CN102776123A

CN102776123A - 一种废弃物连续固态发酵反应装置及固态发酵方法

Info

Publication number: CN102776123A
Application number: CN2012102441635A
Authority: CN
Inventors: 李望良; 汪印; 张光义; 许光文
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: CN102776123B

Abstract

我本发明涉及废弃物处理利用领域，具体地，本发明涉及一种废弃物连续固态发酵反应装置及固态发酵方法。本发明的废弃物连续固态发酵反应装置，包括混合罐（4）及其下方的发酵罐（5），所述混合罐（4）的上部设有菌种入口（6）与入料口（10）；所述混合罐（4）内部位于菌种入口（6）与入料口（10）下方设置有若干折流板（1），所述折流板（1）从两侧向下交错倾斜，且均伸过中心线。本发明通过折流板、分流器实现均匀接种的同时，通过间隔板强化热量、质量的传递，将发酵罐均匀分成若干小的反应空间，使底物均匀发酵，加快了发酵速度，强化废弃物固态发酵反应过程有利于固态发酵的放大和生产应用。

Description

一种废弃物连续固态发酵反应装置及固态发酵方法

技术领域

本发明涉及废弃物处理利用领域，具体地，本发明涉及一种废弃物连续固态发酵反应装置及固态发酵方法。

背景技术

中国是世界上垃圾包袱最沉重的国家之一。目前，全国城市垃圾堆放总量高达70亿吨，而且产生量每年以约8.98%速度递增。全国600多座大中城市中，有70%被垃圾所包围。中国仅“城市垃圾”的年产量就近1.5亿吨，这些城市垃圾绝大部分是露天堆放。垃圾在腐化过程中，产生大量热能，主要是氨、甲烷和硫化氢等有害气体，浓度过高形成恶臭，严重污染大气，散发热量，从空中包围城市。由于堆放垃圾发酵，产生甲烷气体，垃圾会发生自燃、自爆现象。它不仅影响城市景观，同时污染了大气、水和土壤，对城镇居民的健康构成威胁，垃圾已成为城市发展中的棘手问题。垃圾不仅造成公害，更是资源的巨大浪费。每年年产1.5亿吨的城市垃圾中，被丢弃的“可再生资源”价值高达250亿元！北京市现日产垃圾13000吨，全年生产495万吨，而且每年将以8%的速度递增。中国目前处理生活垃圾的方法除露天堆放外，还有卫生填埋，这种方法避免了露天堆放产生的问题，其缺点是建填埋场占地面积大；使用时间相对较短，为十年左右；造价高，垃圾中可回收利用的资源浪费了。再是焚烧，焚烧虽然使垃圾体积缩小50%～95%，但也烧掉了可回收的资源，同时释放出有毒气体，如二恶英、硫氮化合物等，并产生有毒有害炉渣和灰尘。第四种是堆肥，这种方法需要人们将有机垃圾与其它垃圾分开才行，它具有很好的发展前景。当前大量未经分类就填埋或焚烧垃圾，既是对资源的巨大浪费，又会产生二次污染。

工业纤维质发酵糟渣具有量大、集中的特点，这些糟渣富含纤维素，是集中的资源。2008年我国白酒糟产量1500万吨、醋糟800万吨，但是这些糟渣呈现酸性或者碱性，是严重的环境污染源。

废弃物固态发酵处理过程可以在常温、常压下操作，生产可用沼气，充分利用废弃物中的纤维素、木质素、蛋白和糖类等有用组分，大大减小废弃物的体积，与化工热处理、填埋、焚烧发电等耦合，实现废弃物综合利用和治理。

固态发酵过程，按照培养基和处理过程，可以分为静止发酵和动态发酵。其中静止发酵过程存在传热传质性能差，发酵过程不均匀等缺陷；而动态发酵仍存在结构复杂，以及灭菌、清洗存在死角等问题。固态发酵反应器分为：转鼓式、木盒式、加盖盘式、垂直培养盒式、倾斜接种盒式、浅盘式、传送带式、圆柱式和混合式等。现在生产所用的固态发酵反应器还是传统的浅盘式和厚层通风层式的装置，规模较大的是隧道窑连续浅盘发酵，均为静态类型，这种类型的固态发酵反应器存在传质、传热性能差，发酵不均匀等缺陷。固态发酵反应器的发展方向是利用化工的三传一反，强化发酵过程中的传热和传质，因此，动态发酵是固态发酵的发展方向。但是，报道最多的动态发酵反应器——转鼓式反应器不能实现连续操作，限制了其工业应用。其他类型的密闭动态发酵反应器都处于实验室研究阶段，不能应用于实际生产。

