CN102286361B - 一种生物质发酵反应装置及应用 - Google Patents
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Abstract
一种生物质发酵反应装置，由发酵反应器、加液管道、加热装置、搅拌装置、测温装置、测湿装置和支架组成，发酵反应器包括上层发酵反应器和下层发酵反应器，发酵反应器为长方体箱式结构并呈叠层状固定于支架上；利用该反应装置采用一次加入菌液和两步发酵法进行生物质发酵反应。本发明的优点是：该反应装置具有能耗低、成本低、易于操作、安全可靠的特点；在搅拌装置定期往复搅拌下，可实现物料的充分翻动，达到好氧的目的；本装置通过精确的热电偶控温并结合太阳能技术极大节约能源消耗；双层反应器的设计提高物料处理能力的同时，根据反应的不同阶段特性，使物料分处于上层反应器与下层反应器中，实现反应物的分别处理，提高发酵效率。
Description
技术领域
本发明涉及微生物发酵技术，特别是一种生物质发酵反应装置及应用。
背景技术
随着农业科技的进步，农产品产量大幅提升，另外随着人民生活水平的提高，城市绿化率亦不断增长，因此越来越多的农业废弃物及园林绿化垃圾随之产生，这些废弃物不仅与人争地，同时影响城市形象。为了解决这一问题，垃圾填埋和焚烧成为常规处理手段。由于废弃物中含有大量的生物质垃圾，在填埋过程中降解缓慢，另外其腐败酸化后会产生渗滤液和沼气，不但污染地表水和地下水资源，而且容易导致火灾乃至爆炸的危险，严重危害周围人民的生命财产。另一方面，填埋需要大量土地，目前中国大部分城市已经被垃圾填埋场所包围，对环境的影响极大。露天垃圾焚烧污染大气环境，影响交通运输。通过垃圾焚烧设备处理，由于热值低，不便于利用，造成资源的浪费。这些垃圾中含有丰富的碳源、氮源等可被微生物利用的资源，因此，微生物降解技术是解决废弃物的首选方法。
当前生物质微生物处理主要通过发酵槽来实现。该方法具有操作简单的特点，但是发酵槽占地大、能耗高、发酵效率低，限制其应用。另外发酵罐也是常用的设备，但是其处理能力低和占地面积大是制约其应用的主要问题。本装置采用一次投入菌剂，两步法发酵反应；利用高效太阳能技术提供反应所需热源。本装置包括：物料传送器、双层反应器、搅拌装置、温度感应装置、进料口、出料口。每层反应器均设置湿度控制装置和排风装置。通过喷头，使得加入的水分能够在反应器中与物料均匀接触。排风装置能够维持反应器中氧气浓度，减少因好养发酵而产生的浓度波动。本装置通过PLC程序控制实现搅拌、菌剂加入、控温、调节湿度、进料与出料等一系列自动化操作。该反应装置具有结构简单、成本低、处理量大、节约能源、自动化程度高、易于操作、安全可靠等特点。
发明内容
本发明目的在于克服现有发酵装置的不足，提供一种高效生物质发酵反应装置剂应用，与现有设备相比，可以有效提高微生物发酵效率，节约菌液用量，节约能源消耗，实现批量化生产，降低发酵成本。
本发明的技术方案：
一种生物质发酵反应装置，由发酵反应器、加液管道、加热装置、搅拌装置、测温装置、测湿装置和支架组成，发酵反应器包括上层发酵反应器和下层发酵反应器，发酵反应器为长方体箱式结构并呈叠层状固定于支架上，上层发酵反应器和下层发酵反应器的结构和大小完全相同，发酵反应器的前壁和后壁为夹层结构，发酵反应器分别设有物料入口和出口、加液管道进口、加热管道进口和出口、排风扇，排风扇镶嵌于反应器盖上；加液管道分别设有阀门用于控制在同一管道分别添加菌液和水，加液管道进入发酵反应器后在液体出口分别设有雾化喷头；加热装置为太阳能热水器，太阳能热水器的两个换热器分别设于上、下层发酵反应器前壁和后壁的夹层内并通过管道从发酵反应器的加热管道进口和出口连接；搅拌装置包括电机、传动皮带和两个螺旋式搅拌器，电机固定于支架上，两个螺旋式搅拌器结构相同，每个螺旋式搅拌器的螺旋搅拌叶自转动轴中心为界对称分布且方向相反，两个螺旋式搅拌器的转动轴分别通过位于发酵反应器两面侧板中心的轴承座固定于两个发酵反应器内，电机与两个螺旋式搅拌器的皮带轮通过传动皮带连接；两套测温装置传感器探头和两套测湿装置的传感器探头分别位于两个发酵反应器内并通过导线与控制室的测温仪和测湿仪连接。
