CN102660454B - 厌氧干发酵设备以及利用其的厌氧干发酵工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种厌氧干发酵设备，其包括密封系统、喷淋回流循环系统、地热及壁热采暖系统和通风换气系统，在厌氧干发酵反应器中投入有机原料，在密封的条件下，通过喷淋回流循环系统喷淋甲烷菌液引发厌氧干发酵反应，通过地热及壁热采暖系统保持厌氧干发酵反应器为期望的恒定温度，通过通风换气系统引入空气或排出废气，从而确保有机原料厌氧干发酵过程的顺利进行，以高效率获得甲烷。

Description

厌氧干发酵设备以及利用其的厌氧干发酵工艺
技术领域
本发明涉及微生物发酵技术，特别涉及厌氧干发酵设备以及利用该设备的厌氧干发酵工艺。
背景技术
厌氧发酵是指有机废物在缺氧情况下，利用微生物厌氧菌，经过甲烷菌的新陈代谢生理功能，将有机物转化为沼气和沼肥的整个生产工艺过程。
目前，发酵厌氧处理工艺在处理城市生活垃圾、有机物含量较高的固体废弃物、农村秸秆及畜禽粪便等农业废弃物中广泛的得到应用。根据发酵底物状态的不同，生物质厌氧发酵技术分为厌氧湿发酵技术和厌氧干发酵技术。
传统的发酵厌氧处理工艺是湿发酵厌氧处理（也称为厌氧湿发酵），该种工艺必须让原料和水以完全混合的方式来完成厌氧过程，此种方法不能够达到有机物的最大产气潜能，而且浪费了大量的增温能量。尤其是对室外环境较恶劣的北方地区，湿发酵厌氧处理工艺受到很大的限制，而且由于北方通常气温较低，所需要的增温能量非常大，所以在消耗大量的能量同时也增加了成本。
所谓厌氧干发酵，又称固体厌氧发酵，其反应本质与厌氧湿发酵相同，有机物经过微生物厌氧菌分解发酵过程分为液化、酸化、产甲烷三个阶段；①在液化阶段，厌氧菌种利用酶对垃圾有机物进行酶解，使固态物变成可溶于水的物质；②在产酸阶段，则依靠产酸菌将上述可溶物生成酸性中间物；③产甲烷阶段，最后由产甲烷菌利用酸性中间物、以及物料中的其他碳水化合物转化为甲烷，即沼气。
厌氧干发酵处理工艺是传统湿发酵厌氧处理工艺的突破，该工艺颠覆了传统厌氧处理工艺必须让原料和水完全混合的方式，而是将原料干物质浓度提高到20％以上，通过有效预处理方式增加原料的通透性，然后采用接种菌液进行喷洒与有机物反应的方式完成厌氧过程，此过程在微环境上与传统发酵厌氧处理技术一致，能够达到有机物的最大产气潜能，新工艺由于采用较高干物质浓度所以可以有效节约增温能量，尤其是对室外环境较恶劣的北方地区，该工艺采用模块化方式进行扩展，厌氧反应器数量几乎没有限制，有较大的适应性，特别适合于处理城市生活垃圾、有机物含量较高的固体废弃物、农村秸秆及畜禽粪便等农业废弃物。
为了促进微生物厌氧干发酵过程的顺利进行，实现产气最大化，需要开发适当的工艺和设备。
发明内容
本发明人经过锐意研究发现，提供一种厌氧干发酵设备，该设备包括密封性优良的厌氧干发酵反应器，以及喷淋回流循环系统、地热及壁热采暖系统和通风换气系统，在厌氧干发酵反应器中投入有机原料，在密封的条件下，通过喷淋回流循环系统喷淋甲烷菌液引发厌氧干发酵反应，通过地热及壁热采暖系统保持厌氧干发酵反应器为期望的恒定温度，通过通风换气系统引入空气或排出废气，从而确保有机原料厌氧干发酵过程的顺利进行，以高效率获得甲烷，从而完成本发明。
本发明的目的在于提供一种厌氧干发酵设备，其包括密封系统、喷淋回流循环系统、地热及壁热采暖系统和通风换气系统，
其中，密封系统包括厌氧干发酵反应器，在厌氧干发酵反应器侧部设有反应器密封门，在反应器密封门与厌氧干发酵反应器侧部相接处设有密封门气囊，在密封门气囊上设有气囊进气口和气囊排气口；
所述喷淋回流循环系统包括集液罐和缓存罐，厌氧干发酵反应器通过溢流管与缓存罐相连，缓存罐与集液罐之间通过管道相连，集液罐通过喷淋管道与厌氧干发酵反应器相连；
