固体废物课程设计

XXX大学厨房垃圾资源化设计摘要：就XXX大学南昌校区而言，分为南区、北区、西区三个食堂，提供一万师生的吃饭。而产生的垃圾主以剩饭剩菜为主，其次为餐具洗涤废水。剩饭剩菜中主要以固相、液相以及油相为主。此项设计为：进行气液固及油水分离，分离的气相经处理后直接排放；水相处理达园林灌溉用水标准后用于城市绿化灌溉；固相有机质经干燥、粉碎、压缩等初步处理后送附近农场，添加菌种堆肥等进一步处理成有机肥，其他固相经灭菌处理后送垃圾填埋场；分离出的油相经化学反应处理成工业用油，如柴油、润滑油、表面活性物质合成用油、化妆品用油等。关键字：气液固相分离固相处理 油相转化设计目的及其意义餐饮垃圾是师生在生活消费过程中形成的一种生活废物，主要由液固相组成。清华大学固体废弃物污染控制与资源化研究所所长聂永丰介绍：“餐饮垃圾产生量为平均每天每人0.1千克，迅猛发展的餐饮业导致食品废物产量迅速增长，估计每天东华理工大学南昌校区餐饮垃圾产量大约为1吨”。如此多的餐饮垃圾，寻找使其资源化的有效途径，具有重大意义。餐馆垃圾的特点是来源广泛，分散程度大，馒水含量大，富含各种有机物质，夏天极易发酵、腐烂，形成令人不愉快的气体和有害微生物，容易在垃圾的收集、运输过程中造成各种污染，尤其是含有大量黄曲酶素的“地沟油”反流餐桌，已经严重危害了市民的健康，大量的餐饮垃圾已经成为城市污染以及危害人类健康的主要来源。另一方面，餐饮垃圾中含有的食用油、大量的有机物以及废水，这些都是放错地方的重要资源，餐饮垃圾无害化和资源化处理，变废为宝，已成为城市管理和建设的根本出路。餐饮垃圾的各种研究和处理多有报道，比如西宁市餐饮垃圾处理厂、固液离心分离工艺、有机废物微生物堆肥工艺、餐饮废油的精馏、生物柴油的转化、表面活性剂的催化合成等。为本研究提供了强有力的可行性支撑。有效的进行餐饮垃圾的流动收集，及时进行气液固及油水分离工作。分离的气相经处理后直接排放；水相处理达园林灌溉用水标准后用于城市绿化灌溉，实时排放，极大的节约了处理容器的空间，提高处理效率；固相有机质经干燥、粉碎、压缩等初步处理后送附近农场，添加菌种堆肥等进一步处理成有机肥，其他固相经灭菌处理后送垃圾填埋场；油相回收，经化学反应处理成工业用油，如柴油、润滑油、表面活性物质合成用油、化妆品用油等3基本理论和方法3.1固液分离3.1.1蒸煮1） 随着蒸煮时间的增加，上浮油含量先减小后增加。当蒸煮时间达到40min后，上浮油含量趋于稳定，故可确定本实验最佳蒸煮时间为40min。2） 当温度在50。。以下时，随着温度的升高,油珠聚结性能增强，从而油水分离的效果呈上升趋势，在50°C时油脂分离率达到极值。但当温度超过50°C,分离效果又开始减小，70C以后又上升，100C时达到最大值，所以可确定在本实验条件下最佳蒸煮温度为100C。3） 通过2组实验的对比发现，餐饮垃圾含油率对其油脂分离回收率有影响。含油率高的餐饮垃圾油脂分离率高，所以高含油率的餐饮垃圾更适合用此收油脂，对于低含油率的餐饮垃圾可与高含油率的混合，提高处理效果。4） 在高含油率的餐饮垃圾中，水中油的含量随着加热时间的延长而增多，随着温度的上升先减小后增加，在40°C时。3.1.2固液分离1） 用分液漏斗进行油水分离时，在混合液体倒入分液漏斗的过程中，油水混合物会经过很大的波动，已经聚合成的大油滴可能会又被撞击为分散的小油滴，从而增加了实验的误差，建议在相关研究中尽量避免。2） 本实验中引用矿物油的浸提方法，采用的溶剂石油醚是有毒有害物质，且适用于矿物油，故可针对餐饮垃圾废油寻求一种无毒无害的适宜溶剂进行实验。