CN101402096A - 城市生物质垃圾两相厌氧消化产酸相反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市生物质垃圾两相厌氧消化产酸相反应器。它具有由耐蚀不锈钢薄内筒和普通碳钢外筒复合而成的密闭立式釜体。釜体外部焊有蜂窝夹套，内部固定有空心导流筒，两者内部均通有加热介质，在温度感应探头和温控仪的联合控制下，能共同完成加热保温操作。进入反应器的生物质垃圾采用流阻较小的多层推进式螺旋桨叶进行机械搅拌，同时配合有导流筒的强制限流，能实现料液的低耗高效混合。旋转的内搅拌装置与静止釜体之间通过动密封元件进行机械密封。该产酸相反应器兼搅拌混合、反应发酵、加热保温等功能于一身，具有良好的节能环保特性，能将高固体城市生物质垃圾消化为可被甲烷菌直接利用的小分子有机酸。

Description

城市生物质垃圾两相厌氧消化产酸相反应器

技术领域

本发明涉及固体废物的处理，尤其是涉及一种城市生物质垃圾两相厌氧消化产酸相反应器。

背景技术

随着社会经济的发展和城市化进程的加快，我国城市固体废物的产生量迅速增加，尤其是城市固体废物中大量存在的果蔬、餐厨等生物质垃圾，成为固体废物污染环境的主要污染源。这类垃圾如果随意堆放，将造成城市环境的污染破坏；如果被用于肉猪养殖，极易导致传染病传播；如果直接填满或焚烧，又造成生物质能量的浪费。

厌氧消化是在特定的厌氧环境下，借助多种微生物菌群，将垃圾中的有机物转化为甲烷、二氧化碳、无机营养物质和腐殖质的过程。由于城市生物质垃圾中富含溶解性物质(糖、淀粉、氨基酸)、纤维素、脂肪、蛋白质等有机物，且含水率高，因此可以采用厌氧消化技术对其进行减量化、资源化、高值化处理，目前利用该技术进行城市生物质垃圾处理的研究已成为国内外环保科技领域的研究热点。

利用厌氧消化技术处理城市生物质垃圾具有其他处理方法所无法比拟的优点：(1)厌氧系统可以处理固含率为10～25％的有机废弃物，而城市生物质垃圾的固含率达15～20％，因此消化前既不需要加水，也不需要脱水，简化了前处理，也节约了能耗；(2)通常，有机物的碳氮比在20～30间最适合厌氧消化，而城市生物质垃圾的碳氮比在15～25之间，因此非常适合厌氧消化，无须外加猪粪或污泥等其他有机废物；(3)在厌氧消化过程会有大量富含甲烷的沼气产生，除能满足垃圾处理厂本身使用外，多余能源还可外供，而采用好氧消化则需要大量的额外能耗；(4)厌氧消化采用全密闭系统，对环境造成的负面影响小，且系统具有较高的有机负荷承受能力，发酵周期短，能够及时处理不断产生的生物质垃圾，尤其适合环境要求高的城市；(5)经厌氧消化的城市生物质垃圾，除产生沼气外，还会有沼液和沼渣产生，这些固液残渣经浓缩、过滤等操作并根据需求添加相应的营养元素后，可制成高效、无污染的特种肥料，从而增加产品的附加值。

城市生物质垃圾成分复杂，其厌氧消化过程可分为两个阶段，即水解产酸阶段和发酵产气阶段。其中第一阶段，产氢、产乙酸菌将城市生物质垃圾中的大分子有机物转化为能被甲烷菌直接利用的小分子有机物，如乙酸、甲酸、甲醇和甲胺等；第二阶段是产甲烷菌把前一阶段产生的乙酸、甲酸、甲醇和甲胺等基质通过不同途径转化为甲烷。根据产酸阶段和产气阶段是否在同一反应器内完成，厌氧消化可分为单相法和两相法两种。相比之下，由于产酸菌和产甲烷菌在生理学、营养需求、生长速度及对周围环境的敏感程度等方面存在较大差异，因此在单相法厌氧消化中两者的平衡是非常脆弱的，系统运行很不稳定，难于控制。而两相厌氧消化中把产酸阶段和产甲烷阶段分离在两个串联的独立反应器中完成，使产酸菌和产甲烷菌各自在最佳环境条件下生长，这样不仅有利于充分发挥各自的活性，而且提高了消化效果，达到了提高容积负荷率、减少反应体积、增加运行稳定性的目的。

对一般的小分子有机物而言，水解产酸较易实现，相对来说发酵产气阶段就成为整个反应的限速阶段。但对于富含碳水化合物、蛋白质和脂类等大分子有机物的城市生物质垃圾来说，水解产酸阶段更为关键，它直接影响整个厌氧消化的速率和后续产气阶段的甲烷生成量，因此开发高效、低耗、环保的产酸相反应器就成为城市生物质垃圾两相厌氧消化技术实现的核心所在，而产气相反应器采用广泛采用的上流式厌氧反应器(UASB)即可。

