CN102417284A

CN102417284A - 双室推流式沼气厌氧反应器

Info

Publication number: CN102417284A
Application number: CN2011102516745A
Authority: CN
Inventors: 盛奎川; 麦霍德·爱德; 亚格伯·霍尔木兹亚尼; 钱湘群
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2031-08-29
Also published as: CN102417284B

Abstract

本发明公开了一种双室推流式沼气厌氧反应器，包括内设空腔(70)的反应器主体(7)，在反应器主体(7)的顶部设置用于密封空腔(70)的反应器盖板(11)；在反应器主体(7)的空腔(70)内设置金属筒体(3)，金属筒体(3)的内腔(32)与反应器主体(7)的空腔(70)相隔绝；在反应器主体(7)的侧壁上分别设置进料口(1)、出料口(9)和取样口(5)，在反应器盖板(11)上设置沼气出口(10)，在反应器主体(7)的底部设置排污口(6)，在金属筒体(3)的内腔(32)中设置加热器(4)和感温探头I(12)。其具有厌氧消化彻底、沼气产率高等特点。

Description

双室推流式沼气厌氧反应器

技术领域

本发明涉及一种双室推流式沼气厌氧反应器，属于可再生能源技术领域，尤其是沼气工程技术领域。

背景技术

规模养殖场兴建沼气工程有利于缓解农村能源紧缺和保护生态环境。近年来，中国沼气工程建设力度加大，发展速度较快。集约化养殖场大中型沼气工程从2004年的1500处增加到2010年初的4700处；至2007年年底，全国户用小型沼气池已增加到2500万个。根据中国国家中长期沼气产业发展目标：到2020年，畜禽养殖场大中型沼气工程的数量将增加到10000处，工业废水大中型沼气工程将增加到6000处；到2020年，畜禽养殖场和工业废弃物的沼气年产量将达到140亿m³，总装机容量将达到3GW。

然而，中国大部分畜禽养殖场的废弃物通过固液分离设备，将固体部分分开收集，作为肥料直接卖给农民，或采用简陋设备作堆肥处理，而忽视了用其产甲烷来回收生物能源的巨大潜力，同时也忽视了它们以化学需氧量、病原体、臭气和寄生虫的形式，成为潜在的污染源。

厌氧反应器的沼气产气率是评估反应器性能的最有效参数之一，即反应器单位体积的日沼气产量，单位为m³/(m³·d)。在西方发达国家，如德国、丹麦、荷兰和美国，反应器的沼气产气率通常超过1.0m³/(m³·d)，有的达3.0m³/(m³·d)。

目前，中国规模养殖场沼气工程一般采用厌氧发酵技术处理低固体含量的畜禽废弃物及农作物废弃物，常用的沼气厌氧反应器有上流式厌氧污泥床反应器(USAB)、全混合反应器(CSTR)、厌氧接触工艺(ACP)、厌氧滤器(AF)和厌氧折流板反应器(ABR)等。大中型沼气工程普遍采用上流式厌氧污泥床反应器或全混合反应器，这两类反应器只能处理低固体含量的原料(一般TS＜8％)。上流式厌氧污泥床反应器结构复杂，反应器内新鲜原料与菌种不能充分接触，易产生短流现象，影响处理能力。而全混合反应器需要搅拌混合设备，能耗高，反应器内繁殖起来的发酵微生物随时随出水溢流而排出反应器，会出现严重的污泥流失问题，导致厌氧消化不彻底，沼气产气率较低，一般小于1.0m³/(m³·d)。

迄今，国外已有用于处理高固体含量发酵原料的厌氧反应器(发酵罐)，如最早在比利时发明的采用推流式、立式反应器的Dranco技术(www.ows.be)，在比利时的布莱希特市已完全商业化运行。新鲜原料的TS达到40％-50％，原料从反应器顶部泵入，自上而下推流，发酵残余物从反应器底部排出。该技术的特点是：顶部泵入的新鲜原料需混合较大比例的从底部排出(即回用)的发酵料液；采用喷射蒸汽对反应器内物料加热和搅拌，无需内部机械搅拌装置；沼气产气率能达到7m³/(m³·d)，每吨废弃物能产生100-140m³沼气。相对于本发明而言，该技术采用了复杂的、价格昂贵的适合高固体含量物料的输送、泵送系统和加热系统，且主要用于处理城市固体废物中的有机质和果蔬垃圾。

