)物，兩種發(fā)酵微生物幾乎不 存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。故可W將暗發(fā)酵和光發(fā)酵結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)底物的梯級(jí)利用。
[0004] 沼氣發(fā)酵是指在厭氧條件下，產(chǎn)甲燒菌通過(guò)自身新陳代謝來(lái)降解有機(jī)物并制取沼 氣的過(guò)程，也稱為厭氧消化。沼氣的主要成分為C也和C〇2,同時(shí)，沼液中還富含氮、憐、鐘等大 量營(yíng)養(yǎng)元素和鋒、銅、儘等微量營(yíng)養(yǎng)元素，而且沼液還對(duì)農(nóng)作物近30種病害具有防治作用， 具有廣泛的用途。沼渣是發(fā)酵產(chǎn)生沼氣后殘留的底層渣汁，包括難W分解的有機(jī)物、分解產(chǎn) 生的腐殖酸類物質(zhì)W及含有無(wú)機(jī)鹽的灰分，沼渣中含有較全面的養(yǎng)分和豐富有機(jī)物質(zhì)，具 有速緩兼?zhèn)涞姆市攸c(diǎn)。由此可見(jiàn)，沼氣發(fā)酵既可處理固態(tài)有機(jī)物W保護(hù)環(huán)境，又可生產(chǎn)沼 氣作為能源，而經(jīng)沼氣發(fā)酵后的沼液、沼渣還是優(yōu)化的有機(jī)肥料。
[0005] 微藻是一類微觀的單細(xì)胞群體，是最低等的、自養(yǎng)的水生生物。微藻是一種最具有 潛力的新型可再生生物質(zhì)能源，具有光合效率高、零凈碳值、易培養(yǎng)、生長(zhǎng)周期短、油脂含量 高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。微藻可W通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，同時(shí)吸收C〇2合 成碳水化合物并產(chǎn)生化。微藻培養(yǎng)需要大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，主要是氮源(硝酸鹽或錠鹽)和憐 源(正憐酸鹽），還包括一些微量元素(鋒、銅、儘等），而運(yùn)些元素正是沼液中所含的主要成 分。作為能源物質(zhì)，可利用微藻來(lái)生產(chǎn)生物柴油，也可W進(jìn)行生物制氨、制取甲燒等清潔能 源氣體。
[0006] 微生物燃料電池是利用微生物作為催化劑，氧化分解生物質(zhì)同時(shí)輸出電能的一種 新裝置。微生物燃料電池一個(gè)很重要的應(yīng)用就是處理有機(jī)廢水，陽(yáng)極微生物利用廢水中所 含的有機(jī)物作為碳源和電子供體，將有機(jī)物中的能量轉(zhuǎn)化為電能，一般電能的轉(zhuǎn)化率為20% ~30%。在微生物燃料電池陰極室，一般W化作為氧化劑，在催化劑的作用下，〇2在陰極表面得 到電子發(fā)生還原反應(yīng)，與陽(yáng)極室傳輸來(lái)的H+結(jié)合成水。
[0007] 因此，若將微生物發(fā)酵制氨、沼氣發(fā)酵、微藻培養(yǎng)和微生物燃料電池有機(jī)結(jié)合起 來(lái)，形成一套有機(jī)廢棄物梯級(jí)轉(zhuǎn)化產(chǎn)能系統(tǒng)及方法，便可實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物資源最大限度的 綜合利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是為解決環(huán)境污染問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物梯級(jí)利用及有效回收有機(jī) 廢棄物中的能量，提供一種有機(jī)廢棄物梯級(jí)轉(zhuǎn)化產(chǎn)能系統(tǒng)及方法。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一技術(shù)方案是，一種有機(jī)廢棄物的梯級(jí)轉(zhuǎn)化產(chǎn)能系 統(tǒng)，該系統(tǒng)包括3個(gè)子系統(tǒng):微生物厭氧發(fā)酵制氨系統(tǒng)、沼氣發(fā)酵系統(tǒng)和微生物燃料電池系 統(tǒng)。微生物厭氧發(fā)酵制氨系統(tǒng)包括有機(jī)廢水的微生物厭氧暗發(fā)酵和微生物厭氧光發(fā)酵;沼 氣發(fā)酵系統(tǒng)包括固態(tài)有機(jī)物的沼氣發(fā)酵W及沼渣、沼液和沼氣的綜合利用;微生物燃料電 池系統(tǒng)將微生物燃料電池和微藻培養(yǎng)結(jié)合起來(lái)，凈化廢水，產(chǎn)能和提純出、CH4。
[0010] 本發(fā)明的微生物燃料電池，是帶微藻培養(yǎng)的自制微生物燃料電池，此電池的特殊 之處在于:在微生物燃料電池工作的同時(shí)，陰極室進(jìn)行藻類培養(yǎng)。微生物燃料電池包括一個(gè) 陽(yáng)極室和兩個(gè)陰極室，在陰極室和陽(yáng)極室之間固定有質(zhì)子交換膜，此外，外部光源系統(tǒng)為陰 極室提供光照。