适于城市生物质垃圾两相厌氧消化的工业规模产酸相反应器的设计，必须充分解决搅拌混合、加热保温、防腐延寿等多方面的问题，目前国内尚无成熟定型的设备可供选取，为数不多的小型实验装置主要依靠进口，价格昂贵。因此开发适合我国生物质垃圾特性的大型酸相反应器，已成为我国城市固体废弃物处理领域的迫切需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种城市生物质垃圾两相厌氧消化产酸相反应器，通过将高固体生物质垃圾低耗高效水解酸化，为后续发酵产气阶段提供能被甲烷菌直接利用的小分子有机酸，最终获取沼气和高效液肥、固肥等高附加值产品，实现城市生物质垃圾的减量化、资源化、高值化处理。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

它具有密闭立式釜体，釜体外部焊有加热蜂窝夹套，蜂窝夹套内部通过钢架固定有导流筒，蜂窝夹套的上下侧面分别设有夹套加热介质出口和夹套加热介质进口，导流筒的上下侧面分别设有导流筒加热介质出口和导流筒加热介质进口，釜体下方圆柱侧面布置与城市生物质垃圾粉碎预处理装置相接的原料进口管，釜体底部设有与固液离心分离装置相连的酸化液排出口，釜体顶部通过机架居中固定了与装在导流筒的内搅拌装置相连的减速机和电机，旋转的搅拌装置与静止釜体之间通过动密封元件进行机械密封，温度感应探头从釜体顶部一侧插入进行酸化的物料中，探头接线与温控仪相连，釜体顶部另一侧设有用于反应气泄放的排气口，整个反应器通过釜体底部的裙座进行支撑。

所述的釜体顶部为椭圆形封头，底部为锥形封头，直圆柱筒段为耐蚀不锈钢薄内筒和普通碳钢外筒构成的复合结构，普通碳钢外筒的厚度根据压力水平的差异由下向上分段阶梯减薄。

所述的搅拌装置具有推进式螺旋桨叶，且由上到下分2～4层布

所述的导流筒是由两直径不同、长度相同的同心圆筒经端部密封焊接而成的空心箱体，兼作内加热元件。

与常规厌氧消化反应器相比，本发明中的用于城市生物质垃圾两相厌氧消化第一阶段的产酸相反应器具有良好的节能环保特性，具体体现在：

(1)该产酸相反应器采用集成设计，兼搅拌混合、反应发酵、加热保温等功能于一身，成为典型的多功能设备，可减少单功能设备串联的中间环节和设备投资，且不占用空间；

(2)实现了反应器的低耗高效运行。采用流阻较小的三层推进式螺旋桨叶和导流筒组合搅拌方式，能确保粘度较大的高固体生物质垃圾在较低能耗下获取较好的混合效果，且可避免常规气流搅拌中高成本的气体分离或因采用易燃易爆的甲烷压缩气而导致的爆炸风险。此外，蜂窝夹套和导流筒作为内外加热元件，对热媒的要求很低，采用低品位的蒸汽或热水即能将反应介质温度控制在30～35℃；

(3)具有良好的环保特性。该产酸相反应器在消除城市生物质垃圾这种一次污染物的同时，不会对环境造成额外的二次污染。整个反应器均密闭运行，内部保持微正压，使垃圾进口管的液位高于反应器内部液位，进而实现液封，同时旋转的搅拌装置与静止釜体间采用密封性能良好的机械密封结构，能有效避免外界空气逸入，从而创造了良好的厌氧消化环境。

附图说明

附图是本发明的结构原理示意图。

图中：1、原料进口管，2、蜂窝夹套，3、釜体，4、排气口，5、动密封元件，6、机架，7、减速机，8、电机，9、温控仪，10、夹套加热介质出口，11、导流筒加热介质出口，12、温度感应探头，13、导流筒，14、搅拌装置，15、钢架，16、酸化液排出口，17、裙座，18、夹套加热介质进口，19、导流筒加热介质出口。

具体实施方式

如附图所示，本发明它具有密闭立式釜体3，釜体3外部焊有加热蜂窝夹套2，蜂窝夹套2内部通过钢架15固定有导流筒13，蜂窝夹套2的上下侧面分别设有夹套加热介质出口10和夹套加热介质进口18，导流筒13的上下侧面分别设有导流筒加热介质出口11和导流筒加热介质进口19，釜体3下方圆柱侧面布置与城市生物质垃圾粉碎预处理装置相接的原料进口管1，釜体3底部设有与固液离心分离装置相连的酸化液排出口16，釜体3顶部通过机架6居中固定了与装在导流筒13的内搅拌装置14相连的减速机7和电机8，旋转的搅拌装置14与静止釜体3之间通过动密封元件5进行机械密封，温度感应探头12从釜体3顶部一侧插入进行酸化的物料中，探头接线与温控仪9相连，由温控仪9调节加热夹套2和导流筒13内的加热介质流量，釜体3顶部另一侧设有用于反应气泄放的排气口4，整个反应器通过釜体3底部的裙座17进行支撑。

