CN104649728A - 一种处理集约化养牛场排泄物的厌氧反应罐 - Google Patents

Abstract

一种处理集约化养牛场排泄物的厌氧反应罐，所述厌氧反应罐外层设计有夹套结构，厌氧反应罐内部设有搅拌板，所述搅拌板由搅拌板主杆、搅拌板端口、搅拌板支杆和搅拌板翼杆组成，搅拌板主杆固定在旋转轴上，相邻搅拌板主杆之间夹角为30~90°，旋转轴两端设有密封圈，并且通过轴承与罐体连接。所述厌氧反应罐采用卧式设计，长径比为1:1~4。所述夹套与厌氧反应罐罐体间间距为20~40mm。所述搅拌板端口截面为圆形或者椭圆形。该厌氧反应罐采用夹套设计，为厌氧反应罐保温提供能源，使物料受热均匀，多个搅拌板交叉设计结构，有效提高搅拌效率，使得有机物代谢更彻底。

Description

一种处理集约化养牛场排泄物的厌氧反应罐

技术领域

本发明属于农业废弃物无害化处理和资源化利用领域，具体涉及一种处理集约化养牛场排泄物的厌氧反应罐。

背景技术

近年畜牧业特别是规模化养殖业的迅猛发展带来了丰富的蛋、奶、肉，同时也使原本潜在的由畜禽养殖带来的环境污染问题日益显现，畜禽的粪便和污水排放量的剧增给周围的大气、水体、土壤造成严重的污染，严重危害人类的健康和畜禽养殖业的生产安全。目前我国畜禽养殖业粪便所含污染物严重超过排污标准，其中BOD超标60-70倍、COD超标60-70倍、固体悬浮物超标12-20倍。如果这些污染物不能得到及时有效的处理，必将对周围环境和人类生活造成严重危害。养牛场粪便的处置是一个世界性难题，处置的目标就是无害化、减量化与资源化。养牛场粪便厌氧处置是将养牛场固体废弃物资源化利用的最佳途径。

集约化养殖业养牛场粪无害化处理，制成多效性有机生物肥料应用于农业生产的技术被国家环保局指定为最佳环保科技，然而养殖场粪便含水量高，难以固液分离；处理质量难以保证，难以生产质量稳定、外观漂亮的复混肥料等问题给猪粪资源化利用带来诸多困难。采用微生物工程与化学处理相结合的方法，既缩短其发酵处理时间，易控制腐熟程度，又解决脱水除臭杀菌等问题，这种方法具有美好的前景。目前处理集约化养牛场排泄物主要采用厌氧干法发酵法，将物料中的有机物质在无氧的条件下被厌氧菌群最终分解成甲烷和二氧化碳，该工艺需要采用厌氧反应罐，目前还未见针对养牛场排泄物厌氧干法发酵法设计的厌氧反应罐，在厌氧干法发酵中常见的发酵设备有如下几种：专利《餐厨垃圾处理酸化反应器》(ZL 200620039676. 2)中，针对餐厨垃圾的特点，在干式厌氧过程中定时的把酸化清液抽出，过滤后由抽吸泵抽至甲烷相反应器产甲烷，未消化的固体残渣在酸化相中继续酸化。此实用新型，消除了酸化相与甲烷相之间的相互制约，但是在往反应器进料时，需要把残渣进行粉碎浆化，并且在反应过程中需要定期的进行气动搅拌，增加了设备及能源的消耗。

在专利《一种利用高浓度固体原料制备生物燃气的干发酵装置及其方法》（CN201310049692.4）中，采用立式发酵装置对高浓度固体原料进行生物燃气干发酵，其罐体中部采用推杆及弧形推铲，其无法实现对物料的翻转和搅拌作用，无法解决所有物料的完全发酵。在专利“厨余垃圾的干式厌氧处理方法及其装置(CN201410554673.1)”中，针对餐厨垃圾的特点，采用干式厌氧过程对餐厨垃圾进行处理，反应器中设有布水装置，但没有涉及物料的翻耕，发酵完后的物料搅拌送出的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种处理集约化养牛场排泄物的厌氧反应罐，该厌氧反应罐采用夹套设计，为厌氧反应罐保温提供能源，使物料受热均匀，搅拌装置采用多个搅拌板交叉设计结构，有效提高搅拌效率，使得有机物代谢更彻底。

