CN101012436B - 一种处理木质纤维素原料的厌氧反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于可再生能源开发利用与环境保护领域，具体涉及一种处理木质纤维素原料的厌氧反应器，在产甲烷发酵间(1)顶部有沼气出口，产甲烷发酵间(1)上端设有出水溢流槽(2)，底部设有布水器(13)，产甲烷发酵间(1)外有至少一个产酸发酵间(4)，产酸发酵间(4)的下部设有滤板(8)，产酸发酵间(4)的底部有管道与布水器(13)相通。发酵按干湿发酵相结合的工艺运行，可以按“加料—缺氧发酵—连续循环充水—排水—排渣”的先后顺序周期批处理运行。本发明解决了木质纤维原料厌氧发酵存在的发酵周期长，静态发酵易结壳，动态发酵需要搅拌的问题。
Description
技术领域
本发明涉及可再生能源开发利用与环境保护领域，具体的说涉及一种主要用于通过厌氧发酵从秸秆等木质纤维素原料中提取沼气，并同时产出固态和液态有机肥的厌氧反应器。
背景技术
厌氧生物技术在有机废弃物转化领域的应用越来越普遍，特别是随着人类对可再生能源开发利用的日益重视，以该技术转化固体有机物生产能源已经成为了该技术发展的一个重要方向。在各种固体有机物资源中，秸秆等木质纤维素原料是资源量最为丰富的一类，全世界每年约生产各种农作物秸秆35～40亿吨，而该类原料的结构特性成为制约它们通过厌氧生物转化利用的主要技术障碍。
木质纤维素原料主要由木质素、纤维素和半纤维素三种成分组成。纤维素是由β，D-葡萄糖基通过1，4-苷键联结而成的线形高分子化合物；半纤维素是由多种糖基，糖醛酸基所组成的，并且分子中往往带有支链的复合聚糖的总称；而木质素则是由苯基丙烷结构单元通过醚键，碳一碳键联结而成的芳香族高分子化合物。木质素在植物细胞壁中与纤维素和半纤维素等碳水化合物结合在一起形成“木质素一碳水化合物联合体”(Lignin-carbohydratecomplexes，简称LCC)。LCC能保护植物细胞免受微生物的攻击，从而对植物的生长起到保护作用，但这也成了用生物方法降解木质纤维素原料的主要障碍。此外，由于木质纤维素原料存在流动性差、静态发酵易上浮等问题，所以目前对此类原料的处理多采用全混合厌氧反应器，通过机械搅拌实现原料与微生物的均匀混合，这增加了反应器的运行成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种产酸过程和产甲烷过程相分离的、可以批次处理的、节能的厌氧反应器。
本发明的目的可以通过以下措施达到：
一种处理木质纤维素原料的厌氧反应器，在产甲烷发酵间(1)顶部有沼气出口，产甲烷发酵间(1)上端设有出水溢流槽(2)，底部设有布水器(13)，产甲烷发酵间(1)外围有至少一个产酸发酵间(4)，产酸发酵间(4)的下部设有滤板(8)，产酸发酵间(4)的底部有管道与布水器(13)相通。
产甲烷发酵间(1)可以采用厌氧滤器(AF)、升流式厌氧污泥床(UASB)、厌氧滤器与升流式厌氧污泥床复合反应器(UBF)、膨胀颗粒污泥床(EGSB)或内循环反应器(IC)的结构。
产甲烷发酵间(1)优选采用厌氧滤器结构，在厌氧滤器结构的产甲烷发酵间(1)内设有至少一层支撑板(5)，支撑板(5)上有木质纤维填料组成的填料层。木质纤维填料选自经过揉搓处理的玉米秆、小麦秆、稻秸、芦苇或米草中的一种或几种，优选秸秆，Jonatan Andersson等人的研究证明秸秆用作厌氧生物滤器的填料无论是在提高沼气产率，还是在稳定发酵液的pH值等方面都具有较明显的优越性。
