CN102559770A - 一种降低氨氮累积的干式厌氧发酵工艺和装置 - Google Patents

Abstract

一种降低氨氮累积的干式厌氧发酵工艺，其特征在于：检测干式厌氧发酵反应罐内的发酵液氨氮浓度，该发酵液的氨氮浓度低于预定值时直接回流到干式厌氧发酵反应罐中；该发酵液的氨氮浓度达到预定值时，使该发酵液通过沸石去除氨氮。本发明还公开了一种用于实现上述工艺的装置。本发明不仅降低了高浓度氨氮对厌氧发酵反应的抑制，提高了系统的产气速率；而且，置换下来的吸附有高浓度氨氮的沸石还可以用于土壤改良剂。

Description

一种降低氨氮累积的干式厌氧发酵工艺和装置

技术领域

本发明属于干式厌氧发酵技术，主要涉及一种降低氨氮累积的干式厌氧发酵工艺。

本发明还涉及一种实施上述工艺的装置。

背景技术

每年我国都会产生大量的农村有机废弃物，如畜禽粪便和秸秆等，它们属于优质的高氮高碳生物质能源，利用干式厌氧发酵技术，不仅可以解决畜禽粪便任意排放和秸秆焚烧等不当的处理带来的环境问题，还可以在处理农业废弃物的过程中回收清洁能源沼气，用于取暖、发电、汽车燃料等，在一定程度上缓解了我国能源短缺的压力。

由于干式厌氧发酵固含率较高，发酵底物以不流动的固态存在，容易产生发酵过程中传质不匀和局部有机酸抑制等问题，对干式厌氧发酵过程中产生的发酵液进行合适的回流，可以很好的解决上述问题。发酵液回流可以促进发酵物料均匀分布，加强微生物与底物的相互接触，从而加快底物的发酵速率。但是干式厌氧发酵反应运行时间较长，其产生的发酵液中的氨氮会出现一定程度的累积，而累积到一定浓度的氨氮会对反应体系中的产甲烷菌的活性产生抑制，使其新陈代谢变慢，有机物及营养物质的使用率下降，从而导致体系的产气速率下降。对于长期运行驯化的反应系统，氨氮浓度为2000mg/L将使产甲烷菌的活性降低10％，另有报道指出氨氮浓度在5000mg/L左右时产气效率会下降40％。

氨氮抑制持续时间越长，毒性越大，一旦发生，系统很难恢复到原来高效的运行状态，若想保证厌氧发酵反应器的处理能力与运行效率，有必要及时监测发酵液中氨氮浓度的变化情况，并做出相应的去除处理措施。

天然沸石在我国一些地区具有相当丰富的储量，且不少天然沸石的矿床处于地表附近，容易开采，经过粉碎和筛选等简单工艺之后即可使用，其价格远比合成沸石低，因而在需求量大、质量要求不太高的情况下，天然沸石最为适用，特别是在农业、轻工业和环境保护等方面，天然沸石的应用有极大的发展前途。

以斜发沸石和丝光沸石为主的天然沸石，具有很强的吸附性能及较高的离子交换容量，对污水中的氨氮有很好的去除能力，而且对氨氮吸附饱和的沸石还可以用作土壤改良剂，把其施加到土壤中可以起到氮肥缓释剂的作用，可以提高土壤保持肥效的能力，使农作物能够增产。

发明内容

本发明的目的就是基于上述现有技术存在的问题，提供一种降低氨氮累积的干式厌氧发酵工艺和装置，通过沸石对发酵液中的氨氮进行吸附，降低氨氮对发酵反应体系的抑制，提高发酵反应系统的产气速率，被置换下来的吸附饱和的沸石可以用于土壤改良剂。

为实现上述目的，本发明提供的降低氨氮累积的干式厌氧发酵工艺是，检测干式厌氧发酵反应罐内的发酵液氨氮浓度，该发酵液的氨氮浓度低于预定值时直接回流到干式厌氧发酵反应罐中；该发酵液的氨氮浓度达到预定值时，使该发酵液通过沸石去除氨氮。

