CN101812401A - 易腐性有机垃圾高固体两相三段厌氧消化产沼气的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种易腐性有机垃圾高固体两相三段厌氧消化产沼气的装置，包括水解产酸反应器、产甲烷反应器；前述两个反应器相连并在底部通过循环泵及管道连通；水解产酸反应器为固体渗滤床反应器，顶部设置布水器和喷淋头；中上部设置进料口，中下部设置多孔板和卸料口，底部设置排渣口，多孔板上面放置渗滤填料；产甲烷反应器由过滤填料床和纤维填料床组成，过滤填料床位于下部，纤维填料床位于上部；过滤床内放置过滤填料，纤维填料床内放置纤维填料架，纤维填料架上缠绕纤维填料。本发明装置加工工序简单、成本低廉、易于维护，性能稳定可靠，适用于各类易腐性有机垃圾的厌氧消化处理，具有高效稳定的易腐性有机垃圾厌氧消化产沼气能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种有机垃圾处理装置，更具体地说，本发明涉及一种以易腐性有机垃圾为原料的高固体两相三段厌氧消化产沼气的装置。
技术背景
易腐性有机垃圾主要指生活和生产过程中产生易腐败和易生物降解的废弃物，包括厨余垃圾、泔脚、蔬菜、水果和肉类加工废弃物等。由于城市化进程的加快以及生活水平的提高，易腐性有机垃圾不仅在绝对产量上显著增加，而且在城市生后垃圾中的所占的比例也大幅提高，目前该部分垃圾占城市生活垃圾总量的50％以上。易腐性有机垃圾最大的特点是水分含量和有机质含量较高，水分含量一般在70％以上，有机质含量以干基计一般在90％以上。上述特点使得目前的主要城市生活垃圾处理技术均存在一些问题，例如，较高的有机质含量导致在填埋过程中产生大量污染地下水和土壤圈的渗滤液以及无序排放的温室气体甲烷；而较高的水分含量导致焚烧处理时需要添加大量额外的辅助燃料。实际上，如今的卫生填埋对选址要求较高，且占地面地较大，在许多大城市，已经很难找到适合卫生填埋的场地；对于焚烧处理，由于存在二次污染等问题，目前政府和民众对焚烧处理也持谨慎的态度。因此，迫切需要开发一种新的无二次污染且占地面积小的处理方式。对易腐性有机垃圾的有效处理能够为城市生活垃圾处理做出很大贡献。高水分含量和高有机质含量的特点使得易腐性有机垃圾更适于进行厌氧消化处理，而且在处理垃圾的同时能获得清洁可再生能源(沼气)。
有机质厌氧消化产甲烷过程包括4个步骤：胞外水解、产酸、产乙酸和产甲烷。胞外水解步骤指在多聚糖酶、淀粉酶、纤维素酶、蛋白质酶和脂肪酶的作用下，将多糖、淀粉、膳食纤维、蛋白质和脂类水解为单糖、氨基酸、甘油和长链脂肪酸；产酸步骤指水解产生的小分子化合物在产酸菌的作用下分解为更简单的乙酸、丙酸、丁酸、丙酮酸、乳酸、戊酸、乙醇及少量的二氧化碳和氢气；产乙酸步骤指产酸步骤的有机酸产物(除乙酸外)进一步转化为乙酸、二氧化碳和氢气的过程；产甲烷步骤指乙酸生成甲烷和二氧化碳以及二氧化碳和氢气生成甲烷的过程。高效稳定的厌氧消化产甲烷工艺需要保证水解产酸过程和产乙酸产甲烷过程之间的平衡，水解产酸过程产生的小分子有机酸能够及时被产甲烷过程利用，避免有机酸积累从而抑制发酵系统内的微生物，尤其是对产甲烷菌的抑制，因为产甲烷菌对有机酸的耐受浓度较低，有机酸浓度累积到13000mg/L时就会完全抑制产甲烷活性。
易腐性有机垃圾主要成分为多糖、淀粉、膳食纤维、蛋白质，它们属于容易水解酸化的物质，在厌氧消化过程中水解产酸速率较快，与之相比，产甲烷过程是整个厌氧消化过程的限速步骤，导致易腐性有机垃圾进行厌氧消化处理时容易产生有机酸抑制。为了避免有机酸抑制，传统的单相厌氧消化只能在较低的发酵原料浓度(低于4％)下完成，而对于像厨余垃圾这类的易腐性有机垃圾，其总固体含量一般为15％～25％。此时，不仅需要消耗大量的水用于调低原料浓度，而且较低的原料浓度大大降低了易腐性有机垃圾厌氧消化处理效率及产沼气能力。因此，开发无抑制高效厌氧消化产沼气工艺成为易腐性有机垃圾减量化和能源化处理的关键。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种以易腐性有机垃圾为原料的高固体两相三段厌氧消化产沼气的装置，以提高厌氧消化稳定性、处理效率及产沼气能力。