产甲烷发酵间(1)采用上流式运行，可以为颗粒污泥的形成创造基本的条件。填料分层填充，可以降低沟流发生的几率。产甲烷发酵间(1)上端设有出水溢流槽(2)，经过出水管(15)与外界相通。产甲烷发酵间(1)经过厌氧发酵后的出水通过出水管(15)一部分回流到产酸反应区，另一部分排放用作液态有机肥。
产酸发酵间(4)均匀环置于产甲烷发酵间(1)的导热性好的壁周围，其中产酸发酵间(4)优选2～10个，最优选2～10中的偶数个。设置多个产酸发酵间(4)可以将原料分批次处理，最佳的处理方式为将产酸发酵间(4)采取“顺序批处理”的发酵方式运行，即将外部的产酸发酵间(4)根据偶奇数相间分成两组(即偶数一组，奇数一组)，每一组按照“加料——缺氧发酵——连续循环充水——排水——排渣”的先后顺序周期运行。两组的运行在时间上相互衔接，保证产甲烷发酵间(1)进水连续的同时，也保证为产甲烷发酵间(1)供热的不间断性。
产酸发酵间(4)与布水器(13)相通的管道中设有进水泵(10)，滤板(8)渗滤出来的渗滤液可以通过进水泵(10)泵入到产甲烷发酵间(1)的布水器(13)中，由布水器(13)将渗滤液均匀分布在产甲烷发酵间(1)中。
产酸发酵间(4)的上部设有进料口(3)，进料口(3)处设有喷淋器(11)，喷淋器(11)的进口与回流泵(12)的出口相通，回流泵(12)的进口与产酸发酵间(4)的底部相通。进料口(3)进料后，通过喷淋器(11)向产酸发酵间(4)喷水。产酸发酵间(4)产酸发酵过程产生的渗滤液中的一部分可以通过回流泵(12)和喷淋器(11)回流到产酸反应区继续参与发酵。
产酸发酵间(4)产酸发酵后剩余的固态物质由排渣口(7)排出后大部分可用作有机肥，留小部分作为接种物。
最佳的反应器主体可以由2个同心圆柱体组成，内圆柱体为产甲烷发酵间(1)，外圆柱体和内圆柱体中间的部位为产酸发酵反应区，内圆柱体壁采用不锈钢、铜等导热性能良好的材料，产酸发酵反应区由隔板均匀分成若干个产酸发酵间(4)。这种结构设计一方面使反应器的结构更紧凑，另一方面有助于提高产甲烷发酵间(1)的温度。
本发明采用干湿发酵相结合的方法，即产酸发酵采用干发酵工艺，总固体含量TS为15％～25％，产甲烷发酵采用液体发酵。
本反应器的简要运行过程为：原料首先由进料口(3)加入，然后通过喷淋器(11)向产酸发酵间(4)喷水，产酸发酵过程中产生的挥发性有机酸等物质溶入水中，通过滤板(8)渗滤出来，渗滤液由进水泵(10)泵入到产甲烷发酵间(1)，经过厌氧发酵后的出水一部分回流到产酸反应区，另一部分排放用作液态有机肥。产酸发酵后剩余的固态物质由排渣口(7)排出后用作有机肥。
产酸发酵反应器可根据容积的变化被平均分割成若干等份的产酸发酵间(4)，例如2～10个，优选分割成偶数个，以下以分成6个为例对本发明进行说明。首先将木质纤维素原料做粉碎处理，然后和接种物混合均匀后放入产酸发酵间(4)，加水进行缺氧堆沤发酵，以达到初步破坏木质纤维素原料结构的目的，此过程产生的能量为产甲烷发酵间(1)所利用。堆沤发酵进行一段时间后，通过喷淋器(11)开始往其中的三个相互间隔的产酸发酵间(4)充水以溶解原料中的可溶成分，同时打开相应的与产甲烷发酵间(1)相连的阀门，以便使溶解了可溶成分的渗滤液通过重力进入到产甲烷发酵间(1)进行产甲烷反应。