CN104630283A - 两相带压厌氧发酵处理易腐类废弃物制沼气的系统及方法 - Google Patents
两相带压厌氧发酵处理易腐类废弃物制沼气的系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种两相带压厌氧发酵处理易腐类废弃物制沼气的系统及方法。该方法包括以下步骤：将易腐类废弃物在酸化反应器中进行酸化反应，得到酸化气体和酸化液，并在反应起始阶段引发酸化反应；将酸化液、酸化气在甲烷化反应器中进行甲烷化反应，得到沼气和甲烷消化液，并在反应起始阶段引发甲烷化反应；甲烷化反应稳定后，将酸化液同甲烷消化液按质量比为14:1-2:1进行混合，调节pH值后，再与酸化气体在甲烷化反应器中进行甲烷化反应，得到沼气和甲烷消化液。本发明的方法不需额外的预处理手段、不需引入气体净化纯化系统，即可得高产率、高纯度沼气。该系统稳定性强，抗冲击负荷能力强，气体产率高，反应周期短，沼气中甲烷含量高。
Description
技术领域
本发明涉及一种两相带压厌氧发酵处理易腐类废弃物制沼气的系统及方法，属于有机废弃物处理与能源化领域。
背景技术
易腐类废弃物主要是指人们在生活和生产过程中产生的易腐败和易生物降解的废弃物，包括餐厨垃圾、食品废弃物、蔬菜和水果废弃物、肉类加工废弃物等。随着人们生活水平的提高和城市化进程的加快，易腐类废弃物产量逐渐增加，以餐厨垃圾为例，目前，我国餐厨垃圾年产量在一亿吨左右。由于易腐类废弃物高的水分含量(含水率一般高于70％)、高有机质含量(以干基计算，其有机质含量一般高于90％)、易发臭、易滋生病菌等特点，使得传统的填埋、焚烧、饲料化技术均不适宜对其进行处理。利用厌氧消化技术可以更好地处理这类高水分含量、高有机质含量的废弃物，并且可以在废弃物减量化的同时产生清洁能源—沼气。
传统的单相厌氧发酵由于产酸菌和产甲烷菌在同一个反应器中，各自不能发挥其最佳作用，因而只能在较低负荷下运行，处理效率低。近些年来开发的两相厌氧发酵系统，在一定条件下实现了两相的分离，提高了反应系统的负荷。专利CN1431159A公开了一种城市垃圾两相厌氧消化处理工艺，该工艺是将垃圾预处理后进行水解发酵，酸化液进入UASB反应器中；专利CN101565719A公开了一种两相多级厌氧发酵有机固体废弃物生产沼气的方法，该方法是将垃圾分批加入酸化反应器后，将酸化液通入甲烷化反应器产甲烷。但是这些方法均是批式进料，不能实现物料的连续使用，且反应负荷仍较低，产生的沼气里的甲烷含量较低(甲烷体积分数一般不超过65％)，仍需额外添加设备处理才能提高沼气品质。
发明内容
为了解决上述的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种两相带压厌氧发酵处理易腐类废弃物制沼气的系统。
本发明的目的还在于提供应用上述系统的两相带压厌氧发酵处理易腐类废弃物制沼气的方法。
为达到上述目的，本发明提供一种两相带压厌氧发酵处理易腐类废弃物制沼气的方法，其是采用上述的系统实现的，该方法包括以下步骤：
a、将易腐类废弃物在酸化反应器中进行酸化反应，得到酸化气体和酸化液，并在反应起始阶段引发酸化反应；
b、将步骤a得到的酸化液、酸化气在甲烷化反应器中进行甲烷化反应，得到沼气和甲烷消化液，并在反应起始阶段引发甲烷化反应；
c、所述甲烷化反应稳定后，将酸化液同甲烷消化液按质量比为14:1-2:1进行混合后，再与酸化气体在步骤b的甲烷化反应器中进行甲烷化反应，得到沼气和甲烷消化液。
