CN102795899B - 一种连续干式厌氧发酵方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续干式厌氧发酵方法，所述方法包括以下步骤：A)原料装填，向发酵用容器内投加有机固体废弃物；B)启动发酵：封闭发酵用容器进行厌氧发酵；C)进料：通过进料缓冲装置或系统将新鲜的有机固体废弃物添加到发酵用容器中；D)出料：在进行步骤C的同时，通过出料缓冲装置或系统取出已经发酵好的物料；E)连续运行：重复步骤C和D。在整个厌氧发酵中，可以通过太阳能装置对发酵装置进行加热。

Description

一种连续干式厌氧发酵方法

技术领域

本发明涉及环保及能源利用技术领域，涉及连续干式厌氧发酵方法。

背景技术

固体废物若不能及时处理，往往会造成垃圾遍布、污水横流、蚊蝇孽生，散发臭味，成为各种病源微生物的孳生地，影响环境卫生和危害人休健康。当前，固体废物污染日益严重。

干式厌氧发酵又称为高固体厌氧消化，是指总固体含量大约在20％至40％的情况下，利用厌氧菌将其分解为CH₄、CO₂、H₂S等气体的发酵工艺，干式厌氧发酵过程极其复杂，需要多种微生物参与反应，并且要分步分段进行。在发酵过程中，不同的微生物相互影响、相互制约，形成复杂的生态系统。与湿式发酵相比，干发酵工艺主要具有节约用水，节约管理沼气池所需的工时，池容产气率较高等优点，但干式厌氧发酵技术由于微生物活性等影响，物质的降解效率较蚯蚓堆肥和高温好氧发酵要差，特别是纤维素、木质素类物质的降解效率和降解程度较低(参见[1]李想，赵立欣，韩捷等，农业废弃物资源化利用新方向——沼气干发酵技术[J]，中国沼气，2006，24(4)：23-27；[2]李东，马隆龙，袁振宏等，华南地区稻秸常温干式厌氧发酵试验研究[J]，农业工程学报，2006，22(12)：以及[3]Weiland P.，Anaerobic waste digestion in germany-status andrecentdevelopments[J]，Biodegradation，2000，11(6)：415-421)。

因此，设计针对有机固体废弃物，尤其是生活垃圾中的有机成分、果蔬垃圾、畜禽粪便、秸秆等的无害化处理、资源化处理利用的干式厌氧发酵装置，开发成本低、操作方便的降解难降解物质、降低物料中的含水率的预处理技术、充分实现有机固体废弃物循环利用的技术，对于有机固体废弃物的无害化、减量化和资源化尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续及过程增温保温的中温干式厌氧发酵方法，在厌氧发酵过程中，不定期向发酵系统内投加新鲜有机固体废弃物，同时为了保证发酵仓内的物料平衡和长期运行，在投加物料的同时，需将已经发酵好的物料清理出，保证了有机固体废弃物的就地、及时连续快速处理，在发酵过程中，通过增温及保温措施，实现低温条件下厌氧发酵系统能够正常启动，从而解决分散式有机物料日常清理以及低温条件下厌氧发酵难以启动和维持的问题。

为实现上述目的，在一个实施方案中，本发明涉及一种连续及过程增温保温的中温干式厌氧发酵方法，所述处理方法包括以下步骤：

A)原料装填，向发酵用容器内投加有机固体废弃物；

B)启动发酵：封闭发酵用容器进行厌氧发酵；

C)进料：通过进料缓冲装置或系统将新鲜的有机固体废弃物添加到发酵用容器中；

D)出料：在进行步骤C的同时，通过出料缓冲装置或系统取出已经发酵好的物料；

E)连续运行：重复步骤C和D。

在一个实施方案中，其中在整个厌氧发酵中，通过燃烧加热、电加热或太阳能装置对发酵用容器进行加热。

在一个实施方案中，在所述进料步骤之后，通过使用设置在所述发酵用容器底部的支架改变所述发酵用容器的倾斜角度，倾斜度为-60°至60°，优选-30°至30°或，最优选-30°或30°，从而实现所述发酵用容器内的发酵物充分混合。

在一个实施方案中，在原料装填步骤中，装料量为发酵装置容积的70％至80％，优选75％至78％，最优选78％，装样料大于80％时，会降低反应器内物料的反应速率，装样料小于70％时处理成本会增加。