3）此实验温度范围选定30~100C,建议在以后的实验过程中加大温度范围。3.2固相处理3.2.1厌氧消化原理厌氧消化（AnaerobicDigestion）又称甲烷发酵（MethaneFementation）或沼气发酵。厌氧消化过程就是有机物质在特定的厌氧条件F,微生物将有机质进行分解，其中一部分碳素物质转化为甲烷和二氧化碳。在这个转化作用中，被分解的有机碳化物中的能量大部分储存在甲烷中，仅一小部分有机碳化物氧化成二氧化碳，释放的能量作为微生物生命活动的需要。厌氧生物处理工艺稳定、运行简单、减少剩余污泥处置费用，具有生态和经济上的优点。在废水处理中，厌氧消化具有悠久的历史。而在有机垃圾处理中，厌氧消化的发展是从20世纪70年代能源危机开始的，特别是近30年发展速度很快。厌氧消化作为垃圾处理方法的一种，已经成为有机垃圾处理的发展方向之一。在废物的厌氧处理过程中，废物中的有机物经大量微生物的共同作用，被最终转化为甲烷、二氧化碳、水、硫化氢和氨。在此过程中，不同的微生物的代谢过程相互影响，相互制约，形成复杂的生态系统。复杂物料的厌氧降解过程可以被分为四个阶段。3.2.2国内的餐饮有机垃圾厌氧消化处理研究状况国内厌氧消化应用最广泛的是农村沼气发酵。中国农村的沼气发酵就是典型的利用厌氧消化法处理废物获得能源的代表。中国发展厌氧消化始于20世纪30年代，经过几度反复，直至70年代后期才开始较稳步地发展。至今已有单池容积6—10m3的农村家用池570万只，容积在100m3以上的大中型沼气工程装置540多处，城镇生活污水厌氧消化净化池3.6万只，在获取能源、净化环境方面起到了很好作用，使我国有“世界沼气之乡”之美称。“。近年来国内有一些生活垃圾或城市有机垃圾厌氧消化处理的研究与报道。这些生活垃圾或城市有机垃圾基本上都以餐饮垃圾为主体，餐饮垃圾的比例都在70%以上。现将以餐饮有机垃圾为主的生活垃圾或城市有机垃圾厌氧消化处理的研究状况介绍如下：尔南大学的何惠君和梅翔“”，曾利用厌氧附着膨胀床（AAF盼）工艺，对生活垃圾进行厌氧发酵处理，来制取沼气的实验。试验表明：生活垃圾分类收集、捣碎和稀酸水解等预处理工序后制成浆液，作为从FEB反应器的进料可以获得很高的运行效率，并回收沼气。容积c0D负荷宜控制在20kg8D/（m3•d），一吨垃圾可产沼气41.49m3，沼气中甲烷含量达59%以上。清华大学的张光明与王伟“”也曾对城市垃圾进行实验室规模的厌氧消化制取沼气的实验结果表明，生活垃圾经分类收集、破碎、搅拌粉碎后，进行厌氧处理，可以获得较高的处理效率，并能回收沼气。最佳进料固体浓度是16%；水力停留时间应大于10天，以15天为宦。一吨有机垃圾可产气110m3,其中甲烷含量高于53%。并在此基础上，进行了物料平衡和c0D利用率计算。冷成保、肖波、杨家宽“”等人提出了城市生活垃圾的高固体含量厌氧消化处方法并对此进行了研究。结果表明，城市生活垃圾的高固体含量厌氧消化处理是生活垃圾最好的处理方式之〜，垃圾不仅可以得到即时即地的大量处理，最大限度地减少垃圾的污染，同时，还可以产生很好的经济效益和巨大的环境效益，这种垃圾处理方式值得应用和推广。厌氧消化处理工艺如图1.1所示贮气柜———用户回流各科3.3含油废水处理3.3.1盐析法其基本原理是，压缩油粒与水界面处双电层的厚度，使油粒脱稳。实验表明:单纯盐析法投药量大(1%〜5%),聚析速度慢,沉降分离时间一般在24h以上，设备占地面积大,而且对由表面活性剂稳定的含油乳状液的处理效果不好。