CN102225833B - 厌氧发酵原料预处理系统及预处理方法 - Google Patents

厌氧发酵原料预处理系统及预处理方法 Download PDF

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Abstract

一种厌氧发酵原料预处理系统及预处理方法，该预处理系统包括：预处理池，内装厌氧发酵原料，对所述厌氧发酵原料进行稀释、搅拌和沉降分层处理，使得所述厌氧发酵原料被分离成上层的浮渣、中层的营养物和下层的沉砂；格栅渠，与该预处理池连通，该预处理池内位于中上层的所述浮渣及营养物经由该格栅渠而将浮渣过滤出来；以及砂水分离器，一端伸入该预处理池的底部，另一端伸出该预处理池，该砂水分离器吸入位于下层的沉砂并对其进行砂水分离。本发明克服了现有的生产沼气的厌氧发酵工艺中原料难以净化、后续处理负荷大的问题，提高了原料的利用率，降低了运行成本。

Description

厌氧发酵原料预处理系统及预处理方法
技术领域
本发明属于环境工程的能源再生技术领域，尤其是涉及一种高效去除发酵原料中的浮渣和沉砂的厌氧发酵原料预处理系统，该系统应用于厌氧发酵反应器中。
背景技术
目前国内主要采用厌氧发酵工艺对畜禽粪便进行处理以生成沼气，由于我国沼气技术及市场发展还不成熟，尤其是对厌氧发酵原料不能进行合理高效的利用。在生产沼气的厌氧发酵过程中，由于原料中含有大量的无机质和轻质浮渣，导致了目前较大部分沼气工程在沼气站日常运行时经常出现管道堵塞和设备损坏等现象，缩短了发酵罐的使用寿命并增加了发酵后沼渣沼液的处理负荷，大大限制了沼气工程事业的发展与推广。
畜禽粪便中的砂子，羽毛，草茎等杂质很难分离干净，现有的大部分沼气工程的预处理基本上就是将畜禽粪便类原料搅拌均匀即可，然后用铁篦子过滤出粒径较大的颗粒，其余浮渣和沙子之类的大部分都进入了厌氧发酵罐。图1A和图1B分别为现有技术中的原料预处理设备的俯视图和侧剖视图。如图所示，现有的原料预处理设备包括进料斗S1、处理池S2、上料泵S3和搅拌器S4。畜禽粪便等原料经由进料斗S1进入处理池S2，由搅拌器S4甲乙搅拌，再用铁篦子过滤出粒径较大的颗粒后，由上料泵S3抽出送入与厌氧发酵罐连接的管道中。
传统的发酵原料预处理只是简单的把原料稀释调匀后简单除渣后直接输送到发酵罐中，浮渣与沉砂混合在原料内，导致发酵罐内上部时常出现浮渣层，阻碍沼气的产生，降低了原料的产气量，经常需要人工开盖疏通，增加了意外事故的发生概率。在发酵罐下部，无机物质也会逐渐沉积，减少了发酵罐的使用空间，增加了清砂次数。清砂时发酵罐必须全部排空，人需要进入发酵罐内部进行作业，工作环境差，气味难以忍受且有毒气体含量高。虽然发酵罐都应设有排渣管，但由于天气、人员、运行管理等原因，排渣效果并不理想。
发明内容
为了克服现有的生产沼气的发酵原料预处理系统中发酵原料的浮渣、沉砂难去除的问题，本发明提出了一种厌氧发酵原料预处理系统，用以有效去除发酵原料中的浮渣和沉砂，在实现高效厌氧发酵的同时，使得沼气站得以稳定运行，减少人工成本，延长沼气站各种设备的使用寿命。
为实现发明目的，本发明提供一种厌氧发酵原料预处理系统，包括：预处理池，内装厌氧发酵原料，在该预处理池中对所述厌氧发酵原料进行稀释、搅拌和沉降分层处理，使得所述厌氧发酵原料被分离成上层的浮渣、中层的营养物和下层的沉砂；格栅渠，与该预处理池连通，该预处理池内位于中上层的所述浮渣及营养物经由该格栅渠(而将浮渣过滤出来；以及砂水分离器，一端伸入该预处理池的底部，另一端伸出该预处理池，该砂水分离器吸入位于下层的沉砂并对其进行砂水分离。