在一个实施方案中，在启动发酵步骤中，厌氧发酵时间为25到40天，优选28到35天，最优选35天，当发酵时间小于25天时，物料发酵不够完全，当时间长于40天时，是不经济的。

在一个实施方案中，在进料步骤中，添加量为连续式干式厌氧发酵装置容积的2％至3％，优选2.3％至2.6％，更优选2.4％至2.6％，最优选2.5％，当装样量高于3％时，会导致反应装置内物料的累积，降低物料降解效率，当装样量低于2％，会降低反应装置的处理能力，是不经济的。

在一个实施方案中，在出料步骤中，出料量为连续式干式厌氧发酵装置容积的0.8％至1.5％，优选1％至1.3％，更优选1.2％至1.3％，最优选1.2％，当取样量高于1.5％时，会导致物料降解不完全，当取样量低于0.8％，会导致反应装置内物料的累积，降低反应装置的处理能力，是不经济的。

在一个实施方案中，在增温保温步骤中，通过太阳能装置维持反应器内温度在30℃到40℃，优选33℃到38℃，更优选35℃到37℃，最优选37℃，当温度高于40℃时，会到之部分中温菌死亡或进入休眠状态，降低有机物的降解效率，当温度低于30℃时，会降低中温菌的生物活性，不利用有机物的降解。

在一个实施方案中，进料包括餐厨垃圾、果蔬、秸秆等以有机物为主要成分的垃圾。

附图说明

图1为本发明低温条件下厌氧快速启动及厌氧-好氧一体化发酵方法的装置示意图；

图2为本发明一种连续及过程增温保温的中温干式厌氧发酵方法的流程示意图。

具体实施方式

在本发明中，可以使用连续干式厌氧发酵装置，其具体结构如图1所示，包括主仓室1、水浴加热层2、保温层3、进料口4、进料盖5、进料缓冲室6、进料缓冲室阀门7、出料口8、出料盖9、出料缓冲室10、出料缓冲室阀门11、太阳能装置12、阀门13、制动环14、支架15、轮16、出气口17。

罐体由主仓室1、水浴加热层2、保温层3共三层组成，主仓室位于发酵罐的最内侧，中间层为保温层，在小型装置的情况下，发酵罐的直径为0.5m至2m，高度为1.5m至3m；在中型装置的情况下，发酵罐的直径为2m至5m，高度为3m至5m；在大型装置的情况下，发酵罐的直径为5m至10m，高度为5m至10m。中间层为水浴加热层2，厚度一般为5m至10cm。最外侧为保温层3，厚度一般为5m至10cm。

罐体的一端设立进料功能相关装置，体积一般为日处理有机固体废弃物体积的120％至150％，该装置由进料口4、进料盖5、进料缓冲室6，进料缓冲室阀门7构成，物料可通过进料口4添加到进料缓冲室6，进料盖5的开启与关闭控制进料缓冲室与外界的连通和封闭，进料缓冲室阀门7控制进料缓冲室与主仓室间的连通和封闭。

发酵罐的另一端设立出料功能装置，体积为日处理有机固体废弃物体积的60％至80％，该装置由出料口8、出料盖9、出料缓冲室10、出料缓冲室阀门11构成，已经发酵完毕的物料可通过出料缓冲室阀门11控制流入出料缓冲室10，出料缓冲室阀门11关闭后，打开出料盖，物料由出料口8取出。

装置的加热系统由太阳能装置12及罐体内的水浴加热层2共同组成，其中太阳能装置与加热层由管道相连通，管道上设置有阀门13，由阀门控制太阳能装置与水浴层的水流流通，从而间接控制温度。

罐体可以随制动环14的转动而转动，从而实现发酵罐中发酵物的搅拌混合。制动环14可以通过手动的方式进行转动，也可以在一种或多种动力源的作用下转动，所述动力源的实例包括，但不限于，电动机、内燃机、太阳能电机、风车、水车等。

可以对制动环底部的支架15的高度进行调节。当进料端的支架相对于出料端的支架的高度降低时，罐体的倾斜度变小，而当出料端的支架升高至高于进料端时，出料端高于进料端，可以使得出料端的发酵物与进料端的发酵物充分混合，实现不同发酵阶段菌群的混合。这样，可以有效地加速进料端加入的新鲜进料的发酵进程。