但该法由于操作简单，费用较低,所以使用较多，作为初级处理应用更为广泛3.3.2凝聚法近年来，应用得比较多的是用絮凝剂除油的方法。常用的无机絮凝剂是铝盐和铁盐，特别是近年来出现的无机高分子凝聚剂，如聚硫酸铁、聚氯化铝等，具有用量少、效率高的特点，而且使用时最优pH也较宽。虽然无机絮凝剂法的处理速度快，装置比盐析法小，但药剂较贵，污泥生成量多。如:若用三价铁离子作絮凝剂,则每除去1L油会产生30L含有大量水分(约95%)的油-氢氧化铁污泥。这样，必然带来令人讨厌的既麻烦又昂贵的污泥脱水和污泥处理问题。最近，有机高分子凝聚剂的研究发展很快，但根据Zame等人的桥连学说，将它用于处理分散油及乳状油仍是困难的。虽然的研究表明，用阳离子型高分子絮凝剂季胺化聚丙烯酰胺和聚乙烯亚胺等，对由十二烷基磺酸钠等阴离子表面活性剂稳定的大豆油/水乳状液进行絮凝处理，去浊率达到99.5%以上，但目前有机高分子絮凝剂在含油废水处理方面的应用仍然主要是用作其它方法的辅助剂。3.3.3电化学法以金属铝或铁作阳极电解处理含油废水的方法，主要适用于机加工工业中冷却润滑液在化学絮凝后的二级处理。目前该方法已得到广泛应用。国内外使用较多的是小间隙（1mm）高流速旋转电极装置，对其存在的阳极钝化问题虽研究较多，但仍未根本解决。有人还设计了其它形状的电解装置，据称，该装置可减小阳极钝化并提高絮凝效果。利用定时交换电极极性的方法,也能有效地除去电极上的钝化物。进一步的研究工作还有，在电絮凝过程中加入阳离子型高分子凝聚剂以及自动控制装置的设计等。电絮凝法具有处理效果好、占地面积小、操作简单、浮渣量相对较少等优点，但是它存在阳极金属消耗量大、需要大量盐类作辅助药剂、耗电量高、运行费用较高等缺点。值得注意的是，为节省优质金属材料，许多研究工作采用不锈钢等作筐形电极,在筐内填充由金属加工中产生的铁屑等废料作为溶解性阳极。但普遍存在的问题是,金属屑之间的电接触破坏和金属屑孔被水解产物堵塞，从而导致电阻很快增加。对此，虽有不少研究，但改进效果并不理想，较难用于实际。3.3.4吸附法活性炭是一种优良的吸附剂，它不仅对油有很好的吸附性能,而且能同时有效地吸附废水中的其它有机物，但吸附容量有限（对油一般为30〜80mg/g）,且成本高，再生困难,故一般只用于含油废水的深度处理。寻求新的吸油剂方面的研究，已有不少报道。其中一种吸油剂，是由质量分数为5%〜80%的具有吸油性能的无机填充剂（如镁或铁的盐类、氧化物等）与20%〜95%的交联聚合物（如聚乙烯、聚苯乙烯等）组成。据称，这种吸油剂对油的吸附容量可达0.3〜0.6g/g，但一般需要接触时间很长，如废水的油含量为120mg/L时,需处理50h，油含量才能降至0.8mg/L。为提高吸油材料的亲油性,改善其对油的吸附性能,也有人采用C6〜C60的脂肪族胺或其衍生物处理无机吸油填充剂与有机聚合物混合而成的吸油材料。用这种经过加工的吸油材料，油含量为100mg/L的废水，出水油含量一般大于5mg/L,而吸附容量增加至3.1g/g。另外，陈淑云等［9］采用亲油憎水性物质处理泥炭，制得的吸附剂对油的吸附容量达到5g/g,废水中油的净化率为95%，但接触时间仍需较长。3.3.5生物化学分离生化分离技术是指利用微生物将餐饮废水中的烃类物质分解氧化成为二氧化碳和水，从而去除废水中的乳化油和溶解油等烃类物质。餐饮废水生化分离技术包括活性污泥分离技术和生物膜分离技术。