运行一定时间后，停止向这三个产酸发酵间(4)充水，与此同时开始往另外三个发酵间(4)充水并为产甲烷发酵间(1)继续供应渗滤料液。打开停止充水的三个发酵间的排水阀，排出反应中料液，该料液被集中收集后通过另外的管道和进水泵(10)输送到产甲烷反应器。待排水完毕，打开排渣口排放一部分料渣，排放的料渣一部分用作接种物与新原料重新混合后从进料口加入反应器，另一部分作为有机肥加以利用。由于排水过程中一部分空气被吸入，所以此时反应器开始新一轮缺氧堆沤发酵。待另外三个产酸发酵间(4)充水结束后转而重新为这三个产酸发酵间(4)充水。通过这样的操作，使每个产酸发酵间(4)按照“加料——缺氧发酵——连续循环充水——排水——排渣”的先后顺序周期运行。通过将产酸发酵间(4)分2批按周期交替轮流运行，一方面保证了产甲烷发酵间(1)运行的连续性，另一方面保证对产甲烷发酵间(1)加温的不间断性。从产甲烷发酵间(1)排出的一部分废水回流到产酸发酵反应器(4)。
运行过程中所有阀门的启闭通过自控装置来实现。
本发明所涉及的厌氧反应器及其工艺具有以下几方面的特点：
①通过结构设计在对厌氧发酵过程产酸相和产甲烷相进行物理分割的同时，还通过生物以及热协同效应强化了二者的有机联系；
②采用序批式的原料预处理工艺既有利于原料中木质纤维的降解，又可以实现排料的干湿分离，从而方便发酵残余物的后续利用；
③预处理过程产生的热量被产甲烷反应所利用，有效节省了反应器的加热保温费用；
④由于整个发酵过程不需搅拌，可以节省运行费用；
⑤本发明解决了木质纤维原料厌氧发酵存在的发酵周期长，静态发酵易结壳，动态发酵需要搅拌的问题。
附图说明
图1是本发明的厌氧反应器结构示意图。
图2是本发明厌氧反应器的A-A视图。
图中1为产甲烷发酵间，2为出水溢流槽，3为进料口，4为产酸发酵间，5为支撑板，6为填料，7为出渣口，8为滤板，9为阀门，10为进水泵，11为喷淋器，12为回流泵，13为布水器。
具体实施方式
下面结合说明书附图的详细说明仅仅是阐述本发明的普遍原理，并非限制性的，实际应用过程中可以根据原料的不同性质和处理要求进行合理的调整和修改。
秸秆等木质纤维素原料首先粉碎成1～2cm的颗粒，加水润湿后与接种污泥进行均匀混合，混合好的原料由进料口(3)投加到反应器的奇数产酸发酵间(4)(产酸发酵间以6个为例，第1，3，5个为奇数产酸发酵间，其余为偶数产酸发酵间)，进行3～7天的堆沤处理。堆沤结束后由进料口(3)部位喷淋器(11)进行喷水，以达到携带一定氧气的作用。根据需要水中可考虑投加一定比例的NH4HCO3用以调节发酵原料的C/N比。携带了原料堆沤过程所产生的可溶性有机物的渗滤液由滤板(8)进入下面的储液间，滤液一部分由进水泵(10)泵入反应器的产甲烷发酵间(1)，并由布水器(13)将液体均匀的分布，另一部分由回流泵(12)回流到产酸发酵间(4)，这期间向产酸发酵间(4)添加由进水泵(10)泵走的等量水，该水也可取部分产甲烷发酵间(1)的出水。当奇数产酸发酵间(4)出水COD浓度有显著降低时，停止进水，同时开始向几个偶数产酸发酵间(4)喷水(之前原料已在产酸发酵间(4)进行了3～7天的堆沤处理)，待渗滤液足以维持产甲烷发酵间(1)的连续稳定进水需要时，开启与偶数产酸发酵间(4)相连通管道上的进水泵(10)与阀门，同时关闭与奇数产酸发酵间(4)相连通管道上的泵(10)与阀门。停止向奇数产酸发酵间(4)进水后大约6～8小时打开其下部的排渣口(7)，将原料渣排出，大部分原料渣可直接用作有机肥进行出售或加工，留小部分渣作为接种物与新原料混合后重新添加到产酸发酵间(4)。