所述地热及壁热采暖系统包括低温换热器和采暖热源，在厌氧干发酵反应器的侧部器壁内设置有壁热管，在厌氧干发酵反应器的底部器壁内设置有地热管，低温换热器通过给水管和回水管与壁热管和地热管相连，低温换热器通过管道与采暖热源相连；
所述通风换气系统包括在厌氧干发酵反应器底部开设的供风管口，供风管口与供风管相连，在厌氧干发酵反应器顶部开设排气管口，排气管口与排气管相连。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述干发酵设备的厌氧干发酵工艺，该工艺包括：
开启反应器密封门，向厌氧干发酵反应器内投入发酵原料；
将厌氧干发酵反应器与反应器密封门通过密封门气囊密封；
开启供风管，通过供风管向厌氧干发酵反应器内引入空气，以引发好氧发酵，然后关闭供风管并开启排气管以排出废气；
当厌氧干发酵反应器内的反应由好氧反应转入厌氧反应时，将集液罐中的甲烷菌液通过喷淋管道喷淋至反应物料上，喷淋的菌液以及反应中产生的渗滤液经过反应原料向下渗透，经溢流管流入缓存罐，经管道被泵送至集液罐中，反应产生的含甲烷气体经燃气输送管排出，在此反应期间，厌氧干发酵反应器内的温度为30-40℃或50-60℃，集液罐内甲烷菌液的温度比厌氧干发酵反应器内的温度高1-5℃；
开启供风管引入空气或惰性气体，猝灭厌氧反应；
反应结束后，开启反应器密封门，收集反应残留物。
根据本发明的厌氧干发酵工艺具有以下优点：
（1）厌氧干发酵反应器的密封性优异，能确保厌氧反应顺利进行；
（2）厌氧干发酵反应器的加热温度易于控制在期望的恒定温度内，通过地热及壁热采暖系统使得反应器被均匀加热至期望的温度，而不会过热；
（3）经过通风换气系统，可以容易地控制是否进气以及进入气体种类，以引发或猝灭反应，从而控制反应进程；
（4）通过在设备内设置的温度、压力、气体种类检测器等，可以容易地监测温度、压力，进而调节温度、压力为期望值，通过检测气体种类可以容易地判断发酵反应阶段。
附图说明
图1示出根据本发明的厌氧干发酵设备优选实施方式的结构示意图。
图2示出根据本发明的厌氧干发酵设备优选实施方式的密封系统结构示意图。
图3示出根据本发明的厌氧干发酵设备优选实施方式的密封系统结构示意图。（此两处重复）
图4示出根据本发明的厌氧干发酵设备优选实施方式的喷淋回流循环系统结构示意图。
图5示出根据本发明的厌氧干发酵设备优选实施方式的地热及壁热采暖系统结构示意图。
图6示出根据本发明的厌氧干发酵设备优选实施方式的通风换气系统结构示意图。
附图标记说明：
1-厌氧干发酵反应器；2-密封门；3-溢流槽；4-溢流管；
5-污液泵；6-缓存泵；7-地热管；8-送风管；9-壁热管；
10-排气管；12-喷淋管道；13-喷淋头；15-集液罐；
16-喷淋泵；102-反应器器壁；104-空压机；105-真空泵；
106-密封门气囊；107-密封门保温层；108-气囊进气口；
109-气囊排气口；110-密封门插销；208-支路阀门；
302-低温换热系统；303-采暖热源；304-热源循环泵；
305-补水管；306-给水管；307-采暖调节电动阀；
308-分水器；311-回水管；312-循环泵；402-供气风机；
403-供风管；404-供风电动阀；405-排气电动阀；
406-排气母管；407-外接净化装置
具体实施方式
以下结合附图，参照优选的具体实施方式来进一步说明本发明。本发明的特点和优点将随着这些说明变得更为清楚、明确。
根据本发明的一方面，提供厌氧干发酵设备，其包括密封系统、喷淋回流循环系统、地热及壁热采暖系统和通风换气系统，
其中，密封系统包括厌氧干发酵反应器，在厌氧干发酵反应器侧部设有反应器密封门，在反应器密封门与厌氧干发酵反应器侧部相接处设有密封门气囊，在密封门气囊上设有气囊进气口和气囊排气口；