采用固态发酵处理废弃物可以充分利用其中的有用组分，实现废弃物综合利用和减量排放的目的，但传统的固态发酵过程和发酵反应器的开发在取得显著进步的同时，固态发酵过程操作繁杂、劳动量大等问题依然是制约固态发酵放大和产业化应用的关键，主要原因是：固态发酵过程间歇操作，装卸劳动强度大。如果能实现发酵过程中连续进料和出料，可以大大提高发酵的效率（CN200610114377.5；CN201110034380.7；CN201110034320.5）。现有的连续固态发酵反应装置存在放大生产后，发酵底物与菌种混合不均匀，发酵底物在发酵罐内分布不均等问题，严重降低了发酵生产效率。另外，固态发酵过程缺乏工艺集成，在废弃物固态发酵过程中仍存在很多发酵残渣，需要进一步处理，因此开发生物、化工耦合工艺可以大幅降低固态发酵过程操作费用。

发明内容

本发明的目的在于，为解决上述问题而提供一种系统可控性强、能连续操作、可以通过折流板强化传热将微生物催化剂与废弃物均匀混合的废弃物连续固态发酵反应装置及固态发酵方法。

本发明的废弃物连续固态发酵反应装置，包括混合罐4及其下方的发酵罐5，所述混合罐4的上部设有菌种入口6与入料口10；所述混合罐4内部位于菌种入口6与入料口10下方设置有若干折流板1，所述折流板1从两侧向下交错倾斜，且均伸过中心线；

所述的混合罐4与发酵罐5之间有一过渡部，该过渡部内设置有分流器2；

所述发酵罐5反应区内部沿轴向设置有若干均匀分布的间隔板3，将发酵罐5中部反应区分成若干等体积区域。

根据本发明的废弃物连续固态发酵反应装置，所述混合罐4，形状优选但不限于圆柱体或长方体，所述发酵罐5，形状优选但不限于圆柱体或长方体。二者的组合方式也并不限于圆柱体与圆柱体组合或长方体与长方体组合。

本发明所用的折流板为不锈钢的材质，与混合罐器壁的角度为30°~70°，其目的就是增大废弃物和菌种混合几率，促进废弃物均匀接种，另一方面，也保证接种的废弃物顺利进入分流器上。

本发明所用分流器采用不锈钢的材质，主要特点就是将均匀接种的废弃物均匀分配到反应罐的各个区间。

本发明所用间隔采用不锈钢的材质，主要特点就是将反应罐分割成不同的区域，保证反应过程传热、传质均匀，其高度和反应罐高度一致。

根据本发明的废弃物连续固态发酵反应装置，所述间隔板3与发酵罐5中部反应区高度相同。

根据本发明的废弃物连续固态发酵反应装置，所述发酵罐5底部设有阀门8用于排出滤液，发酵罐5底部侧面开口连接出料管道12，所述出料管道12一端设置有开口向下的固体产物出口9，固体产物出口9侧壁开口通过入料管道7与混合罐4的入料口10相通。

一种基于上述废弃物连续固态发酵反应装置的固态发酵方法，包括以下步骤：

1）将废弃物经入料管道由入料口加入混合罐内，同时将微生物催化剂由菌种入口加入混合罐内，废弃物与微生物催化剂经由折流板作用均匀混合；

2）将混合均匀的废弃物与微生物催化剂混合物经分流器均匀加入到发酵罐中部反应区，废弃物与微生物催化剂混合物在发酵罐内被间隔板分成若干等份，在发酵罐内均匀厌氧发酵生产沼气；