前者是利用吸附、浓缩在流动状态的絮凝体（活性污泥）表面上的微生物来分解有机物，后者是使微生物附着在固定的载体（滤料）上，污水从上而下流经滤料表面过程中，污水中的有机物质便被微生物吸附和分解破坏。孙水裕等将生物分离技术和磁分离技术相结合对餐饮废水进行油水分离。在与普通活性污泥分离技术对比后，发现该技术的出水透光率和COD去除率都比普通活性污泥分离技术要高，并且极大改善了活性污泥絮体结构和沉降性能。尹艳华等利用单通道管状陶瓷生物膜反应器对餐饮废水进行了油水分离研究。研究结果表明，餐饮废水经膜生物反应器处理后，油水分离效果明显。其膜通量会受到压力和温度的影响，但过高的膜面流速并不会有太好的分离效果。生物分离技术处理餐饮废水对油水分离有较好的处理效果，出水水质好，但是对进水要求较高，需要专业人员维护，而且基建费用高。3.3.6重力分离技术重力分离技术，作为物理除油技术中最简单且运用最广泛的一种方法，是利用油脂与水的密度差及互不相溶性来实现油珠、悬浮物与水的分层与分离。重力分离技术常用的设备是隔油池，包括平流隔油池（AP）I、斜板隔油池（PP）I、波纹斜板隔油池（CPI）[2]等类型。离心分离技术是利用两相的密度差，通过高速旋转产生不同的离心力，使轻组分油和重组分水分布在旋转器壁面和中心，最终实现较为彻底的油水分离。该技术所需的停留时间较短，也不需要过大的设备体积；但同时存在着阻力较大、能耗过高、维护不易等缺点。离心分离技术常用的工作设备是水力旋流器物理分离技术的主要发展趋势是继续改进油水分离技术，并研制出新的分离设备。采用重力分离技术对餐饮废水进行油水分离。在先后经过除杂、破乳和吸附等一系列程序后，位于水面上层的油由滤油槽收集，底部的清水则通过下方的出口排放。罗树雄等采用了液位器与重力分离技术相结合的途径来进行油水分离。此方法改善了分离后液位监测的自动化程度，并且降低了制造成本。不足之处是只能除掉餐饮废水中的部分悬浮油和分散油，油水分离效果不明显，只能作为餐饮废水除油的前期处理手段。采用了斜板聚结和连通器原理来改进餐饮废水的重力分离技术。装置中为了达到充分聚结、减小集油面积以及收集不同液位油层的目的，分别采用了斜板填充容器、倾斜箱盖和旋转式空心圆筒型集油器等改进技术，并最终通过实验证明了该装置分离效果的可行性。将餐饮废水传统收集法（指用废水罐静置）和收集罐法（指自行设计的废水回收装置）、水洗过滤法和离心法进行了对比。实验结果表明，采用餐饮废水收集罐法得到的提油率显著高于传统法，水洗过滤法的提油率高于在30°C和粉碎条件下的离心法，两者均是有效分离城市餐饮泔水油的新方法。运用重力分离技术不仅除油效果稳定，而且具有设备结构简单、操作容易、节省面积等优点，因此被广泛应用。其主要用于分离餐饮废水中的悬浮油和分散油，但不适于溶解油或乳化油的去除。表1各种处理方法比较方法名称适用范围去除粒名/pin* 主要优点主要缺点重力分离浮油、分散油>60效果稳定，运行费用低占地面积大加压气浮分散油、乳化油>10效果好，工艺成熟占地面积大，浮油难处理化学凝聚乳化油>10效果好，工艺成熟占地面积大，药剂用量多，污泥难处理电解乳化油>10除油率高，连续操作装置复杂，耗电量大,消耗大量铝材，难大型化电磁吸附乳化油<60除油率高，装置占地面积小耗电量大，工艺未成熟膜过滤乳化油、溶解油<60出水水质好，设备简单膜清洗困难，操作费用高砂滤分散油>10出水水质好，投资少，无浮油反吹操作要求较高粗粒化分散油、乳化油>10设备小型化，操作简单滤料易堵，存在表面活性剂时效果差活性污泥溶解油<10出水水质好，基建费用较低进水要求高，操作费用高生物滤池溶解油<10适应性强，运行费用低基建费用高吸附溶解油<10出水水质好，设备占地面积小吸附剂再生困难，投资较高3.4油相转化3.4.1餐饮废油预处理取一定量的餐饮废油原料，水浴加热融化，静置，经过滤、离心分离，除去固体杂质；加热到105--.110^进行除水，直到没有水泡冒出；利用无水乙醇萃取脱酸降低废油酸值；将分离后的油层在一定温度下加入一定量的活性炭，充分搅拌，脱色一段时间后过滤。