所述喷淋回流循环系统包括集液罐和缓存罐，厌氧干发酵反应器通过溢流管与缓存罐相连，缓存罐与集液罐之间通过管道相连，集液罐通过喷淋管道与厌氧干发酵反应器相连；
所述地热及壁热采暖系统包括低温换热器和采暖热源，在厌氧干发酵反应器的侧部器壁内设置有壁热管，在厌氧干发酵反应器的底部器壁内设置有地热管，低温换热器通过给水管和回水管与壁热管和地热管相连，低温换热器通过管道与采暖热源相连；
所述通风换气系统包括在厌氧干发酵反应器底部开设的供风管口，供风管口与供风管相连，在厌氧干发酵反应器顶部开设排气管口，排气管口与排气管相连。
优选地，作为干发酵厌氧反应器，一般为箱式结构，要求其具有良好的密封性。厌氧干发酵反应器的反应器器壁具有一定厚度，为了减少热量散失，优选地，在干发酵厌氧反应器中设置保温层，并在密封门内设置保温层。
根据需要，干发酵厌氧反应器可采用一侧开门也可采用双侧开门，主要区分方式视当地纬度而定，一般说来，高纬度地区采用单侧开门，低纬度地区采用双侧开门
在一个优选的实施方式中，在反应器密封门上或者在厌氧干发酵反应器侧部表面上设有密封插销，其将反应器密封门和厌氧干发酵反应器进一步密封。
在一个优选的实施方式中，气囊进气口与进气装置如空气压缩机等相连，气囊排气口与排气装置如真空泵等相连。
当反应器密封门开启前，启动排气装置如真空泵，将气囊气体抽成负压以防止开启密封门时对气囊的损坏，此时开启密封门插销后开启密封门；当反应器内原料进行厌氧反应时，随时利用进气装置如空压机对气囊进行补气，以确保气囊压力为设定值，从而将厌氧干发酵反应器和反应器密封门密封。
在一个优选的实施方式中，溢流管一端设于厌氧干发酵反应器底部，另一端设有水封装置，更优选所述溢流管另一端没入缓存罐（也称为溢流池）中液面以下。因此，不会有空气或其他气体经溢流管进入至厌氧干发酵反应器中，从而确保反应器内为无氧环境。
在一个优选的实施方式中，在连接缓存罐和集液罐的管道上设置污液泵，用来将缓存罐中液体泵送至集液罐（也称为甲烷菌培养罐）中。
在一个优选的实施方式中，喷淋管道一端设于集液罐顶部，另一端穿过厌氧干发酵反应器顶部，并连接有喷淋头，在喷淋管道上设置喷淋泵。进一步优选地，喷淋管道包括喷淋母管和喷淋支管，每个厌氧干发酵反应器中可设置一个或多个喷淋支管，在每个喷淋支管上设置喷淋头，还可以在各个喷淋支管前端设置支管阀门，用于控制支管喷淋管的菌液喷淋量、喷淋时间及间歇时间。作为支路阀门，可以使用支路电动阀。
在一个优选的实施方式中，集液罐设有增温及保温装置，以控制集液罐内甲烷菌液温度在期望的温度内。
在一个优选的实施方式中，用于连接低温换热器与采暖热源的管道与补水管相连，通过补水管补充添加热介质如水。作为采暖热源，可利用锅炉、余热等各类热源。
在一个优选的实施方式中，低温换热器上设置给水管口和回水管口，给水管口与给水管相连，在给水管上设置分水器和采暖调节电动阀，回水管口与回水管相连，在回水管上设置循环泵，分水器出口分别与壁热管和地热管相连，在用于连接低温换热器与采暖热源的管道上设有热源循环泵。
通过补水管向采暖热源注入热介质并被采暖热源加热，所产生的高温初始热介质通过管道进入低温换热器内，把温度降到菌种适宜的温度，经过给水管流出，再由分水器流入到厌氧干发酵反应器中设置的壁热管和地热管内，通过采暖电动阀随时可以控制热介质流量，从而控制厌氧干发酵反应器的温度。在确保厌氧干发酵反应器内温度恒定在设置范围内.在厌氧干发酵反应器内、给水管内和回水管内设置温度监测点，在温度监测点处可以设置温度检测器如温度传感器，从而检测各处温度，以便控制厌氧干发酵反应器温度在期望温度范围内，使厌氧干发酵反应器中的菌种处在最适宜的温度下。