根据本发明所述的方法，优选地，在上述步骤a中向酸化反应器中加入沼气发酵接种物引发酸化反应。
根据本发明所述的方法，优选地，在上述步骤a中，所述酸化反应的有机负荷率为10-20kg VS/m3/d，水力停留时间为3-8天，pH值为4-6，反应温度为30-40℃或50-60℃。
根据本发明所述的方法，优选地，在上述步骤b中向甲烷化反应器中加入沼气发酵接种物引发甲烷化反应。
根据本发明所述的方法，优选地，在上述步骤b中，所述单个甲烷化反应的有机负荷率为1-3kg VS/m3/d，水力停留时间为10-20天，pH值为6.8-8.0，反应温度为30-40℃。
根据本发明所述的方法，优选地，在上述步骤c中，所述甲烷化反应的有机负荷率为5-15kg VS/m3/d，pH值为6.8-8.0，反应温度为30-40℃。
根据本发明所述的方法，优选地，在上述步骤c中，是将所述酸化液同所述甲烷消化液按质量比为14:1进行混合后，再与酸化气体在步骤b的甲烷化反应器中进行甲烷化反应。
根据本发明所述的方法，优选地，在上述步骤c中，是将所述酸化液和/或甲烷消化液与步骤a的易腐类废弃物按质量比为1:4-3:4进行混合后再在步骤a的酸化反应器中进行酸化反应。
当酸化液与甲烷消化液的混合物与易腐类废弃物按质量比1:4-3:4进行混合时，酸化液与甲烷消化液可以为任意比。
根据本发明所述的方法，优选地，所述沼气发酵接种物为正在运行的沼气厂的发酵液。
根据本发明所述的方法，在上述步骤c中，所述甲烷化反应是否稳定的判断标准是：甲烷化反应连续1周内的沼气产率波动小于10％。
根据本发明所述的方法，优选地，是将酸化液和/或甲烷消化液与步骤a的易腐类废弃物按质量比为1:4-3:4进行混合后再在步骤a的酸化反应器中进行酸化反应，可以调节酸化反应器中的pH值和含固率，同时减少外源水的添加。
根据本发明所述的方法，在上述酸化反应的初期、甲烷化反应的初期分别采用沼气发酵接种物进行接种，该接种只需在酸化反应的初期、甲烷化反应的初期进行即可，在反应的循环过程中，并不需要再次进行接种。
根据本发明所述的方法，优选地，在上述步骤a中，由于甲烷菌的生长周期远远低于产酸细菌的生长周期，通过动力学控制的方法，将水力停留时间降低至3-8天，使世代周期较长的产甲烷菌在反应器内被逐渐淘汰，产酸细菌成为优势菌群，形成稳定的产酸相反应器。
根据本发明所述的方法，以酸化气体的总体积为100％计，所述酸化气体包括20-30％体积百分比的H2和70％-80％体积百分比的CO2。
根据本发明所述的方法，优选地，所述易腐类废弃物包括但不限于餐厨垃圾、食品废弃物、蔬菜水果废弃物、肉类加工废弃物中的一种或几种的组合；
根据本发明所述的方法，优选地，在进料前，对所述易腐类废弃物进行分选除杂，粉碎处理；
更优选将所述易腐类废弃物粉碎至2-5mm。
根据本发明所述的方法，所述分选除杂是指对于高油脂含量的易腐类废弃物，在进料前还需对其进行脱油处理；对于高盐分含量的易腐类废弃物，在进料前还需对其进行除盐(稀释)处理。
根据本发明所述的方法，所述步骤b为反应的启动阶段，所以有机负荷率较低(1-3kg VS/m3/d)，其主要目的是为了挂膜富集产甲烷菌，在稳定后可将较低的有机负荷率提高到5-15kg VS/m3/d；上述有机负荷率从较低的1-3kg VS/m3/d提高到5-15kgVS/m3/d是逐渐提高的，其提高的幅度大小可以根据现场作业需要进行调节，通常情况下，上述提高的幅度可以为1-2kg VS/m3/d。