嘲3.4.2酯交换制备生物柴油的过程在装有搅拌器、温度计和冷凝管的三口烧瓶中加入一定比例预处理后的原料油和甲醇，然后加入一定比倒的甲醇钠催化剂，搅拌均匀后，水浴加热，控制反应温度和反应时间直至结束。放人分液漏斗中静置分层，下层为甘油，上层为粗生物柴油。将粗生物柴油进行常压蒸馏、干燥，即得到浅黄色的生物柴油。2.1醇加入量对酯交换反应的影响取100g经预处理后的废油，加入1g的催化剂，分别加人不同用量的甲醇，在70^条件下反应2h，取产物进行分析，考察甲醇加入量对酯交换反应的影响。实验结果如图l所示。856S1~1~~1~-~1~-―1~L5 6 7 8 9醇油比/(vol/aoD由图1可见，随着醇油比（甲醇与原料油物质的量比）的增加，生物柴油的得率不断提高，当醇油比大于7：1时，即甲醇用量过大时，生物柴油的得率反而下降。这是由于甲醇用量的增加将使反应物油脂的浓度下降，导致总的醇解反应速率下降，且过量的甲醇也提高了回收甲醇的费用。因此，选择醇油比为7：1。3.4.3催化剂用量对醇交换反应的影响取100g废油，按照7：1的醇油比加人甲醇，分别加入不同用量的催化剂，在7DP条件下反应2h，取产物进行分析，考察催化剂用量（催化剂质量占废油质量的百分比）对酯交换反应的影响。实验结果如图2所示。由图2可见，随着催化荆用量的增加，生物柴油的得率也迅速提高，但当催化剂加入量超过废油质量1.0%时，继续增加催化剂用量，生物柴油的得率反而有所下降。这是因为当催化剂用量过多时，会引起皂化反应，增加了反应液中乳胶状物质的生成，使反应物黏度提高甚至最终形成凝胶，影响产物的生成，同时使产物的分离更加困难，增大了水洗步骤的用水量，增加了废液的排放量。因此，实验选定催化剂用量为废油质量的1.0%。3.4.4反应温度对酯交换反应的影响取100g废油，加入1g的催化剂，按照7：1的醇油比加入甲醇，在不同温度下反应2h，取产物进行分析，考察反应温度对酯交换反应的影响。实验结果如图3所示。90「50 60 70 80 90反应温度/X：由图3可见，生物柴油的得率随着温度的升高而升高。这是由于温度低时，酯交换反应速率较小，随着温度的升高，反应物活性增大，反应速度加快，生物柴油的得率升高。当温度超过70r时，生物柴油的得率有所下降。这是因为温度继续升高，超过甲醇的沸点，导致反应系统中的大量甲醇挥发，液相中甲醇浓度降低，致使反应产率下降，但是由于反应系统中甲醇过量，因此对得率的影响不大.所以为了降低加热能耗，从而降低生产生物柴油的成本，本实验选取反应温度为70r.2.4反应时间对酯交换反应的影响取100g废油，加入1g催化剂，按照7：1的醇油比加入甲醇，在70°C下反应，考察反应时问对酯交换反应的影响。实验结果如图4所示。90反应时间/h由图4可见，随着反应时间的延长，生物柴油的得率不断提高。当反应时间超过1.5h时，生物柴油的得率有所下降。这是因为反应初期，反应还未达到平衡，增加反应时间使反应向正方向进行，生物柴油的得率不断提高。当反应时间超过1.5h时，反应趋于平衡，继续延长反应时间，会导致副反应一一皂化反应的进行，从