CN101492698A

CN101492698A - 生物质厌氧发酵制取沼气的方法与设备

Info

Publication number: CN101492698A
Application number: CNA2009100680004A
Authority: CN
Inventors: 张书廷
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Jiangsu Le'er Environmental Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2029-03-02
Also published as: CN101492698B

Abstract

本发明涉及一种将生物质通过厌氧发酵制沼气的方法与设备，步骤如下：1)将生物难分解的生物质物料采用水热反应过程分解为生物易分解物质；2)将生物易分解物质进行生物加水分解，得到水解产物；3)将水解产物通过微生物的酸发酵转化为有机酸；4)将有机酸通过微生物转化为甲烷气；5)将步骤4)的剩余物料返回到步骤2)再进行生物加水分解。本发明通过回流循环浆态床式生物质的生物水解，酸发酵和甲烷发酵工艺，实现了高效率的发酵和无废液综合利用。通过超声波作用和振动分离得到甲烷菌并回流循环利用，保证了系统的高效运行。通过水热反应及其后的生物反应系统提高了生物质的转化率。

Description

生物质厌氧发酵制取沼气的方法与设备

技术领域

本发明涉及一种将生物质通过厌氧发酵制沼气的方法与设备，属于固体废物处理与资源化领域及新能源领域的技术。特别是植物秸秆的厌氧发酵制取沼气的方法。

背景技术

在农业生产过程中产生大量秸秆，树木产品制作过程中产生大量的锯末树皮及边角料等生物质废物，尤其是农业秸秆常被作为废物就地焚烧污染环境。另一方面，生物质中又含有大量的有机物，是丰富的资源，有关生物质的资源化已有很多探索。其中，要制成纯度高的产品则往往成本高，难于实用。而作为燃料直接燃烧，小规模则易污染，大规模则由于能量密度低，难于高效率利用。在农村的农户将其直接进行厌氧发酵生产沼气，虽简单易行，但因速度慢且转化率低，所以难于实现规模化处理和利用。而要实现规模化厌氧发酵制沼气，则需解决转化率低，速度慢和所产生废液的处理问题。

因此，探索包括植物秸秆在内的生物质高效可综合利用的厌氧发酵制沼气方法和设备对于开拓生物质的利用途径，从工程角度实现其资源化具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供将生物质高效厌氧发酵制取沼气，并使其综合利用不产生废物的方法和设备，该方法具有高效率不产生废物的特点。

本发明是通过下述技术方案加以实现的。

一种生物质厌氧发酵制取沼气的方法，其特征是步骤如下：

1).将生物难分解的生物质物料采用水热反应过程分解为生物易分解物质；

2).将生物易分解物质进行生物加水分解，得到水解产物；

3)将水解产物通过微生物的酸发酵转化为有机酸；

4)将有机酸通过微生物转化为甲烷气；

5).将步骤4)的剩余物料返回到步骤2)再进行生物加水分解。

本发明的生物质物料的厌氧发酵方法，通过水热反应将生物难分解物质分解为生物易分解物质，再通过生物水解得到生物易利用的物质，再通过酸发酵将生物易利用物质变成有机酸为甲烷气的生成创造条件。将甲烷发酵过程产生的物料向生物水解过程回流循环使未水解而没有被转变为甲烷的物质再次生物水解，提高生物质转化率和利用率。水热反应可采用普通的高温爆破，加温加酸，加温加碱等方法，如加硫酸，加氨水，温度在100-150℃等。生物水解，酸发酵，甲烷发酵等过程采用加温到37℃为佳，也可采用45℃。其过程中的菌体采用普通的厌氧发酵过程中的菌进行接菌即可，在本发明所控制的条件下菌体会逐步适应其生存条件，进行高效的发酵。