为了实现上述目的，本发明采用的技术手段为：

一种处理集约化养牛场排泄物的厌氧反应罐，所述厌氧反应罐外层设计有夹套结构，厌氧反应罐内部设有搅拌板，所述搅拌板由搅拌板主杆、搅拌板端口、搅拌板支杆和搅拌板翼杆组成，搅拌板主杆固定在旋转轴上，相邻搅拌板主杆之间夹角为30~90°，旋转轴两端设有密封圈，并且通过轴承与罐体连接。

所述厌氧反应罐采用卧式设计，长径比为1:1~4。

所述相邻搅拌板之间夹角为60°

所述搅拌板采用氟树脂作为外敷衬层，外敷衬层厚度在1.5-5mm。

所述夹套与厌氧反应罐罐体间间距为20 ~40mm。

所述搅拌板端口截面为圆形或者椭圆形。采用STAAD软件分析，罐顶采用圆形拱顶设计结构合理，技术先进，在保证安全可靠的前提下，钢材用量最少。圆形拱顶设计桁架结构在实验中，表现出加热均匀，物料在罐体内通过辐射和对流受热，由于圆形罐体没有死角，因此物料能受到来自各方面的辐射热运行安全可靠。

搅拌板支杆与厌氧反应罐内壁之间间距控制在2-4cm。

在厌氧反应罐内部中轴线处可以设计有抽气管，并与真空泵连接，其目的在于在使反应产生的废气迅速抽出，并使反应在负压下进行，以加速反应进程。

厌氧反应罐根据需要可以设计有温度计检测孔，进料卸料口，滤液排放孔，安全阀，视镜，自来水进口，人孔，热蒸汽入口、蒸汽输入管等。

罐体采用不锈钢双层夹套结构设计，所述夹套与罐体间间距20 ~40mm，其具有耐腐蚀、热传导快、升降温迅速、减轻和改善劳动条件等优点。

搅拌板采用“T”型结构，该结构可以减少搅拌时与物料之间的摩擦阻力，从而节约动力，发酵物料通过搅拌板的搅拌作用下完成混合过程，由于搅拌板采用交叉结构设计，搅拌板支杆和搅拌板翼杆为垂直方向，推动物料不同方向运动，使得物料作上下翻动和左右移动，形成强烈的对流作用，同时也产生扩散、剪切作用，这样在搅拌板的作用下物料在较短的时间内得到均匀的混合作用且有效降低由于发酵膨胀特性而产生的体积涨大效果，从而更有利于发酵过程的安全顺利的进行。

搅拌板采用单轴多组设计，采用不锈钢焊接制成，接缝处采用焊接工艺制成，其焊接强度与原有母材相比，强度达到原有母材的90%。搅拌板表面采用高分子材料氟树脂作为外敷衬层，厚度在1.5-5mm，外敷衬层采用高温溶融粘贴而成。板衬层与基材的附着力强，连续使用温度可达150℃，同时具有防腐耐高压的功能。搅拌板的结构如图2、图3、图4所示。搅拌板是由搅拌板主杆、搅拌板端口、搅拌板支杆、搅拌板翼杆组成，采用单轴多组搅拌板设计，以中心对称，相邻搅拌板主杆之间夹角为30~90°，优选为60°，即每六个搅拌板构成一组，在每一组各搅拌板主杆呈现60度夹角中心对称排列。因搅拌板相邻二组叶板呈现60度夹角，使得推动物料旋转时切向速度存在差异，物料作上下运动和左右翻转，形成强烈的对流作用，同时也产生扩散、剪切作用，这样在物料搅拌器的作用下物料在较短的时间内得到均匀的混合作用且有效降低由于发酵膨胀特性而产生的体积涨大效果，从而更有利于发酵过程的安全顺利的进行。

