CN105483000B - 一种包含发酵液回流脱氮系统的多阶段发酵装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包含发酵液回流脱氮系统的多阶段发酵装置，属于生物质资源化技术领域。该装置包括进料系统、多阶段发酵系统、沼渣处理系统、固液分离系统、发酵液脱氮系统、沼液回流系统和沼液及沼渣管道、泵、阀门和流量计。其中，进料系统包括生物质预处理装置和混合进料装置；多阶段发酵系统由若干发酵罐串联或并联而成；发酵液脱氮系统由反应器、带可更换钢网的曝气装置、搅拌装置、水质调节装置和鸟粪石回收槽组成；沼液回流系统由沼液管道、泵、阀门和流量计组成。本发明所述装置具有可回收鸟粪石晶体、有效降低回流发酵液中氨氮浓度、缓解发酵体系氨抑制效应、提高发酵体系性能的特点，可应用于生物质的厌氧发酵。

Description

一种包含发酵液回流脱氮系统的多阶段发酵装置
技术领域
本发明涉及生物质资源化利用技术领域，特别是指一种包含发酵液回流脱氮系统的多阶段发酵装置。
背景技术
当前，厌氧发酵是处理生物质原料以及城市垃圾中的有机组分，例如餐厨垃圾等的有效手段之一。经过厌氧发酵处理后，这些有机质转化为大量次生产物，沼气和固液混合剩余物。其中，沼气可用于发电或作为燃料使用；固液混合剩余物不可直接进行填埋或者进入污水处理厂，需经过脱水处理。脱水后形成的沼渣和沼液再进行最终处理，沼渣可通过好氧发酵制成有机肥料；沼液由于含有较高浓度氨氮等代谢产物，不能直接作为肥料使用，而只可进入污水处理厂进行处理。
对厌氧发酵而言，针对不同原料，生产过程中通常需要加水进行稀释，且用水量较大，导致生产成本增加。为了降低运行成本、减轻后端污水处理负荷、同时为厌氧系统提供具有活性的菌群，工艺上通常选择沼液作为过程水回流，稀释原料，调整发酵基质固含率，以保证后续厌氧发酵的顺利进行。然而，沼液在回流过程中容易出现氨氮浓度的持续升高的现象。当沼液中氨氮浓度累积到一定程度时，会对产甲烷菌产生毒性，抑制其活性，从而延缓厌氧发酵的过程，造成沼气工程无法稳定地运行。因此，通过合理技术手段减少回流沼液中氨氮的累积，对提高系统稳定性及发酵效率，降低由沼液排放导致的二次污染具有重要意义。
发明内容
本发明为解决厌氧发酵系统中，沼液回流易产生的氨氮累积效应，当沼液中氨氮浓度累积到一定程度时，会对产甲烷菌产生毒性，抑制其活性，从而延缓厌氧发酵的过程，造成沼气工程无法稳定地运行等问题提供一种包含发酵液回流脱氮系统的多阶段发酵装置。
该装置包括进料系统、多阶段发酵系统、沼渣处理系统、固液分离系统、发酵液脱氮系统和沼液回流系统；
其中，进料系统由生物质预处理装置、混合进料装置、流量计和泵组成，生物质预处理装置和混合进料装置之间设置流量计和泵；
多阶段发酵系统包括一号发酵罐、二号发酵罐、三号发酵罐以及管道、泵、阀门和流量计；一号发酵罐和二号发酵罐的发酵液排放口通过调整阀门开关串联或并联地与三号发酵罐的进料泵连接；多阶段发酵系统所产发酵残渣通过残渣排放口排放至沼渣处理系统；多阶段发酵系统所产发酵液通过发酵液排放口、阀门、泵和流量计排放至固液分离系统；一号发酵罐和二号发酵罐所产发酵残渣通过残渣排放口和沼渣管道输送至三号发酵罐前端进料口处与发酵液混合后进入三号发酵罐，或通过沼渣管道和阀门连接至放空管道；
固液分离系统由固液分离器、阀门、泵和流量计组成，固液分离器进料口设置流量计和泵，沼渣出口和沼液出口都连接阀门和泵；固液分离系统所产沼液通过阀门、泵和流量计排放至发酵液脱氮系统；固液分离系统所产沼渣通过阀门、泵和流量计排放至沼渣处理系统；