本发明在厌氧发酵过程中，不定期向发酵系统内投加新鲜有机固体废弃物，同时为了保证发酵仓内的物料平衡和长期运行，在投加物料的同时，需将已经发酵好的物料清理出，保证了有机固体废弃物的就地、及时连续快速处理，在发酵过程中，通过增温及保温措施，实现低温条件下厌氧发酵系统能够正常启动，从而解决农村、城镇生活小区内等分散式有机物料日常日清以及低温条件下厌氧发酵难以启动和维持的问题。

实施例

下面详细描述本发明的实施例。

在实施例中，含水率、有机质含量、总氮(TN)、总磷(TP)、总钾(TK)含量等按照由中华人民共和国农业部于2002年12月1日颁布的《有机肥标准NY525-2002》中记载的测定方法测定，该标准一般用于衡量有机肥产品的质量。总固体质量分数(TS)、挥发性固体质量分数(VS)、碳氮比(C/N)、腐殖酸含量按照以下方法测定：

1、总固体质量分数(TS)

总固体质量分数(TS)是指将样品在100℃±5℃下烘至恒重后进行计算的固体质量分数，即指样品除去水分之后的部分，具体方法如下：

称取4g至6g已混合均匀的样品，置于烘至恒重的坩埚中，放入烘箱，于100℃±5℃下干燥4h后取出放入干燥器中冷却至室温后称重。重复干燥0.5h，冷却称重，直至恒重(前后质量差小于2mg)为止。

结果计算：

$w\left(\mathrm{TS}\right)=\frac{m_2-m_0}{m_1-m_0}\×100\%,$

该式中：

w(TS)为总固体的质量分数，以百分比含量计；

m₁为烘前坩埚和试样的质量，单位为g；

m₂为烘后坩埚和试样的质量，单位为g；

m₀为坩埚的质量。

2、挥发性固体质量分数(VS)

挥发性固体质量分数(VS)是指将测定TS的恒重样品置于550℃±5℃下灼烧30分钟，得到灰分质量。

将测定总固体的恒重样品于550℃±5℃下灼烧30分钟后取出放入干燥器中冷却至室温后称重。重复灼烧，冷却称重，直至恒重(前后质量差小于2mg)为止。

结果计算：

$w\left(\mathrm{VS}\right)=\frac{m_2-m_3}{m_1-m_0}\×100\%,$

该式中：

w(VS)为挥发分的质量分数，以百分比含量计；

w(灰分)为灰分的质量分数，以百分比含量计；

m₁为烘前坩埚和试样的质量，单位为g；

m₂为灼烧前坩埚和烘干试样的质量，单位为g；

m₃为灼烧后坩埚和灰分试样的质量，单位为g；

m₀为坩埚的质量，单位为g。

3、碳氮比(C/N)

碳氮比(C/N)是指发酵原料中碳的质量分数与氮的质量分数的比值。测定方法如下：

(1)碳的测定

1)样品制备：称取试样0.02g至0.025g(准确至0.0001g)，置入150mL锥形瓶中，加入0.1g粉末状的Ag₂SO₄，然后用自动调零滴定管，准确加入10.00mL的0.4mol/L K₂Cr₂O₇-H₂SO₄溶液摇匀。

2)消煮：将盛有试样的锥形瓶装上一简易空气冷凝管，置于已预热到200℃至230℃的电砂浴上加热，当简易空气冷凝管下端落下第一滴冷凝液时，开始计时，消煮5分钟±0.5分钟。

3)滴定：消煮完毕后，将锥形瓶从电砂浴上取下，冷却片刻，用蒸馏水冲洗冷凝管内壁及其底端外壁，使洗涤液流入原锥形瓶，瓶内溶液的总体积应控制在60mL至80mL为宜，加3至5滴邻菲罗啉指示剂，用Fe²⁺标准溶液滴定剩余的K₂Cr₂O₇。溶液的变色过程是由橙黄色变为蓝绿色，再变为棕红，即达到终点。如果试样滴定所用的K₂Cr₂O₇溶液的体积不到空白所耗Fe²⁺标准溶液体积的三分之一时，则应减少称样量，重新测定。同时做空白试验。

结果计算：试样中有机碳的质量分数按下式计算：

该式中：

c(Fe²⁺)为Fe²⁺标准溶液浓度，单位为mol/L；

V为试样滴定消耗Fe²⁺标准溶液体积，单位为mL；

V₀为空白滴定消耗Fe²⁺标准溶液体积，单位为mL；

m为称取试样质量，单位为mg；

12为碳的摩尔质量，单位为g/mol。

(2)氮的测定

消化：称取0.4g至0.6g(准确至0.0002g)试样于凯氏消化瓶中，加入10mL消化剂，放置30分钟，加入1.5g还原剂，再放置30分钟或放置过夜，低温碳化至无泡沫，高温消化至呈黄褐色，加入3g至4g混合盐，继续高温消化至消化液呈亮蓝色。