所述的釜体3顶部为椭圆形封头，底部为锥形封头，便于高固体物料排放。直圆柱筒段为耐蚀不锈钢薄内筒和普通碳钢外筒构成的复合结构，普通碳钢外筒的厚度根据压力水平的差异由下向上分段阶梯减薄。在确保防腐安全的情况下，实现了低成本。同时碳钢外筒的厚度根据压力水平的差异由下向上分段阶梯减薄，进而实现筒体的等强度设计，可节省材料消耗，降低设备投资。

所述的搅拌装置14具有推进式螺旋桨叶，且由上到下分2～4层布置。它与导流筒13组合使用，能实现反应器容积动力比能耗的大大降低。

所述的加热蜂窝夹套2采用具有良好强度特性和传热特性的蜂窝夹套结构型式，使釜体3与蜂窝夹套2强度同时得到增强，且能够获得较高的传热系数，实现对反应器的高效加热与保温。

所述的导流筒13是由两直径不同、长度相同的同心圆筒经端部密封焊接而成的空心箱体，一方面它作为强化传质元件，在反应器内部形成双循环流场，优化搅拌混合效果，另一方面它作为内加热元件，配合外部蜂窝夹套2共同确保反应器内部介质温度均匀稳定。

本发明的工作原理如下：

工作过程中，经除杂、粉碎、脱油处理并适当调配的城市生物质垃圾，通过原料进口管1被送入密闭釜体3。釜体3内，搅拌装置14在由电机8、减速机7等构成的动力系统的驱动下，缓慢旋转，同时配合导流筒13的强制限流作用，在釜体3内形成物料的双循环流动，从而实现产酸菌与新进物料的充分混合，同时有利于反应生成的少量气体的逸出。此外，温度对水解酸化效率和产酸质量有重要影响，因此为获取适宜的厌氧消化温度环境，外部蜂窝夹套2和内部导流筒13内均通有低品位的加热介质。其中加热介质的流量由温控仪9控制，温控仪9根据温度感应探头12所测的实际温度与预设温度的差值，自动调节进料阀门开度，以确保釜体3内物料的温度均匀稳定。待反应器中物料水解酸化完成后，借助外部抽吸泵将酸化液从排出口16抽出并送入固液离心分离装置，供后续产甲烷阶段使用。由于厌氧消化必须在无氧环境进行，因此工作状态下的产酸相反应器内部保持微正压操作，这种情况下的垃圾原料进口管1的液位高于反应器内部液位，进而实现液封。同时旋转的内搅拌装置14与静止釜体3之间通过动密封元件5进行机械密封，能有效避免外界空气逸入，从而创造了良好的厌氧消化环境。

Claims (4)

1、一种城市生物质垃圾两相厌氧消化产酸相反应器，其特征在于：它具有密闭立式釜体(3)，釜体(3)外部焊有加热蜂窝夹套(2)，蜂窝夹套(2)内部通过钢架(15)固定有导流筒(13)，蜂窝夹套(2)的上下侧面分别设有夹套加热介质出口(10)和夹套加热介质进口(18)，导流筒(13)的上下侧面分别设有导流筒加热介质出口(11)和导流筒加热介质进口(19)。釜体(3)下方圆柱侧面布置与城市生物质垃圾粉碎预处理装置相接的原料进口管(1)，釜体(3)底部设有与固液离心分离装置相连的酸化液排出口(16)，釜体(3)顶部通过机架(6)居中固定了与装在导流筒(13)内的搅拌装置(14)相连的减速机(7)和电机(8)，旋转的搅拌装置(14)与静止釜体(3)之间通过动密封元件(5)进行机械密封，温度感应探头(12)从釜体(3)顶部一侧插入进行酸化的物料中，探头接线与温控仪(9)相连，釜体(3)顶部另一侧设有用于反应气泄放的排气口(4)，整个反应器通过釜体(3)底部的裙座(17)进行支撑。

2、根据权利要求1所述的一种城市生物质垃圾两相厌氧消化产酸相反应器，其特征在于：所述的釜体(3)顶部为椭圆形封头，底部为锥形封头，直圆柱筒段为耐蚀不锈钢薄内筒和普通碳钢外筒构成的复合结构，普通碳钢外筒的厚度根据压力水平的差异由下向上分段阶梯减薄。

3、根据权利要求1所述的一种城市生物质垃圾两相厌氧消化产酸相反应器，其特征在于：所述的搅拌装置(14)具有推进式螺旋桨叶，且由上到下分2～4层布置。

4、根据权利要求1所述的一种城市生物质垃圾两相厌氧消化产酸相反应器，其特征在于所述的导流筒(13)是由两直径不同、长度相同的同心圆筒经端部密封焊接而成的空心箱体，兼作内加热元件。

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