一种所述生物质发酵反应装置的应用，采用一次加入菌液和两步发酵法进行生物质发酵反应，步骤如下：
1）将粉碎后的生物质加入上层发酵反应器，启动搅拌器和排风扇；
2）搅拌状态下通过加液管道向上层发酵反应器分别加入菌液和水并继续搅拌3-8min，加菌液时加液管道的喷头孔径为3mm，加水时加液管道的喷头孔径为1mm；
3）关闭搅拌器和排风扇，通过测温计和测湿计显示物料的温度和湿度，利用太阳能加热器为上层发酵反应器供热使温度保持在40-50℃，利用加液管道补水使湿度保持在35-55%；
4）发酵反应过程中，搅拌器每12h搅拌一次，搅拌时间持续15min，包括正向搅拌10分钟后、逆向搅拌5分钟，搅拌器的转速为5-18rpm，同时开启排风扇直至搅拌结束；
5）发酵反应3-6天后，将上层发酵反应器中的腐熟料全部排入下层发酵反应器中，关闭上层发酵反应器物料出口后重新向上层发酵反应器装入原料并重复2）-4）的发酵反应过程；
6）下层发酵反应器进料后，发酵反应过程与上层发酵反应器的步骤3）-4）完全相同；
7）下层发酵反应器发酵反应2-4天，即可排出最终发酵产品。
所述生物质为秸秆、花生壳、树枝、树叶、米糠、草或麦麸子，粉碎后的生物质粒度为2-5mm。
所述搅拌器的转速为5-18rpm。
所述菌液由枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和白色链霉菌和培养基组成，其培养基为LB培养基，菌液浓度为4亿/ml，其中枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌与白色链霉菌的数量百分比为26%：46%：28%；菌液的加入量为每100 kg 生物质10-20L。
本发明的优点和有益效果是：
生物质发酵反应装置具有能耗低、成本低、易于操作、安全可靠的特点，通过风机保证装置内的氧气浓度，以避免波动；在搅拌装置定期往复搅拌下，可实现物料的充分翻动，达到好氧的目的；本装置通过精确的热电偶控温并结合太阳能技术极大节约能源消耗；双层反应器的设计提高物料处理能力的同时，根据反应的不同阶段特性，使物料分处于上层反应器与下层反应器中，实现反应物的分别处理，提高发酵效率。
附图说明
图1为反应装置正视结构示意图。
图2为反应装置左视结构示意图。
图3为反应装置俯视结构示意图。
图中：1-Ⅰ、1-Ⅱ.发酵反应器 2-Ⅰ、2-Ⅱ.加液管道 3.支架
4-Ⅰ、4-Ⅱ.物料入口 5-Ⅰ、5-Ⅱ.物料出口 6-Ⅰ、6-Ⅱ.加液管道进口7-Ⅰ、7-Ⅱ.加热管道进口 8-Ⅰ、8-Ⅱ. 加热管道出口 9-Ⅰ、9-Ⅱ.阀门10-Ⅰ、10-Ⅱ.雾化喷头 11-Ⅰ、11-Ⅱ.换热器 12.电机 13.传动皮带
14-Ⅰ、14-Ⅱ.螺旋式搅拌器 15-Ⅰ、15-Ⅱ.测温装置传感器探头
16-Ⅰ、16-Ⅱ.测湿装置传感器探头 17-I、17-II.排风扇。
具体实施方式
本发明通过以下实施例结合附图进一步详述，但本实施例所叙述的技术内容是说明性的，而不是限定性的，不应依此来局限本发明的保护范围。
实施例1：
