CN103045651B - 两阶段固液双相厌氧发酵循环系统及产沼气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两阶段固液双相厌氧发酵循环系统及生产沼气的方法，是将有机废弃物加入第一阶段反应器中，与第二阶段反应器的出水混合，在发酵生产沼气的过程中，固液分离；将液体送入第二阶段反应器作为原料生产沼气；液相在整个系统中循环，而固相则停留在相应的反应器中，两个阶段的反应器都生产沼气。该系统结构简单，易于操作，成本低廉，方法产沼气产率高，环境友好。

Description

两阶段固液双相厌氧发酵循环系统及产沼气的方法
技术领域
本发明涉及一种高固含量的有机废弃物处理，通过有效的厌氧发酵方法避免酸化，增加沼气产量，是属于有机固体废弃物处理和综合利用领域。
背景技术
传统处理有机废弃物的方式主要为填埋或焚烧。填埋易于操作，但通常动用大量人力物力，又占用宝贵的土地资源，并随着地价的上涨，填埋成本越来越高；焚烧能迅速缩减废弃物体积，处理速度快，产生热能可用作热能发电，但往往因为焚烧条件和手段的不当而引发大气污染问题，进而降低周边地区的环境质量。
厌氧发酵处理有机废弃物不仅可以减轻环境污染，还可以生产清洁能源沼气。传统的厌氧发酵方法多用于处理液态的废弃物，而且负荷承受能力低。这会要求占用较大的土地，而且需要大量的水稀释原料。高固含量的厌氧反应器可以提高负荷和效率，节省耕地和其它有效用地。为了能够处理高固含量的有机废弃物，国内外研究者利用两相厌氧发酵系统来避免酸化，提高稳定性。美国专利US4735724提出在单个竖立无搅拌的塔中处理高固含量负荷。由于没有搅拌，固相和携带微生物的液相自然分离，固相停留在塔的上部，液相在塔下部积累。因此，高固含量负荷可以加入反应塔中进行加工。中国专利CN101565719B和美国专利US20120034681描述的方法是在不同的反应器中分别进行水解酸化反应和甲烷化反应。这是典型的两相厌氧发酵系统的要求，即在第一相反应器中采用pH 5.5 – 6.5之间来适应水解酸化反应，目的不是为了生产沼气；在第二相反应器中采用pH 7.0 – 8.0之间来适应甲烷化反应，目的是生产沼气。两相之间的分离采用外加设备，例如筛网，机械分离，以及附加的分离器。在第一相水解酸化反应中多不采用搅拌混合或对整个反应器进行搅拌混合。相似的两相厌氧发酵方法还有中国专利CN2585865Y，CN1431159A，CN1220559C，CN101265447B和美国专利US7556737，US20120034681等。但现有两相厌氧技术都是在第一阶段产酸，这样往往会造成挥发性脂肪酸在第一阶段反应器中积累并产生抑制，从而对全系统总的沼气产量有所影响。
发明内容
本发明的目的在于将自然分离、机械局部搅拌和含甲烷菌的出水循环结合起来，从而提供一套能够稳定、高效厌氧处理高固含量有机废弃物，并在两个阶段的反应器中都生产沼气的工艺方法。
本发明提供的技术方案是：两阶段固液双相厌氧发酵循环系统产沼气的方法，是将有机废弃物加入第一阶段反应器中，与第二阶段反应器的出水混合，在发酵生产沼气的过程中，固液分离；将液体送入第二阶段反应器作为原料生产沼气；液相在整个系统中循环，而固相则停留在相应的反应器中，两个阶段的反应器都生产沼气。
前面所述的方法，优选的方案在于：所提及的有机废弃物是指比重不是太大的有机废弃物，比如优选餐厨垃圾、蔬菜水果废弃物、绿化废弃物和/或农业废弃物。
前面所述的方法，优选的方案在于：第一阶段反应器pH控制在6.0 – 9.0（优选pH控制在6.5 – 8.0，更优选pH控制在7.0）。
前面所述的方法，优选的方案在于：第一阶段反应器温度控制在13 – 70 ℃（优选的，温度控制在25 – 55 ℃，更优选的，温度控制在40 ℃）。
前面所述的方法，优选的方案在于：有机废弃物为一次性进料时，第一阶段反应器的固体停留时间为8 – 15天（优选的，停留时间为10– 13天，更优选的，停留时间为12天）。