3）将一部分发酵固体产物经由出料管道和入料管道返回混合罐，另一部分发酵固体产物由固体产物出口排出。

根据本发明的固态发酵方法，发酵后的滤液经菌种入口返回混合罐。

根据本发明的固态发酵方法，所述废弃物为纤维素发酵糟渣、城市生活垃圾、餐厨垃圾或农业废弃物中的一种或多种。

根据本发明的固态发酵方法，优选地，所述微生物催化剂菌种为富集的厌氧产甲烷微生物菌群，细胞浓度为1～50g干细胞／L。所述厌氧产甲烷微生物菌群就是在厌氧污泥、下水道污泥等筛选富集的能在无氧条件下讲有机质如城市垃圾、园林垃圾等转化为甲烷的微生物菌群。

根据本发明的固态发酵方法，所述微生物催化剂质量为废弃物质量的2%～20%。

根据本发明的固态发酵方法，所述厌氧发酵的温度为30～50℃，发酵时间为5～30天，发酵压力为常压～2Mpa。

根据本发明的固态发酵方法，其中，返回混合罐发酵固体产物占总发酵固体产物的5%～30%，因发酵产物中含有发酵菌群，所以将部分发酵产物返回混合池不仅可以提高废弃物利用率，而且可以提高固态发酵效率，缩短微生物处理时间。

本发明通过折流板、分流器实现均匀接种的同时，通过间隔板强化热量、质量的传递，将发酵罐均匀分成若干小的反应空间，使底物均匀发酵，加快了发酵速度，强化废弃物固态发酵反应过程，实现连续操作和过程集成的固态发酵工艺和反应器，解决了固态发酵操作繁杂、劳动量大的问题，有利于固态发酵的放大和生产应用。

具体地，本发明具有以下优点：

1.无固体废弃物翻动装置，由折流板、间隔板达到传热与传质，达到混合微生物催化剂与固体废弃物的目的。

2.装置结构简单，易于密封，易于工业放大。

3.通过输送过程与混合罐连接，实现固态发酵过程的连续运转。

4.通过微生物发酵过程，充分利用其中的有用组分，实现废弃物高值化分级利用，减小废弃物的体积。

5.通过与热处理、填埋或焚烧发电等化工过程相结合，实现废弃物无害化处理。

附图说明

图1本发明的废弃物连续固态发酵反应装置结构示意图（混合罐与发酵罐中部反应区为圆柱体）。

图2本发明的废弃物连续固态发酵反应装置的发酵罐反应区俯视切面图。

图3本发明的废弃物连续固态发酵反应装置结构示意图（双发酵罐底部）。

图4本发明的废弃物连续固态发酵反应装置结构示意图（混合罐与发酵罐中部反应区为正长方体）。

附图标识

1、折流板 2、分离器 3、间隔板 4、混合罐

5、发酵罐 6、菌种入口 7、入料管道 8、阀门

9、固体产物出口 10、入料口 11、气体出口 12、出料管道

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的废弃物连续固态发酵反应装置及固态发酵方法作进一步说明。

如图1-4所示，将废弃物经入料管道7由入料口10加入混合罐4内，同时将微生物催化剂由菌种入口6加入混合罐4内，废弃物与微生物催化剂经由折流板1作用均匀混合。将混合均匀的废弃物与微生物催化剂混合物经分流器2均匀加入到发酵罐5中部反应区，废弃物与微生物催化剂混合物在发酵罐5内被间隔板3分成若干等份（图2），在发酵罐5内均匀厌氧发酵生产沼气，厌氧发酵的温度为30～50℃，发酵时间为5～30天，发酵压力为常压～2Mpa。所产沼气经气体出口11排出。将5%～30%的发酵固体产物经由出料管道12和入料管道7返回混合罐，其余发酵固体产物由固体产物出口9排出。将发酵产滤液经阀门8回收，由菌种入口6返回混合罐。

如图1所示，根据本发明的废弃物连续固态发酵反应装置，针对中式小型反应器，优选地，所述混合罐4和发酵罐5的中部反应区均为圆柱体；所述的过渡部为圆台形，所述分流器2为圆锥体，其顶部位于混合罐4底部内；所述发酵罐5的底部为倒圆锥体结构，其中部反应区内部沿轴向设置有若干呈射线状均匀分布的间隔板3。该优选技术方案，在反应器处理量部减小的条件下，分割成不同的部分，促进热量和物质的传递，实现均匀发酵，提高发酵效率。