由于经采暖热源加热的高温初始热介质与低温换热器中的低温热介质混合，不仅加热低温换热器中的低温热介质，而且加热后的低温热介质的温度可以控制在期望的温度范围内；厌氧干发酵的温度需要保持在30-60℃范围内，温度不能过高或过低，这种加热方式可以确保厌氧干发酵反应器的温度在此范围内，而避免被高温的初始热介质加热至过高温度；由于低温换热器内的热介质量很大，温度保持能力强，在循环流动情况下，能确保壁热管和地热管中的热介质温度较为恒定，从而确保厌氧干发酵反应器的温度恒定；另外，由于壁热管和地热管为并联设置，能够确保厌氧干发酵反应器均匀受热，从而确保反应器内温度均衡，以保证厌氧干发酵过程顺利进行。
在一个优选的实施方式中，在供风管上设置供风阀，用来控制供风时间和频率，供风管与供气风机相连，在供风管上设置供风阀，在排气管上设置排气风机，排气管与净化装置相连。利用供风阀控制反应器是否需要供风以及供风时间和频率，通过控制阀门为开启或关闭状态，即可控制是否为供风状态。进一步优选地，作为供风阀，使用供风电动阀。同理，利用排气阀用于控制是否需要排气以及排气时间和频率，通过控制阀门为开启或关闭状态，即可控制是否为排气状态。进一步优选地，作为排气阀，使用排气电动阀。
根据本发明的另一方面，提供一种利用上述干发酵设备的厌氧干发酵工艺，该工艺包括：
开启反应器密封门，向厌氧干发酵反应器内投入发酵原料；
将厌氧干发酵反应器与反应器密封门通过密封门气囊密封；
开启供风管，通过供风管向厌氧干发酵反应器内引入空气，以引发好氧发酵，然后关闭供风管并开启排气管以排出废气；
当厌氧干发酵反应器内的反应由好氧反应转入厌氧反应时，将集液罐中的甲烷菌液通过喷淋管道喷淋至反应物料上，喷淋的菌液以及反应中产生的渗滤液经过反应原料向下渗透，经溢流管流入缓存罐，经管道被泵送至集液罐中，反应产生的含甲烷气体经排气管排出，在此反应期间，厌氧干发酵反应器内的温度为30-40℃或50-60℃，集液罐内甲烷菌液的温度比厌氧干发酵反应器内的温度高1-5℃；
开启供风管引入空气或惰性气体，猝灭厌氧反应；
反应结束后，开启反应器密封门，收集反应残留物。
在一个优选的实施方式中，启动排气装置如真空泵，将气囊气体抽成负压此时开启密封门插销后开启密封门，向厌氧干发酵反应器内投入发酵原料，再关闭密封门，通过空气压缩机向气囊中鼓入空气，使得囊压力为设定值，从而将厌氧干发酵反应器与反应器密封门通过密封门气囊密封。
在一个优选的实施方式中，在厌氧反应期间，厌氧干发酵反应器内的温度为32-36℃或52-56℃。
反应结束后的反应残留物可以用于制备有机肥料。
为确保系统的良好运行，在优选的实施方式中，可在多个位置处设置监测器，如温度检测器、压力检测器、液面位置检测器、流量检测器等等。例如，可以设置厌氧干发酵反应器内部温度检测器、厌氧干发酵反应器内部压力检测器、壁热管和地热管内部温度检测器、缓存罐液面位置检测器、集液罐温度检测器、集液罐液面位置检测器、集液罐内部温度检测器以及喷淋流量检测器等，使得温度和压力在期望的设定值范围内，污液泵及喷淋泵不产生空转现象，集液罐内不出现负压现象以及喷淋流量及频率在设定的可控范围内。
实施例1
采用如图1-图6所示厌氧干发酵设备，该干发酵工艺处理日产城市有机垃圾80T的工程，该工程可采用6座或12座厌氧反应器，总反应器容积为5000立方米，工程采用中温发酵，发酵温度控制在35±1℃，反应器内压力控制在1500Pa以内，每日喷淋总量约为40T，厌氧反应周期为4周，各反应器同时工作时每日可产生沼气8000立方米，其中甲烷含量为55%，通过提纯后每日可产生生物天然气4180立方米。