另一项发明为法国Valorga技术(www.valorgainternational.fr)，采用推流式、立式圆柱状反应器，能处理TS达25％-35％的高固体含量原料，采用沼气喷射方式搅拌发酵物料，沼气日产率达1.8m³/(m³·d)，每吨废弃物能产生80-100m³沼气。相对于本发明而言，该技术也采用了复杂的、价格昂贵的物料输送与泵送系统、加热系统以及沼气循环喷射系统。

此外，瑞士发明的Kompogas技术(www.kompogas.ch)，采用推流式、卧式圆柱状反应器，内部用水平轴螺旋桨搅拌物料，能处理TS达30％-45％的高固体含量原料，沼气日产率达6.0-7.5m³/(m³·d)，每吨废弃物能产生105-120m³沼气。相对于本发明而言，该技术采用了复杂的、价格昂贵的机械搅拌系统和耗能的加热装置。

目前，还未见处理固体含量(TS 10％-16％)原料，尤其是适合畜禽粪便和农作物秸秆原料的推流式厌氧反应器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种双室推流式沼气厌氧反应器，其具有结构简单、运行能耗低、厌氧消化彻底、沼气产率高等特点，其可有效防止反应器内短路。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种双室推流式沼气厌氧反应器，包括内设空腔的反应器主体，在反应器主体的顶部设置用于密封空腔的反应器盖板；在反应器主体的空腔内设置金属筒体，金属筒体的顶部密封地穿越反应器盖板后位于反应器主体的外部，金属筒体的内腔与反应器主体的空腔相隔绝；在反应器主体的侧壁上分别设置进料口、出料口和取样口，在反应器盖板上设置沼气出口，在反应器主体的底部设置排污口，进料口、出料口、取样口、沼气出口和排污口均与空腔相连通；在金属筒体的内腔中设置加热器和感温探头I。

作为本发明的双室推流式沼气厌氧反应器的改进：金属筒体的中心轴线与反应器主体的中心轴线相重合，在金属筒体的内腔中填充有作为传热介质的导热油；加热器浸没在导热油中。

作为本发明的双室推流式沼气厌氧反应器的进一步改进：在反应器主体的空腔内设置两块金属隔板，每块金属隔板的两端分别与反应器主体的内侧壁和金属筒体的外侧壁固定相连，从而将反应器主体的空腔分隔成的右反应室和左反应室；每块金属隔板的顶部与反应器盖板之间设有空隙I，每块金属隔板的底部与反应器主体的底部之间设有空隙II；进料口与右反应室的上半部相连通；出料口与左反应室的上半部相连通。

作为本发明的双室推流式沼气厌氧反应器的进一步改进：右反应室的容积为左反应室容积的2/5～3/5。

作为本发明的双室推流式沼气厌氧反应器的进一步改进：在右反应室和左反应室上各设置一个取样口和一个感温探头II。

作为本发明的双室推流式沼气厌氧反应器的进一步改进：加热器为带有温控装置的加热器。

作为本发明的双室推流式沼气厌氧反应器的进一步改进：在金属筒体的顶部设有可开启的盖板，盖板上设有通气孔。

作为本发明的双室推流式沼气厌氧反应器的进一步改进：在进料口、出料口、排污口和取样口上分别安装阀门。

作为本发明的双室推流式沼气厌氧反应器的进一步改进：反应器主体的底部呈倒锥形，金属隔板的底部高于倒锥形的上端面。

作为本发明的双室推流式沼气厌氧反应器的进一步改进：在反应器主体的整个外表面设置保温层。

本发明实际使用时，生物质原料从进料口进入，在右反应室从上往下推流，并经过倒锥形反应器底部，再在左反应室从下往上推流，发酵残余物从出料口中排出，从而延长了反应物的滞留时间。在右反应室和左反应室的下部各设有1个取样口，倒锥形反应器底部设有1个排污口。反应器的顶部有一个沼气出口，发酵产生的沼气由此排出，沼气出口可连接沼气流量计，用于显示和采集沼气产气率。

本发明与背景技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明所述的双室推流式厌氧反应器结构简单、加工成本较低，通过金属隔板将反应器隔成两室，增加了发酵料液在反应器中的移动路径，能避免发酵料液短路，保留高浓度活性微生物，保证足够的水力滞留时间，能有效破坏杀灭病原体。