发酵液脱氮系统由反应器、空气泵、带可更换钢网的曝气装置、搅拌装置、水质调节装置和鸟粪石回收槽组成，水质调节装置由水质及水位监测探头、水质控制器、泵、镁离子溶液储槽和氢氧化钠溶液组成，带可更换钢网的曝气装置和搅拌装置位于反应器内部，水质控制器与水质及水位监测探头相连，且水质及水位监测探头位于反应器内部，镁离子溶液储槽和氢氧化钠溶液通过泵与反应器相连，鸟粪石回收槽通过泵与反应器相连；
沼液回流系统由沼液管道、泵、流量计和阀门组成，沼液回流系统根据需要将处理后沼液通过泵，流量计和阀门回流至混合进料装置、一号发酵罐、二号发酵罐、三号发酵罐前端进料口处与原发酵液混合后进行反应。
其中，一号发酵罐、二号发酵罐和三号发酵罐内部均设置水质及水位监测探头、循环水泵、发酵液收集导流管，外部设置检修口、气压表、发酵液排放口和沼气收集管道。
进料系统的混合进料装置的出料口一端通过阀门连接至放空管道，另一端通过阀门、泵和流量计连接多阶段发酵系统。
多阶段发酵系统中循环水泵间歇运行。发酵液脱氮系统中阀门间歇开启，空气泵间歇运行且不与搅拌装置同时运行。
发酵液脱氮系统中，反应器中的镁离子浓度及pH值通过水质控制器监测，通过泵投加镁离子溶液储槽中所储溶液和氢氧化钠溶液进行调整；其中，镁离子溶液储槽中所储溶液为氯化镁、磷酸镁、磷酸氢镁、磷酸二氢镁、氢氧化镁、碳酸镁或碳酸氢镁中的一种。
带可更换钢网的曝气装置中的不锈钢网定期更换，更换周期为12-72小时。
沼液回流系统所连沼液排放管道中沼液排放量根据水质及水位监测探头所监测反应器中水位数据，由水质控制器自动调节阀门的开闭状态进行调控。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)沼液回流可提高发酵底物中有机物的利用率，提高沼气产量；
(2)回流沼液中氨氮可有效去除，因此，沼液回流次数可有效延长；
(3)本装置采用多级发酵，有利于维持发酵系统的稳定性。其次，在本装置中，沼液可根据需要回流至不同反应器，进一步提高了发酵的效率和系统的抗冲击能力；
(4)采用鸟粪石工艺，将沼液中的氨氮和磷转化为磷酸铵镁缓释肥料，创造了经济价值。
附图说明
图1为本发明的一种包含发酵液回流脱氮系统的多阶段发酵装置结构示意图；
图2为实施例3涉及到的装置的结构示意图；
图3为实施例4涉及到的装置的结构示意图。
其中：1-生物质预处理装置；2-流量计；3-泵；4-水质及水位监测探头；5-混合进料装置；6-阀门；7-循环水泵；8-发酵液收集导流管；9-检修口；10-气压表；11-发酵液排放口；12-残渣排放口；13-沼渣处理系统；14-固液分离器；15-反应器；16-空气泵；17-带可更换钢网的曝气装置；18-搅拌装置；19-水质控制器；20-镁离子溶液储槽；21-氢氧化钠溶液；22-鸟粪石回收槽；23-沼气收集管道；24-放空管道；25-沼液排放管道；26-一号发酵罐；27-二号发酵罐；28-三号发酵罐。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种包含发酵液回流脱氮系统的多阶段发酵装置，如图1所示，为该装置的结构示意图，该装置包括进料系统、多阶段发酵系统、沼渣处理系统13、固液分离系统、发酵液脱氮系统和沼液回流系统；
其中，进料系统由生物质预处理装置1、混合进料装置5、流量计2和泵3组成，生物质预处理装置1和混合进料装置5之间设置流量计2和泵3；