然后开始下一个周期的运行。这样周而复始奇偶先后启动的产酸发酵间(4)就可交替进行批处理产酸发酵。进入到产甲烷发酵间(1)的渗滤液所含的可溶性有机物被附着在秸秆填料上的产甲烷微生物降解并最终产生甲烷，液体在产甲烷发酵间(1)的HRT(水力滞留时间)可以为1～2天，产生的甲烷可用于发电、供热等用途。液体由溢流堰汇集到溢流槽(2)并由出水管(15)排出，排出的液体一部分可用作产酸发酵间的喷淋液，另一部分可储存起来作为液体有机肥使用。
需要说明的是，本领域技术人员在不脱离本发明实质，即产酸发酵和产甲烷发酵物理分割、生物学和热学协同互补，产酸发酵顺序批处理进行，反应器两相发酵间一体化等特性条件下，可以在具体细节上根据需要进行合理的改变和调整。
Claims (6)
1.一种处理木质纤维素原料的厌氧反应器，其特征在于在产甲烷发酵间(1)顶部有沼气出口，产甲烷发酵间(1)上端设有出水溢流槽(2)，产甲烷发酵间(1)底部设有布水器(13)，产甲烷发酵间(1)外有至少一个产酸发酵间(4)，产酸发酵间(4)的下部设有滤板(8)，产酸发酵间(4)的底部有管道与布水器(13)相通；
其中产甲烷发酵间(1)采用厌氧滤器、升流式厌氧污泥床、厌氧滤器与升流式厌氧污泥床复合反应器、膨胀颗粒污泥床或内循环反应器的结构，产酸发酵间(4)均匀环置于产甲烷发酵间(1)的导热性好的壁周围。
2.根据权利要求1所述的厌氧反应器，其特征在于产甲烷发酵间(1)采用厌氧滤器的结构，在产甲烷发酵间(1)内设有至少一层支撑板(5)，支撑板(5)上有木质纤维填料组成的填料层。
3.根据权利要求2所述的厌氧反应器，其特征在于所述的木质纤维填料选自玉米秆、小麦秆、稻秸、芦苇或米草中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的厌氧反应器，其特征在于产酸发酵间(4)的数量为2～10个。
5.根据权利要求1所述的厌氧反应器，其特征在于产酸发酵间(4)的上部设有进料口(3)，进料口(3)处设有喷淋器(11)，喷淋器(11)通过回流泵(12)与产酸发酵间(4)的底部相通。
6.根据权利要求1所述的厌氧反应器，其特征在于产酸发酵间(4)与布水器(13)相通的管道中设有进水泵(10)。
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| Lucas Seghezzo.A Review:the anacrobic treatment of sewage in UASB andEGSB reactors.Bioresource Technology65 3.1998,65(3),175-190. * |
| 杜战鹏.EGSB反应器的生物特性及研究进展.工业安全与环保32 10.2006,32(10),8-10. |
| 杜战鹏.EGSB反应器的生物特性及研究进展.工业安全与环保32 10.2006,32(10),8-10. * |
| 陈莉莉.同时产甲烷反硝化在UASB反应器中的实现.中国沼气24 2.2006,24(2),3-7. |
| 陈莉莉.同时产甲烷反硝化在UASB反应器中的实现.中国沼气24 2.2006,24(2),3-7. * |
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