如图3所示，根据本发明的废弃物连续固态发酵反应装置，针对中式、示范等小型装置，优选地，所述混合罐4为圆柱体；所述发酵罐5顶部为底面长方形的台体，中部反应区为长方体，底部为并联的两个倒圆锥体结构，共用同一阀门与出料管道，其中部反应区内部沿轴向平行设置有若干均匀分布的间隔板3。该优选技术方案，在反应器处理量部减小的条件下，分割成不同的部分，促进热量和物质的传递，实现均匀发酵，提高发酵效率，采用2个产物出口易于将发酵产物排出。

如图4所示，根据本发明的废弃物连续固态发酵反应装置，针对工业化大型装置，优选地，所述混合罐4和发酵罐5的中部反应区均为长方体；所述的过渡部为正锥台；所述的发酵罐5的底部为倒正锥台结构，其中部反应区内部沿轴向平行设置有若干均匀分布的间隔板3。该优选技术方案，在反应器处理量部减小的条件下，分割成不同的部分，促进热量和物质的传递，实现均匀发酵，提高发酵效率，采用方形反应器易于工业放大。所述的过渡部分流器2下方设有若干与间隔板3相连的挡板。

上述废弃物为纤维素发酵糟渣、城市生活垃圾、餐厨垃圾或农业废弃物中的一种或多种。

上述微生物催化剂的菌种为富集的活性厌氧污泥微生物，细胞浓度为1～50g干细胞／L。

上述微生物催化剂为废弃物质量的2%～20%。

实施例1微生物催化剂的培养

微生物催化剂菌种是富集的厌氧产甲烷微生物菌群，培养温度37℃，培养环境为厌氧，培养时间是25天。

培养所需培养基配方为(g/L):K₂HPO₄0.4，KH₂PO₄0.4，NH₄Cl1.0，MgCl₂1.0，酵母浸提物l.0,半胱氨酸0.5。0.1%刃天青2.0mL，微量元素溶液10.0mL，维生素溶液10.0mL。

上述微量元素溶液的组成为(g/L):MgSO₄·7H₂O3.0，CoCl₂0.1，MnSO₄·2H₂O0·5，CaC1₂·2H₂O0.1，ZnSO₄·7H₂O0.1，NaCl1.0，FeSO₄·7H₂O0.1，CuSO₄·5H₂O0.01，KAl(SO₄)₂0.01，H₃BO₃0.01，NaMoO₄·2H₂O0.01。

上述维生素溶液的组成为(mg/L)：硫胺素(B_l)5.0，泛酸钙5.0，核黄素(B₂)5.0，生物素2.0，叶酸2.0，Bl:0.1，烟酸5.0，对氨基苯甲酸5.0，硫辛酸5.0。

微量元素溶液和维生素溶液配好后用0.22μm微孔过滤膜过滤除菌，放入4℃冰箱待用。

实施例2厨余垃圾微生物厌氧处理产沼气

首先将收集的厨余垃圾挤压，除去其中的大部分水分，将上述实施例1中培养的微生物催化剂，通过高速离心机离心浓缩，将0.1kg浓度为25g干细胞/L的微生物催化剂与5kg挤压的厨余垃圾充分混合，在圆形固态发酵反应器中发酵，反应器由内构件分为6等分，发酵温度：37℃，发酵时间18天，发酵的压力常压，将发酵产物进行分离，产沼气52.3升。

实施例3厌氧发酵白酒糟生产沼气

将上述实施例1中培养的微生物催化剂，通过高速离心机离心浓缩，备用。安装一定的速率进入固态发酵反应器，与一定速率的微生物菌种通过折流板混合均匀，微生物催化剂的浓度为1g干细胞/L，质量为2kg，白酒糟的量为10kg，在方形固态发酵反应器中发酵，方形反应器由内构件间隔成8等分，发酵温度：37℃，发酵时间30天，发酵的压力常压，将发酵产物进行分离，收集气体体积150L，最后得到发酵产物质量为3kg，实现体积减小。