设计时将搅拌板支杆与发酵罐内壁之间间距控制在2-4cm，搅拌板与发酵罐内壁之间可以相互刮净粘结在其上的物料，强力的混合和捏合作用能有效地破碎物料物质，使料物料变成小型固体物质被推出设备，保证设备安全连续运行。

有益效果：

  本发明提供的一种处理集约化养牛场排泄物的厌氧反应罐，采用了卧式设计，占地面积小，外层设计有夹套，传热传质效果好，便于实现自动化控制，大为减少操作过程中劳动强度。搅拌板采用交叉结构设计，搅拌板支杆和搅拌板翼杆为垂直方向，推动物料不同方向运动，使得物料作上下翻动和左右移动，形成强烈的对流作用，同时也产生扩散、剪切作用，这样在搅拌板的作用下物料在较短的时间内得到均匀的混合作用且有效降低由于发酵膨胀特性而产生的体积涨大效果，从而更有利于发酵过程的安全顺利的进行，有效提高搅拌效率，使得有机物代谢更彻底。

附图说明

 图1处理集约化养牛场排泄物的厌氧反应罐结构示意图；

图2搅拌板结构示意图；

图3单轴多级不对称搅拌板排列示意图；

图4 搅拌板主杆呈现60度夹角示意图；

图5发酵罐与搅拌板位置关系示意图；

图6厌氧发酵罐径长比系统标注图；

图7厌氧反应罐工作状态管道连接示意图；

图8 混合均匀度变异系数与时间的变化曲线图。

其中：1-电机支座，2-变速电机，3-皮带轮，4-管道，5-高压蒸汽闸阀，6-减速箱，7-联轴器，8-轴承，9-夹套，10-温度计检测孔，11-进料卸料口，12-人孔，13-搅拌板，14-滤液排放孔，15-排气安全阀，16-轴承支座，17-排气阀，18-抽气管，19-厌氧反应罐，20-视镜，21-自来水闸阀，22-夹套排水阀，23-压力表，24-真空泵，25-旋转轴，26-密封圈，131-搅拌板主杆，132-搅拌板端口，133-搅拌板支杆，134-搅拌板翼杆。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种处理集约化养牛场排泄物的厌氧反应罐，所述厌氧反应罐19外层设计有夹套9结构，厌氧反应罐内部设有搅拌板13，如图2所示，搅拌板13由搅拌板主杆131、搅拌板端口132、搅拌板支杆133和搅拌板翼杆134组成，搅拌板主杆131固定在旋转轴25上，旋转轴两端设有密封圈26，并且通过轴承与罐体连接。厌氧反应罐采用卧式设计，长径比为1:3.4。搅拌板13采用氟树脂作为外敷衬层，外敷衬层厚度在2mm。搅拌板端口132截面为圆形；夹套与厌氧反应罐罐体间间距为20mm。

如图3、图4、图5所示，搅拌板采用单轴多级不对称排列方式，相邻搅拌板13之间夹角为60°，即每六个搅拌板构成一组，在每一组各搅拌板主杆呈现60度夹角中心对称排列。因搅拌板相邻二组叶板呈现60度夹角，使得推动物料旋转时切向速度存在差异，物料作上下运动和左右翻转，形成强烈的对流作用；搅拌板支杆133与发酵罐内壁之间间距控制在3cm。

根据使用的需要，可以适当在厌氧反应罐上添加温度计检测孔，进料卸料口，滤液排放孔，排气安全阀，视镜，自来水进口，人孔，热蒸汽入口、蒸汽输入管等部件，本实施例中根据处理集约化养牛场排泄物的需要，在厌氧反应罐19上设计有温度计检测孔10、压力表23位于厌氧反应罐椭圆封头端部，进料卸料口11位于厌氧反应罐上侧，人孔12位于厌氧反应罐的中间部位，滤液排放孔14位于厌氧反应罐下侧，在厌氧反应罐椭圆封头端部还设计有排气安全阀15，厌氧反应罐下侧夹套处设置夹套排水阀22，搅拌板13与抽气管18设置在厌氧反应罐中轴线内部，排气阀17通过轴承与厌氧反应罐相连。