根据本发明所述的方法，所述步骤b为反应的启动阶段，在此阶段得到的沼气中甲烷的体积分数50-70％。
根据本发明所述的方法，优选地，在所述步骤a中，所述酸化反应的含固率为8-13％。
根据本发明所述的方法，优选地，在所述步骤c中，所述甲烷化反应器采用序批式运行；更优选所述序批式运行的条件为一次进料，0.5-12天出料。
根据本发明所述的方法，优选地，在所述步骤c中，所述甲烷化反应的压力控制在0.1-4MPa。
根据本发明所述的方法，稳定后，在所述步骤c中得到的沼气中甲烷的体积分数大于90％。
根据本发明所述的方法，在运行过程中，序批式运行的出料时间是随着甲烷化反应的压力的变化和沼气中甲烷浓度的变化来确定的，只要沼气中甲烷的体积分数接近或超过90％，即可进行下一批次的反应；但是如果沼气中甲烷的体积分数未达到90％而压力高于甲烷化反应的上限压力(4MPa)，此时也需要排气或出料。
根据本发明所述的方法，如果将甲烷化缓冲罐中的下层液体与所述酸化缓冲罐中的下层液体混合后，通过其自身调节不能将pH控制在合适范围内，此时可以通过加入合适量的pH调节剂(氢氧化钠、氢氧化钙等)进行pH调节。
根据本发明所述的方法，将所述酸化气体(H2和CO2)通入甲烷化反应器的目的主要有两个，一是将酸化气体作为吹扫气体，排除甲烷化反应器顶部的空气，二是将酸化气体作为原料生产甲烷，酸化气体作为原料生产的甲烷的产量约占总甲烷产量的10％左右。
根据本发明所述的方法，在甲烷化反应器内，发生以下几个主要反应：
(1)CO2+4H2→CH4+2H2O
(2)CH3COOH→CH4+CO2
在甲烷化反应器内，有机酸和醇被微生物利用，进而转化成甲烷和二氧化碳；H2和CO2被特定微生物转化成甲烷。随着产气量的逐渐增加，甲烷化反应器内的压力也逐渐增大，在高压下，由于CO2在水中的溶解度远远大于CH4，大部分的CO2溶解在水中，其他产生的杂质如H2S、NH3，也由于其高溶解性而溶于甲烷化反应器内的液体中，即甲烷消化液；同时产生高浓度的沼气(甲烷的体积分数大于90％)。后续只需对沼气进行简单处理，如将带压的高品质沼气除杂后通入膜组件，即可得到甲烷体积分数为97％以上的生物天然气；通过压缩机进一步压缩后，可将其作为车用燃气使用。
本发明还提供了两相带压厌氧发酵处理易腐类废弃物制沼气的系统，该系统包括酸化反应器、酸化气体储存罐、酸化缓冲罐、甲烷化反应器、甲烷化缓冲罐；
所述酸化反应器设有入口、气体出口、液体出口；
所述甲烷化反应器设有气体入口、液体入口、气体出口、液体出口；
所述酸化气体储存罐的入口通过管路与所述酸化反应器的气体出口相连；所述酸化气体储存罐的出口与所述甲烷化反应器的气体入口相连；
所述酸化缓冲罐的入口通过管路与所述酸化反应器的液体出口相连；所述酸化缓冲罐的出口与所述酸化反应器的入口相连，所述酸化缓冲罐的出口与所述甲烷化反应器的液体入口相连；
所述甲烷化缓冲罐的入口通过管路与所述甲烷化反应器的液体出口相连，所述甲烷化缓冲罐的出口通过管路与所述酸化反应器的入口相连，所述甲烷化缓冲罐的出口通过管路与所述甲烷化反应器的液体入口相连；
优选所述酸化反应器还包括固体出口。
根据本发明所述的系统，所述甲烷化反应器的个数至少为一个，在本发明的优选实施例中，所述甲烷化反应器为3个。
根据本发明所述的系统，所述酸化反应器为全混式反应器；将酸化反应器设置为全混式反应器的目的是为了使原料与微生物充分接触，加快水解酸化速率；在本发明的优选实施例中，全混式反应器是通过在反应器中装有搅拌装置实现的。