前面所述的方法，优选的方案在于：有机废弃物为连续性进料时，第一阶段反应器的固体停留时间为30 – 90天（优选的，停留时间为40– 60天，更优选的，停留时间为50天）。
前面所述的方法，优选的方案在于：每个阶段的反应器的水力停留时间均为 0.5 – 3天（优选的，停留时间为1– 2天，更优选的，停留时间为1.5天）。
前面所述的方法，优选的方案在于：所述第一阶段反应器的固相用机械搅拌（优选的，所述的机械搅拌桨型为桨式、锚式、框式，螺旋式，涡轮式或推进式，优选的，搅拌时间为1 – 6 小时/天）。
本发明还提供了两阶段固液双相厌氧发酵循环系统，其主要包括第一阶段反应器、缓冲罐和第二阶段反应器，所述缓冲罐设在第一阶段反应器和第二阶段反应器之间，所述第一阶段反应器、缓冲罐和第二阶段反应器均设有沼气出口，所述第一阶段反应器还设有机械搅拌器，所述第二阶段反应器设有活性污泥床。
本发明公开了一种高固含量易降解有机废弃物厌氧发酵生产沼气的工艺方法，将有机固体废弃物加入第一阶段反应器中，与第二阶段反应器过来的出水混合。混合后在发酵生产沼气过程中，固液会自然分离：固体浮在第一阶段反应器上部，而液体在第一阶段反应器下部积累。将液体引入缓冲罐中，然后用泵送入第二阶段反应器作为原料生产沼气。液相会在整个系统中循环，而固相则停留在相应的反应器中。
当有机废弃物为一次性进料时，系统没有废水排出。当有机废弃物为连续性进料时，系统废水排出量与加入量平衡。
本发明的特点是在每一阶段反应器都自然产生两相分离（固相和液相），并只对第一阶段反应器的固相进行间歇机械搅拌，破碎大的结块，用较低能耗来增强传质，另外还利用从第二阶段反应器循环过来的含产甲烷菌群的出水调节第一阶段反应器pH值到6.0 – 9.0，在该反应器中也生产沼气。
该系统结构简单，易于操作，成本低廉，方法产沼气产率高，环境友好。与现有技术相比，本发明的技术优势还体现在：
1、将系统中的产生的挥发性脂肪酸很快消耗掉，打破酸平衡，从而有更多有机物分解，最终达到提高沼气产量的目的。
2、减小搅拌和泵送高固含量物料的能耗。
附图说明
图1是两阶段固液双相厌氧发酵循环系统产沼气的工艺流程示意图。附图中各编号说明如下：1第一阶段反应器；2缓冲罐；3第二阶段反应器；4有机固体废弃物进料口；5固相搅拌区；6机械搅拌器；7液相停滞区；8出渣口；9排污口；10 泵； 11 排污口； 12 活性污泥床；13 出水口；14 含产甲烷菌群的液体循环；15 沼气出口。
具体实施方法
本发明用以下实例说明，但本发明并不限于下述实施例，在不脱离前后所述宗旨的范围下，变化实施都包含在本发明的技术范围内。
实施例1 两阶段固液双相厌氧发酵循环系统，其主要包括第一阶段反应器、缓冲罐和第二阶段反应器，所述缓冲罐设在第一阶段反应器和第二阶段反应器之间，所述第一阶段反应器、缓冲罐和第二阶段反应器均设有沼气出口，所述第一阶段反应器还设有机械搅拌器，所述第二阶段反应器设有活性污泥床。第一阶段反应器是由机械搅拌罐（可以根据情况安排机械搅拌罐的数量，比如2 – 10个均可）并联而成，目的是保证在缓冲罐中的挥发性脂肪酸的含量稳定；第二阶段反应器只有一个无机械搅拌罐组成。
具体实施过程如下：如图1所示，固体有机废弃物从进料口4一次性或连续加入第一阶段反应器1中。在第一阶段反应器1中固体有机废弃物被从第二阶段反应器2过来的含产甲烷菌群的液体循环14稀释。发酵一段时间后固相和液相自然分离，形成固相区5和液相区7。用机械搅拌器6对固相区5进行搅拌，但对液相区7没有影响。液相区7的液体通过自压流入缓冲罐3，残渣定期由出渣口8排出。缓冲罐3中的液体由泵10送入第二阶段反应器2与活性污泥床12接触反应，污水定期由排污口9排出。第二阶段反应器2中的出水通过液体循环管线回到第一阶段反应器1，污泥和污水定期由排污口11排出。当有机废弃物为连续性进料时，系统废水由出水口13连续排出。系统生产的沼气由沼气出口15出装置。图中虚线表示的是沼气管线。