实施例2

本实施例是采用实施例1的厌氧反应罐对集约化养牛场排泄物进行处理，所用厌氧反应罐的尺寸如下：

径长比为：D:H=1：3.4；椭圆封头几何尺寸为：h₁=600mm（曲面长度）；h₀=40mm（直边长度）；椭圆封头内表面积=6.41m²；椭圆封头容积=1.93m³；筒体几何尺寸为：H=6391mm（长度）；筒体内表面积39.82m²；筒体容积23.86m³，标注如图6所示。

为了设备正常运行，需要进行常规固定和管道连接，如图7所示，将实施例1的厌氧反应罐19通过轴承8固定在左右二个轴承支座16之间，轴承8另一端与联轴器7相连，变速电机2位于电机支座1上，由皮带轮3连接着减速箱6；减速箱6一端连接管道4，另一端与联轴器7相连，管道4上设有高压蒸汽闸阀5，抽气管18设置在厌氧反应罐19中轴线内部，排气阀17通过轴承与厌氧反应罐19相连。

高压蒸汽闸阀5与管道4、厌氧反应罐19贯通，并通过高压蒸汽为原料进行实消。

高压蒸汽闸阀5与管道4、夹套9贯通，夹套为反应器外加热层，热蒸汽通过夹套为厌氧反应罐19保温提供能源，使物料受热均匀。

联轴器7的一端与减速箱6连接，联轴器7的另一端与厌氧反应罐19连接，通过联轴器结构设计，实现电机动力系统与厌氧发酵设备的固定链接，其目的在于有利于二设备单独维修和拆卸，大大降低了维修成本。

在厌氧反应罐外层设计有夹套9结构，自来水通过自来水闸阀21、管道4，向反应器外层的夹套9输入自来水冷却，使物料受热均匀。

厌氧反应罐外设计有压力表23，用于监测罐体压力变化。通过输入蒸汽，保持实消状态下罐压为0.13～0.15Mpa。

在厌氧反应罐外设计有温度计检测孔10，用于监测反应过程中物料的温度变化情况。

在厌氧反应罐内部设计有搅拌板13，其目的在于反应器旋转时促使物料翻转；同时在厌氧反应罐与抽气管18、真空泵24贯通，其目的在于使反应罐处于负压状态，有利于加速反应进程。

在厌氧反应罐外设计有排气安全阀15，其目的在于当罐体压力突然增高或骤然急剧降低，超过罐体设计的最高允许压力值或低于罐体设计最低负压值时，安全阀自动开启，维持设备内外压力平衡；在厌氧反应罐设计有排气阀17结构，其目的在于将厌氧发酵产生的氢气、甲烷气、硫化氢等厌氧气体通过真空泵抽出系统外，也可进行回收利用，其为最洁净的清洁能源。

在厌氧反应罐设计有人孔12，其目的在于对设备检修时便于人员出入。在厌氧反应罐外设计有滤液排放孔14，其目的在于发酵过程中产生的液体从此排放口排出罐体。在厌氧反应罐外设计有视镜20结构，其目的在于便于操作人员通过视镜这一观察孔了解发酵进程、物料的变化情况、内部设备运转状况。在厌氧反应罐外设计有压力表23，其目的在于通过压力表，便于操作人员实施监测罐体压力变化，及时处理因压力突然变化给设备带来的潜在风险。