根据本发明所述的系统，在所述酸化反应器的底部装有过滤床；装有过滤床的目的是为了防止大颗粒原料进入后续甲烷化反应系统，堵塞反应装置。
根据本发明所述的系统，所述甲烷化反应器为耐压反应器，优选所述耐压反应器的耐压范围为0-15MPa；将甲烷化反应器进行耐压设置的目的是因为随着反应的进行，气体产量逐渐增大，甲烷化反应器内的压力也会逐渐增大，因此将甲烷化反应器进行耐压设置。
根据本发明所述的系统，所述甲烷化反应器装有生物填料；加入生物填料的目的是为了高效富集产甲烷菌，缩短反应时间；
优选所述生物填料的装填高度为所述甲烷化反应器高度的1/2-3/4；
还优选所述生物填料包括陶瓷填料和/或塑料填料。
与现有技术相比，本发明具备以下优点及有益效果：
本发明的两相带压厌氧发酵处理易腐类废弃物制沼气的系统及方法优化了两相发酵工艺。在酸化反应器中，即产酸相可连续稳定地生产酸化液，在甲烷化反应器内，即产甲烷相可高效生产甲烷。将产酸相和产甲烷相的出液分别储存，可以防止菌种之间的互相干扰。将产酸相和产甲烷相的液体回用，可减少外部水的添加。将产甲烷相出料液体加入酸化反应器，可以调节pH值，防止产酸相过度酸化，保持产酸相水解酸化过程稳定运行。将产甲烷相出料液体与产酸相出料液体混合调节pH值后再加入甲烷化反应器，防止过低的pH值影响产甲烷菌的生长和代谢活动。
本发明的两相带压厌氧发酵处理易腐类废弃物制沼气的系统及方法优化了甲烷化反应器和甲烷发酵工艺。甲烷化反应器采用耐高压装有生物填料的反应器，生物填料可以高效富集产甲烷菌；高压系统可自然实现甲烷原位富集，产生高浓度的甲烷气体(甲烷体积分数大于90％)，免去了传统工艺后续添加设备对沼气的提纯。
在本发明的两相带压厌氧发酵处理易腐类废弃物制沼气的系统及方法中，酸化反应器产生的H2和CO2通入甲烷化反应器中，H2和CO2既可作为吹扫气体用来排除甲烷化反应器顶部的空气；又可作为原料被微生物分解利用进而转化成CH4，降低了物料在两相发酵系统内的碳损失，实现了物料的充分利用。
本发明的两相带压厌氧发酵处理易腐类废弃物制沼气的系统及方法不需要额外使用预处理手段、不需要额外引入气体净化纯化系统，即可实现高产率、高纯度沼气(甲烷体积分数大于90％)的生产。该系统稳定性强，抗冲击负荷能力强，沼气产率高，反应周期短，所产出的沼气中甲烷的含量高。
附图说明
图1为本发明的两相带压厌氧发酵处理易腐类废弃物制沼气方法的工艺流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种两相带压厌氧发酵处理易腐类废弃物制沼气的系统，其流程图如图1所示，该系统包括：酸化反应器、酸化气体储存罐、酸化缓冲罐、三个甲烷化反应器、甲烷化缓冲罐；
酸化反应器设有入口、气体出口、液体出口、固体出口；
甲烷化反应器设有气体入口、液体入口、气体出口、液体出口；
酸化气体储存罐的入口通过管路与酸化反应器的气体出口相连；酸化气体储存罐的出口分别与三个甲烷化反应器的气体入口相连；
酸化缓冲罐的入口通过管路与酸化反应器的液体出口相连；酸化缓冲罐的出口与酸化反应器的入口相连，酸化缓冲罐的出口分别与三个甲烷化反应器(第一甲烷化反应器、第二甲烷化反应器、第三甲烷化反应器)的液体入口相连；
甲烷化缓冲罐的入口通过管路分别与三个甲烷化反应器的液体出口相连，甲烷化缓冲罐的出口通过管路与酸化反应器的入口相连，甲烷化缓冲罐的出口通过管路分别与三个甲烷化反应器的液体入口相连。