一种生物质发酵反应装置，由发酵反应器1-Ⅰ、1-Ⅱ、加液管道2-Ⅰ、2-Ⅱ、加热装置、搅拌装置、测温装置、测湿装置和支架3组成，发酵反应器包括上层发酵反应器1-Ⅰ和下层发酵反应器1-Ⅱ，发酵反应器为长方体箱式结构并呈叠层状固定于支架上，上层发酵反应器1-Ⅰ和下层发酵反应器1-Ⅱ的结构和大小完全相同，发酵反应器1-Ⅰ、1-Ⅱ的前壁和后壁为夹层结构，发酵反应器1-Ⅰ、1-Ⅱ分别设有物料入口4-Ⅰ、4-Ⅱ和出口5-Ⅰ和5-Ⅱ、加液管道进口6-Ⅰ和6-Ⅱ、加热管道进口7-Ⅰ、7-Ⅱ和出口8-Ⅰ、8-Ⅱ；加液管道2-Ⅰ和2-Ⅱ分别设有阀门9-Ⅰ和9-Ⅱ用于控制在同一管道分别添加菌液和水，加液管道2-Ⅰ和2-Ⅱ进入发酵反应器后在液体出口分别设有雾化喷头10-Ⅰ和10-Ⅱ；加热装置为太阳能热水器，太阳能热水器的两个换热器11-Ⅰ和11-Ⅱ分别设于上、下层发酵反应器前壁和后壁的夹层内并通过管道从发酵反应器的加热管道进口7-Ⅰ、7-Ⅱ和出口8-Ⅰ、8-Ⅱ连接；搅拌装置包括电机12、传动皮带13和两个螺旋式搅拌器14-Ⅰ、14-Ⅱ，电机12固定于支架3上，两个螺旋式搅拌器14-Ⅰ、14-Ⅱ结构相同，每个螺旋式搅拌器14-Ⅰ、14-Ⅱ的螺旋搅拌叶自转动轴中心为界对称分布且方向相反，两个螺旋式搅拌器14-Ⅰ、14-Ⅱ的转动轴分别通过位于发酵反应器两面侧板中心的轴承座固定于两个发酵反应器内，电机12与两个螺旋式搅拌器14-Ⅰ、14-Ⅱ的皮带轮通过传动皮带13连接；两套测温装置的传感器探头15-Ⅰ、15-Ⅱ和两套测湿装置的传感器探头16-Ⅰ、16-Ⅱ分别位于两个发酵反应器内并通过导线与控制室的测温仪和测湿仪连接。
该实施例中，发酵反应器的尺寸为长8m、宽3m、高7m，其生物质装填量为200㎏；排风扇采用型号为FA-30，杭州德尔风机设备有限公司产品；加液管路末端的雾化器采用宜兴市亿润环保设备有限公司产品；加热装置采用皇明太阳能热水器；螺旋式搅拌器的结构参数为：螺旋角60度、螺距1.5米、外径1.4米，搅拌用电机为JXJE74浙江永嘉调速机厂产品；测温装置的控温热电偶为型号WRE，江苏金湖仪表电器设备厂产品；测湿装置的长探针湿度计为型号XSD-1，上海昌吉地质仪器有限公司产品。
以下实施例为利用上述发酵反应器进行生物质发酵。
实施例:2：
一种上述生物质发酵反应装置的应用，采用一次加入菌液和两步发酵法进行生物质发酵反应，步骤如下：
1）将粉碎后的粒径为2mm的树叶30立方米加入上层发酵反应器，启动搅拌器和排风扇；
2）搅拌状态下通过加液管道向上层发酵反应器分别加入菌液10L和水50L并继续搅拌4min，加菌液时加液管道的喷头孔径为3mm，加水时加液管道的喷头孔径为1mm；
3）关闭搅拌器和排风扇，通过测温计和测湿计显示物料的温度和湿度，利用太阳能加热器为上层发酵反应器供热使温度保持在40℃，利用加液管道补水使湿度保持在45%；
4）发酵反应过程中，搅拌器每12h搅拌一次，搅拌时间持续15min，包括正向搅拌10分钟后、逆向搅拌5分钟，搅拌器的转速为8rpm，同时开启排风扇直至搅拌结束；
5）发酵反应3天后，将上层发酵反应器中的腐熟料全部排入下层发酵反应器中，关闭上层发酵反应器物料出口后重新向上层发酵反应器装入原料并重复2）-4）的发酵反应过程，其中下层发酵反应器温度设置为35℃，湿度检测装置设定为40%；
6）下层发酵反应器进料后，发酵反应过程与上层发酵反应器的步骤3）-4）完全相同；
7）下层发酵反应器发酵反应2天，即可排出最终发酵产品—有机肥。
该装置的使用，使有机肥生产时间缩短到5天，能耗降低约18%，用水量减少约25%。
实施例3：
一种上述生物质发酵反应装置的应用，采用一次加入菌液和两步发酵法进行生物质发酵反应，步骤如下：
1）将粉碎后的粒径为3mm的麦秸秆25立方米加入上层发酵反应器，启动搅拌器和排风扇；
2）搅拌状态下通过加液管道向上层发酵反应器分别加入菌液9L和水40L并继续搅拌4min，加菌液时加液管道的喷头孔径为3mm，加水时加液管道的喷头孔径为1mm；
3）关闭搅拌器和排风扇，通过测温计和测湿计显示物料的温度和湿度，利用太阳能加热器为上层发酵反应器供热使温度保持在55℃，利用加液管道补水使湿度保持在50%；
4）发酵反应过程中，搅拌器每12h搅拌一次，搅拌时间持续15min，包括正向搅拌10分钟后、逆向搅拌5分钟，搅拌器的转速为12rpm，同时开启排风扇直至搅拌结束；