所述的生物水解过程，酸发酵过程及甲烷发酵过程的生物质物料含量为总重量的20～55％，这些过程均实施机械搅拌。在所述浓度下，物料呈浆状，既避免了固态发酵速度慢，转化率低，效率低的状况，又避免了传统的液相发酵，固含量低，产生大量废液难以处理的问题，这种浆态状大大缩小了体积，为作为沼肥利用提供了条件。但浆状物料间的物质传递也难以有效进行，由此会影响发酵效率，因此，通过搅拌达到物料的混合，促进物质传递，以保障发酵效率。即在搅拌的浆态床操作不仅可以实现高效率发酵还能实现废液利用，为低成本环保型生物质厌氧发酵奠定了基础。搅拌速度可根据具体情况而定，低速搅拌即可。

所述的生物水解过程和酸发酵过程可以在不同的反应器中进行，也可在同一反应器中进行。在同一反应器中进行可以根据具体情况对发酵条件进行适当的调控，有所侧重，易水解的生物质在水热反应中糖化彻底，则可减小其生物水解过程或直接进入酸发酵。

所述的甲烷发酵过程产生的物料通过菌渣分离后菌体返回甲烷发酵反应器，生物质渣的一部分回流到生物水解反应器，另一部分排出发酵系统。由于甲烷发酵菌的增殖速度慢，所以如不能将其回收则造成甲烷菌随发酵废物的排出而流失，会严重影响发酵速度。因此，菌体的回收就成为本技术能否应用的关键。菌体的回收回流保证了浆态发酵的高效顺利持续的进行。同时更重要的是通过回流循环解决了高浓度固体物质条件下，水热反应得到的糖类及酸发酵过程所产生的醋酸等有机酸类对菌体的抑制问题，使得高菌体活性与高浓度发酵两立并行。

所述的甲烷发酵过程产生的物料经超声波作用后再通过菌渣分离，其菌体返回甲烷发酵反应器，生物质渣的一部分回流到生物水解反应器，另一部分排出发酵系统。超声波作用促进了物料中气体的放出，使得菌渣分离更为容易进行。

所述的向发酵系统排出的物料鼓入空气进行好氧处理后排出作为肥料使用，或不加好氧处理直接作为肥料使用。通过好氧处理使得物料中的未分解物质进一步分解，并消除厌氧发酵的臭味，便于后续处理和作为肥料的使用。如发酵充分，无臭气，也可不进行好氧处理。在生物质的各个分解和发酵过程中残余的难分解物质通过向外排出，使得系统能够连续运转。

所述超声波处理条件为超声波密度为0.1～5.0W/cm²，作用时间20～300秒。

所述菌渣分离为振动方式，采用振动分离器。且所述的菌渣分离振动分离器至少由振动电机，发酵物料容器，振动发生机构组成。发酵物料容器盛装发酵物料，并在振动过程中使菌体与生物质渣相分离，从其各自的出口排出。振动电机提供振动动力，振动发生机构产生振动。振动机构可以根据具体情况选定和调节振动频率，振幅和机构倾斜度等。

本发明通过回流循环浆态床式生物质的生物水解，酸发酵和甲烷发酵工艺，实现了高效率的发酵和无废液综合利用。通过超声波作用和振动分离得到甲烷菌并回流循环利用，保证了系统的高效运行。通过水热反应及其后的生物反应系统提高了生物质的转化率。

附图说明

图1为本发明实施例1的流程示意图。

图中：1-生物质，2-水热反应罐，3-生物水解罐，4-酸发酵罐，5-甲烷发酵罐，6-超声波处理器，7-振动分离器，8-菌体部分，9-回流渣料，10-排出渣料，11-好氧处理槽，12-空气，13-厌氧发酵肥料，14-沼气。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：

实施例1.