以上通过优选的具体实施方式对本发明进行了范例性说明。不过需要声明的是，这些具体实施方式仅是对本发明的阐述性解释，并不对本发明的保护范围构成任何限制，在不超出本发明精神和保护范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明技术内容及其实施方式进行各种改进、等价替换或修饰，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种厌氧干发酵设备，其包括密封系统、喷淋回流循环系统、地热及壁热采暖系统和通风换气系统，
其中，密封系统包括厌氧干发酵反应器，在厌氧干发酵反应器侧部设有反应器密封门，在反应器密封门与厌氧干发酵反应器侧部相接处设有密封门气囊，在密封门气囊上设有气囊进气口和气囊排气口，在反应器密封门上或者在厌氧干发酵反应器侧部表面上设有密封插销，其将反应器密封门和厌氧干发酵反应器进一步密封，气囊进气口与进气装置相连，气囊排气口与排气装置相连；
所述喷淋回流循环系统包括集液罐和缓存罐，厌氧干发酵反应器通过溢流管与缓存罐相连，溢流管一端设于厌氧干发酵反应器底部，另一端设有水封装置，以上所述溢流管另一端没入缓存罐内液面以下，缓存罐与集液罐之间通过管道相连，集液罐通过喷淋管道与厌氧干发酵反应器相连，集液罐设有增温及保温装置，在连接缓存罐和集液罐的管道上设置污液泵，用来将缓存罐中液体泵送至集液罐中；
所述地热及壁热采暖系统包括低温换热器和采暖热源，在厌氧干发酵反应器的侧部器壁内设置有壁热管，在厌氧干发酵反应器的底部器壁内设置有地热管，低温换热器通过给水管和回水管与壁热管和地热管相连，低温换热器通过管道与采暖热源相连，用于连接低温换热器与采暖热源的管道与补水管相连；
所述通风换气系统包括在厌氧干发酵反应器底部开设的供风管口，供风管口与供风管相连，在厌氧干发酵反应器顶部开设排气管口，排气管口与排气管相连。
2.根据权利要求1所述的厌氧干发酵设备，其中，所述进气装置为空气压缩机，所述排气装置为真空泵。
3.根据权利要求1或2所述的厌氧干发酵设备，其中，喷淋管道一端设于集液罐顶部，另一端穿过厌氧干发酵反应器顶部，并连接有喷淋头，在喷淋管道上设置喷淋泵，喷淋管道包括喷淋母管和喷淋支管，每个厌氧干发酵反应器中设置一个或多个喷淋支管，在每个喷淋支管上设置喷淋头，在各个喷淋支管前端设置支管阀门。
4.根据权利要求1或2所述的厌氧干发酵设备，其中，低温换热器上设置给水管口和回水管口，给水管口与给水管相连，在给水上设置分水器和采暖调节电动阀，回水管口与回水管相连，在回水管上设置循环泵，分水器出口分别与壁热管和地热管相连，在用于连接低温换热器与采暖热源的管道上设有热源循环泵。
5.根据权利要求1或2所述的厌氧干发酵设备，其中，在供风管上设置供风阀，供风管与供气风机相连，在供风管上设置供风阀，在排气管上设置排气风机，排气管与净化装置相连。
6.一种利用权利要求1至5中任一项所述干发酵设备的厌氧干发酵工艺，该工艺包括：
开启反应器密封门，向厌氧干发酵反应器内投入发酵原料；
将厌氧干发酵反应器与反应器密封门通过密封门气囊密封；
开启供风管，通过供风管向厌氧干发酵反应器内引入空气，以引发好氧发酵，然后关闭供风管并开启排气管以排出废气；
当厌氧干发酵反应器内的反应由好氧反应转入厌氧反应时，将集液罐中的甲烷菌液通过喷淋管道喷淋至反应物料上，喷淋的菌液以及反应中产生的渗滤液经过反应原料向下渗透，经溢流管流入缓存罐，经管道被泵送至集液罐中，反应产生的含甲烷气体经燃气输送管排出，在此反应期间，厌氧干发酵反应器内的温度为30-40℃或50-60℃，集液罐内甲烷菌液的温度比厌氧干发酵反应器内的温度高1-5℃；
开启供风管引入空气或惰性气体，猝灭厌氧反应；
反应结束后，开启反应器密封门，收集反应残留物。
7.根据权利要求6所述的工艺，其中，在厌氧反应期间，厌氧干发酵反应器内的温度为32-36℃或52-56℃。
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