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明装置包括水解产酸反应器、产甲烷反应器；水解产酸反应器底部和产甲烷反应器底部通过循环泵及管道连通；产甲烷反应器顶部和水解产酸反应器顶部通过管道连通；水解产酸反应器为固体渗滤床反应器，顶部设置布水器和喷淋头；中上部设置进料口，中下部设置多孔板和卸料口，底部设置排渣口，多孔板上面放置渗滤填料；产甲烷反应器由过滤填料床和纤维填料床组成，过滤填料床位于下部，纤维填料床位于上部；过滤床内放置过滤填料，纤维填料床内放置纤维填料架，纤维填料架上缠绕纤维填料。
所述渗滤填料为木块、或竹块、或塑料、或卵石、或它们的混合物，在多孔板上添加渗滤填料有助于形成渗滤液。
所述过滤填料为卵石、或陶瓷填料、或塑料填料、或它们的混合物，设置过滤床能够截留渗滤液中的颗粒有机物，避免堵塞纤维填料床。
所述纤维填料为软性纤维填料、或半软性纤维填料、或它们的组合，纤维填料能够附着产甲烷微生物，提高产甲烷反应器中的产甲烷微生物浓度，从而提高厌氧消化产沼气性能。
本发明还可以做如下改进：
过滤填料床顶部和底部分别设置过滤填料入口和出口，便于定期对过滤填料进行清洗和重新装填，以保证良好的过滤效果。
所述水解产酸反应器和产甲烷反应器顶部均设置有气体排放口、安全阀、压力表，气体排放口分别设置流量计。
所述水解产酸反应器和产甲烷反应器外壁均设置有增温夹套和保温层，用于保证反应体系所需的温度。
所述水解产酸反应器和产甲烷反应器的不同高度处均安装有温度计和酸度计，便于监测和控制反应体系得温度和酸碱度。
所述水解产酸反应器和产甲烷反应器的不同高度处均设置有采样口，便于了解反应体系内的运行情况。
所述循环泵入口段设置分支管路，用于向产甲烷反应器添加厌氧消化接种物、酸碱调节剂和水等。
反应器与进料口、泵、流量计、排渣口、过滤填料入口、过滤填料出口和采样口之间设置阀门，便于调整工艺操作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明装置可以将厌氧消化过程的水解产酸过程(水解产酸相)和产乙酸产甲烷过程(产甲烷相)分开，避免易腐性有机垃圾产生的有机酸抑制产甲烷作用。水解产酸相采用高固体渗滤床反应器，可以使易腐性有机垃圾在较高的原料浓度下发酵，原料浓度最高可达40％，因此，无需额外添加大量的水用于调低原料浓度。另外，在固体渗滤床反应器内用于淋洒易腐性有机垃圾的水来自于产甲烷反应器，整个系统内的水可以实现自循环，因此，本发明是一个水节约型易腐性有机垃圾厌氧消化产沼气处理装置。产甲烷反应器中纤维填料床内的填料可以附着产甲烷菌，提高反应器内产甲烷菌的细胞浓度，从而提高厌氧消化产沼气能力。渗滤液进入纤维填料床之前，过滤床的设置能够有效截留渗滤液中的颗粒有机物，以避免堵塞纤维填料床。在过滤床上设置过滤填料入口和出口，可以定期清洗并重新装填过滤填料以保证良好的过滤效果。与传统的易腐性有机垃圾单相厌氧消化装置相比，本发明装置能够显著提高易腐性有机垃圾厌氧消化的处理浓度，最高能从4％提高到40％，池容产沼气率最高能从0.8m3/(m3·d)提高到2.5m3/(m3·d)，而且能够有效避免有机酸对产甲烷作用的抑制。
本发明装置加工工序简单，成本低廉，易于维护，运行管理简单，性能稳定可靠。适用于各类易腐性有机垃圾的厌氧消化处理，既可以高效处理有机垃圾，减少其对环境的严重污染，又可以生产清洁可再生能源(沼气)，能够实现有机垃圾的能源化利用，从而变废为宝。
本发明装置具有高效稳定的易腐性有机垃圾厌氧消化产沼气能力，非常适合厨余垃圾处理场、泔脚处理中心以及水果、蔬菜和肉类加工厂等进行应用推广，具有良好的经济、环境和社会效益。
附图说明
图1是本发明装置流程图