实施例4厨余垃圾与城市生活垃圾混合固态发酵

首先将收集的厨余垃圾挤压，除去其中的大部分水分，在混合池中将挤压的厨余垃圾和城市生活垃圾按照1:1的比例混合均匀；将上述实施例1中培养的微生物催化剂，通过高速离心机离心浓缩，将2kg浓度为25g干细胞/L的微生物催化剂与10kg挤压的厨余垃圾与生活垃圾混合物通过折流板混合，在固态发酵反应器中发酵，发酵温度：30℃，发酵时间20天，发酵的压力常压，将发酵产物进行分离，收集发酵气体，发酵结束后，将一部分产物循环回混合池作为发酵的菌种，另一部分填埋。

实施例5固态发酵酒糟和城市生活垃圾混合物

首先将收集的城市生活垃圾分类，除去其中的金属物质、塑料和石块等，在混合池中将新鲜酒糟和城市生活垃圾按照1:2的比例混合均匀；将上述实施例1中培养的微生物催化剂，通过高速离心机离心浓缩，将0.18kg浓度为25g干细胞/L的微生物催化剂与9kg混合的废弃物通过折流板混合，在固态发酵反应器中发酵，发酵温度：37℃，发酵时间15天，发酵的压力2Mpa，将发酵产物进行分离，收集发酵气体，发酵结束后，将一部分产物循环回混合池作为发酵的菌种，另一部分填埋处理。

Claims

1.一种废弃物连续固态发酵反应装置，包括混合罐（4）及其下方的发酵罐（5），其特征在于，所述混合罐（4）的上部设有菌种入口（6）与入料口（10）；所述混合罐（4）内部位于菌种入口（6）与入料口（10）下方设置有若干折流板（1），所述折流板（1）从两侧向下交错倾斜，且均伸过中心线；

所述的混合罐（4）与发酵罐（5）之间有一过渡部，该过渡部内设置有分流器（2）；

所述发酵罐（5）反应区内部沿轴向设置有若干均匀分布的间隔板（3），将发酵罐（5）中部反应区分成若干等体积区域。

2.根据权利要求1所述的废弃物连续固态发酵反应装置，其特征在于，所述混合罐（4）为圆柱体或长方体。

3.根据权利要求1所述的废弃物连续固态发酵反应装置，其特征在于，所述发酵罐（5）为圆柱体或长方体。

4.根据权利要求1所述的废弃物连续固态发酵反应装置，其特征在于，所述间隔板（3）与发酵罐（5）中部反应区高度相同。

5.根据权利要求1所述的废弃物连续固态发酵反应装置，其特征在于，所述发酵罐（5）底部设有阀门（8）用于排出滤液，发酵罐（5）底部侧面开口连接出料管道（12），所述出料管道（12）一端设置有开口向下的固体产物出口（9），固体产物出口（9）侧壁开口通过入料管道（7）与混合罐（4）的入料口（10）相通。

6.一种基于权利要求1所述废弃物连续固态发酵反应装置的固态发酵方法，包括以下步骤：

3）将发酵后的一部分发酵固体产物经由出料管道和入料管道返回混合罐，另一部分发酵固体产物由固体产物出口排出。

7.根据权利要求6所述的固态发酵方法，其特征在于，发酵后的滤液经菌种入口返回混合罐。

8.根据权利要求6所述的固态发酵方法，其特征在于，所述废弃物为纤维素发酵糟渣、城市生活垃圾、餐厨垃圾或农业废弃物中的一种或多种。

9.根据权利要求6所述的固态发酵方法，其特征在于，所述微生物厌氧产甲烷微生物菌群。

10.根据权利要求6所述的固态发酵方法，其特征在于，所述微生物催化剂中细胞浓度为1～50g干细胞/L。

11.根据权利要求6所述的固态发酵方法，其特征在于，所述微生物催化剂质量为废弃物质量的2%～20%。

12.根据权利要求6所述的固态发酵方法，其特征在于，所述厌氧发酵的温度为30～50℃，发酵时间为5～30天，发酵压力为常压～2Mpa。

13.根据权利要求6所述的固态发酵方法，其特征在于，返回混合罐发酵固体产物占总发酵固体产物的5%～30%。