(2)本发明所述的双室推流式厌氧反应器能处理固体含量较高的原料(TS10％～16％)，提高了系统的处理能力和处理效果，降低耗水率和废水排放量。

(3)本发明所述的双室推流式厌氧反应器在反应器内部设置加温器，辅以导热油对反应器发酵料液进行加热，有助于减少能耗，与使用水相比，使用导热油可节省大约60％的能耗。

(4)本发明所述的双室推流式厌氧反应器可采用单一的畜禽废弃物进行发酵，也可采用不同废弃物混合发酵，有机负荷率较高，原料发酵充分、不结壳，厌氧消化彻底，池容产气率较高。其中，有机负荷率在1.0～6.0kg COD/(m³·d)，水力滞留时间20～50d，沼气产率0.50～1.38m³/(m³·d)，沼气产率0.30～0.95m³/(kg·VS)，其中VS为添加原料的挥发性固体含量(下同)。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是双室推流式沼气厌氧反应器的剖视结构示意图。

图2是图1的A-A剖视图。

图1和图2中：

1、进料口；2、隔板；21、顶部；22、底部；23、空隙I；24、空隙II；3、金属筒体；31、顶部；32、内腔；33、盖板；4、加热器；5、取样口；6、排污口；7、反应器主体；70、空腔；71、右反应室；72、左反应室；73、上端面；8、保温层；9、出料口；10、沼气出口；11、反应器盖板；12、感温探头I；13感温探头II。

具体实施方式

图1和图2结合给出了一种双室推流式沼气厌氧反应器，包括外表呈圆柱形的反应器主体7，在反应器主体7内设置圆柱形的空腔70；在反应器主体7的顶部设置用于密封空腔70的反应器盖板11，反应器主体7的底部呈倒锥形(如图1所示)。

在反应器主体7的空腔70内设置外表呈圆柱形的金属筒体3(金属筒体3作散热筒体用)，金属筒体3、空腔70和反应器主体7这3者的中心轴线相重合。金属筒体3的顶部31密封地穿越反应器盖板11后位于反应器主体7的外部。在金属筒体3的顶部31设有可开启的盖板33，即加油时，盖板33可打开；整个双室推流式沼气厌氧反应器正常运行时，盖板33合上；在盖板33上设有一个通气孔，以保证金属筒体3的内腔32始终与大气压平衡。

金属筒体3的内腔32与反应器主体7的空腔70相隔绝；在金属筒体3的内腔32中设置加热器4，在金属筒体3的内腔32中还填充有作为传热介质的导热油；加热器4被浸没在导热油中。导热油例如可选用上海燕翠进出口有限公司经销的-LV型号的导热油，其主要参数为：比热，60℃时1.662J/(g·K)；导热系数，60℃时0.1324W/(m·K)。加热器4为带有温控装置(即温度调节旋钮)加热器，感温探头I 12位于金属筒体3的内腔32中，当然为了便于调节，加热器4上的温控装置位于金属筒体3的外部(即位于整个双室推流式沼气厌氧反应器的外部)。

感温探头12用于检测金属筒体3内腔32中导热油的温度；温控装置(即温度调节旋钮)用于设定加热温度(即用于设定特定的发酵温度)；当导热油的温度≥所设定加热温度时，加热器4停止加热；反之，导热油的温度＜所设定加热温度时，加热器4恢复加热。实际工作时，可根据位于空腔70内的物料的发酵温度与导热油的温度之间的差值，以及实际所需的物料的发酵温度，利用温度调节旋钮来设定加热温度；从而使发酵料液达到预定的内部温度，并使温度维持在适宜的水平，最终保证发酵微生物保持较高的活性，从而使反应器主体7能稳定高效地产气。

在反应器主体7的空腔70内设置两块等高的金属隔板2，该两块金属隔板2的两端均分别与反应器主体7的内侧壁和金属筒体3的外侧壁固定相连，从而将反应器主体7的空腔70分隔成右反应室71和左反应室72；右反应室71的容积约为左反应室72容积的1/2。金属隔板2的顶部21与反应器盖板11之间保持有一定的间距(例如为15cm)，该间距自然形成空隙I23；金属隔板2的底部22高于反应器主体7呈倒锥形底部的上端面73(例如高5cm)，因此，金属隔板2的底部22与反应器主体7呈倒锥形的底部之间保持有一定的间距，该间距自然形成空隙II24。因此，右反应室71与左反应室72的上部和下部均连通。