附图标记：进料斗1、水解产酸反应器2、产甲烷反应器3、循环泵4、布水器5、喷淋头6、进料口7、多孔板8、卸料口9、排渣口10、渗滤填料11、过滤填料床12、纤维填料床13、过滤填料14、纤维填料架15、纤维填料16、过滤填料入口17、过滤填料出口18、气体排放口19、安全阀20、压力表21、气体排放口分别设置流量计22、增温夹套23、保温层24、温度/酸度计25、采样口26、分支管路27。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本实施例中装置包括进料斗1、水解产酸反应器2、产甲烷反应器3；水解产酸反应器底部和产甲烷反应器底部通过循环泵4及管道连通；产甲烷反应器顶部和水解产酸反应器顶部通过管道连通；水解产酸反应器为固体渗滤床反应器，顶部设置布水器5和喷淋头6；中上部设置进料口7，中下部设置多孔板8和卸料口9，底部设置排渣口10，多孔板8上面放置渗滤填料11；产甲烷反应器由过滤填料床12和纤维填料床13组成，过滤填料床12位于下部，纤维填料床13位于上部；过滤填料床内放置过滤填料14，纤维填料床内放置纤维填料架15，纤维填料架上缠绕纤维填料16。
上述的渗滤填料11为木块、或竹块、或塑料、或卵石、或它们的混合物，在多孔板8上添加渗滤填料有助于形成渗滤液。
上述的过滤填料14为卵石、或陶瓷填料、或塑料填料、或它们的混合物，设置过滤床12能够截留渗滤液中的颗粒有机物，避免堵塞纤维填料床13。
上述的纤维填料16为软性纤维填料、或半软性纤维填料、或它们的组合，纤维填料16能够附着产甲烷微生物，提高产甲烷反应器中的产甲烷微生物浓度，从而提高厌氧消化产沼气性能。
过滤填料床12顶部和底部分别设置过滤填料入口17和出口18，便于定期对过滤填料14进行清洗和重新装填，以保证良好的过滤效果。
水解产酸反应器2和产甲烷反应器3顶部均设置有气体排放口19、安全阀20、压力表21，气体排放口分别设置流量计22。
水解产酸反应器2和产甲烷反应器3外壁均设置有增温夹套23和保温层24，用于保证反应体系所需的温度。
水解产酸反应器2和产甲烷反应器3的不同高度处均安装有温度/酸度计25，便于监测和控制反应体系的温度和酸碱度。
水解产酸反应器2和产甲烷反应器3的不同高度处均设置有采样口26，便于了解反应体系内的运行情况。
循环泵4入口段设置分支管路27，用于向产甲烷反应器添加厌氧消化接种物、酸碱调节剂和水等。
反应器与进料口、泵、流量计、排渣口、过滤填料入口、过滤填料出口和采样口之间设置阀门，便于调整工艺操作。
本实施例中装置的运行过程如下：
启动时，从进料斗1向水解产酸反应器2添加少量的易腐性有机垃圾，并将接种液从循环泵4入口段的分支管路27泵入产甲烷反应器3，待接种液淹没纤维填料16后，继续泵入接种液直至在水解产酸反应器2底部形成易腐性有机垃圾渗滤液，且渗滤液高度接近多孔板8时，关闭分支管路27的阀门停止泵入接种液，至此完成接种液的添加。随后，将渗滤液从水解产酸反应器2底部通过循环泵4泵入产甲烷反应器3，而产甲烷反应器3中的液体又从纤维填料床13顶部溢流至水解产酸反应器2，并借助布水器5及喷淋头6对易腐性有机垃圾进行淋洒，淋洒下来的液体溶解易腐性有机垃圾水解产酸过程产生的有机酸，并流经渗滤填料11和多孔板8形成渗滤液贮存于水解产酸反应器2底部，至此完成一个液体循环。经过多次的这样一种循环完成产甲烷菌的驯化及其在纤维填料16上的附着和生长。当驯化完成后，逐步添加易腐性有机垃圾，直至易腐性有机垃圾的装填高度接近进料口7的位置。在逐步添加易腐性有机垃圾的同时，增加液体循环次数，直至连续循环，最终实现该发明装置的连续正常运行。
所述的接种液为沼气池或市政污水处理厂等处的厌氧活性污泥。
在该发明装置的整个运行过程中，在水解产酸反应器2内完成易腐性有机垃圾的水解产酸作用，易腐性有机垃圾在接种液中水解产酸菌的作用下生成有机酸和少量氢气及二氧化碳，氢气及二氧化碳从水解产酸反应器2顶部的排气口19排出，产生的有机酸以渗滤液的形式通过循环泵4进入产甲烷反应器3；在产甲烷反应器3内完成有机酸产甲烷作用，有机酸在接种液中产乙酸菌和产甲烷菌的相继作用下生成甲烷和二氧化碳，甲烷和二氧化碳从产甲烷反应器3顶部的排气口排出，有机酸被利用完的渗滤液从产甲烷反应器顶部的溢流口流至水解产酸反应器2并对易腐性有机垃圾进行淋洒。