蒸馏：将冷却的消化液定量转入凯氏蒸馏装置中，该装置由水蒸气发生器、反应瓶及冷凝管等组成。在1000mL大烧瓶内加入400mL蒸馏水和少许沸石，加5滴混合指示剂，加几滴酸液，使水呈紫红色，盖紧瓶盖，安装好装置并检查是否漏气。量取30mL的2％硼酸溶液，注入作为吸收瓶的100mL锥形瓶中，加入混合指示剂1至2滴(溶液呈紫红色)，置于冷凝管下面，使管尖插入硼酸溶液1cm深处。量取100mL的0.4g/mL NaOH溶液，由漏斗注入蒸馏瓶内，再用2mL至5mL水冲洗漏斗，旋转活塞，此时蒸馏瓶中的溶液总体积应不超过溶剂的一半。蒸馏20分钟后，用少量无二氧化碳蒸馏水冲洗管尖下端。

滴定：用0.05mol/L的HCl标准溶液滴定锥形瓶中的吸收液至出现淡紫红色，即为终点。同时做空白试验。

结果计算：试样中氮的质量分数按下式计算：

$w\left(N\right)=\frac{c\left(\mathrm{HCl}\right)(V-V_0)\×14}{m\×1000}\×100\%,$

该式中：

w(N)为N的质量分数，以百分比含量计；

c(HCl)为HCl标准溶液浓度，单位为mol/L；

V为试样滴定消耗HCl标准溶液体积，单位为mL；

V₀为空白滴定消耗HCl标准溶液体积，单位为mL；

m为称取的试样质量，单位为g；

14为氮的摩尔质量，单位为g/mol。

(3)碳氮比(C/N)的计算

4、腐殖质含量

腐殖质中全碳量的测定，参见碳氮中碳的测定。

沼气发酵残留物中腐殖质的质量分数按下式计算：

该式中，

V₀-空白滴定时消耗硫酸亚铁标准溶液的体积，单位为mL；

V₁-测定腐殖质全碳时消耗硫酸亚铁标准溶液的体积，单位为mL；

c(FeSO₄)-FeSO₄标准溶液浓度，单位为mol/L；

12-碳原子摩尔质量，单位为g/mol；

1.1-氧化校正系数；

m-试样质量，单位为g。

实施例1：

按照城市生活垃圾的分选标准，将其中的餐厨、果蔬等有机垃圾分选出来，与集贸市场收集到的果蔬垃圾、秸秆等有机固体废弃物进行粉碎，使物料粒径小于5cm后，经测定，物料的基本形状如表1：

表1原料基本性状

按照餐厨垃圾28.3％(干重)、果蔬垃圾19.7％(干重)、秸秆17.2％(干重)、畜禽粪便34.8％(干重)进行混合，使物料含水率为75％。反应装置容积为130L。

将混合物料添加到连续式干式厌氧发酵装置内，装样体积为100L，然后封闭反应装置，发酵35天，之后每24h向反应装置内添加新鲜物料3.25L，同时，通过出料缓冲室取料1.5L，通过太阳能装置维持反应器内温度在维持在37℃进行连续发酵，通过对反应装置产气量连续90天的在线监测，有机固体废弃物的产气效率为178L/kg VS，对沼渣的检测结果表明，含水率降低为30.2％，有机质含量降低为25.6％，总氮(TN)、总磷(TP)和总钾(TK)含量分别为1.99％、1.86％和1.92％，腐殖酸含量为21.2％，远高于有机肥标准NY525-2002的要求。

实施例2：

按照城市生活垃圾的分选标准，将其中的餐厨、果蔬等有机垃圾分选出来，与集贸市场收集到的果蔬垃圾、秸秆等有机固体废弃物进行粉碎，使物料粒径小于5cm后，经测定，物料的基本形状如表1：

表2原料基本性状

按照餐厨垃圾28.3％(干重)、果蔬垃圾19.7％(干重)、秸秆17.2％(干重)、畜禽粪便34.8％(干重)进行混合，使物料含水率为75％。反应装置容积为40m³。