加热器4通电后会加热导热油，热量通过金属筒体3和金属隔板2传递，加热发酵料液。

在反应器主体7的侧壁上分别设置一个进料口1和一个出料口9，进料口1与右反应室71的上半部相连通(即，进料口1位于金属隔板2的顶部21的下方，且进料口1靠近金属隔板2的顶部21)，出料口9与左反应室72的上半部相连通(即，出料口9位于金属隔板2的顶部21的下方，且出料口9靠近金属隔板2的顶部21)。在反应器盖板11上设置沼气出口10，在反应器主体7的呈倒锥形的底部设置排污口6；该沼气出口10和排污口6均与左反应室72相连通。在反应器主体7的侧壁上还设置2个取样口5，这2个取样口5中的一个与右反应室71相连通、另一个与左反应室72相连通。在反应器主体7的上还设置2个感温探头II 13，一个感温探头II 13用于感测右反应室71内发酵料液的温度，另一个感温探头II 13用于感测左反应室72内发酵料液的温度。通过不断调整加热器4的温控装置(即温度调节旋钮)，可使发酵料液达到预定的内部温度。使温度维持在适宜的水平，可保证发酵微生物保持较高的活性，从而使反应器稳定高效的产气。在进料口1、出料口9、排污口6和2个取样口5上分别各安装一个起开关作用的阀门，如球阀。

在整个反应器主体7的整个外表面设置一层保温层8；保温层8起到保温节能的作用；进料口1、出料口9、排污口6、2个取样口5、沼气出口10和感温探头12均露在保温层8之外。当然，为了增加保温效果，可在进料口1、出料口9、排污口6、2个取样口5、沼气出口10和感温探头12上分别各自设置一个可开启的局部保温层。

本发明的双室推流式沼气厌氧反应器实际使用时，在右反应室71和左反应室72内设置作为接种物的厌氧活性污泥(TS为13％，VS为56％)，将畜禽废弃物等加水搅拌后得中固体含量(TS 10％～16％)的浆状生物质；具体工作过程如下：

1、通过加热器4上的温控装置(即温度调节旋钮)设定加热温度，从而控制物料的发酵温度。加热器4加热金属筒体3内腔32中的导热油后，热量通过金属筒体3和金属隔板2传递，从而加热反应器主体7空腔70(包括右反应室71和左反应室72)内的发酵料液。

2、向反应器主体7中添加半干或者中固体含量(TS 10％～16％)的浆状生物质(例如畜禽废弃物)，可通过泵或者螺杆轴(搅拢)从进料口1加料；上述浆状生物质由进料口1进入右反应室71内，并在右反应室71从上往下的推流，经过空隙II24后，再进入左反应室72从下往上的推流，发酵残余物从出料口9排出。进料口1上安装有阀门，当停止进料时，关闭进料口1处的阀门。在出料口9处也安装1个阀门，当停止出料时，关闭出料口9处的阀门。

说明：物料在左反应室72从下往上推流的动力来自右反应室71与左反应室72之间存在的料液面高度差引起的压差。

在右反应室71内产生的沼气通过空隙I23汇总至左反应室72，然后与左反应室72产生的沼气一起通过沼气出口10排出反应器主体7外。可在沼气出口10处设置1个沼气流量计，用于显示沼气产气率。

取样口5的作用：1)用于取样分析发酵过程中发酵料液的工艺参数，如pH值与温度、总碱度、总挥发性脂肪酸、总固体含量TS、挥发性固体VS、氨氮浓度等；2)可作为取用部分发酵料液的排出口，使其与新鲜原料以一定比例混合，添加到进料口1中。

排污口6的作用：整个厌氧反应器正常运行时维护用。如果反应器主体7的底部污泥不断沉积，阻塞发酵料液的推流，则需要打开排污口6，从而去除、疏通底部沉积污泥。当进料口1进料阻力变大，甚至无法进料，或者导致出料口9停止出料，则需要打开排污口6清除沉积污泥。

综上所述，本发明的金属隔板2将反应器主体7空腔70分成两室(即右反应室71和左反应室72)的作用是：添加的原料在出料前须在反应器中先向下(位于右反应室71内)再向上(位于左反应室72内)的路径推移，这可以增加原料有效的停留时间，同时可以防止原料在反应器中发生短路现象。

在本发明中，在整个双室推流式沼气厌氧反应器启动的初始阶段，需加入反应器主体7容积(即空腔70的容积)1/5的接种物(即厌氧活性污泥，其中TS为13％，VS为56％)，在反应器启动的前期，还必需在新鲜进料(即浆状生物质)中混合接种物，直至接种物占反应器主体7容积的1/3。厌氧活性污泥中的厌氧菌在料液中大量繁殖并以悬浮状态存在。