上述酸化反应器为全混式反应器；在酸化反应器的底部装有过滤床；
上述甲烷化反应器为耐压反应器，耐压反应器可耐的最高压力为15MPa；
在上述甲烷化反应器中装有直径为25mm的塑料填料，塑料填料的加入体积为反应器总体积的3/4，反应器顶部空间剩余1/4。
实施例2
本实施例提供了一种两相带压厌氧发酵处理易腐类废弃物制沼气的方法，其是采用实施例1的系统实现的，该方法包括以下步骤：
将分选粉碎后得易腐类废弃物加入酸化反应器中，反应器类型为完全混合式(CSTR)，添加正在运行的沼气厂的发酵液作为接种物，进行酸化反应，得到酸化气体和酸化液；在该反应长期运行后会累积产生大颗粒残渣，该大颗粒残渣可通过酸化反应器的固体出口排除；残渣经固液分离后液体回用。
上述酸化反应的有机负荷率为10kg VS/m3/d，水力停留时间为4天，pH值为4-6，反应温度为37℃；
将正在运行的沼气厂的发酵液接种物分别加入第一、第二和第三甲烷化反应器中，再分别通入酸化液和酸化气体，进行甲烷化反应，得到沼气和甲烷消化液；
上述甲烷化反应的有机负荷率为2.5kg VS/m3/d，进料方式为半连续进料，水力停留时间为15天，所产生出的气体立即排出，不进行憋压，pH值范围为6.8-8.0，反应温度为30℃，持续时间为1-2个月。
上述甲烷化反应稳定后，将酸化液同甲烷消化液按14:1混合后，通入第一甲烷化反应器中，再通入酸化气体，进行甲烷化反应；
然后，第一甲烷化反应器出料，得到甲烷体积分数大于90％的高品质沼气和消化液，将消化液注入甲烷缓冲罐，并重新将其与酸化液混合，进行下一批次的反应；
随后第二甲烷化反应器出料，得到甲烷体积分数大于90％的高品质沼气和消化液，将消化液注入甲烷缓冲罐，并重新将其与酸化液混合，进行下一批次的反应；
最后第三甲烷化反应器出料，得到甲烷体积分数大于90％的高品质沼气和消化液，将消化液注入甲烷缓冲罐，并重新将其与酸化液混合，进行下一批次的反应；依次循环；
上述甲烷化反应的有机负荷率为8kg VS/m3/d，pH值为6.8-8，反应温度为30℃，甲烷产率为300-500m3/kg VS，采用序批式运行，即一次进料，1.5-5天出料，上述甲烷化反应的压力控制在1-4MPa。
在上述反应过程中将酸化液或甲烷消化液与易腐类废弃物按质量比1:4混合后加入酸化反应器，以调节酸化反应器中的pH值和含固率，维持酸化反应器中的pH值在4-6之间，含固率在8-13％之间。
Claims (10)
1.一种两相带压厌氧发酵处理易腐类废弃物制沼气的方法，其包括以下步骤：
a、将易腐类废弃物在酸化反应器中进行酸化反应，得到酸化气体和酸化液，并在反应起始阶段引发酸化反应；
优选加入沼气发酵接种物引发酸化反应；
还优选所述酸化反应的有机负荷率为10-20 kg VS/m3/d，水力停留时间为3-8天，pH值为4-6，反应温度为30-40℃或50-60℃；
b、将步骤a得到的酸化液、酸化气在甲烷化反应器中进行甲烷化反应，得到沼气和甲烷消化液，并在反应起始阶段引发甲烷化反应；
优选加入沼气发酵接种物引发甲烷化反应；
还优选所述单个甲烷化反应的有机负荷率为1-3 kg VS/m3/d，水力停留时间为10-20天，pH值为6.8-8.0，反应温度为30-40℃；
c、所述甲烷化反应稳定后，将酸化液同甲烷消化液按质量比为14:1-2:1进行混合后，再与酸化气体在步骤b的甲烷化反应器中进行甲烷化反应，得到沼气和甲烷消化液；