集约化养牛场排泄物取自江苏徐州市绿健乳业有限公司奶牛养殖基地，处理过程如下：

将厌氧发酵原料按照比例（养牛场排泄物：玉米淀粉:麦秆：玉米秆=1:1:0.2:0.3:0.1）从进料卸料口11加入罐内，厌氧发酵原料量以罐体全容积的45％左右计算，开高压蒸汽闸阀5，排气安全阀15微开1/4圈，打开夹套排水阀22排除冷凝水，压力升至0.15Mpa，此时温度达121～123℃，保持罐压不变。此阶段为实罐灭菌和高温熟化过程（实消是当罐内加入厌氧发酵原料后，用蒸汽对厌氧发酵原料进行灭菌的过程，厌氧反应罐实消的操作过程与空消相同）。在此期间开启电机使厌氧反应罐低速旋转，促使罐内物料均匀混合，转速10～30rpm；30分钟后停止供汽，打开排气安全阀15降压降温，并通过搅拌，加注冷却水加速冷却速度。

物料降温至37℃左右，将厌氧发酵菌液（本发明发酵所采用的厌氧发酵菌，为放线菌、产气荚膜梭菌、假单胞菌、梭状芽孢杆菌、保加利亚杆菌、假丝酵母菌和大肠菌等的混合菌群，可以从养牛场奶牛粪便中分离获取，也可以商业途径购买，目前市售的产气荚膜梭菌、梭状芽孢杆菌、保加利亚杆菌、假丝酵母菌和大肠菌等菌株均可以或通过中科院微生物研究所进行购买。）注入罐体进行接种，其接种量为罐内物料总质量的5%，开动电机使得厌氧反应罐保持低速旋转（转速10～30rpm）。

进入厌氧发酵阶段，控制罐体低速运转（转速10～30rpm），保持罐压为-0.01～-0.05MPa负压，使得微生物在负压下进行发酵。初始阶段，厌氧微生物为了适应新的物料环境，发酵进程缓慢变化，表现为代谢平稳无显著变化，为此适当开启蒸汽，控制发酵温度在37℃左右，促进微生物的生长。随着发酵进程的不断深入，微生物呈几何级数大量增殖，并产生一氧化碳、甲烷等气体（收集作为能源使用），同时伴随温度迅速升高，甚至超过60℃，此时应打开排气阀，卸载夹层蒸汽压力，对罐体降温使温度控制在37℃左右，防止菌体高温烧死。真空发酵进程中，发酵历程约为16～24h，发酵结束，产物可以被利用于池塘养鱼饲料，也可以作为肥料施用于农田，有利于土壤改良。

实施例3

本实施例为了检验本发明设计的厌氧反应罐的处理效果，将实施例2的处理设备和工艺与传统设备的处理结果相比较，在提高产品质量、缩短发酵时间、产物在物理化学和生物学性质方面存在优势：

1．与传统设备处理对比产物的性质优劣

通过对获得理想发酵菌筛选，与传统设备处理结果进行对比验证，分析在发酵进程中代谢产物的物化和生物性质的变化情况，并进行生产性的对比试验，实验效果如表1所示。

表1

对比试验得知，二种实验设备，物料中的总碳、总氮、碳氮比、含水率、氨态氮、有机质、总磷、温度、pH对比差异较大，120小时后本工艺厌氧发酵进程各项指标已经趋于平缓，进入后熟阶段，而传统设备数值波动明显，代谢仍在继续进行。试验对比可知，其有益微生物和有害微生物总菌数二种实验方法对比也存在明显地差异，传统设备有益活性菌种群数量少、活性低，则表现出代谢缓慢，而后者发酵迅速升温快，120小时则进入后熟阶段，其发酵物料颜色呈深褐色或暗褐色，通过嗅觉辨识有明显的腐熟气息，但无臭味，发酵制成品不招引蚊蝇，呈疏松的团粒结构，手感较细。说明本发明的设备条件对加快物料的发酵进度、提高粪肥的质量有着明显的效果。

2．与传统设备对比其产物肥力效果

为了实现二种设备的产品作为有机肥料，对农作物生长促进作用的对比，试验选择芹菜试验地，通过施加本发明发酵产物、传统设备代谢产物和不加任何物料的对照，分析二种方法的产品作为有机肥料对芹菜产量的影响能力，如表2所示。