该发明装置的产甲烷反应器3从下至上分为两段，即过滤填料床12和纤维填料床13。过滤填料床12用于截留渗滤液中的颗粒有机物，避免堵塞纤维填料床13，在过滤填料床12内也进行产甲烷作用。纤维填料床13中的纤维填料16用于滞留产乙酸菌和产甲烷菌，提高反应器内这两种细菌的浓度，从而提高厌氧消化产沼气性能。
在该发明装置的整个运行过程中，利用温度计25、增温夹套23和保温层24控制水解产酸反应器2和产甲烷反应器3的温度为所需温度。
在该发明装置的运行过程中，定期(每隔10天～60天)从卸料口9和排渣口10分别清除易腐性有机垃圾水解残渣和渗滤液沉淀物；定期(每隔30天～90天)从过滤填料床12底部的过滤填料出口18取出过滤填料14进行清洗，并从过滤填料入口17重新装填，以保证良好过滤效果。
在该发明装置的运行过程中，可以从水解产酸反应器2和产甲烷反应器3的不同高度位置的采样口26取样分析，以了解水解产酸反应器2和产甲烷反应器3的运行情况。
在该发明装置的运行过程中，当产甲烷反应器3运行出现异常时，具体来讲，当产甲烷反应器3中轻度过酸或过碱时，可以通过控制渗滤液的循环量来调节；当产甲烷反应器3中严重过酸或过碱时，可以从循环泵4入口段的分支管路27泵入酸碱度调节剂以调节产甲烷反应器3内的酸碱度，使得酸碱度处于产甲烷菌生长代谢的最适宜范围内。
与传统的易腐性有机垃圾低固体浓度单相厌氧消化产沼气装置相比，本发明提供的装置能在原料固体浓度高达40％的条件下处理易腐性有机垃圾，且将厌氧消化过程的水解产酸过程(水解产酸相)和产乙酸产甲烷过程(产甲烷相)分开，并在产甲烷过程设置两段，即过滤填料床和纤维填料床，这种高固体两相三段厌氧消化产沼气装置是一种高效稳定的易腐性有机垃圾能源化处理装置。采用该发明提供的装置能够显著提高易腐性有机垃圾厌氧消化的处理浓度，最高能将原料固体浓度从4％提高到40％，最高能将池容产沼气率从0.8m3/(m3·d)提高到2.5m3/(m3·d)，而且能够有效避免有机酸对产甲烷作用的抑制。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种易腐性有机垃圾高固体两相三段厌氧消化产沼气的装置，其特征在于包括水解产酸反应器、产甲烷反应器；水解产酸反应器底部和产甲烷反应器底部通过循环泵及管道连通；产甲烷反应器顶部和水解产酸反应器顶部通过管道连通；水解产酸反应器为固体渗滤床反应器，顶部设置布水器和喷淋头；中上部设置进料口，中下部设置多孔板和卸料口，底部设置排渣口，多孔板上面放置渗滤填料；产甲烷反应器由过滤填料床和纤维填料床组成，过滤床位于下部，纤维填料床位于上部；过滤填料床内放置过滤填料，纤维填料床内放置纤维填料架，纤维填料架上缠绕纤维填料。
2.如权利要求1所述的易腐性有机垃圾高固体两相三段厌氧消化产沼气的装置，其特征在于所述过滤填料床顶部和底部分别设置过滤填料入口和出口。
3.如权利要求1所述的易腐性有机垃圾高固体两相三段厌氧消化产沼气的装置，其特征在于所述水解产酸反应器和产甲烷反应器顶部均设置有气体排放口、安全阀、压力表，气体排放口分别设置流量计。
4.如权利要求1或3所述的易腐性有机垃圾高固体两相三段厌氧消化产沼气的装置，其特征在于所述水解产酸反应器和产甲烷反应器外壁均设置有增温夹套和保温层。
5.如权利要求1或3所述的易腐性有机垃圾高固体两相三段厌氧消化产沼气的装置，其特征在于所述水解产酸反应器和产甲烷反应器的不同高度处均安装有温度计和酸度计。
6.如权利要求1或3所述的易腐性有机垃圾高固体两相三段厌氧消化产沼气的装置，其特征在于所述水解产酸反应器和产甲烷反应器的不同高度处均设置有采样口。
7.如权利要求1所述的易腐性有机垃圾高固体两相三段厌氧消化产沼气的装置，其特征在于所述循环泵入口段设置用于向产甲烷反应器添加厌氧消化接种物、酸碱调节剂和水等的分支管路。
8.如权利要求1所述的易腐性有机垃圾高固体两相三段厌氧消化产沼气的装置，其特征在于所述渗滤填料为木块、或竹块、或塑料、或卵石、或它们的混合物；所述过滤填料为卵石、或陶瓷填料、或塑料填料、或它们的混合物；所述纤维填料为软性纤维填料、或半软性纤维填料、或它们的组合。
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