本发明的双室推流式沼气厌氧反应器，由于增加了发酵料液在反应器主体7中的移动路径，保证了足够的水力停留时间，因而能保证反应器主体7内足够的厌氧菌浓度，使之引导发酵过程并处理生物可降解原料。此外，从取样口5取出的发酵料液可回用(正是利用其中的厌氧菌)，使发酵料液与新鲜原料(即浆状生物质)混合从进料口1进入右反应室71内，从而提高沼气产气率和原料转化率。

浆状生物质在反应器主体7空腔70内的流速取决于有机负荷率和水力停留时间，对本发明而言，右反应室71的最大推流速度为0.23m/d。加热器4的设定温度因环境温度的改变而改变，设定温度范围约为45-50℃，即，保证物料的发酵温度为中温发酵35-37℃。

结果如下：有机负荷率在1.0～6.0kg COD/(m³·d)，水力滞留时间20～50d，沼气产率0.5～1.38m³/(m³·d)，沼气产率0.30～0.95m³/(kg·VS)。如，本根据发明设计的反应器，在2010年8月至9月正常运行情况下，猪粪与棉杆混合发酵的沼气产率为0.812Nm³/(kg·VS)。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，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

1.双室推流式沼气厌氧反应器，其特征是：包括内设空腔(70)的反应器主体(7)，在反应器主体(7)的顶部设置用于密封空腔(70)的反应器盖板(11)；在反应器主体(7)的空腔(70)内设置金属筒体(3)，所述金属筒体(3)的顶部(31)密封地穿越反应器盖板(11)后位于反应器主体(7)的外部，所述金属筒体(3)的内腔(32)与反应器主体(7)的空腔(70)相隔绝；在反应器主体(7)的侧壁上分别设置进料口(1)、出料口(9)和取样口(5)，在反应器盖板(11)上设置沼气出口(10)，在反应器主体(7)的底部设置排污口(6)，所述进料口(1)、出料口(9)、取样口(5)、沼气出口(10)和排污口(6)均与空腔(70)相连通；在金属筒体(3)的内腔(32)中设置加热器(4)和感温探头I(12)。

2.根据权利要求1所述的双室推流式沼气厌氧反应器，其特征是：所述金属筒体(3)的中心轴线与反应器主体(7)的中心轴线相重合，在金属筒体(3)的内腔(32)中填充有作为传热介质的导热油；所述加热器(4)浸没在导热油中。

3.根据权利要求2所述的双室推流式沼气厌氧反应器，其特征是：在所述反应器主体(7)的空腔(70)内设置两块金属隔板(2)，每块金属隔板(2)的两端分别与反应器主体(7)的内侧壁和金属筒体(3)的外侧壁固定相连，从而将反应器主体(7)的空腔(70)分隔成的右反应室(71)和左反应室(72)；每块金属隔板(2)的顶部(21)与反应器盖板(11)之间设有空隙I(23)，每块金属隔板(2)的底部(22)与反应器主体(7)的底部之间设有空隙II(24)；所述进料口(1)与右反应室(71)的上半部相连通；所述出料口(9)与左反应室(72)的上半部相连通。

4.根据权利要求3所述的双室推流式沼气厌氧反应器，其特征是：所述右反应室(71)的容积为左反应室(72)容积的2/5～3/5。

5.根据权利要求3或4所述的双室推流式沼气厌氧反应器，其特征是：在所述右反应室(71)和左反应室(72)上各设置一个取样口(5)和一个感温探头II(13)。

6.根据权利要求5所述的双室推流式沼气厌氧反应器，其特征是：所述加热器(4)为带有温控装置的加热器。

7.根据权利要求6所述的双室推流式沼气厌氧反应器，其特征是：在金属筒体(3)的顶部(31)设有可开启的盖板(32)，所述盖板(32)上设有通气孔。

8.根据权利要求7所述的双室推流式沼气厌氧反应器，其特征是：在所述进料口(1)、出料口(9)、排污口(6)和取样口(5)上分别安装阀门。

9.根据权利要求8所述的双室推流式沼气厌氧反应器，其特征是：所述反应器主体(7)的底部呈倒锥形，所述金属隔板(2)的底部高于所述倒锥形的上端面(73)。

10.根据权利要求9所述的双室推流式沼气厌氧反应器，其特征是：在所述反应器主体(7)的整个外表面设置保温层(8)。