如图1所示，将破碎到3mm的生物质1(本例中为玉米秸秆)送入物理化学处理的水热反应罐2(按生物质重量含量20％～25％)，按添加量为重量比2％加入硫酸，90℃条件下进行水热反应，将秸秆分解成生物易分解物质后，送入生物水解罐3，在37℃下经加水分解后，送入生物酸发酵罐4，在37℃下将物料分解成以醋酸为主的有机酸，再送入甲烷发酵罐5在37℃下将有机酸转变成甲烷。甲烷发酵结束后的物料排入超声波处理器6在0.15W/cm²，3min作用后，送入振动分离器7，经振动分离后将菌体8返送至甲烷发酵罐5中，从罐5排出的约70％的渣料9返送至生物水解罐3中再水解，其余30％的料渣10排入好氧处理槽11，在其中进行空气12曝气的好氧处理后排出作为肥料13使用。发酵过程产生的沼气14送入沼气净化系统，净化后作为燃料使用。水热反应罐，生物水解罐，酸发酵罐，甲烷发酵罐和好氧处理槽均设有机械搅拌装置，搅拌转速45转/分。转化率达到80％以上。对菌渣振动分离器的容器施以保温措施，使得物料的温度降低很少。生物水解罐，酸发酵罐和甲烷发酵罐中的微生物菌从普通的厌氧发酵设施中取得菌种进行接种，经过10-15日的培养驯化，即可适应本实施例的发酵条件，进行高效的发酵。

实施例2：

将破碎到2mm的小麦秸秆与木材锯末的混合物(按重量比，小麦秸秆∶木材锯末为6∶10)送往水热反应罐，经水热反应后进入生物反应系统。其反应系统如图1，反应条件如实施例1，所不同的是没有设置超声波处理器并且生物水解与酸发酵在同一罐中进行。酸发酵罐和甲烷发酵罐等生物反应系统中的生物质重量含量为30％～35％之间。转化率达到75％以上。

实施例3：

将破碎到3mm的水稻秸秆与1mm的木薯秆(按重量比，水稻秸秆∶木薯秆为6.5∶10)送入水热反应罐水解(138℃，水热反应物料中氨水含量2％)后送入如图1所示的系统中进行生物处理得到沼气。所不同的是在45℃下经加水分解后，送入生物酸发酵罐4，在45℃下将物料分解成以醋酸为主的有机酸，再送入甲烷发酵罐5在45℃下将有机酸转变成甲烷。排出的物料不经空气曝气的好氧处理，直接作肥料使用。在生物水解罐，酸发酵罐，甲烷发酵罐中的生物质重量含量为45％-50％，超声波在3W/cm²下，作用0.2min。转化率达到78％以上。

Claims

1.一种生物质厌氧发酵制取沼气的方法，其特征是步骤如下：

2).将生物易分解物质进行生物加水分解，得到水解产物；

3)将水解产物通过微生物的酸发酵转化为有机酸；

4)将有机酸通过微生物转化为甲烷气；

5).将步骤4)的剩余物料返回到步骤2)再进行生物加水分解。

2.如权利要求1所述的生物质厌氧发酵制取沼气的方法，其特征是所述的步骤2)、3)和4)的生物质物料含量为总重量的20～55％。

3.如权利要求1所述的生物质厌氧发酵制取沼气的方法，其特征是所述的步骤2)、3)和4)的过程均实施机械搅拌。

4.如权利要求1所述的生物质厌氧发酵制取沼气的方法，其特征是所述的步骤2)和3)在不同的反应器中进行或在同一反应器中进行。

5.如权利要求1所述的生物质厌氧发酵制取沼气的方法，其特征是所述的步骤5)是：甲烷发酵过程产生的物料经超声波作用后再通过菌渣分离或不经超声波作用直接通过菌渣分离，所得菌体返回甲烷发酵反应器，生物质渣的一部分回流到生物水解反应器，生物质渣的另一部分排出发酵系统。

6.如权利要求5所述的生物质厌氧发酵制取沼气的方法，其特征是所述的超声波处理条件为超声波密度为0.1～5.0W/cm²，作用时间20～300秒。

7.如权利要求5所述的生物质厌氧发酵制取沼气的方法，其特征是所述的菌渣分离采用振动分离器的振动方式。

8.如权利要求5所述的生物质厌氧发酵制取沼气的方法，其特征是排出发酵系统的物料的处理方法是向排出的物料鼓入空气进行好氧处理后排出作为肥料使用，或不加好氧处理直接作为肥料使用。

9.如权利要求5或7的生物质厌氧发酵制取沼气的方法的装置，其特征是菌渣分离振动分离器至少由振动电机，发酵物料容器和振动发生机构组成。