多阶段发酵系统包括一号发酵罐26、二号发酵罐27、三号发酵罐28以及管道、泵3、阀门6和流量计2；一号发酵罐26和二号发酵罐27的发酵液排放口11通过调整阀门6开关串联或并联地与三号发酵罐28的进料泵3连接；多阶段发酵系统所产发酵残渣通过残渣排放口12排放至沼渣处理系统13；多阶段发酵系统所产发酵液通过发酵液排放口11、阀门6、泵3和流量计2排放至固液分离系统；一号发酵罐26和二号发酵罐27所产发酵残渣通过残渣排放口12和沼渣管道输送至三号发酵罐28前端进料口处与发酵液混合后进入三号发酵罐28或通过沼渣管道和阀门6连接至放空管道24；
固液分离系统由固液分离器14、阀门6、泵3和流量计2组成，固液分离器14进料口设置流量计2和泵3，沼渣出口和沼液出口都连接阀门6和泵3；固液分离系统所产沼液通过阀门6、泵3和流量计2排放至发酵液脱氮系统；固液分离系统所产沼渣通过阀门6、泵3和流量计2排放至沼渣处理系统13；
发酵液脱氮系统由反应器15、空气泵16、带可更换钢网的曝气装置17、搅拌装置18、水质调节装置和鸟粪石回收槽22组成，水质调节装置由水质及水位监测探头4、水质控制器19、泵3、镁离子溶液储槽20和氢氧化钠溶液21组成，带可更换钢网的曝气装置17和搅拌装置18位于反应器15内部，水质控制器19与水质及水位监测探头4相连，且水质及水位监测探头4位于反应器15内部，镁离子溶液储槽20和氢氧化钠溶液21通过泵3与反应器15相连，鸟粪石回收槽22通过泵3与反应器15相连；
沼液回流系统由沼液管道、泵3、流量计2和阀门6组成，沼液回流系统根据需要将处理后沼液通过泵3，流量计2和阀门6回流至混合进料装置5、一号发酵罐26、二号发酵罐27、三号发酵罐28前端进料口处与原发酵液混合后进行反应。
其中，一号发酵罐26、二号发酵罐27和三号发酵罐28内部均设置水质及水位监测探头4、循环水泵7、发酵液收集导流管8，外部设置检修口9、气压表10、发酵液排放口11和沼气收集管道23。
混合进料装置5的出料口一端通过阀门6连接至放空管道24，另一端通过阀门6、泵3和流量计2连接多阶段发酵系统。
发酵液脱氮系统中，反应器15中的镁离子浓度及pH值通过水质控制器19监测，通过泵3投加镁离子溶液储槽20中所储溶液和氢氧化钠溶液21进行调整，其中，镁离子溶液储槽20中所储溶液为氯化镁、磷酸镁、磷酸氢镁、磷酸二氢镁、氢氧化镁、碳酸镁或碳酸氢镁中的一种。
带可更换钢网的曝气装置17中的不锈钢网定期更换，更换周期为12-72小时。
实施例1
使用上诉厌氧发酵装置处理某食堂产生的餐厨垃圾。餐厨垃圾在进入厌氧发酵系统前，先预处理去除粒径较大的骨头、果皮、塑料袋等。经分选餐厨垃圾用搅拌机将其破碎混匀后与回流沼液进行混合，进入混合进料装置5，调节发酵料液pH至6-6.5。经调节发酵料液经阀门6、泵3和流量计2进入一号发酵罐26进行发酵。发酵料液在一号发酵罐26中水力停留时间为1天。一号发酵罐26所产发酵液经发酵液排放口11、阀门6、泵3和流量计2进入二号发酵罐27进行发酵。发酵液在二号发酵罐27中水力停留时间为8天。二号发酵罐27所产发酵液经发酵液排放口11、阀门6、泵3和流量计2进入三号发酵罐28进行发酵。同时，一号发酵罐26和二号发酵罐27所产发酵残渣经残渣排放口12、阀门6、泵3和流量计2进入三号发酵罐28进行发酵。三号发酵罐28所产发酵残渣经残渣排放口12、阀门6和流量计2排放至沼渣处理系统13。发酵液在三号发酵罐28中水力停留时间为30天。三号发酵罐28所产发酵液经发酵液排放口11、阀门6、泵3和流量计2进入固液分离器14进行固液分离。固液分离器14所产沼渣经阀门6、泵3和流量计2排放至沼渣处理系统13。