所述降低氨氮累积的干式厌氧发酵工艺，其中，所述预定值为1500mg/L。

本发明提供的实现上述工艺的装置，其主要包括：

一干式厌氧发酵反应罐，其顶部设有发酵液的喷头，底部铺有小石子，以防止干式厌氧发酵反应罐底部的发酵液出口堵塞；

干式厌氧发酵反应罐底部发酵液出口通过第一三通阀分别连接第一发酵液储备瓶和第二发酵液储备瓶；其中：

第二发酵液储备瓶连接至沸石填充柱的上端，该沸石填充柱的底端连接第一发酵液储备瓶，且该第一发酵液储备瓶连接干式厌氧发酵反应罐顶部的喷头。

所述的装置，其中，干式厌氧发酵底部的小石子上面设有一可拆卸的带孔隔板。

所述的装置，其中，干式厌氧发酵反应罐外层采用加热带及保温海绵包裹加热保温，干式厌氧发酵反应罐内设有温度感应探头以及温度控制显示仪，实现对温度的调控和监测。

所述的装置，其中，沸石填充柱由两组并联的沸石填充柱组成，两组沸石填充柱的上端之间连接一第二三通阀，并通过该第二三通阀与第二发酵液储备瓶连接，两组沸石填充柱的底端之间连接一第三三通阀，并通过该第三三通阀与第一发酵液储备瓶连接。

所述的装置，其中，沸石填充柱的上部和下部填充有石英砂，中部填充有沸石，每层填料均容置在筛网中。

所述的装置，其中，第一发酵液储备瓶连接干式厌氧发酵反应罐的管道上设有处理后发酵液取样口。

所述的装置，其中，该第二三通阀与第二发酵液储备瓶之间，以及该第一发酵液储备瓶与干式厌氧发酵反应罐顶部的喷头之间均分别设有一蠕动泵。

所述的装置，其中，沸石填充柱中部填充的沸石为天然斜发沸石和丝光沸石的一种或两种。

本发明具有以下有益效果：

根据发酵液中氨氮浓度的检测，本发明的发酵液有两种回流方式，在保证发酵液回流正常运行的前提下，既减少了蠕动泵的运行，又相对增加了沸石填充柱的工作寿命；沸石填充柱分为三层，上层石英砂截留了发酵液中的颗粒悬浮物，使流到中层的发酵液能够高效的被沸石去除其中的氨氮，下层的石英砂防止了小粒径沸石跑料引起的下端出口的堵塞，并且每层填料都用相应的筛网容纳，方便了进出料。

本发明的装置中设有两组沸石填充柱，保证了回流运行的连续性；达到吸附饱和的沸石，由于含有高浓度的氨氮营养素，可以作为土壤改良剂，实现了资源的回收利用；产生的发酵液通过本发明的发酵液回流体系的选择性处理，保证了进入发酵罐中的发酵液具有较低的氨氮含量，解除了高浓度的氨氮对发酵反应体系的抑制，从而使发酵体系具有较高的产气速率。

附图说明

图1是一种降低氨氮累积的干式厌氧发酵工艺总体装置示意图。

图2是图1中沸石填充柱的剖面示意图。

附图中主要组件标记符号说明：

1干式厌氧发酵反应罐；2第一沸石填充柱；3第二沸石填充柱；4温度控制显示仪；5温度感应探头；6湿式气体流量计；7第一蠕动泵；8第二蠕动泵；9第一发酵液储备瓶；10第二发酵液储备瓶；11加热带；12喷头；13带孔隔板；14硅胶密封垫；15发酵物料；16小石子；17处理后发酵液取样口；18原始发酵液取样口；19发酵物料取样口；20气体取样口；21气体出口；22发酵液排出控制阀；23第一三通阀；24第二三通阀；25第三三通阀；26发酵液进口；27发酵液出口；28填充柱外壁；29筛网；30上层石英砂；31天然沸石；32下层石英砂。

