CN102807995B - 一种分步加热的沼气发酵方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及再生能源与环境工程技术领域，公开了一种分步加热的沼气发酵方法。该方法将沼气接种物分别接种于第一发酵装置和第二发酵装置中，然后将占发酵原料总重10‑40%的第一部分发酵原料送入第一发酵装置，加热第一发酵装置至25‑35℃，厌氧发酵2‑8天；将剩余发酵原料送入第二发酵装置，第一部分发酵原料发酵后的出料也进入第二发酵装置，与剩余的发酵原料直接混合换热，继续厌氧发酵4‑15天。本发明所述发酵方法与现有直接加热全部发酵原料发酵的方法相比，提高了加热效率，促进了沼气发酵效率的提高。

Description

一种分步加热的沼气发酵方法

技术领域

本发明涉及再生能源和环境工程技术领域，具体的说是涉及一种分步加热的沼气发酵方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，人民生活水平不断升高，但随之而来的各种废弃物也不断增加，如工业废水、建筑垃圾、猪场废水、作物秸秆、人畜家禽粪便等等，这些垃圾废弃物不但给环境带来了极大压力，而且也加大了处理成本。但是另一方面，部分垃圾废弃物如餐厨垃圾、作物秸秆、人畜家禽粪便、猪场废水等的有机物含量较高，能够利用生物方法对其进行资源化处理，以达到资源同收、变废为宝的目的、而厌氧消化技术就是一种应用较普遍的生物处理方法。

厌氧消化是指有机物质被微生物菌在厌氧条件下分解产生甲烷和二氧化碳的过程，人们常称之为沼气发酵或厌氧发酵。利用沼气发酵不仅能够获得沼气能源，而且这些废弃物被发酵后能够获得高质量的有机肥料和土壤改良剂。

可用于沼气发酵的废弃物绝大多数为常温，只能采用常温沼气发酵工艺进行厌氧消化，这种方法处理负荷低，沼气产量低，尤其是冬季几乎不产沼气。因此，对于不具备温度条件的常温废弃物进行沼气发酵处理时，往往需要加热，以保证沼气发酵效率和冬季正常产气。加热的热源主要有沼气发电余热、沼气燃烧热量、太阳能或者其它热源。现有的加热方式都是对所有废水原料或者其厌氧消化装置进行加热，这种加热方式需要消耗大量的热量来升温，并且升温效果不是很理想，尤其对于浓度不是很高的有机废水更是如此。以猪场废水的沼气发酵为例，在发酵装置保温性能良好的条件下，将猪场废水沼气发酵产生的所有沼气燃烧用于发酵料液升温，才能使其温度升高20℃。如果采用沼气发电余热（大约占产生的沼气的总能量的30-40%）对发酵料液进行升温，温度只能升高6℃左右，仍然很难保证冬季正常产气。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种分步加热的沼气发酵方法，使得该发酵方法能够提高沼气发酵的加热效率，进而促进沼气发酵效率提升。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种分步加热的沼气发酵方法，将沼气接种物分别接种于第一发酵装置和第二发酵装置中，然后将占发酵原料总重10-40%的第一部分发酵原料送入第一发酵装置，加热第一发酵装置至25-35℃，厌氧发酵2-8天；

将剩余发酵原料送入第二发酵装置，第一部分发酵原料发酵后的出料也进入第二发酵装置，与剩余的发酵原料直接混合换热，继续厌氧发酵4-15天。

其中，所述沼气接种物的接种量优选为发酵装置总容积的10-30%，所述发酵原料的COD优选为2000-20000mg/L，更优选为6000mg/L。

针对现有沼气发酵的加热方式的缺陷，本发明将发酵原料分成两部分，第一部分占发酵原料总重的10-40%，另一部为剩余的发酵原料，占发酵原料总重的60-90%。首先对第一部分发酵原料进行加热，使其在25-35℃条件下高效发酵，绝大部分有机物被降解转化成沼气，产生沼气后的这部分发酵原料与剩余发酵原料（发酵原料总重的60～90%）混合，直接进行换热，升高剩余部分发酵原料的温度，剩余部分发酵原料的升温效果与现有直接加热全部发酵原料的升温效果近乎相同。通过分开加热，一部分发酵原料可以更高效率转化生产沼气，加热效率比直接加热全部发酵原料进行沼气发酵的现有方法显著提高。