根据本发明的实施例，在该预处理池中设置有位于该预处理池上部的上层搅拌器和位于其下方部的下层搅拌器，对所述厌氧发酵原料进行搅拌以实现沉降分层。
根据本发明的实施例，该上层搅拌器和该下层搅拌器的搅拌功率为3-16千瓦，转速为20-80转/分钟。
根据本发明的实施例，该预处理池包括：进料口，设置在该预处理池的侧壁上并与其连通，所述厌氧发酵原料通过该进料口被送入该预处理池中；以及沉砂斗，设置在该预处理池的底部，经过沉降分层处理后的沉砂被沉积在该沉砂斗中，其中该砂水分离器伸入该沉砂斗的底部。
根据本发明的实施例，该进料口下部插入该预处理池的液面以下，该进料口的下部一侧与该预处理池的侧壁处在同一立面，该进料口采用坡状形状，坡度为0.3-1.8，并利用沼液回流对其进行冲洗。
根据本发明的实施例，该预处理池呈方形，其长宽比为2-6，在该预处理池的伸入该砂水分离器的一侧的侧壁为斜面。
根据本发明的实施例，在该格栅渠中设置有机械格栅，在该机械格栅下方设有带式输送机，用以将浮渣过滤出来并排出。
根据本发明的实施例，该带式输送机设置在地面上，所排出的浮渣通过该带式输送机被输送至附属车辆中，所述浮渣的粒径为10-50毫米。
根据本发明的实施例，该砂水分离器包括：出砂管，一端伸入至该预处理池底部的沉砂斗中，另一端伸出该预处理池并升高至地面之上，在该出砂管内设置有螺旋推进器；电机，设置在该出砂管的伸出至地面之上的一端，该电机用以驱动所述螺旋推进器旋转；以及出砂口，设置出砂管的伸出至地面之上的一端，其中在该出砂口下方设置有储砂池，脱水后的沉砂从该出砂口排出并落入该储砂池中。
根据本发明的实施例，该电机的转动功率为3-20千瓦，转速为150-300转/分钟，该出砂管的输送长度为3-15米，输送角度为0-60°，出砂管的直径为100毫米-400毫米，所述沉砂的粒径为1-60毫米。
根据本发明的实施例，该系统还包括：酸化池，通过该格栅渠与该预处理池连通；以及泵池，位于该酸化池一侧，在该泵池中设置有上料泵、与该上料泵连接并伸入该酸化池中的出料管、以及与该上料泵连接并向上输送厌氧发酵原料的上料管，滤除了浮渣的营养物在该酸化池中进行水解酸化后，通过该出料管、该上料泵和该上料管输送至厌氧发酵反应器的发酵罐中。
为实现发明目的，本发明提供一种厌氧发酵原料预处理方法，其采用如上所述的厌氧发酵原料预处理系统来实现厌氧发酵原料预处理，该预处理方法包括以下步骤：
在预处理池中装入厌氧发酵原料，加入水或回流沼液以对上述厌氧发酵原料进行稀释；
通过上层搅拌器和下层搅拌器对稀释后的厌氧发酵原料进行共同搅拌，对所述厌氧发酵原料中的沉砂、营养物和浮渣进行沉降分层，使得所述厌氧发酵原料被分离成上层的浮渣、中层的营养物和下层的沉砂；
通过格栅渠将位于该预处理池上层的浮渣加以滤除；以及
通过砂水分离器吸入位于该预处理池下层的沉砂并对其进行砂水分离。
根据本发明的实施例，经稀释后的厌氧发酵原料的含固率为6％-8％。
根据本发明的实施例，经格栅渠(8)的机械格栅过滤的浮渣由带式输送机输送到附属车辆中运走。
根据本发明的实施例，经过机械格栅滤除掉浮渣的营养物原料液进入酸化池，经水解酸化后被上料泵输送到厌氧发酵反应器的发酵罐中。
根据本发明的实施例，沉砂和混合原料液在砂水分离器内进行输送和分离，脱水后的沉砂由出砂口排出，落入储砂池中。