实施例2 两阶段固液双相厌氧发酵循环系统产沼气的方法
从学校食堂收集得所需的餐厨垃圾，该餐厨垃圾不光含有食品废弃物，还有各种包装纸，塑料等。经过粉碎绞干机粉碎至0.5 – 3cm，固含率为30%（质量比），餐厨垃圾的密度是1.04 g/cm3。从某淀粉厂的升流式厌氧污泥床反应器（UASB）取来厌氧活性污泥颗粒，然后倒入自己制造的140 L UASB，该UASB被用作第二阶段反应器。其中，1 L接种量约含有0.53 g COD/mL微生物。第一阶段反应器（选用框式机械搅拌桨）的体积为57 L。整个两阶段固液双相厌氧发酵循环系统被放在室温保持在35 oC的实验室中。具体步骤是：1) 启动第二阶段反应器，pH保持在7.9左右。2) 往第一阶段反应器加入6.5 kg 餐厨垃圾，然后由第二阶段过来的出水稀释到固含率为15%，pH保持在7.0，温度控制为40 ℃。3) 1天后，更多的固相粘结在一起浮在第一阶段反应器上部，而液相沉积在反应器下部。第一阶段反应器的固体停留时间为12天。将液体从反应器下部取出，加入缓冲罐中，然后用蠕动泵将液体送入第二阶段反应器中。第二阶段反应器的出水循环回到第一阶段反应器与固相进行混合。循环速率为37 L/day。每个阶段的反应器的水力停留时间均为1.5天。4) 总反应时间为6天，第一阶段反应器的沼气产量大约为10 L/day，甲烷含量62%；第二阶段反应器的沼气产量大约为47 L/day，甲烷含量63.9%。
实施例3  两阶段固液双相厌氧发酵循环系统产沼气的方法，将有机废弃物（蔬菜水果废弃物）加入第一阶段反应器中，与第二阶段反应器的出水混合，在发酵生产沼气的过程中，固液分离；将液体送入第二阶段反应器作为原料生产沼气；液相在整个系统中循环，而固相则停留在相应的反应器中，两个阶段的反应器都生产沼气。第一阶段反应器pH控制在8.0左右，温度控制在40 ℃以上），有机废弃物为一次性进料，第一阶段反应器的固体停留时间为12天。两个阶段的反应器的水力停留时间均为1.5天，机械搅拌桨型为桨式，搅拌时间为5小时/天。总反应时间为5天，第一阶段反应器的沼气产量大约为12 L/day，甲烷含量60%；第二阶段反应器的沼气产量大约为50L/day，甲烷含量67.9%。
实施例4  两阶段固液双相厌氧发酵循环系统产沼气的方法，具体为：两阶段固液双相厌氧发酵循环系统的pH控制在6.0 – 9.0，温度控制在13 – 70 oC。当有机废弃物为一次性进料时，第一阶段反应器的固体停留时间为6 – 15天。每个阶段的反应器的水力停留时间均为 0.5 – 3天。将固含率为20 – 100% (质量比)，比重为 0.1 – 1.4 (与4 oC纯水相比) 的有机废弃物一次性或以连续负荷0.1 – 15 kg COD/m3加入到第一阶段反应器中，由第二阶段反应器循环过来的含产甲烷菌群的出水稀释到固含率为10 – 20%。有机废弃物在第一阶段反应器中发酵2 – 24小时后，由于沼气的浮选作用和有机废弃物比重较轻，固相和液相自然分离。固相 (固含率为20 – 35%) 凝聚在第一阶段反应器上部结块成为一个整体，液相 (固含率为0 – 3%) 积累在反应器的下部，通过自压将液体排到缓冲罐。所述固相结块用机械搅拌在反应器上部进行破碎，而对反应器下部液相没有影响。搅拌时间为1 – 6 小时/天。所述的机械搅拌桨型为框式。缓冲罐中的液体 (固含率为0 – 3%) 用泵送入第二阶段反应器。第二阶段反应器的微生物含量为3 – 20% (质量比) 出水循环回到第一阶段反应器。两个阶段的反应器都生产沼气。总反应时间为8天，第一阶段反应器的沼气产量大约为12 L/day，甲烷含量65%；第二阶段反应器的沼气产量大约为48 L/day，甲烷含量62.9%。