优选所述甲烷化反应的有机负荷率为5-15 kg VS/m3/d，pH值为6.8-8.0，反应温度为30-40℃；
还优选将所述酸化液同所述甲烷消化液按质量比为14:1进行混合后，再与酸化气体在步骤b的甲烷化反应器中进行甲烷化反应；
还优选将所述酸化液和/或甲烷消化液与步骤a的易腐类废弃物按质量比为1:4-3:4进行混合后再在步骤a的酸化反应器中进行酸化反应；
优选所述沼气发酵接种物为正在运行的沼气厂的发酵液。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述易腐类废弃物包括但不限于餐厨垃圾、食品废弃物、蔬菜水果废弃物、肉类加工废弃物中的一种或几种的组合；
优选在进料前，对所述易腐类废弃物进行分选除杂，粉碎处理；
更优选将所述易腐类废弃物粉碎至2-5mm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述步骤a中，所述酸化反应的含固率为8-13％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中，在所述步骤c中，所述甲烷化反应器采用序批式运行；
优选所述序批式运行的条件为一次进料，0.5-12天出料。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其中，在所述步骤c中，所述甲烷化反应的压力控制在0.1-4MPa。
6.权利要求1-5任一项所述的两相带压厌氧发酵处理易腐类废弃物制沼气的方法所采用的系统，其中，该系统包括酸化反应器、酸化气体储存罐、酸化缓冲罐、甲烷化反应器、甲烷化缓冲罐；
所述酸化反应器设有入口、气体出口、液体出口；
所述甲烷化反应器设有气体入口、液体入口、气体出口、液体出口；
所述酸化气体储存罐的入口通过管路与所述酸化反应器的气体出口相连；所述酸化气体储存罐的出口与所述甲烷化反应器的气体入口相连；
所述酸化缓冲罐的入口通过管路与所述酸化反应器的液体出口相连；所述酸化缓冲罐的出口与所述酸化反应器的入口相连，所述酸化缓冲罐的出口与所述甲烷化反应器的液体入口相连；
所述甲烷化缓冲罐的入口通过管路与所述甲烷化反应器的液体出口相连，所述甲烷化缓冲罐的出口通过管路与所述酸化反应器的入口相连，所述甲烷化缓冲罐的出口通过管路与所述甲烷化反应器的液体入口相连；
优选所述酸化反应器还包括固体出口。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述甲烷化反应器的个数至少为一个。
8.根据权利要求6或7所述的系统，其中，所述酸化反应器为全混式反应器；
优选在所述酸化反应器的底部装有过滤床。
9.根据权利要求6-8任一项所述的系统，其中，所述甲烷化反应器为耐压反应器；优选所述耐压反应器的耐压范围为0-15MPa。
10.根据权利要求6-9任一项所述的系统，其中，所述甲烷化反应器装有生物填料；
优选所述生物填料的装填高度为所述甲烷化反应器高度的1/2-3/4；
还优选所述生物填料包括陶瓷填料和/或塑料填料。
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2015
- 2015-02-15 CN CN201510082327.2A patent/CN104630283B/zh active Active
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