以下通过理论推导证明本发明所述发酵方法的加热效率优于现有发酵方法的加热方式：

在沼气发酵过程中，微生物降解有机物可以由式1描述（Metcalf&Eddy,2003）：

（式1）

式1中，r_su为有机物降解速率，g/m³·d；k为有机物降解速率常数，g（有机物）/g（微生物）·d；X为反应器中微生物浓度，g/m³；S为有机物浓度，g/m³。

有机物降解速率常数k反映微生物降解有机物生成沼气的活性，受温度的影响很大，k与温度的关系可以用式2描述：

k₂=k₁θ^（T1-T2） （式2）

式2中，k₁为在温度T₁时的有机物降解速率常数，g（有机物）/g（微生物）·d；k₂为在温度T₂时的有机物降解速率常数，g（有机物）/g（微生物）·d；θ为温度活性系数，一般为1.02-1.25；T表示温度，℃。

对发酵原料进行加热，发酵原料升高的温度为：

ΔT=q/CM （式3）

式3中，ΔT为发酵原料加热后升高的温度，℃；q为用于废水升温的能量，J/d；C为水的比热4.2J/g·℃；M为发酵原料的量，g/d。

在现有的加热方式中，即用于升温的能量对所有发酵原料进行升温，升高的温度为：

ΔT=q/CM （式4）

设发酵原料初始温度为T₀，升温后的反应温度为：

T=T₀+ΔΤ （式5）

在本发明所述方法中，将发酵原料分为两部分，称为第一部分发酵原料（占10-40%）和第二部分发酵原料（即剩余的发酵原料，占60-90%）。用于升温的能量首先对第一部分发酵原料进行加热，而后与第二部分发酵原料混合，直接进行换热，相当于对第二部分发酵原料加热。

发酵原料的量为M，与上述现有发酵方法的加热方式采用的发酵原料相同，初始温度也相同，第一部分发酵原料占总发酵原料的质量百分比为p，则第一部分发酵原料的量为pM，则第二部分发酵原料的量为（1-p）M。

用于升温的能量首先第一部分发酵原料进行升温，第一部分发酵原料升高的温度为：

ΔΤ₁=q/CpM （式6）

第一部分发酵原料的反应温度为：

T₁=T₀+ΔΤ₁ （式7）

设第一部分发酵原料与第二部分发酵原料混合后的温度（也就是第二部分发酵原料的反应温度）为T₂，则有：

CpM（T₁-T₂）=C(1-p)M(T₂-T₀) （式8）

式8变换可得：

p(T₁-T₀)=T₂-T₀ （式9）

即：pΔΤ₁=ΔΤ₂（式10），其中ΔΤ₂为第二部分发酵原料升高的温度。

将式6带入式10得：

ΔΤ₂=q/CM=ΔΤ （式11）

第二部分发酵原料的反应温度为：

T₂=T₀+ΔΤ₂=T₀+ΔΤ （式12）

也就是说，第二部分发酵原料升高的温度与现有加热方式升温时的升高的温度相同（在两种加热方式都考虑热量损失的情况下，其也近乎相同）。

设Q为通过升温对有机物降解速率的提升系数，则现有的加热过程中，有机物降解速率提升系数为：

Q₁=r_su/r_su0=-kSX/-k₀SX=k/k₀ （式13）

式13中，Q₁为现有加热方式中有机物降解速率提升系数；r_su为现有加热方式加热后的有机物降解速率，g/m³·d；r_su0为现有加热方式未加热时的反应速率，g/m³·d。

k为在温度T时的有机物降解速率常数，g（有机物）/g（微生物）·d；

k₀为在温度T₀时的有机物降解速率常数，g（有机物）/g（微生物）·d；

由式（2）可得：

k=k₀θ^（T-T0） （式14）

将式14代入式13，并代入式4得：

Q₁=θ^ΔΤ=θ^q/CM （式15）

由此可以得知，本发明所述方法第一部分发酵原料的有机物降解速率提升系数为：

Q₂₁=θ^ΔΤ1=θ^q/CpM （式16）

假设发酵原料初始浓度为S，第一部分发酵原料中的有机物被完全降解，有机物浓度为0，那么，与第二部分发酵原料混合后的有机物浓度为(1-p)S，则本发明第二部分发酵原料有机物降解速率提升系数为：