本发明将新鲜的畜禽粪便等发酵原料直接送入预处理池内，通过增加适当的搅拌强度，对原料进行充分的稀释、混合和沉降，使发酵原料逐渐分层，从而使浮渣、营养物和沉砂充分分离。在适当的搅拌强度下通过一定的高径比，控制水力停留时间，从而使沉砂可以充分下沉。
沉入沉砂斗中的沉砂其后被砂水分离器吸入，在砂水分离器内，螺旋推进器的叶片起到输送和分离砂水的作用，使沉砂和混合原料液进行分离，沉砂最后由出砂口排出，落入储砂池中。
控制格栅渠中原料的流动速度，选取适宜的机械格栅(例如网状格栅)，使浮渣可以充分地滤除，在机械格栅下设有带式输送机，滤出的浮渣从机械格栅上落下，落至带式输送机上，经带式输送机输送至附属车辆中运走，从而排出浮渣。
最后，由于所排出的沉砂和浮渣的浓度较高，无须进行脱水就可以由运输车直接运走。
本发明的主要优点为：对发酵原料中的轻质浮渣和沉砂实现了高效分离。它克服了现有的生产沼气的发酵工艺中原料杂质含量较高且难以分离的缺陷，提高了厌氧发酵原料中的营养物的含量，使后续的处理变得简便易行。
在实际工程中采用本发明所述的厌氧发酵原料预处理系统和预处理方法，不仅可降低沼气站的运行成本，延长设备的使用寿命，对提高沼气的产气率，扩大沼气的利用也具有促进作用。
附图说明
图1A为现有技术的原料预处理设备的俯视图；
图1B为现有技术的原料预处理设备的侧剖视图；
图2为本发明的厌氧发酵原料预处理系统的结构示意图；
图3为图2所示厌氧发酵原料预处理系统沿L-L线的剖面图；
图4为本发明的厌氧发酵原料预处理方法的流程图。
其中的附图标记说明如下：
现有技术
S1、进料斗；S2、处理池；S3、上料泵；S4、搅拌器。
本发明
1、储砂池；2、出砂口；3、电机；4、砂水分离器；
5、预处理池；6、上层搅拌器；7、电机；8、格栅渠；
9、机械格栅；10、带式输送机；11、酸化池；12、出料管；
13、上料管；14、泵池；15、上料泵；16、下层搅拌器；
17、沉砂斗；18、附属车辆；19、进料口；20-出砂管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
图2为本发明的厌氧发酵原料预处理系统的结构示意图，图3为图2所示厌氧发酵原料预处理系统沿L-L线的剖面图。
如图2所示，本发明的厌氧发酵原料预处理系统包括：预处理池5，内装厌氧发酵原料，在该预处理池5中对所述厌氧发酵原料进行稀释、搅拌和沉降分层处理，使得所述厌氧发酵原料被分离成上层的浮渣、中层的营养物和下层的沉砂；格栅渠8，与该预处理池5连通，该预处理池5内位于中上层的所述浮渣及营养物经由该格栅渠8而将浮渣过滤出来；以及砂水分离器4，一端伸入该预处理池5的底部，另一端伸出该预处理池5，该砂水分离器4吸入位于下层的沉砂并对其进行砂水分离。
根据本发明的一个实施例，在该预处理池5中设置有位于该预处理池5上部的上层搅拌器6和位于其下部的下层搅拌器16，对所述厌氧发酵原料进行搅拌以实现沉降分层。该上层搅拌器6和该下层搅拌器16的搅拌功率约为3-16千瓦，转速约为20-80转/分钟。
该预处理池5包括：进料口19，设置在该预处理池5的侧壁上并与其连通，所述厌氧发酵原料通过该进料口19被送入该预处理池5中；以及沉砂斗17，设置在该预处理池5的底部，经过沉降分层处理后的沉砂被沉积在该沉砂斗17中，其中该砂水分离器4伸入该沉砂斗17的底部。
该进料口19下部插入该预处理池5的液面以下，该进料口19的下部一侧与该预处理池5的侧壁处在同一立面，该进料口19采用坡状形状，坡度约为0.3-1.8，这样设置的进料口19有利于顺利、准确地将粪污原料倒入预处理池5中，并且可以利用沼液回流对其进行冲洗。