固液分离器14所产沼液经阀门6、泵3和流量计2进入发酵液脱氮系统。发酵液脱氮系统中反应器15内发酵液pH值控制在8.0-8.5，镁与磷的摩尔比控制在1.0:1-1.3:1之间。发酵液在脱氮系统中水力停留时间为4-8小时。风机流量控制在1-10L/m3发酵液/h。经发酵液脱氮系统处理的沼液一部分回流至混合进料装置5进料处与发酵原料混合。发酵原料进料负荷为6gVS/L-一号发酵罐/d。回流沼液与发酵原料体积比为0.2:1-1.5:1。另外一部分沼液通过阀门6、泵3和流量计2进入沼液排放管道25。发酵体系氢气和甲烷产率分别为240-340ml/gVS和640-950ml/gVS。鸟粪石回收率为260-370mg/L-沼液。外排沼液中氨氮浓度低于2400mg/L。
实施例2
结合图1说明本实施方式，本实施方式中经发酵液脱氮系统处理的沼液一部分等量回流至一号发酵罐26、二号发酵罐27和三号发酵罐28前端与发酵液混合后分别进入不同反应器进行发酵。整个发酵体系餐厨垃圾进料负荷提高到实施例1的1.2倍。其他连接与操作参数与实施例1相同。发酵体系氢气和甲烷产率分别为220-330ml/gVS和610-900ml/gVS。鸟粪石回收率为280-4000mg/L-沼液。外排沼液中氨氮浓度低于2700mg/L。
实施例3
结合图2说明本实施方式，本实施方式中一号发酵罐26所产发酵液经发酵液排放口11、阀门6、泵3和流量计2进入三号发酵罐28进行发酵。同时，一号发酵罐26所产发酵残渣经残渣排放口12、阀门6、泵3和流量计2进入三号发酵罐28进行发酵。三号发酵罐28所产发酵残渣经残渣排放口12、阀门6和流量计2排放至沼渣处理系统13。发酵液在三号发酵罐28中水力停留时间为35天。三号发酵罐28所产发酵液经发酵液排放口11、阀门6、泵3和流量计2进入固液分离器14进行固液分离。其他连接与操作参数与实施例1相同。发酵体系氢气和甲烷产率分别为50-90ml/gVS和550-860ml/gVS。鸟粪石回收率为270-400mg/L-沼液。外排沼液中氨氮浓度低于2500mg/L。
实施例4
结合图3说明本实施方式，本实施方式中发酵料液在三号发酵罐28中水力停留时间为45天。三号发酵罐28所产发酵液经发酵液排放口11、阀门6、泵3和流量计2进入固液分离器14进行固液分离。三号发酵罐28所产发酵残渣经残渣排放口12、阀门6和流量计2排放至沼渣处理系统13。其他连接与操作参数与实施例1相同。发酵体系氢气和甲烷产率分别为10-70ml/gVS和460-750ml/gVS。鸟粪石回收率为260-390mg/L-沼液。外排沼液中氨氮浓度低于3700mg/L。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种包含发酵液回流脱氮系统的多阶段发酵装置，其特征在于：该装置包括进料系统、多阶段发酵系统、沼渣处理系统（13）、固液分离系统、发酵液脱氮系统和沼液回流系统；
其中，进料系统由生物质预处理装置（1）、混合进料装置（5）、流量计（2）和泵（3）组成，生物质预处理装置（1）和混合进料装置（5）之间设置流量计（2）和泵（3）；
多阶段发酵系统包括一号发酵罐（26）、二号发酵罐（27）、三号发酵罐（28）以及管道、泵（3）、阀门（6）和流量计（2）；一号发酵罐（26）和二号发酵罐（27）的发酵液排放口（11）通过调整阀门（6）开关串联或并联地与三号发酵罐（28）的泵（3）连接；多阶段发酵系统所产发酵残渣通过残渣排放口（12）排放至沼渣处理系统（13）；多阶段发酵系统所产发酵液通过发酵液排放口（11）、阀门（6）、泵（3）和流量计（2）排放至固液分离系统；一号发酵罐（26）和二号发酵罐（27）所产发酵残渣通过残渣排放口（12）和沼渣管道输送至三号发酵罐（28）前端进料口处与发酵液混合后进入三号发酵罐（28）或通过沼渣管道和阀门（6）连接至放空管道（24）；