[0011] 發(fā)明的第二技術(shù)方案是，一種有機(jī)廢棄物的梯級(jí)轉(zhuǎn)化產(chǎn)能方法，包括如下步驟： A. 將有機(jī)廢棄物通入沉淀池內(nèi)，經(jīng)沉淀后分為有機(jī)廢水和固態(tài)有機(jī)物； B. 將有機(jī)廢水通入微生物厭氧發(fā)酵制氨系統(tǒng)，依次進(jìn)行厭氧暗發(fā)酵和厭氧光發(fā)酵，降 解有機(jī)廢水并產(chǎn)生出和C〇2; C. 將固態(tài)有機(jī)物通入沼氣發(fā)酵系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)酵，產(chǎn)生的沼渣用作肥料、飼料和育苗營(yíng)養(yǎng) ±，沼液用作肥料和生物農(nóng)藥； D. 將微生物厭氧發(fā)酵制氨系統(tǒng)和沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的部分產(chǎn)物通入微生物燃料電池系統(tǒng) 中：厭氧光發(fā)酵后的尾液通入微生物燃料電池的陽(yáng)極室做進(jìn)一步降解;部分沼液通入兩個(gè) 陰極室為微藻培養(yǎng)提供營(yíng)養(yǎng)元素;厭氧暗發(fā)酵和厭氧光發(fā)酵所產(chǎn)生的C〇2和此混合氣體通入 一個(gè)陰極室內(nèi)，微藻吸收C〇2,實(shí)現(xiàn)提純出的目的；沼氣(含CH4和C〇2的混合氣體)通入另一個(gè) 陰極室內(nèi)，微藻吸收C〇2,實(shí)現(xiàn)提純CH4的目的。
[0012] 微生物燃料電池的工作原理是:在陽(yáng)極室，厭氧光發(fā)酵后的尾液中殘留的有機(jī)物 通過(guò)微生物(產(chǎn)電菌）的代謝被氧化降解，電子傳遞到陽(yáng)極，并通過(guò)外電路到達(dá)陰極形成電 流，產(chǎn)生電能;在陰極室，沼液為微藻提供生長(zhǎng)所必須的無(wú)機(jī)鹽和微量元素，0)2為微藻光合 作用提供碳源，外部光照系統(tǒng)為微藻光合作用提供光源，微藻進(jìn)行光合作用產(chǎn)生的化作為 陰極的氧化劑而被還原，則其中一個(gè)陰極室排出的氣體為提純后的出，另一個(gè)陰極室排出 的氣體為提純后的CH4。陰極室內(nèi)的微藻，是一種可再生生物質(zhì)能源，可定期采收，進(jìn)一步資 源化利用。
[0013] 本發(fā)明包含W下有益效果： 1. 將有機(jī)廢棄物的治理和能源回收二者結(jié)合起來(lái)，可同時(shí)解決有機(jī)廢水的降解、固態(tài) 有機(jī)物的資源化利用和有機(jī)物中能量的有效回收等技術(shù)問(wèn)題，不僅解決了有機(jī)廢棄物的環(huán) 境污染問(wèn)題，為處理有機(jī)廢棄物提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持，而且為有機(jī)廢棄物的資源化利 用和能量回收提供了一個(gè)典范； 2. 本發(fā)明將有機(jī)廢水依次通過(guò)微生物厭氧暗發(fā)酵制氨、微生物厭氧光發(fā)酵制氨和微生 物燃料電池進(jìn)行降解，實(shí)現(xiàn)了廢水的無(wú)害化處理； 3. 本發(fā)明將固態(tài)有機(jī)物進(jìn)行發(fā)酵處理，發(fā)酵后的沼渣、沼液和沼氣都進(jìn)行進(jìn)一步利用， 實(shí)現(xiàn)了固態(tài)有機(jī)物的資源化利用； 4. 本發(fā)明最終得到的能源物質(zhì)有此、CH4和生物質(zhì)能(微藻），并獲取了電能，實(shí)現(xiàn)了有 機(jī)廢棄物的能量回收； 5. 本發(fā)明將微生物燃料電池和微藻培養(yǎng)結(jié)合起來(lái)，分別對(duì)發(fā)酵制氨和沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的 氣體進(jìn)行提純，得到了較純的出和CH4，解決了發(fā)酵氣體提純的瓶頸問(wèn)題； 6. 本發(fā)明的所有設(shè)及的所有反應(yīng)都在常溫常壓下進(jìn)行，不需要額外的控溫控壓裝置， 系統(tǒng)簡(jiǎn)單，節(jié)約能源。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1為有機(jī)廢棄物梯級(jí)轉(zhuǎn)化產(chǎn)能系統(tǒng)及方法示意圖。
[0015] 圖2為微生物厭氧發(fā)酵制氨示意圖。
[0016] 圖3為沼氣發(fā)酵示意圖。
[0017] 圖4為微生物燃料電池示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的具體描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于 此。
[0019] 具體實(shí)施案例：結(jié)合圖1、圖2、圖3