该预处理池5呈方形，其长宽比约为2-6，在该预处理池5的伸入该砂水分离器4的一侧的侧壁可以是斜面，用以支撑该砂水分离器4的倾斜设置的出砂管20(稍后描述)。
根据本发明的一个实施例，在该格栅渠8中设置有机械格栅9，在该机械格栅9下方设有带式输送机10，该带式输送机10设置在地面上，所排出的浮渣被推送到机械格栅9下方的带式输送机10上，然后被输送至附属车辆18中运走。被过滤出的浮渣的粒径约为10-50毫米。
其中，机械格栅9可以是回转式机械格栅，它是污水处理厂常用的一种污水处理设备，属于市场上公开销售的成熟产品。在此仅对其简单描述如下：回转式机械格栅一般倾斜放置在格栅渠中(倾角一般为30度)，一部分浸在水面下，格栅一圈一圈的转动，其上有倒钩，可勾住浮渣等漂浮物，当转到背面，钩子向下，杂物就会落到事先放置好的带式输送机上，达到滤除的目的。
根据本发明的一个实施例，该砂水分离器4包括：出砂管20，一端伸入至该预处理池5底部的沉砂斗17中，另一端伸出该预处理池5并升高至地面之上，在该出砂管20内设置有螺旋推进器；电机3，设置在该出砂管20的伸出至地面之上的一端，该电机3与该螺旋推进器连接并用以驱动该螺旋推进器旋转；以及出砂口2，设置在出砂管20的伸出至地面之上的一端，其中在该出砂口2下方设置有储砂池1，脱水后的沉砂从该出砂口2排出并落入该储砂池1中。
该电机3的转动功率约为3-20千瓦，转速约为150-300转/分钟，该出砂管20的输送长度约为3-15米，输送角度约为0-60°，出砂管的直径约为100毫米-400毫米，所述沉砂的粒径约为1-60毫米。
根据本发明的一个实施例，所述厌氧发酵原料预处理系统还包括：酸化池11，通过该格栅渠8与该预处理池5连通；以及泵池14，位于该酸化池11一侧，在该泵池14中设置有上料泵15、与该上料泵15连接并伸入该酸化池11中的出料管12、以及与该上料泵15连接并向上输送厌氧发酵原料的上料管13，滤除了浮渣的营养物在该酸化池11中进行水解酸化后，通过该出料管12、该上料泵(15)和该上料管13输送至厌氧发酵反应器的发酵罐中。
图4为本发明的厌氧发酵原料预处理方法的流程图。下面将结合图4对本发明的厌氧发酵原料预处理方法加以描述。
为了便于厌氧发酵原料在厌氧发酵反应器的发酵罐内得以充分反应，在向厌氧发酵反应器输送厌氧发酵原料之前，含固率在15％-25％左右的干清粪污原料(即厌氧发酵原料)首先由运输车运至本发明的厌氧发酵原料预处理系统，通过进料口19将厌氧发酵原料输送到预处理池5中，同时在预处理池5中添加大量的水或回流沼液(即发酵后的一部分液)，以对厌氧发酵原料进行稀释，从而使得预处理池5中的主要由畜禽粪便构成的厌氧发酵原料的含固率(粪污等固体原料在反应液体中所占的比例)被稀释至约6％-8％。而未经稀释的发酵原料的含固率约为15％-25％。
厌氧发酵原料进入长宽比约为2-6的预处理池5后，下层搅拌机16会首先开始搅拌，使原料与水或发酵液快速混合。当液面上升至一定高度，上层搅拌器6也开始搅拌预处理池5中由厌氧发酵原料和回流沼液或水组成的混合液体，令其旋转混合，稀释后的厌氧发酵原料在上层搅拌器6和下层搅拌器16的共同搅拌下，由于比重不同，浮渣、原料中的营养物和沉砂将会分离，从而使得所述厌氧发酵原料被分离成上层的浮渣、中层的营养物和下层的沉砂。
经过预处理的厌氧发酵原料通过格栅渠8及设置其上的机械格栅9进行浮渣滤除，被机械格栅9从原料液中过滤出来的浮渣由带式输送机10输送到附属车辆18中运走。