实施例5  两阶段固液双相厌氧发酵循环系统产沼气的方法，将固含率为30%的餐厨垃圾通过加料斗以10 kg/m3/day加入到第一阶段反应器中。餐厨垃圾有机固体分解率为80%。从第二阶段反应器过来的循环液体量是1000 kg/m3/day。第一阶段反应器底部液体以1009.4 kg/m3/day自压从反应器侧面流入缓冲罐而后泵送从底部进入第二阶段反应器。固体悬浮在第一阶段反应器上部，以0.6 kg/m3/day累积，30天后从底部排出第一阶段反应器。经过第二阶段反应器处理的污水以9.4 kg/m3/day从上部侧面排出反应器；余下污水量1000 kg/m3/day循环回到第一阶段反应器。总反应时间为16天，第一阶段反应器的沼气产量大约为7 L/day，甲烷含量64%；第二阶段反应器的沼气产量大约为49 L/day，甲烷含量66.9%。

Claims (12)

1.两阶段固液双相厌氧发酵循环系统产沼气的方法，其特征在于：将有机废弃物加入第一阶段反应器中，与第二阶段反应器的出水混合，在发酵生产沼气的过程中，固液分离；将液体送入第二阶段反应器作为原料生产沼气；液相在整个系统中循环，而固相则停留在相应的反应器中，两个阶段的反应器都生产沼气，所提及的有机废弃物是指餐厨垃圾和/或蔬菜水果废弃物，第一阶段反应器pH控制在6.0-9.0，第一阶段反应器温度控制在13-70℃，每个阶段的反应器的水力停留时间均为0.5-3天；有机废弃物为一次性进料时，第一阶段反应器的固体停留时间为8-15天；有机废弃物为连续性进料时，第一阶段反应器的固体停留时间为30-90天。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第一阶段反应器pH控制在6.5-8.0。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：第一阶段反应器pH控制在7.0。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第一阶段反应器温度控制在25-55℃。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：第一阶段反应器温度控制在40℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：有机废弃物为一次性进料时，第一阶段反应器的固体停留时间为10-13天。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：停留时间为12天。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：有机废弃物为连续性进料时，第一阶段反应器的固体停留时间为40-60天。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：停留时间为50天。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一阶段反应器的固相用机械搅拌。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述的机械搅拌桨型为桨式、锚式、框式，螺旋式，涡轮式或推进式，搅拌时间为1-6 小时/天。
12.实现权利要求1-11任一项所述方法的两阶段固液双相厌氧发酵循环系统，其特征在于：主要包括第一阶段反应器、缓冲罐和第二阶段反应器，所述缓冲罐设在第一阶段反应器和第二阶段反应器之间，所述第一阶段反应器、缓冲罐和第二阶段反应器均设有沼气出口，所述第一阶段反应器还设有机械搅拌器，所述第二阶段反应器设有活性污泥床，所提及的第一阶段反应器是由2-10个机械搅拌罐并联而成；第二阶段反应器由一个无机械搅拌罐组成。
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