表2 

使用量	不加任何物料	传统法代谢产物	本发明发酵产物
				100（g/m2）	547	597	724
200（g/m2）	591	674	781
				300（g/m2）	641	713	846

对比结果显示，本发明发酵产物作为有机肥料，对芹菜生长的促进作用远高于传统设备，以使用量300 g/m2为例，本发明设备与对照（不加任何物料）相比增产率为31.9%，与传统设备相比增产率为18.7%，其作用效果明显。

上述结果说明本发明设备所产生的制成品肥力高，由于发酵罐采用了卧式设计，在发酵管外层设计有夹套，使得发酵过程比其他设备处理的发酵更彻底，同时本发酵设备的搅拌装置设计，促进了有益微生物种群数量的增加，使得产品总氮、总磷对比传统方法有了较大的提高。

实施例4

本实施例说明本发明厌氧反应器的混合特性

将物料加入到本发明厌氧反应器中，以不同转速进行搅拌实验，同时以传统发酵罐普通机械搅拌为对照，以混合均匀度变异系数来表征混合物料的混合效果，结果见图8，反映和表达了物料的混合与时间关系。从图8可以看出混合过程是混合均匀度变异系数不断增加的过程，这也说明混合均匀度随时间不断增加。当时间到达某一时刻后，各个转速下的混合均匀度变异系数在一个范围内均在增加，即混合均匀度变异系数达到最大时，有一个最佳的混合时间。因此，不能用延长混合时间的方法来提高混合均匀度，只能用改变其他参数的方法来实现。

物料达到最佳混合状态的时间，从其折线的趋势来看，图8中看出当发明搅拌设备转速为20rpm时，混合时间用时最短，混合效果最佳，其均匀变异系数达91%，而此时传统方法均匀变异系数只有61%。实验得出，本发明搅拌设备对物料混合均匀度变异系数影响较大。

试验中发现高转速下存在“空穴”现象。当转速超过30rpm时，由于物料搅拌板带动物料高速旋转形成涡流，在搅拌板背部短时间内得不到周围物料的及时扩散补充而造成空穴，同时由于物料运动速度增大，导致离心力增大，减弱了物料的扩散混合作用，一定程度上降低了混合效果。由试验可知，反应器最佳混合转速为20rpm。

Claims (7)

1.一种处理集约化养牛场排泄物的厌氧反应罐，其特征在于：所述厌氧反应罐外层设计有夹套（9）结构，厌氧反应罐内部设有搅拌板(13)，所述搅拌板(13)由搅拌板主杆（131）、搅拌板端口（132）、搅拌板支杆（133）和搅拌板翼杆（134）组成，搅拌板主杆（131）固定在旋转轴（25）上，相邻搅拌板主杆（131）之间夹角为30~90°，旋转轴（25）两端设有密封圈（26），并且通过轴承（27）与罐体连接。

2.根据权利要求1所述的处理集约化养牛场排泄物的厌氧反应罐，其特征在于：所述厌氧反应罐采用卧式设计，长径比为1:1~4。

3.根据权利要求1所述的处理集约化养牛场排泄物的厌氧反应罐，其特征在于：所述相邻搅拌板(13)之间夹角为60°。

4.根据权利要求1所述的处理集约化养牛场排泄物的厌氧反应罐，其特征在于：所述搅拌板（13）采用氟树脂作为外敷衬层，外敷衬层厚度在1.5-5mm。

5.根据权利要求1所述的处理集约化养牛场排泄物的厌氧反应罐，其特征在于：所述夹套（9）与厌氧反应罐罐体间间距为20 ~40mm。

6.根据权利要求1所述的处理集约化养牛场排泄物的厌氧反应罐，其特征在于：所述搅拌板端口（132）截面为圆形或者椭圆形。

7.根据权利要求1所述的处理集约化养牛场排泄物的厌氧反应罐，其特征在于：所述搅拌板支杆（133）与厌氧反应罐内壁之间间距控制在2-4cm。