Q₂₂=r_su22/r_su0=k(1-p)SX/k₀SX=(1-p)k/k₀ （式17）

将式14、15代入式17得：

Q₂₂=(1-p)θ^ΔΤ=(1-p)θ^q/CM （式18）

则本发明所述方法的沼气发酵效率平均提升系数为：

（式19）

设h=q/M，表示能量/发酵原料比，即单位质量的发酵原料升温需要的能量，J/g。沼气发酵的θ一般为1.08（lin等，1987，Lim and Fox，2011），如果现有加热方式和本发明所述方法都要使有机物降解速率提高到原来的2倍，即Q₁=Q₂=2，设第一部分发酵原料占总发酵原料重量的20%，即p=0.20时，代入式15、19分别可得：

现有加热方式能量/发酵原料比h₁=37.82 J/g；

本发明所述方法加热能量/发酵原料比h₂=18.61 J/g；

可见，本发明所述方法加热需要的能量是现有加热需要能量的49.21%，能量可以节约50.79%。

如果现有加热方式和本发明所述方法都要使有机物降解速率提高到原来的2倍，即Q₁=Q₂=2，设第一部分发酵原料占总发酵原料重量的40%，即p=0.40时，代入式15、19分别可得：

现有加热方式能量/发酵原料比h₁=37.82 J/g；

本发明所述方法加热能量/发酵原料比h₂=27.42 J/g；

两步加热需要的能量是一步加热需要能量的72.50%，能量可以节约27.50%。

如果两种方法给定的热量相同，则本发明能够具有更高地有机物降解速率，以猪场废水为例，当COD为9660mg/L时，1吨废水可以产生4.84m³沼气（Deng等，2012），沼气低位热值取21 MJ/m³。一般采用沼气发电余热对猪场废水进行加热升温，用于加热的余热可以达到所产生沼气热量的33.3%（Bohn 等，2007）。由此上述文献得出的研究数据可以计算出，在不考虑沼气发酵装置散热的情况下，用沼气发电余热对废水加热升温，能量/废水比h可以达到33.85J/g，设第一部分发酵原料占总发酵原料重量的20%，即p=0.20时，代入式15、19分别可得：

有上述计算结果可知，本发明所述方法提升的有机物降解速率是现有加热方法的3.03倍，效率提高203%。

当第一部分废水占总废水量的40%，即p=0.40时，代入式15、19可得：

由上述计算结果可知，本发明所述方法提升的有机物降解速率是现有加热方法的1.376倍，效率提高37.6%。

由此可见，在达到相同有机物降解速率的情况下，本发明的方法对热量的需求会较少，而在相同热量的情况下，本发明能够具有更高的有机物降解速率，从而促进沼气发酵效率提高。

本发明所述沼气接种物是指富含沼气发酵微生物的各种厌氧活性污泥，如老沼气池里的沼渣、沼液，粪坑的底脚黑色沉渣、塘泥、城镇污水沟的污泥等，都是本领域常用的较好的接种物，属本领域公知，而本发明优选采用污水处理厂的厌氧消化污泥或污水沟的污泥作为沼气接种物。

本发明所述沼气发酵可根据不同发酵原料来决定是否进行搅拌，需要搅拌的厌氧发酵优选为：

在25-35℃、厌氧条件下发酵，发酵期间以每天3次、每次5分钟的频率搅拌发酵物。

由以上技术方案可知，本发明将发酵原料分成两部分，先集中热量对10-40%的发酵原料加热，使其在25-35℃条件下厌氧发酵，此部分发酵原料可以高效率转化生产沼气，而剩余发酵原料直接与加热过的第一部分发酵原料的出料换热发酵，与现有直接加热全部发酵原料进行沼气发酵的方法相比，提高了加热效率，促进了沼气发酵效率的提高。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种分步加热的沼气发酵方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的产品及方法进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种分步加热沼气发酵方法进行详细说明。