具体实施方式

本发明的干式厌氧发酵反应罐发酵液回流频率为一天一次，每天上午打开发酵罐底端的发酵液排出阀门，从发酵液取样口取样测定氨氮的浓度。

若氨氮的浓度达到1500mg/L以上时，打开干式厌氧发酵反应罐底端的第一三通阀，使发酵液只流入第二发酵液储备瓶；打开沸石填充柱上端的第二三通阀，使第一沸石填充柱处于工作状态；然后利用蠕动泵把发酵液送到第一沸石填充柱以吸附去除发酵液中的氨氮；为了防止发酵液含有的颗粒污染物堵塞沸石，沸石填充柱上部填充粒径较大的石英砂，中部填充粒径相对较小的沸石，这样可以提高沸石的使用寿命，以及提高氨氮的吸附量，下层填充与上层一样粒径的石英砂以防止小粒径的沸石跑料堵塞下端出口；打开沸石填充柱下端的第三三通阀使经沸石填充柱处理过后的发酵液流入第一发酵液储备瓶，再利用蠕动泵就可以完成处理后发酵液的回流；当第一沸石填充柱达到吸附饱和后，改变沸石填充柱上下的两个三通阀的开闭方式，启用第二沸石填充柱。在这期间可以把第一沸石填充柱中的沸石取出，重新填入新的沸石，取出的沸石由于含有高浓度的氨氮营养素，可以用于土壤改良剂。

若发酵液的浓度小于1500mg/L，考虑到运行的经济性，只对发酵液进行回流，不进行氨氮的去除，具体实施方式如下：打开干式厌氧发酵反应罐底端的第一三通阀，使发酵液只流入第一发酵液储备瓶，之后，利用蠕动泵把发酵液直接回流到干式厌氧发酵反应罐中。

下面结合附图对本发明的实施进行具体描述。

本发明的干式厌氧发酵反应罐，主要由干式厌氧发酵罐主体1、温度控制显示仪4、温度感应探头5、湿式气体流量计6、第一发酵液储备瓶9、第二发酵液储备瓶10、第一蠕动泵7、第二蠕动泵8、第一沸石填充柱2和第二沸石填充柱3组成。干式厌氧发酵反应罐1主体材料为有机玻璃，外层采用加热带11及保温海绵包裹加热保温，插入干式厌氧发酵反应罐里的温度感应探头5以及温度控制显示仪4，实现对温度的调控和监测；干式厌氧发酵反应罐的上下罐体均采用法兰接口密封，并采用焊接加工工艺，法兰接口之间加入硅胶密封垫14，进一步保障了干式厌氧发酵反应罐密封性的良好，干式厌氧发酵反应罐具有简单外形设计，减少了主体材料的使用，也增加了发酵罐的密封性能。

干式厌氧发酵反应罐内底部铺有一层50mm高的小石子16，防止发酵液出口堵塞，另外，在小石子16和发酵物料15之间加一可拆卸的带孔隔板13，该带孔隔板13是布有5mm圆孔的有机玻璃隔板(孔间距为10mm)，也可以很好的缓解发酵液堵塞问题。

沸石填充柱外壁28的顶端设有发酵液进口26，对应的底端设有发酵液出口27，为了防止发酵液含有的颗粒污染物堵塞沸石31，沸石填充柱内的上部填充粒径为10mm的石英砂30，中部填充粒径为4mm的沸石31，这样可以提高沸石的使用寿命，以及提高氨氮的吸附量，下部填充与上层同样粒径的石英砂32防止中间沸石跑料引起的下端出口27的堵塞，另外每层填料都用相应的筛网29容纳放置在沸石填充柱内，以方便进出料。

干式厌氧发酵反应罐1与湿式气体流量计6之间开设有沼气的气体取样口20，在湿式气体流量计6上开设有气体出口21。干式厌氧发酵反应罐1侧壁开设有发酵物料(沼渣)取样口19，该取样口19可以开设上中下三个取样口，原始发酵液是在取样口18取样，处理后发酵液在取样口17取样。