滤除了浮渣的主要由营养物构成的原料液被输送到圆形酸化池11中进行水解酸化处理，处理后的原料液通过储料罐12、上料泵15和上料管13输送到厌氧发酵反应器的发酵罐中。
另一方面，在预处理池5中，在适当的搅拌强度下，通过给预处理池5设置一定的高径比，控制水力停留时间，从而使沉砂可以充分下沉。沉淀在沉砂斗17中的沉砂和混合原料液通过砂水分离器4内的螺旋推进器的叶片进行输送和分离，使沉砂在向上推送的过程中同时与混合原料液进行分离，脱水后的沉砂由出砂口2排出，落入储砂池1中。
本发明的优点为：
1)本发明将新鲜粪便等厌氧发酵原料直接送入预处理池中，通过提供适当的搅拌强度，对原料进行充分的稀释、混合和沉降，使发酵原料逐渐分层，浮渣和沉砂与营养物充分分离；
2)在砂水分离器中，螺旋叶片起到输送和分离的作用，使沉砂和原料液进行充分分离，无需再脱水；
3)机械格栅下设有带式输送机，浮渣从机械格栅上落下，落至带式输送机上，经带式输送机输送带附属车辆上，不需人工清除浮渣。
4)由于原料中绝大部分杂质的去除，在实现高效厌氧发酵的同时，达到沼气站运行稳定，减少了人工成本，延长了气站各种设备的使用寿命；
5)由于所排出的沉砂、浮渣浓度较高，无须进行脱水就可以由运输车直接运走。
本发明对发酵原料中的轻质浮渣和沉砂进行了高效分离。它克服了原有沼气发酵工艺中原料杂质含量较高且难以分离的缺陷，提高了厌氧发酵原料中的营养物的含量，使后续的处理变得简便易行。在实际工程中采用本发明所述的厌氧发酵系统，不仅可降低气站运行成本，延长设备的使用寿命，对提高沼气的产气率，扩大沼气的利用也具有促进作用。

Claims (16)

1.一种厌氧发酵原料预处理系统，包括：
预处理池(5)，内装厌氧发酵原料，在该预处理池(5)中对所述厌氧发酵原料进行稀释、搅拌和沉降分层处理，使得所述厌氧发酵原料被分离成上层的浮渣、中层的营养物和下层的沉砂；
格栅渠(8)，与该预处理池(5)连通，该预处理池(5)内位于中上层的所述浮渣及营养物经由该格栅渠(8)而将浮渣过滤出来；以及
砂水分离器(4)，一端伸入该预处理池(5)的底部，另一端伸出该预处理池(5)，该砂水分离器(4)吸入位于下层的沉砂并对其进行砂水分离。
2.根据权利要求1所述的厌氧发酵原料预处理系统，其中，在该预处理池(5)中设置有位于该预处理池(5)上部的上层搅拌器(6)和位于其下部的下层搅拌器(16)，对所述厌氧发酵原料进行搅拌以实现沉降分层。
3.根据权利要求2所述的厌氧发酵原料预处理系统，其中，该上层搅拌器(6)和该下层搅拌器(16)的搅拌功率为3-16千瓦，转速为20-80转/分钟。
4.根据权利要求1所述的厌氧发酵原料预处理系统，其中，该预处理池(5)包括：
进料口(19)，设置在该预处理池(5)的侧壁上并与其连通，所述厌氧发酵原料通过该进料口(19)被送入该预处理池(5)中；以及
沉砂斗(17)，设置在该预处理池(5)的底部，经过沉降分层处理后的沉砂被沉积在该沉砂斗(17)中，其中
该砂水分离器(4)伸入该沉砂斗(17)的底部。
5.根据权利要求4所述的厌氧发酵原料预处理系统，其中，该进料口(19)下部插入该预处理池(5)的液面以下，该进料口(19)的下部一侧与该预处理池(5)的侧壁处在同一立面，该进料口(19)采用坡状形状，坡度为0.3-1.8，并利用沼液回流对其进行冲洗。