将混合物料添加到连续式干式厌氧发酵装置内，装样体积为30m³，然后封闭反应装置，发酵35天，之后每24h向反应装置内添加新鲜物料1m³，同时，通过出料缓冲室取料0.5m³，通过太阳能装置维持反应器内温度在维持在36℃±1℃进行连续发酵，通过对反应装置产气量连续180天的在线监测，有机固体废弃物的产气效率为159L/kg VS，对沼渣的检测结果表明，含水率降低为31.9％，有机质含量降低为29.0％，总氮(TN)、总磷(TP)和总钾(TK)含量分别为2.06％、1.76％和1.89％，腐殖酸含量为23.3％，远高于有机肥标准NY525-2002的要求。

实例1在稳定运行后，每天实现添加新鲜物料3.25L，实例2处理中，在稳定运行期，可实现日处理新鲜有机固体废弃物1m³。这是通过进料与出料缓冲室的设置而实现的。在进料端设置的进料缓冲室和在出料端设置的出料缓冲室实现了连续操作的功能，从而实现有机固体废弃物的日产日清。

通过连续发酵装置设置的太阳能装置和水浴加热层，由太阳能装置提供热源，由水浴层实现热能传递，对主仓室中的物料进行加热，保证了气温低于20℃的情况下，厌氧发酵装置温度上升到36℃±1℃，连续运行过程中维持发酵系统温度控制在36℃±1℃，实现在干式厌氧发酵能够在低温下正常启动。

连续发酵装置同时设置了增温系统和保温系统，能够实现热能的高效利用，由于冬季夜间时间最长可达到13个小时以上，但是太阳能装置中的热水能够维持在35℃以上的时间仅有4个小时，但是结合保温系统，可实现厌氧反应器的温度在夜间仅由37℃降低到33℃，弥补了太阳能昼夜周期性变化的不足。

Claims (5)

1.一种连续及过程增温保温的中温干式厌氧发酵方法，所述方法包括以下步骤：

A)原料装填，向发酵用容器内投加有机固体废弃物；

B)启动发酵：封闭发酵用容器进行厌氧发酵，通过增温及保温措施，实现低温条件下厌氧发酵系统能够正常启动，所述增温及保温措施通过太阳能装置通过水浴对物料进行加热或保温；

C)进料：通过进料缓冲装置或系统将新鲜的有机固体废弃物添加到发酵用容器中，体积一般为日处理有机固体废弃物体积的120％至150％，将所述发酵用容器内的温度维持在30℃至40℃；进料缓冲装置由进料口、进料盖、进料缓冲室，进料缓冲室阀门构成，物料可通过进料口添加到进料缓冲室，进料盖的开启与关闭控制进料缓冲室与外界的连通和封闭，进料缓冲室阀门控制进料缓冲室与主仓室间的连通和封闭；其中在所述进料步骤中按顺序进行以下操作：

确认进料缓冲装置或系统与发酵用容器隔绝；

向进料缓冲装置或系统加入经过预处理的新鲜物料；

将进料缓冲装置或系统与环境隔绝；

将进料缓冲装置或系统与发酵用容器连通，使进料缓冲装置或系统中的物料进入发酵用容器；

使进料缓冲装置或系统与发酵用容器隔绝；

D)出料：在进行步骤C的同时，通过出料缓冲装置或系统取出已经发酵好的物料，所述出料缓冲装置体积为日处理有机固体废弃物体积的60％至80％，出料缓冲室阀门关闭后，打开出料盖，物料由出料口取出；其中在所述出料步骤中按顺序进行以下操作：

确认出料缓冲装置或系统与发酵用容器隔绝；

将出料缓冲装置或系统与发酵用容器连通，使物料进入出料缓冲装置或系统；

将出料缓冲装置或系统与发酵用容器隔绝；

将出料缓冲装置或系统中的物料排出；

E)连续运行：在不停止发酵，无需重新启动发酵的情况下重复步骤C和D；从而实现有机固体废弃物的日产日清；

其中在所述进料步骤中物料的加入量为发酵用装置容积的2％至3％。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述进料步骤之后，通过使用设置在所述发酵用容器底部的支架改变所述发酵用容器的倾斜角度，从而实现所述发酵用容器内的发酵物充分混合。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述原料装填步骤中的装料量为发酵用容器容积的70％至80％。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述启动发酵步骤中厌氧发酵的时间为25天至40天。

5.根据权利要求1所述的方法，其中在所述出料步骤中进入出料缓冲装置或系统的物料量为所述发酵用装置容积的0.8％至1.5％。