发酵反应进行时，每天打开发酵罐底端的发酵液排出控制阀22，从原始发酵液取样口18取一定量的发酵液，测定氨氮浓度及其他的理化指标，如测定氨氮的浓度大于1500mg/L，打开发酵罐底端的第一三通阀23，调节阀门开口方式，使发酵液只流入第二发酵液储备瓶10，打开第一沸石填充柱2和第二沸石填充柱3上端的第二三通阀24，仅使第一沸石填充柱2处于工作状态，然后利用第二蠕动泵8把第二发酵液储备瓶10中的发酵液输送到第一沸石填充柱2中以吸附去除发酵液中的氨氮；打开第一沸石填充柱2和第二沸石填充柱3下端的第三三通阀25，使第一沸石填充柱2处理过后的发酵液流入第一发酵液储备瓶9，之后，利用蠕动泵7把第一发酵液储备瓶9中的发酵液送回干式厌氧发酵罐1中的喷头12；当第一沸石填充柱2达到吸附饱和时，改变第一和第二两个沸石填充柱2、3上下端的第二和第三两个三通阀24、25的工作方式，启用第二沸石填充柱3，期间可以把第一沸石填充柱2中的沸石取出，重新填入新的沸石，取出的沸石由于含有高浓度的氨氮营养素，可以用于土壤改良剂。若发酵液的浓度小于1500mg/L，考虑到运行的经济性，只对发酵液进行回流，不进行氨氮的去除，具体实施方式如下：打开发酵罐底端的第一三通阀23，使发酵液只流入第一发酵液储备瓶9，利用蠕动泵7把发酵液直接回流到干式厌氧发酵罐1中的喷头12。

Claims (10)

1.一种降低氨氮累积的干式厌氧发酵工艺，其特征在于：检测干式厌氧发酵反应罐内的发酵液氨氮浓度，该发酵液的氨氮浓度低于预定值时直接回流到干式厌氧发酵反应罐中；该发酵液的氨氮浓度达到预定值时，使该发酵液通过沸石去除氨氮。

2.根据权利要求1所述降低氨氮累积的干式厌氧发酵工艺，其中，所述预定值为1500mg/L。

3.实现权利要求1所述工艺的装置，其主要包括：

一干式厌氧发酵反应罐，其顶部设有发酵液的喷头，底部铺有小石子，以防止干式厌氧发酵反应罐底部的发酵液出口堵塞；

干式厌氧发酵反应罐底部发酵液出口通过第一三通阀分别连接第一发酵液储备瓶和第二发酵液储备瓶；其中：

第二发酵液储备瓶连接至沸石填充柱的上端，该沸石填充柱的底端连接第一发酵液储备瓶，且该第一发酵液储备瓶连接干式厌氧发酵反应罐顶部的喷头。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，干式厌氧发酵底部的小石子上面设有一可拆卸的带孔隔板。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，干式厌氧发酵反应罐外层采用加热带及保温海绵包裹加热保温，干式厌氧发酵反应罐内设有温度感应探头以及温度控制显示仪，实现对温度的调控和监测。

6.根据权利要求3所述的装置，其中，沸石填充柱由两组并联的沸石填充柱组成，两组沸石填充柱的上端之间连接一第二三通阀，并通过该第二三通阀与第二发酵液储备瓶连接，两组沸石填充柱的底端之间连接一第三三通阀，并通过该第三三通阀与第一发酵液储备瓶连接。

7.根据权利要求3或6所述的装置，其中，沸石填充柱的上部和下部填充有石英砂，中部填充有沸石，每层填料均容置在筛网中。

8.根据权利要求3所述的装置，其中，第一发酵液储备瓶连接干式厌氧发酵反应罐的管道上设有处理后发酵液取样口。

9.根据权利要求3所述的装置，其中，该第二三通阀与第二发酵液储备瓶之间，以及该第一发酵液储备瓶与干式厌氧发酵反应罐顶部的喷头之间均分别设有一蠕动泵。

10.根据权利要求3所述的装置，其中，沸石填充柱中部填充的沸石为天然斜发沸石和丝光沸石的一种或两种。

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