6.根据权利要求1所述的厌氧发酵原料预处理系统，其中，该预处理池(5)呈方形，其长宽比为2-6，在该预处理池(5)的伸入该砂水分离器(4)的一侧的侧壁为斜面。
7.根据权利要求1所述的厌氧发酵原料预处理系统，其中，在该格栅渠(8)中设置有机械格栅(9)，在该机械格栅(9)下方设有带式输送机(10)，用以将浮渣过滤出来并排出。
8.根据权利要求7所述的厌氧发酵原料预处理系统，其中，该带式输送机(10)设置在地面上，所排出的浮渣通过该带式输送机(10)被输送至附属车辆(18)中，所述浮渣的粒径为10-50毫米。
9.根据权利要求1所述的厌氧发酵原料预处理系统，其中，该砂水分离器(4)包括：
出砂管(20)，一端伸入至该预处理池(5)底部的沉砂斗(17)中，另一端伸出该预处理池(5)并升高至地面之上，在该出砂管(20)内设置有螺旋推进器；
电机(3)，设置在该出砂管(20)的伸出至地面之上的一端，该电机(3)用以驱动所述螺旋推进器旋转；以及
出砂口(2)，设置在出砂管(20)的伸出至地面之上的一端，其中
在该出砂口(2)下方设置有储砂池(1)，脱水后的沉砂从该出砂口(2)排出并落入该储砂池(1)中。
10.根据权利要求9所述的厌氧发酵原料预处理系统，其中，该电机(3)的转动功率为3-20千瓦，转速为150-300转/分钟，该出砂管(20)的输送长度为3-15米，输送角度为0-60°，出砂管的直径为100毫米-400毫米，所述沉砂的粒径为1-60毫米。
11.根据权利要求1所述的厌氧发酵原料预处理系统，该系统还包括：
酸化池(11)，通过该格栅渠(8)与该预处理池(5)连通；以及
泵池(14)，位于该酸化池(11)一侧，在该泵池(14)中设置有上料泵(15)、与该上料泵(15)连接并伸入该酸化池(11)中的出料管(12)、以及与该上料泵(15)连接并向上输送厌氧发酵原料的上料管(13)，滤除了浮渣的营养物在该酸化池(11)中进行水解酸化后，通过该出料管(12)、该上料泵(15)和该上料管(13)输送至厌氧发酵反应器的发酵罐中。
12.一种厌氧发酵原料预处理方法，其采用如权利要求1至11中任意一项所述的厌氧发酵原料预处理系统来实现厌氧发酵原料预处理，该预处理方法包括以下步骤：
在预处理池(5)中装入厌氧发酵原料，加入水或回流沼液以对上述厌氧发酵原料进行稀释；
通过上层搅拌器(6)和下层搅拌器(16)对稀释后的厌氧发酵原料进行共同搅拌，对所述厌氧发酵原料中的沉砂、营养物和浮渣进行沉降分层，使得所述厌氧发酵原料被分离成上层的浮渣、中层的营养物和下层的沉砂；
通过格栅渠(8)将位于该预处理池(5)上层的浮渣加以滤除；以及
通过砂水分离器(4)吸入位于该预处理池(5)下层的沉砂并对其进行砂水分离。
13.根据权利要求12所述的厌氧发酵原料预处理方法，其中，经稀释后的厌氧发酵原料的含固率为6％-8％。
14.根据权利要求12所述的厌氧发酵原料预处理方法，其中，经格栅渠(8)的机械格栅(9)过滤的浮渣由带式输送机(10)输送到附属车辆(18)中运走。
15.根据权利要求12所述的厌氧发酵原料预处理方法，其中，经过机械格栅(9)滤除掉浮渣的营养物原料液进入酸化池(11)，经水解酸化后被上料泵(15)输送到厌氧发酵反应器的发酵罐中。
16.根据权利要求12所述的厌氧发酵原料预处理方法，其中，沉砂和混合原料液在砂水分离器(4)内进行输送和分离，脱水后的沉砂由出砂口(2)排出，落入储砂池(1)中。
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