5）发酵反应4天后，将上层发酵反应器中的腐熟料全部排入下层发酵反应器中，关闭上层发酵反应器物料出口后重新向上层发酵反应器装入原料并重复2）-4）的发酵反应过程，其中下层发酵反应器温度设置为30℃，湿度检测装置设定为35%；
6）下层发酵反应器进料后，发酵反应过程与上层发酵反应器的步骤3）-4）完全相同；
7）下层发酵反应器发酵反应6天，即可排出最终发酵产品—饲料。
该装置的使用，使有机肥生产时间缩短到10天，能耗降低约22%，用水量减少约28%。
Claims (5)
1.一种生物质发酵反应装置，其特征在于：由发酵反应器、加液管道、加热装置、搅拌装置、测温装置、测湿装置和支架组成，发酵反应器包括上层发酵反应器和下层发酵反应器，发酵反应器为长方体箱式结构并呈叠层状固定于支架上，上层发酵反应器和下层发酵反应器的结构和大小完全相同，发酵反应器的前壁和后壁为夹层结构，发酵反应器分别设有物料入口和出口、加液管道进口、加热管道进口和出口、排风扇，排风扇镶嵌于反应器盖上；加液管道分别设有阀门用于控制在同一管道分别添加菌液和水，加液管道进入发酵反应器后在液体出口分别设有雾化喷头；加热装置为太阳能热水器，太阳能热水器的两个换热器分别设于上、下层发酵反应器前壁和后壁的夹层内并通过管道从发酵反应器的加热管道进口和出口连接；搅拌装置包括电机、传动皮带和两个螺旋式搅拌器，电机固定于支架上，两个螺旋式搅拌器结构相同，每个螺旋式搅拌器的螺旋搅拌叶自转动轴中心为界对称分布且方向相反，两个螺旋式搅拌器的转动轴分别通过位于发酵反应器两面侧板中心的轴承座固定于两个发酵反应器内，电机与两个螺旋式搅拌器的皮带轮通过传动皮带连接；两套测温装置传感器探头和两套测湿装置的传感器探头分别位于两个发酵反应器内并通过导线与控制室的测温仪和测湿仪连接。
2.一种如权利要求1所述生物质发酵反应装置的应用，其特征在于采用一次加入菌液和两步发酵法进行生物质发酵反应，步骤如下：
1）将粉碎后的生物质加入上层发酵反应器，启动搅拌器和排风扇；
2）搅拌状态下通过加液管道向上层发酵反应器分别加入菌液和水并继续搅拌3-8min，加菌液时加液管道的喷头孔径为3mm，加水时加液管道的喷头孔径为1mm；
3）关闭搅拌器和排风扇，通过测温计和测湿计显示物料的温度和湿度，利用太阳能加热器为上层发酵反应器供热使温度保持在40-50℃，利用加液管道补水使湿度保持在35-55%；
4）发酵反应过程中，搅拌器每12h搅拌一次，搅拌时间持续15min，包括正向搅拌10分钟后、逆向搅拌5分钟，搅拌器的转速为5-18rpm，同时开启排风扇直至搅拌结束；
5）发酵反应3-6天后，将上层发酵反应器中的腐熟料全部排入下层发酵反应器中，关闭上层发酵反应器物料出口后重新向上层发酵反应器装入原料并重复2）-4）的发酵反应过程；
6）下层发酵反应器进料后，发酵反应过程与上层发酵反应器的步骤3）-4）完全相同；
7）下层发酵反应器发酵反应2-4天，即可排出最终发酵产品。
3.根据权利要求2所述生物质发酵反应装置的应用，其特征在于：所述生物质为秸秆、花生壳、树枝、树叶、米糠、草或麦麸子，粉碎后的生物质粒度为2-5mm。
4.根据权利要求2所述生物质发酵反应装置的应用，其特征在于：所述搅拌器的转速为5-18rpm。
5.根据权利要求2所述生物质发酵反应装置的应用，其特征在于：所述菌液由枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、白色链霉菌和培养基组成，其培养基为LB培养基，菌液浓度为4亿个/ml，其中枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌与白色链霉菌的数量百分比为26%：46%：28%；菌液的加入量为每100kg生物质10-20L。
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