固液分离系统由固液分离器（14）、阀门（6）、泵（3）和流量计（2）组成，固液分离器（14）进料口设置流量计（2）和泵（3），沼渣出口和沼液出口都连接阀门（6）和泵（3）；固液分离系统所产沼液通过阀门（6）、泵（3）和流量计（2）排放至发酵液脱氮系统；固液分离系统所产沼渣通过阀门（6）、泵（3）和流量计（2）排放至沼渣处理系统（13）；
发酵液脱氮系统由反应器（15）、空气泵（16）、带可更换钢网的曝气装置（17）、搅拌装置（18）、水质调节装置和鸟粪石回收槽（22）组成，水质调节装置由水质及水位监测探头（4）、水质控制器（19）、泵（3）、镁离子溶液储槽（20）和氢氧化钠溶液（21）组成，带可更换钢网的曝气装置（17）和搅拌装置（18）位于反应器（15）内部，水质控制器（19）与水质及水位监测探头（4）相连，且水质及水位监测探头（4）位于反应器（15）内部，镁离子溶液储槽（20）和氢氧化钠溶液（21）通过泵（3）与反应器（15）相连，鸟粪石回收槽（22）通过泵（3）与反应器（15）相连；
沼液回流系统由沼液管道、泵（3）、流量计（2）和阀门（6）组成，沼液回流系统根据需要将处理后沼液通过泵（3），流量计（2）和阀门（6）回流至混合进料装置（5）、一号发酵罐（26）、二号发酵罐（27）、三号发酵罐（28）前端进料口处与原发酵液混合后进行反应；
所述发酵液脱氮系统中阀门（6）间歇开启，空气泵（16）间歇运行且不与搅拌装置（18）同时运行；
所述带可更换钢网的曝气装置（17）中的不锈钢网定期更换，更换周期为12-72小时。
2.根据权利要求1所述的一种包含发酵液回流脱氮系统的多阶段发酵装置，其特征在于：所述一号发酵罐（26）、二号发酵罐（27）和三号发酵罐（28）内部均设置水质及水位监测探头（4）、循环水泵（7）、发酵液收集导流管（8），外部设置检修口（9）、气压表（10）、发酵液排放口（11）和沼气收集管道（23）。
3.根据权利要求1所述的一种包含发酵液回流脱氮系统的多阶段发酵装置，其特征在于：所述进料系统的混合进料装置（5）的出料口一端通过阀门（6）连接至放空管道（24），另一端通过阀门（6）、泵（3）和流量计（2）连接多阶段发酵系统。
4.根据权利要求1所述的一种包含发酵液回流脱氮系统的多阶段发酵装置，其特征在于：所述多阶段发酵系统中循环水泵（7）间歇运行。
5.根据权利要求1所述的一种包含发酵液回流脱氮系统的多阶段发酵装置，其特征在于：所述发酵液脱氮系统中，反应器（15）中的镁离子浓度及pH值通过水质控制器（19）监测，通过泵（3）投加镁离子溶液储槽（20）中所储溶液和氢氧化钠溶液（21）进行调整；其中，镁离子溶液储槽（20）中所储溶液为氯化镁、磷酸镁、磷酸氢镁、磷酸二氢镁、氢氧化镁、碳酸镁或碳酸氢镁中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种包含发酵液回流脱氮系统的多阶段发酵装置，其特征在于：所述沼液回流系统所连沼液排放管道（25）中沼液排放量根据水质及水位监测探头（4）所监测反应器（15）中水位数据，由水质控制器（19）自动调节阀门（6）的开闭状态进行调控。
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