实施例1：本发明分步加热的沼气发酵方法

1、沼气发酵原料

沼气接种物：污水处理厂的厌氧消化污泥；

发酵原料：养殖废水；

2、沼气发酵

养殖废水进集水池，分别向第一沼气发酵装置和第二沼气发酵装置加入占发酵装置总容积20%的接种物，然后用2台泵分别将养殖废水抽入到2个沼气发酵装置中，一台泵将20%（质量百分比）的养殖废水进入第一个沼气发酵装置，另一台泵将其余80%（质量百分比）的养殖废水进入第二个沼气发酵装置；

采用换热器将所有可利用热能全部对第一个沼气发酵装置进行加热升温，并维持温度为35℃左右厌氧发酵2天，在厌氧发酵过程中收集沼气；

第一个沼气发酵装置出料流出并进入第二个沼气发酵装置，与其余80%的废水原料混合，直接进行换热，升高其温度，厌氧发酵10天，在厌氧发酵过程中收集沼气。

3、对比试验

在环境温度5℃、发酵原料均100吨/天、发酵原料COD为6000mg/L，沼气发酵装置总容积1000m³，有效加热热量2090MJ（除去散热后的）以及沼气接种物和发酵原料均相同的条件下，分别利用本实施例方法和现有直接加热全部发酵原料的方法进行沼气发酵，结果显示，本发明所述方法第一部分发酵原料温度升高至35℃，剩余部分发酵原料温度升高至11℃，沼气产量为280m³/d。而现有方法发酵原料温度升至11℃，沼气产量为150m³/d。发明所述方法的沼气产量是现有加热方法的1.86倍，提高86.6%。

实施例2：本发明分步加热的沼气发酵方法

1、沼气发酵原料

沼气接种物：老沼气池中的沼渣；

发酵原料：工业有机废水；

2、沼气发酵

工业有机废水进集水池，分别向第一沼气发酵装置和第二沼气发酵装置加入占发酵装置总容积30%的接种物，然后用2台泵分别将工业有机废水抽入到2个沼气发酵装置中，一台泵将40%（质量百分比）的工业有机废水进入第一个沼气发酵装置，另一台泵将其余60%（质量百分比）的工业有机废水进入第二个沼气发酵装置；

采用换热器将所有可利用热能全部对第一个沼气发酵装置进行加热升温，并维持温度为35℃左右厌氧发酵3天，在厌氧发酵过程中收集沼气；

第一个沼气发酵装置出料流出并进入第二个沼气发酵装置，与其余60%的废水原料混合，直接进行换热，升高其温度，厌氧发酵10天，在厌氧发酵过程中收集沼气。

3、对比试验

在环境温度10℃、发酵原料均200吨/天、发酵原料COD为12000mg/L，沼气发酵装置总容积1500m³，有效加热热量4180MJ（除去散热后的）以及沼气接种物和发酵原料均相同的条件下，分别利用本实施例方法和现有直接加热全部发酵原料的方法进行沼气发酵，结果显示，本发明所述方法第一部分发酵原料温度升高至35℃，剩余部分发酵原料温度升高至20℃，沼气产量为1275m³/d。而现有方法发酵原料温度升至20℃，沼气产量为750m³/d。发明所述方法的沼气产量是现有加热方法的1.70倍，提高70%。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于COD为2000-20000mg/L的发酵原料的沼气发酵方法，其特征在于，将沼气接种物分别接种于第一发酵装置和第二发酵装置中，然后将占发酵原料总重10-40％的第一部分发酵原料送入第一发酵装置，加热第一发酵装置至25-35℃，厌氧发酵2-8天；

将剩余发酵原料送入第二发酵装置，第一部分发酵原料发酵后的出料也进入第二发酵装置，与剩余的发酵原料直接混合换热，继续厌氧发酵4-15天。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述沼气接种物的接种量为发酵装置总容积的10-30％。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述发酵原料的COD为6000mg/L。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述沼气接种物为老沼气池里的沼渣、老沼气池里的沼液、粪坑的底脚黑色沉渣、塘泥、污水沟的污泥或污水处理厂的污泥。